我國科學家實現二氧化碳“變廢爲寶”新途徑，中國科學家團隊再次實現二氧化碳“變廢爲寶”，將二氧化碳還原合成葡萄糖和油脂。我國科學家實現二氧化碳“變廢爲寶”新途徑。
我國科學家實現二氧化碳“變廢爲寶”新途徑1
日前，我國科學家獨創了一種二氧化碳轉化新路徑，通過電催化與生物合成相結合，成功以二氧化碳和水爲原料合成了葡萄糖和脂肪酸，爲人工和半人工合成“糧食”提供了新路徑。
將二氧化碳人工轉化爲高附加值化合物，“變廢爲寶”，是科技界持續攻關的重要領域。我國科學家此前在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。二氧化碳除了可以“變”澱粉，還能“變”其他東西嗎？這項成果給出了肯定答案。
通過電化學耦合生物發酵實現將二氧化碳和水轉化爲長鏈產品的示意圖。（研究團隊供圖）
葡萄糖和油脂是重要的糧食成分，通過催化過程將二氧化碳轉化爲葡萄糖或者油脂，長期以來國內外研究者衆多，但成功案例非常罕見。
此項研究中，科研人員首先將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，然後用釀酒酵母對乙酸進行發酵。“這個過程可以理解爲，先將二氧化碳轉化爲釀酒酵母的‘食物’乙酸，然後釀酒酵母不斷‘吃醋’來合成葡萄糖和脂肪酸。”研究完成者之一、中國科學技術大學教授曾傑說。
自然界中糧食作物生長受季節、地域、氣候的影響，此項研究完全實現人工可控，突破了衆多外界條件限制。“利用這種電催化與生物合成相結合的模式，‘從無到有’地在克級水平合成了葡萄糖，這顯示了該策略較高的生產水平與發展潛力。” 研究完成者之一、中國科學院深圳先進技術研究院研究員于濤說。
“未來，如果要合成澱粉、製造色素、生產藥物等，只需保持電催化設施不變，更換髮酵使用的微生物就能實現。” 研究完成者之一、電子科技大學教授夏川表示，從科研成果的產出到規模化應用仍有較長距離，有賴於相關技術的全面提升和成本的持續降低。未來，將進一步研究電催化與生物發酵這兩個平臺的同配性和兼容性。
上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新院士評價：該研究開闢了電化學結合活細胞催化製備葡萄糖等糧食產物的新策略，爲進一步發展基於電力驅動的新型農業與生物製造業提供了新範例，是二氧化碳利用的重要發展方向。
該成果28日以封面文章形式在國際學術期刊《自然·催化》發表。
我國科學家實現二氧化碳“變廢爲寶”新途徑2
我國科學家最新研究表明，通過電催化結合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。該成果以封面文章形式，於北京時間4月28日發表於國際期刊《自然·催化》上。這項突破爲人工和半人工合成“糧食”提供了新技術，爲進一步發展基於電力驅動的新型農業與生物製造業提供了新範例。
去年9月，我國科學家在合成生物學領域取得重大突破，在國際上首次在實驗室實現了二氧化碳到澱粉的從頭合成。那麼，二氧化碳除了可以合成澱粉，還能合成其他東西嗎？
日前，由電子科技大學夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院于濤課題組與中國科學技術大學曾傑課題組共同完成的最新研究表明，通過電催化結合生物合成的方式，將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物可以合成葡萄糖和脂肪酸。
北京時間4月28日，該成果以封面文章形式發表於國際期刊《自然·催化》上。“該工作爲人工和半人工合成‘糧食’提供了新技術。”中國科學院院士、中國化學會催化專業委員會主任李燦說。
研究團隊通過固態電解質反應器製備的乙酸水溶液。研究團隊供圖
二氧化碳先轉化爲一氧化碳，再合成乙酸
二氧化碳究竟如何合成葡萄糖和脂肪酸？
“首先，我們需要把二氧化碳轉化爲可供微生物利用的‘原料’，方便微生物發酵。”曾傑說，清潔、高效的電催化技術可以在常溫常壓條件下工作，是實現這個過程的理想選擇。
至於要轉化爲哪種“原料”，研究人員將目光瞄準了乙酸。因爲乙酸不僅是食醋的主要成分，也是一種優秀的生物合成碳源，可以轉化爲葡萄糖等其他生物物質。
“二氧化碳直接電解可以得到乙酸，但效率不高，所以我們決定分兩步——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸。”曾傑說。
目前，一氧化碳到乙酸的電合成效率（即乙酸法拉第效率）和純度不盡如人意。對此，科研人員發現，一氧化碳通過脈衝電化學還原工藝形成的晶界銅催化合成乙酸法拉第效率可達52%。
“實際生產中，提升電流可以提升功率，但是可能會降低法拉第效率。”夏川說，就好比把每天的工作時間從8小時延長到12小時，雖然時間更久，但工作效率反而會下降。“因此，我們把最高偏電流密度提升到321mA/cm2（毫安/平方釐米）時，乙酸法拉第效率仍保持在46%，能夠較好地保持高電流和高法拉第效率的平衡。”
不過，常規電催化裝置生產出的乙酸混合着很多電解質鹽，無法直接用於生物發酵。所以，爲了“餵飽”微生物，不僅要提升轉化效率，保證“食物”的數量，還要得到不含電解質鹽的純乙酸，保證“食物”的質量。
“我們利用新型固態電解質反應裝置，使用固態電解質代替原本的電解質鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液。”夏川介紹，利用該裝置，能超140小時連續製備純度達97%的乙酸水溶液。
固態電解質反應器。研究團隊供圖
把乙酸“喂”給釀酒酵母，生成葡萄糖和脂肪酸
得到乙酸後，科研人員開始嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。
“釀酒酵母主要用於奶酪、饅頭、酒等食品的發酵，同時也常被用作微生物製造與細胞生物學研究的模式生物。”于濤說，利用釀酒酵母通過乙酸來合成葡萄糖的過程，就像是微生物在“吃醋”。釀酒酵母通過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖。
然而，在這個過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量並不高。爲了解決這一問題，科研團隊通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的3個關鍵酶元件，廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。敲除之後，實驗中的工程酵母菌株在搖瓶發酵的條件下，合成的葡萄糖產量達到1.7g/L（克/升）。
“利用模式生物釀酒酵母‘從無到有’的在克級水平合成葡萄糖，這代表了該方式較高的生產水平與發展潛力。”于濤說，爲了進一步提升合成的葡萄糖產量，不僅要廢除釀酒酵母代謝葡萄糖的能力，還要加強它本身積累葡萄糖的能力。
於是，科研人員又敲除了兩個疑似具備代謝葡萄糖能力的酶元件，同時插入來自泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件。
于濤表示，這兩種酶可以將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化爲葡萄糖，加強了酵母菌積累葡萄糖的能力。經過改造後的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到2.2g/L，產量提高了30%。
在利用乙酸製備脂肪酸的過程中，研究人員通過類似的基因編輯技術，強化了酵母細胞生成脂肪酸的能力。經過改造後的酵母菌株對脂肪酸的產量達到448.5mg/L（毫克/升）。
新型催化方式，有助於高效製備高附加值化學品
中國科學院院士、上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新認爲，這項研究工作開闢了電化學結合活細胞催化製備葡萄糖等糧食產物的新策略，爲進一步發展基於電力驅動的新型農業與生物製造業提供了新範例，是二氧化碳利用方面的重要方向。
近年來，隨着新能源發電的迅速崛起，二氧化碳電還原技術已經具備與依賴化石能源的傳統化工工藝競爭的潛力。因此，研究關於二氧化碳電還原製備高附加值化學品及燃料的高效工藝，被學界認爲是實現零碳排放的重要研究方向之一。
目前，如何高效、可持續地將二氧化碳轉化爲富含能量的長鏈分子仍是巨大挑戰。
夏川說：“爲了規避二氧化碳電還原的產物侷限性，可考慮將二氧化碳電還原過程與生物過程相耦合，以電催化產物作爲電子載體，供微生物後續發酵合成長碳鏈的化學產品，進而用於生產和生活。”
合適的電子載體對微生物發酵至關重要。由於二氧化碳電還原的氣相產物均難溶於水，生物利用效率低，因此優先選擇二氧化碳電還原的液相產物作爲生物發酵的電子載體。
然而，普通電化學反應器中所得的液體產物是與電解質鹽混在一起的混合物，不能直接用於生物發酵。固態電解質反應器的開發有效解決了二氧化碳電還原液體產物分離的問題，可以連續穩定地爲微生物發酵提供液態電子載體。
微生物的優點是產物多樣性很高，能夠合成許多無法通過人工生產或人工生產效率很低的化合物。
曾傑表示：“接下來，我們將進一步研究電催化與生物發酵這兩個平臺的同配性和兼容性。”未來如果要合成澱粉、製造色素、生產藥物等，只需保持電催化設施不改變，更換髮酵使用的微生物就能實現。
我國科學家實現二氧化碳“變廢爲寶”新途徑3
改造後用於製備葡萄糖的酵母菌株發酵液(棕色溶液)，及製備的葡萄糖(白色溶液)。研究團隊供圖
二氧化碳除了可以“變”澱粉，還能“變”其他東西嗎？中國科學家最新給出的答案是“能”——可以還原合成葡萄糖和油脂。
繼在國際上首次實現二氧化碳到澱粉的從頭合成之後，中國科學家團隊再次實現二氧化碳“變廢爲寶”，他們通過電催化結合生物合成的方式，成功將二氧化碳高效還原合成高濃度乙酸，進一步利用微生物可以合成葡萄糖和油脂。
這一重磅科研成果由電子科技大學夏川課題組、中國科學院深圳先進技術研究院于濤課題組和中國科學技術大學曾傑課題組共同完成，北京時間4月28日夜間，研究論文在國際專業學術期刊《自然-催化》以封面文章形式發表。
溫和條件下工業廢氣變“食醋”
在本次研究中，二氧化碳究竟是如何變成葡萄糖和油脂的呢？
曾傑科普介紹說，首先，需要把二氧化碳轉化爲可供微生物利用的原料，方便微生物發酵。清潔、高效的電催化技術可以在常溫常壓條件下工作，是實現這個過程的理想選擇，他們團隊就此已發展很多成熟的'電催化劑體系。
至於要轉化爲哪種“原料”，研究人員將目光瞄準了乙酸。因爲它不僅是食醋的主要成分，也是一種優秀的生物合成碳源，可以轉化爲葡萄糖等其他生物物質。
“二氧化碳直接電解可以得到乙酸，但效率不高，所以我們採取‘兩步走’策略——先高效得到一氧化碳，再從一氧化碳到乙酸。”曾傑說。
夏川指出，常規電催化裝置生產出的乙酸混合着很多電解質鹽，無法直接用於生物發酵。所以，爲了“餵飽”微生物，不僅要提升轉化效率，保證“食物”的數量，還要得到不含電解質鹽的純乙酸，保證“食物”的質量。
研究團隊利用新型固態電解質反應裝置，使用固態電解質代替原本的電解質鹽溶液，直接得到了無需進一步分離的純乙酸水溶液。利用該裝置，能在穩定電流密度內，超140小時連續製備純度達97%的乙酸水溶液。
▲體外二氧化碳人工合成高能長鏈食品分子示意圖
微生物“吃醋”產葡萄糖
于濤說，得到乙酸後，研究團隊嘗試利用釀酒酵母這一微生物來合成葡萄糖。這個過程，就像是微生物在“吃醋”，釀酒酵母通過不斷地“吃醋”來合成葡萄糖，但在這個過程中，釀酒酵母本身也會代謝掉一部分葡萄糖，所以產量並不高。
對此，研究團隊通過敲除釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個關鍵酶元件，廢除了釀酒酵母代謝葡萄糖的能力。敲除之後，實驗中的工程酵母菌株在搖瓶發酵的條件下，合成的葡萄糖產量達到1.7克每升。
爲進一步提升合成的葡萄糖產量，不僅要廢除釀酒酵母的能力，還要加強它本身積累葡萄糖的能力。於是，研究人員又敲除了兩個疑似具備代謝葡萄糖能力的酶元件，同時插入來自泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件。
于濤表示，這兩種酶可以“另闢蹊徑”，將酵母體內其他通路中的磷酸分子轉化爲葡萄糖，增加了酵母菌積累葡萄糖的能力。經過改造後的工程酵母菌株的葡萄糖產量達到2.2克每升，產量提高30%。
▲釀酒酵母菌株工程改造
新型催化方式助力高附加值化合物生產
近年來，隨着新能源發電的迅速崛起，電力成本下降，二氧化碳電還原技術已經具備與依賴化石能源的傳統化工工藝競爭的潛力。因此，高效的二氧化碳電還原製備高附加值化學品和燃料的工藝被學界認爲是建設未來“零碳排放”物質轉化的重要研究方向之一。
夏川表示，爲了規避二氧化碳電還原的產物侷限性，可考慮將二氧化碳電還原過程與生物過程相耦合，以電催化產物作爲電子載體，供微生物後續發酵合成長碳鏈的化學產品用於生產和生活。
微生物作爲活細胞工廠，其優點是產物多樣性很高，能夠合成許多無法通過人工生產或人工生產效率很低的化合物，是非常豐富的“物質合成工具箱”。
曾傑認爲，通過電催化結合生物合成的新型催化方式，可以有效提高碳的附加值。研究團隊後續將進一步研究電催化與生物發酵這兩個平臺的同配性和兼容性。未來，如果要合成澱粉、製造色素、生產藥物等，只需保持電催化設施不改變，更換髮酵使用的微生物就能實現。
爲人工半人工合成“糧食”提供新技術
中國科學院院士、中國催化專業委員會主任李燦研究員評價說，這項最新研究工作耦合人工電催化與生物酶催化過程，發展了一條由水和二氧化碳到含能化學小分子乙酸，後經工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和遊離的脂肪酸等高附加值產物的新途徑，爲人工和半人工合成“糧食”提供了新的技術。
中國科學院院士、上海交通大學微生物代謝國家重點實驗室主任鄧子新認爲，該研究工作開闢了電化學結合活細胞催化製備葡萄糖等糧食產物的新策略，爲進一步發展基於電力驅動的新型農業與生物製造業提供了新範例，是二氧化碳利用方面的重要發展方向。
