專訪丨整合系統將CO快速轉化為生物塑膠，大幅超越光合轉化效率

人類的衣食住行離不開糖類、油脂、石油、天然氣等有機化合物，這些有機物都直接或間接來源於光合作用。光合作用被稱為地球上最重要的化學反應，不但儲存了太陽光能，還固定了溫室氣體二氧化碳。在這一過程中，生物利用太陽光能從二氧化碳和水合成碳水化合物。

自然界的光合作用效率一般不高，在大部分植物中

不會超過 1%。

這意味著，光合作用中吸收的太陽光能有幾乎 99% 並未用於生產有機物。那麼，如何讓太陽光能更多地流向有機物呢？

光合作用效率= 光合作用製造的有機物中的能量/光合作用中吸收的光能

科學家們設想透過構建人工光合體系、半人工光合體系，仍然以二氧化碳為原料，同時提高能量轉化效率、有機物合成速率。目前已在實驗室取得諸多進展。

2021 年，中國科學家透過耦合化學催化與生物催化模組體系，在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。這一人工途徑包括 11 步主反應。澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的 8。5 倍。

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發表於 Science 。

在今年發表於 Nature Food 的

一項研究

中，美國加州大學河濱分校和特拉華大學研究人員聯手，結合太陽能電池板為電催化提供電能，首先使用串聯的兩步電解系統將二氧化碳還原為乙酸鹽，即

CO

2→CO→乙酸鹽；再將乙酸鹽作為碳源和能量提供給生物體系用於食品生產。能量轉化效率約比自然界的光合作用高 4 倍。

近期，這種電化學-生物組合的人工光合作用體系再次實現了新突破。研究人員透過對

電催化、化學-生物界

面和微

生物

的

系統化的設計

，實現了從二氧化碳

整合、連續和快速

地生產

生物產品

，其 PHA 生物塑膠的生產效率和能量效率達到了

創紀

錄

的水平。相關文章以題“

Chem-Bio interface design for rapid conversion of CO to bioplastics in an integrated system

”發表在化學領域著名期刊 Chem 上。

（來源：chem）

該研究創新性地利用

可溶性二碳分子

作為電催化二氧化碳還原到生物轉化的中間體，克服了

化學和生物轉換

的整合中存在的

中間的不相容

性

、苛刻的化學催化條件

，以及

低效的質量、能量和電子轉移

等問題。

戴沅

和

袁戎華

共同作為本文的通訊作者。

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圖丨戴沅（來源：受訪者提供）

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圖丨袁戎華（來源：受訪者提供）

戴沅

是美國德州農工大學植物病理和微生物學系終身教授，土木與環境工程系兼職教授。

袁戎華

是聖路易斯華盛頓大學洛帕塔講席教授，能源，環境與化學工程系系主任，英國皇家化學學會會士。

六大創新，太陽光能到生物質的轉化效率達到 4。5%

“我們的思路是利用太陽光能轉化而來的電能進行電催化，將二氧化碳還原成生物轉化可以利用的中間體，再透過生物轉化來生產各種各樣的有機產品”，

袁戎華

說，“目前市面上的太陽能光電板的光電轉換效率能達到 23%，一些沒有產業化的技術甚至能達到 50%。”

僅從思路來看，該研究與上文提到的兩項研究有著相近的目標。實際上，據

戴沅

和

袁戎華

介紹，團隊在研究過程中進行了

六大創新

，進而使得這項研究

向著產業

化發展跨進了一大步。

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圖丨圖形化摘要（來源：受訪者提供）

其一，前沿的中間產物，如

乙醇、乙酸鹽、C3 化合物。

與目前的系統中常用的中間產物 C1 中間體和氫氣相比，

可溶性的 C2 中間產物

可以促進快速的質量轉移，容易進入初級代謝，毒性較小，攜帶更多的能量和電子，並作為許多微生物的更好的分子構件。文章的第一張圖就對各種化學催化和生物轉化的中間體進行了比較，得出二碳中間體優於其他中間產物的結論。

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圖丨電-微生物

CO

2 轉化的不同路線示意圖和 EMC2 系統的系統設計（來源：受訪者提供）

其二，一個整合的 EMC2 系統。團隊設計了一個串聯絡統，將二氧化碳電還原單元（電解槽）和微生物發酵單元（發酵罐）透過管道泵連線，細胞培養基在兩個單元之間迴圈，將電催化還原獲得的可溶性 C2 中間產物高效地傳質到發酵罐，用於微生物發酵。

“相比於‘分步式’的做法，我們認為

一個整合的系統才能更好地促進產業化

，”

袁戎華

說。“在這個整合體系裡，電子的傳遞、能量的傳遞、傳質都大大地加快，由此對應很高的轉化效率和生產效率。”

其三，電解液。

“電解液即營養液，營養液即電解液，”

袁戎華

這樣概括道。基於該系統的串聯特性，電解液/營養液既要跟電化學反應相匹配，又要作為微生物生長的基礎溶液。

“我們用的是一種磷酸基的電解液/培養液，目前用這種電解液去產生 C2、C3 的電化學催化產物的研究還非常少。絕大多數使用的是強鹼性的電解液，對於生物體來說是完全不可用的。這也是將化學和生物反應結合起來的重要切入點。”

戴沅

補充說。

其四，催化劑。在生物相容性條件下，催化劑的設計和配置對於 C2 生產率至關重要。“團隊研究發現，使用幾種典型的二氧化碳電還原催化劑（包括 CuO、

Cu

2

O

和 Cu-B）時，更利於

氫氣、甲酸鹽

和

其他 C1 化合物

的產生。基於這些發現，我們選擇了金屬銅基催化劑，其在磷酸鹽電解質下可以保持更好的催化特性。”

其五，Chem-Bio 介面設計實現電催化和生物轉化的相容。為了確保微生物轉化不會干擾二氧化碳電化學還原反應，團隊選擇

在 Cu/PTFE 催化劑上安裝一個陰離子交換膜（AEM），

設計了一個膜整合陰極。同時，這一設計又保持了電極上的

CO

2 電催化還原效率。

其六，工程菌。設計微生物以有效地將 C2 化合物引向目標產物的合成，並加強對目標生物產品的碳流量。對於菌種的改造包括以下方面，第一是能夠更有效地利用 C2 和 C3 化合物；第二是能夠提高產品的轉化率；第三是能夠控制產品類別。

文章中指出，綜合以上一系列創新，EMC2 系統實現了

0.105 OD600/h

的微生物生長率，是以甲酸或者氫氣作為電子供體的研究的

6~8 倍

；PHA 的累積量在

24 小時內

可以達到

556.2 毫克/升

，生產率是以水裂解產生的氫氣驅動的 PHB 生產率的

4.7 倍

，是最新的電化學微生物二氧化碳轉化（EMC）系統的 PHB 生產率的

10.3 倍

。

EMC2 系統生產的 PHA 還具有

顯著提高

的

產品鏈長度。

“該項研究從太陽光能到生物質的轉化效率達到

4.5%。

”

袁戎華

補充道。這已經是當前相關研究的前沿水平。

PHA 的生產是第一步，將面向更多生物產品

“目前我們的研究已經將能量轉化效率提升至 4。5%，如果繼續發展這樣一個體系，更高效地利用太陽能生產有機分子，將有望實現真正的低碳經濟，解決人類文明最需要解決的問題之一。

“該研究以生物塑膠作為插入點，主要是針對人類亟待解決的兩個問題，一個是二氧化碳的捕捉和利用；另一個是石化塑膠的累積。綜合來說就是應對環境的可持續發展中的挑戰。”

袁戎華

表示。

“不過，PHA 的生產只是第一步”，

戴沅

接著說道，“基於已搭建的這一系統，結合合成生物學，我們可以改造更廣泛的菌，生產更廣泛的產品。”

“能夠做到這一點，是因為我們創新後的系統提供了一個

非常普適的環境

，

該環境適用於

任何能夠轉化二氧化碳電催化後產生的中間產物

的菌種，用以生產

長鏈生物分子

。工業上的模式菌株放進來也能夠很迅速地生長。如果有一個符合條件的菌種可以生產抗癌藥，那它完全可以變成一個抗癌藥的生產平臺。這就意味著該平臺從基礎研究過渡到實用性，突破了很大的一個瓶頸。”

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圖丨整合的 EMC2 系統及其電化學-生物二氧化碳轉化效能（來源：受訪者提供）

袁戎華

再次強調，這個混合系統將生物和化學結合起來，像是“蜘蛛人”一樣，讓我們可以將生物層面無法解決的問題透過化學手段來解決，因此能夠極大地提高轉化效率和生產效率。

“我們為工業化生產畫了一個藍圖，還有很多工程方面的問題需要解決，包括進一步的體系放大、菌株改造和系統整合。接下來，將從更廣泛的產品和途徑方面去突破。”