摘要：随着化学工业的快速发展，二氧化碳（CO₂）排放成为了全球面临的严峻问题。传统的化石燃料依赖的工业生产不仅释放了大量的 CO₂，还消耗了大量的能源，因此，科学家们正在迫切寻找新的方法，通过利用 CO₂ 作为原料生产出有价值的化学品和生物制品。
随着化学工业的快速发展，二氧化碳（CO₂）排放成为了全球面临的严峻问题。传统的化石燃料依赖的工业生产不仅释放了大量的 CO₂，还消耗了大量的能源，因此，科学家们正在迫切寻找新的方法，通过利用 CO₂ 作为原料生产出有价值的化学品和生物制品。
近日，加州大学伯克利分校杨培东、Douglas S. Clark 研究团队发表于 PNAS 的一篇题为“CO₂ upgrading into bioproducts using a two-step abiotic–biotic system”的研究中，研究团队提出了一种创新的两步“非生物—生物系统”，实现将 CO₂ 转化为有价值的生物聚合物——聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)，在实验室规模下实现了 32 mg/L/h 的 PHB 产率，并成功提取出纯净 PHB 粉末，为 CO₂ 资源化利用提供了新路径。
杨培东是世界顶尖纳米材料学家。首创纳米线太阳能电池，首创纳米线太阳能电池、纳米线探针，提出纳米生物人工光合作用系统新概念，构筑了“人工树叶”，开创纳米光电子学，提出人工光合作用新概念，2015 年获美国麦克阿瑟天才奖。
这项技术的关键创新在于将 CO₂ 的电化学还原与微生物合成相结合，形成一个两步联合作用系统。
图｜CO₂ 转化为 PHB 的两步联合作用系统示意图
在第一步中，研究团队通过电化学反应将 CO₂ 转化为 C₂ 含氧化合物（如乙酸盐等）；在随后的生物升级阶段，研究人员利用一种名为 Cupriavidus necator 的细菌，利用乙酸盐作为碳源合成 PHB。
通过这一两步流程，研究团队成功实现了 CO₂ 的高效转化，不仅大大降低了生产成本，还避免了传统化学合成过程中的有毒副产物生成。
为了进一步提升两步联合作用系统转化效率，研究团队还提出了一系列优化措施。
电化学催化剂设计与优化。电化学 CO₂ 还原是实现整个系统高效运行的关键。研究团队采用 Cu–Ag 双金属催化剂，通过精确调控 Ag 与 Cu 的比例，显著提升了 C–C 偶联反应的选择性，从而高效生成乙酸盐。
图｜CO₂ 流速和催化剂中 Ag 的比例是影响产物选择性的关键因素
实验表明，当 Ag 含量为 45% 时，C₂ 含氧化合物的法拉第效率最高，可达到 44%，其中乙酸为 26%，乙醇为 18%。在 400 mA/cm² 的高电流密度下，该系统仍能稳定运行，展现了其具备工业化应用的潜力。催化剂的微观结构同样经过了团队精心设计，透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）图像显示，Cu 和 Ag 纳米颗粒在电解过程中发生迁移和团聚，形成紧密接触的催化界面，进一步促进了 CO₂ 向 C₂ 化合物的转化。
微生物发酵。尽管电化学段转化效率显著，但在生物转化阶段，当乙酸浓度过高时，会影响 Cupriavidus necator 的细胞活性和 PHB 合成能力，为解决这一难题，研究团队在微生物培养条件上进行了多维度优化，包括调节 pH 值、控制营养盐浓度以及采用阶段式培养策略，确保了最大限度地提高了 PHB 的合成效率。
图｜通过尼罗红染色和共聚焦显微镜观察，可清晰看到细胞内积累的 PHB 颗粒
实验结果表明，在最优条件下，该菌株的 PHB 产率可达 32 ± 3.5 mg/L/h，最终细胞中 PHB 含量高达干重的 75%，通过尼罗红染色和共聚焦显微镜观察，可清晰看到细胞内积累的 PHB 颗粒。
此外，为了获得纯化形式的 PHB，研究人员使用 1,3-二氧戊环（一种以高效溶解 PHB 而闻名的绿色溶剂）从收获的细胞中提取了该聚合物。提取得到 61 mg 细粉状 PHB，进一步证明了其成功的生物合成和积累。
总之，该研究不仅为 CO₂ 的资源化利用提供了新思路，也为生物制造行业的可持续发展指明了方向。未来，随着电催化剂稳定性、生物耐受性和系统集成度的进一步提升，该策略有望扩展至其他高附加值生物制品的生产中，为碳中和目标提供坚实的技术支撑。
参考文献：
1. G. Lee,H. Jo,J. Choi,M.F. Guzman,Y. Shan,H.K.D. Le,J. Feijoo,N. Soland,D.S. Clark, & P. Yang, CO2 upgrading into bioproducts using a two-step abiotic–biotic system, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (34) e2512565122, https://doi.org/10.1073/pnas.2512565122 (2025).
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来源：生辉SciPhi
