夏川（中）在实验室指导学生

论文题目：Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering

论文作者：郑婷婷  江秋  曾杰  于涛  夏川

获奖等次：一等奖

将二氧化碳转化成“糖和油”，你敢想象吗？

电子科技大学可持续能源与催化团队带来的论文“Upcycling CO2 into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering”（《电化学耦合生物合成实现二氧化碳转化制备葡萄糖和脂肪酸》）将这一想象变为现实，并获评第三届川渝科技学术大会优秀论文一等奖。此前，论文以封面文章形式发表于国际学术期刊《自然—催化》上。

据悉，这是团队依托电子科技大学材料与能源学院开展的“基于新能源的电催化小分子转化制备高附加值化学品”研究，致力于利用清洁能源实现人工碳循环。成果由电子科技大学夏川课题组领衔，联合中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组、中国科学技术大学曾杰课题组共同完成。

奇妙的转化是如何发生的？研究团队突破了哪些关键难题？记者采访了电子科技大学课题组夏川教授。

电还原+生物发酵将二氧化碳变成“糖”

“就像纱线织成布再做成衣，二氧化碳也要先转化成乙酸，再合成更复杂的化合物。”夏川简要类比其中原理，“第一步通过人工方法高效催化二氧化碳和水得到乙酸，第二步再用乙酸发酵活细胞转化为其它生物物质，就能实现‘用二氧化碳和水合成高能长链食品分子’的全过程。”

第一步，研究团队首先需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的“原料”才能方便微生物发酵。”夏川介绍，清洁、高效的电催化技术是实现这一过程的理想选择。

至于要转化为哪种“原料”，研究团队将目光瞄准了乙酸，因为乙酸不仅是食醋的主要成分，也是一种优秀的生物合成碳源，可以转化为葡萄糖等其它生物物质。夏川介绍，常规的电解质装置产出的乙酸混合很多电解质盐，无法直接用于微生物发酵，微生物直接“食用”会“中毒”，变得“无精打采”甚至死亡。所以，为了“喂饱”微生物，不仅要提升转化效率，保证“食物”的数量，还要得到不含电解质盐的纯乙酸，保证“食物”的质量。

于是，研究团队设计了一款新型固态电解质装置，能将二氧化碳高效催化成一氧化碳，再通过晶界铜将一氧化碳催化合成纯乙酸，为微生物提供稳定可靠的“食物”。

得到乙酸后，研究团队开始尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。

“酿酒酵母主要用于奶酪、馒头、酒等食品的发酵，同时也常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”夏川介绍，利用酿酒酵母通过乙酸来合成葡萄糖的过程，就像是微生物在“吃醋”，酿酒酵母通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。

但在第二步利用酿酒酵母将乙酸转化为葡萄糖时，研究团队发现其自身在合成葡萄糖的同时也在代谢葡萄糖，就像做菜时如果一边做一边吃，永远无法上满一桌子菜。于是，研究团队敲除酵母菌5个代谢葡萄糖的基因，废除其代谢葡萄糖的能力，同时插入两个外源基因，使细胞中其它物质也转化为葡萄糖，大大增加了酵母菌积累葡萄糖的能力。

除了生产葡萄糖，研究人员还通过类似的思路，增加了酵母细胞生产脂肪酸的能力。中国科学院院士、上海交通大学微生物代谢国家重点实验室主任邓子新认为，这项研究工作开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略，为进一步发展基于电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例，是二氧化碳利用方面的重要方向。

新型催化方式助力高附加值化合物生产

近年来，随着新能源发电的迅速崛起，二氧化碳电还原技术已具备与依赖化石能源的传统化工工艺竞争的潜力。因此，研究关于二氧化碳电还原制备高附加值化学品及燃料的高效工艺，被学界认为是实现零碳排放的重要研究方向之一。

目前，如何高效、可持续地将二氧化碳转化为富含能量的长链分子仍是巨大挑战。夏川告诉记者：“为了规避二氧化碳电还原的产物局限性，可考虑将二氧化碳电还原过程与生物过程相耦合，以电催化产物作为电子载体，供微生物后续发酵合成长碳链的化学产品，进而用于生产和生活。”

合适的电子载体对微生物发酵至关重要。由于二氧化碳电还原的气相产物均难溶于水，生物利用效率低，因此优先选择二氧化碳电还原的液相产物作为生物发酵的电子载体。然而，普通电化学反应器中所得的液体产物是与电解质盐混在一起的混合物，不能直接用于生物发酵。鉴于此，研究团队开发的固态电解质反应器有效解决了二氧化碳电还原液体产物分离的问题，可以连续稳定地为微生物发酵提供液态电子载体。

中国科学技术大学课题组曾杰教授介绍，微生物的优点是产物多样性很高，能够合成许多无法通过人工生产或人工生产效率很低的化合物。研究团队将继续联合研究电催化与生物发酵这两个平台的同配性和兼容性，“未来如果要合成淀粉、制造色素、生产药物等，只需保持电催化设施不改变，更换发酵使用的微生物就能实现。”

中国科学院院士、中国催化专业委员会主任李灿认为，这一研究耦合人工电催化与生物酶催化过程，发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸，后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径，为人工和半人工合成“粮食”提供了新技术。