【消費電子實驗室-2023/5/29】“二氧化碳人工合成淀粉”的科研成果此前備受關注，在5月27日舉行的中關村論壇第二屆碳達峰碳中和科技論壇上，中國科學院天津工業生物技術研究所所長馬延和表示，目前科研團隊建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級中試裝置，正在進行測試，“二氧化碳人工合成淀粉”在理論、技術和工程上同步推進。

中國科學院天津工業生物技術研究所所長馬延和在中關村論壇第二屆碳達峰碳中和科技論壇上發表主旨演講。主辦方供圖

二氧化碳排放與氣候變化已經成為全球關注的問題。當下，工業化進程使自然界碳循環系統平衡被打破，森林、海洋、濕地等二氧化碳“調節器”無法完全回收化石資源向大氣中排放的二氧化碳。

“在‘雙碳’目標下，如果我們能把二氧化碳作為工業原料用起來，將為經濟綠色可持續發展提供戰略支撐。”馬延和說，二氧化碳轉化利用途徑包括物理封存、化學轉化和生物轉化。其中化學轉化目前每年可轉化5億噸二氧化碳，潛力很大。而在生物轉化方面，經過億萬年的自然進化，地球上自養生物等形成了自然精巧的二氧化碳固定和轉化利用系統，每年可將超過1000億噸碳素轉化為各種有機物。

不過，二氧化碳自然生物轉化利用存在效率低、速度慢的問題，難以達到工業應用水平。與光伏和乙醇發酵工業相比，二氧化碳生物轉化的能量效率相差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原料化利用。

他表示，隨著生物技術的發展，學習自然、改造自然，設計人工生物固碳和物質合成途徑，突破生物體自然局限，獲得高效能量利用、高效物質合成的能力非常重要。“我們可以通過生物技術來拓展自然生物的能力邊界。”據他介紹，國外專家也認為，利用工業生物技術轉化二氧化碳生產復雜化學品、材料、燃料、醫藥、食品，建立以二氧化碳為原料的工業生物制造新范式，具有巨大潛力。

各國對二氧化碳生物轉化高度關注，特別是歐美國家都針對利用生物技術固定二氧化碳或將二氧化碳作為工業原料制定了各自的規劃和路線圖。他舉例說，在工業生物轉化路線方面，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生物體轉化，也可以先利用化學技術轉化成一氧化碳、甲醇、乙酸等，再以此為原料培養生物，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，二氧化碳到有機物分子的生物合成取得了一系列進展。

2021年9月，中科院發布重磅科研成果——天津工業生物技術研究所聯合大連化物所，通過合成生物學手段，首次實現二氧化碳到淀粉的從頭合成。

馬延和介紹了這一科研過程。他說，農作物通過光合作用，將太陽光能、二氧化碳和水轉化為淀粉。不依賴植物的光合作用合成淀粉，是科學家多年來的一個夢想。“太陽能傳遞到淀粉的本質是碳還原并逐步從簡單分子聚合到復雜分子的生化過程。科研人員根據合成生物學理念，自下而上設計了淀粉合成生化途徑。”

首先從海量的生物化學反應數據中設計出了二氧化碳到淀粉的虛擬途徑，然后挖掘與改造了來自動物、植物、微生物等31個不同物種的62個生物酶催化劑，最終篩選了10個酶逐步將一碳的甲醇轉化為三碳的二羥基丙酮，進一步轉化為六碳的磷酸葡萄糖，最后轉化為淀粉。這個路徑僅涉及11步生化反應，淀粉的生產效率由此超過了玉米光合作用的效率。

他說，這項研究為利用二氧化碳工業合成淀粉開拓了新途徑，發布后得到高度關注。“大家給予了高度評價，但目前這只是一條理論途徑，離實用性還差得遠，主要是過程成本高。我們現在的主要任務就是要解決這條途徑的經濟可行性問題。”

據悉，最初實驗室里合成出來的淀粉只有1克左右。最近，二氧化碳合成淀粉在技術上有了進一步的完善。同時，中科院天津工業生物技術研究所建立了二氧化碳人工合成淀粉噸級中試裝置，目前正在進行測試，在理論、技術和工程上同步推進。

馬延和說，將二氧化碳作為工業原料，實現農業產品、石化產品的生物合成有廣闊前景。去年，美國科學家分析認為，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”的重大戰略，呼吁全球多學科科學家協作，加快推進實現10億噸/年規模的商業可行性。一旦實現，和農業種植相比，土地節約將高于500倍，用水將節約1300-1600倍。

他說，農業工業化是范式變革的機遇。“隨著綠色能源的發展，一個可以改變農業、工業格局的戰略機會窗口已經開啟”。

據悉，中關村論壇第二屆碳達峰碳中和科技論壇由中國科學院和科學技術部共同主辦，論壇邀請了徐南平、詹文龍、聶祚仁、歐陽明高、吳驪珠、衛昶、丁玉龍、陳忠偉、Clara Camarasa、馮威、馬延和、朱慶山等12位國內外雙碳領域院士專家，圍繞“能源關鍵科技發展創新”開展深入交流，從能源發展戰略、先進核能、新型電力系統、可再生能源與儲能等領域方向探索能源革命與產業綠色轉型升級的技術路徑。