“二氧化碳人工合成淀粉”的科研成果此前備受關(guān)注，在5月27日舉行的中關(guān)村論壇第二屆碳達(dá)峰碳中和科技論壇上，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和表示，目前科研團(tuán)隊(duì)建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級(jí)中試裝置，正在進(jìn)行測(cè)試，“二氧化碳人工合成淀粉”在理論、技術(shù)和工程上同步推進(jìn)。

(資料圖)

中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所所長(zhǎng)馬延和在中關(guān)村論壇第二屆碳達(dá)峰碳中和科技論壇上發(fā)表主旨演講。主辦方供圖

各國(guó)對(duì)二氧化碳生物轉(zhuǎn)化利用高度關(guān)注

二氧化碳排放與氣候變化已經(jīng)成為全球關(guān)注的問(wèn)題。當(dāng)下，工業(yè)化進(jìn)程使自然界碳循環(huán)系統(tǒng)平衡被打破，森林、海洋、濕地等二氧化碳“調(diào)節(jié)器”無(wú)法完全回收化石資源向大氣中排放的二氧化碳。

“在‘雙碳’目標(biāo)下，如果我們能把二氧化碳作為工業(yè)原料用起來(lái)，將為經(jīng)濟(jì)綠色可持續(xù)發(fā)展提供戰(zhàn)略支撐?！瘪R延和說(shuō)，二氧化碳轉(zhuǎn)化利用途徑包括物理封存、化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化。其中化學(xué)轉(zhuǎn)化目前每年可轉(zhuǎn)化5億噸二氧化碳，潛力很大。而在生物轉(zhuǎn)化方面，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然進(jìn)化，地球上自養(yǎng)生物等形成了自然精巧的二氧化碳固定和轉(zhuǎn)化利用系統(tǒng)，每年可將超過(guò)1000億噸碳素轉(zhuǎn)化為各種有機(jī)物。

不過(guò)，二氧化碳自然生物轉(zhuǎn)化利用存在效率低、速度慢的問(wèn)題，難以達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平。與光伏和乙醇發(fā)酵工業(yè)相比，二氧化碳生物轉(zhuǎn)化的能量效率相差10倍以上，固碳速度相差百倍以上，難以支撐二氧化碳的工業(yè)原料化利用。

他表示，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，學(xué)習(xí)自然、改造自然，設(shè)計(jì)人工生物固碳和物質(zhì)合成途徑，突破生物體自然局限，獲得高效能量利用、高效物質(zhì)合成的能力非常重要?！拔覀兛梢酝ㄟ^(guò)生物技術(shù)來(lái)拓展自然生物的能力邊界。”據(jù)他介紹，國(guó)外專家也認(rèn)為，利用工業(yè)生物技術(shù)轉(zhuǎn)化二氧化碳生產(chǎn)復(fù)雜化學(xué)品、材料、燃料、醫(yī)藥、食品，建立以二氧化碳為原料的工業(yè)生物制造新范式，具有巨大潛力。

各國(guó)對(duì)二氧化碳生物轉(zhuǎn)化高度關(guān)注，特別是歐美國(guó)家都針對(duì)利用生物技術(shù)固定二氧化碳或?qū)⒍趸甲鳛楣I(yè)原料制定了各自的規(guī)劃和路線圖。他舉例說(shuō)，在工業(yè)生物轉(zhuǎn)化路線方面，更多能量形式被利用，更多的固碳途徑被拓展，二氧化碳可以直接被工業(yè)生物體轉(zhuǎn)化，也可以先利用化學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化成一氧化碳、甲醇、乙酸等，再以此為原料培養(yǎng)生物，合成糖、乙醇等多碳化合物。包括最近科研人員用二氧化碳人工合成氨基酸在內(nèi)，二氧化碳到有機(jī)物分子的生物合成取得了一系列進(jìn)展。

二氧化碳人工合成淀粉正解決經(jīng)濟(jì)可行性問(wèn)題

2021年9月，中科院發(fā)布重磅科研成果——天津工業(yè)生物技術(shù)研究所聯(lián)合大連化物所，通過(guò)合成生物學(xué)手段，首次實(shí)現(xiàn)二氧化碳到淀粉的從頭合成。

馬延和介紹了這一科研過(guò)程。他說(shuō)，農(nóng)作物通過(guò)光合作用，將太陽(yáng)光能、二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為淀粉。不依賴植物的光合作用合成淀粉，是科學(xué)家多年來(lái)的一個(gè)夢(mèng)想?！疤?yáng)能傳遞到淀粉的本質(zhì)是碳還原并逐步從簡(jiǎn)單分子聚合到復(fù)雜分子的生化過(guò)程?？蒲腥藛T根據(jù)合成生物學(xué)理念，自下而上設(shè)計(jì)了淀粉合成生化途徑。”

首先從海量的生物化學(xué)反應(yīng)數(shù)據(jù)中設(shè)計(jì)出了二氧化碳到淀粉的虛擬途徑，然后挖掘與改造了來(lái)自動(dòng)物、植物、微生物等31個(gè)不同物種的62個(gè)生物酶催化劑，最終篩選了10個(gè)酶逐步將一碳的甲醇轉(zhuǎn)化為三碳的二羥基丙酮，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為六碳的磷酸葡萄糖，最后轉(zhuǎn)化為淀粉。這個(gè)路徑僅涉及11步生化反應(yīng)，淀粉的生產(chǎn)效率由此超過(guò)了玉米光合作用的效率。

他說(shuō)，這項(xiàng)研究為利用二氧化碳工業(yè)合成淀粉開(kāi)拓了新途徑，發(fā)布后得到高度關(guān)注?！按蠹医o予了高度評(píng)價(jià)，但目前這只是一條理論途徑，離實(shí)用性還差得遠(yuǎn)，主要是過(guò)程成本高。我們現(xiàn)在的主要任務(wù)就是要解決這條途徑的經(jīng)濟(jì)可行性問(wèn)題?！?/p>

據(jù)悉，最初實(shí)驗(yàn)室里合成出來(lái)的淀粉只有1克左右。最近，二氧化碳合成淀粉在技術(shù)上有了進(jìn)一步的完善。同時(shí)，中科院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級(jí)中試裝置，目前正在進(jìn)行測(cè)試，在理論、技術(shù)和工程上同步推進(jìn)。

馬延和說(shuō)，將二氧化碳作為工業(yè)原料，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品、石化產(chǎn)品的生物合成有廣闊前景。去年，美國(guó)科學(xué)家分析認(rèn)為，二氧化碳人工合成碳水化合物是解決溫室氣體排放和糧食安全“一石二鳥(niǎo)”的重大戰(zhàn)略，呼吁全球多學(xué)科科學(xué)家協(xié)作，加快推進(jìn)實(shí)現(xiàn)10億噸/年規(guī)模的商業(yè)可行性。一旦實(shí)現(xiàn)，和農(nóng)業(yè)種植相比，土地節(jié)約將高于500倍，用水將節(jié)約1300-1600倍。

他說(shuō)，農(nóng)業(yè)工業(yè)化是范式變革的機(jī)遇?！半S著綠色能源的發(fā)展，一個(gè)可以改變農(nóng)業(yè)、工業(yè)格局的戰(zhàn)略機(jī)會(huì)窗口已經(jīng)開(kāi)啟”。

據(jù)悉，中關(guān)村論壇第二屆碳達(dá)峰碳中和科技論壇由中國(guó)科學(xué)院和科學(xué)技術(shù)部共同主辦，論壇邀請(qǐng)了徐南平、詹文龍、聶祚仁、歐陽(yáng)明高、吳驪珠、衛(wèi)昶、丁玉龍、陳忠偉、Clara Camarasa、馮威、馬延和、朱慶山等12位國(guó)內(nèi)外雙碳領(lǐng)域院士專家，圍繞“能源關(guān)鍵科技發(fā)展創(chuàng)新”開(kāi)展深入交流，從能源發(fā)展戰(zhàn)略、先進(jìn)核能、新型電力系統(tǒng)、可再生能源與儲(chǔ)能等領(lǐng)域方向探索能源革命與產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級(jí)的技術(shù)路徑。

新京報(bào)記者 張璐

編輯 陳靜 校對(duì) 吳興發(fā)