全球每年向大氣排放近 400 億噸二氧化碳，相當(dāng)于每分鐘傾倒下 8 萬噸“隱形巨石”。面對這場氣候危機，業(yè)界嘗試了兩種主流解法：工業(yè)碳捕集與自然生態(tài)系統(tǒng)固碳。前者如高壓吸附、地下封存，雖效率高卻需消耗額外能源，占電廠總能耗的 20% 以上；后者如造林、海洋增肥，雖成本低廉卻受限于生長速度，比如一棵樹需數(shù)十年固碳，并存在諸如森林火災(zāi)、海洋酸化頻發(fā)等生態(tài)脆弱性。更棘手的是，生物封存的碳可能因生物死亡或環(huán)境擾動重新釋放——這就像用漏水的桶裝水，終究難解干渴。

能否讓微生物化身“微型碳工廠”，既像森林一樣靠陽光自主運轉(zhuǎn)，又像工業(yè)設(shè)備般穩(wěn)定可控？瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）團隊設(shè)計了一種基于藍藻（Synechococcus sp. PCC 7002）的光合活體材料，通過生物質(zhì)積累與微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）的雙重路徑，實現(xiàn)了超 400 天的持續(xù)性二氧化碳封存。該研究為碳中和基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)提供了創(chuàng)新性解決方案。這項突破性研究以“Dual carbon sequestration with photosynthetic living materials”為題登上 Nature Communications，為碳中和戰(zhàn)場開辟了一條“生物智造”新戰(zhàn)線。

雙重 CO? 封存通過可逆生物質(zhì)積累和不可逆礦物沉淀進行。

研究人員將藍藻封裝在水凝膠基質(zhì)中，以制造能夠進行雙重碳封存的光合生物材料。團隊選擇Pluronic F-127（F-127）水凝膠作為藍藻封裝基質(zhì)，滿足光合作用的光能需求。由于大多數(shù)小分子能夠輕易地通過 F127 基水凝膠擴散，因此它已用于工程生物材料的設(shè)計。通過引入功能化的 F127-雙氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯（F127-BUM）與光引發(fā)劑 LAP（鋰苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸鹽），水凝膠可在 405 nm 光照下發(fā)生光交聯(lián)，形成力學(xué)穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)。這種設(shè)計不僅為藍藻提供了物理保護，還允許小分子營養(yǎng)物質(zhì)自由擴散，維持長期代謝活性。

圖 | 用于雙碳封存的光合作用活體材料的制備

藍藻的碳封存能力源于其碳濃縮機制（CO? Concentrating Mechanism, CCM）與胞外礦化協(xié)同作用。在 CCM 路徑中，溶解的CO?通過碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）轉(zhuǎn)化為 HCO??，隨后在羧酶體內(nèi)由 RuBisCO 酶催化生成 3-磷酸甘油酸，最終合成生物質(zhì)。實驗顯示，封裝后的藍藻在 30 天內(nèi)增殖至 5×10? cells/mL 凝膠，生物質(zhì)干重較對照組（無藍藻水凝膠）增加 36%。

與此同時，藍藻代謝活動升高局部 pH，驅(qū)動海水中 Ca2?/Mg2?與CO?2? 結(jié)合，形成穩(wěn)定的碳酸鹽沉淀。通過熱重分析與 X 射線衍射，團隊證實沉淀物主要為方解石（CaCO?）與含鎂方解石。30 天內(nèi)，每克水凝膠通過 MICP 封存 2.2±0.9 mg CO?，而 400 天后封存量提升至 26±7 mg/g，表明礦化過程隨培養(yǎng)時間持續(xù)增強。

為克服傳統(tǒng)塊狀水凝膠的光衰減問題，團隊采用 3D 打印技術(shù)構(gòu)建仿生多孔晶格結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過毛細(xì)作用實現(xiàn)培養(yǎng)基被動輸運。實驗表明，此類設(shè)計可使光線穿透深度增加 50%，同時維持藍藻在深層區(qū)域的活性，365 天后仍檢測到顯著葉綠素信號。力學(xué)測試顯示，礦化后的材料儲存模量從初始5.4±2 kPa 增至 111±7 kPa，抗壓強度提升 20 倍，證明礦化沉積對材料的增強效應(yīng)。

圖 | 用于雙重碳封存的光合生物結(jié)構(gòu)的數(shù)字化制造

當(dāng)然，從實驗室到真實世界仍存在挑戰(zhàn)。盡管材料已實現(xiàn) 400 天持續(xù)運行，但長期封存速率是否會隨藍藻衰老而下降？水凝膠的生產(chǎn)過程是否會產(chǎn)生隱性碳足跡？真實海水的成分波動是否影響礦化效率？團隊坦言，下一步將優(yōu)化藍藻基因以提升光合效率，并開發(fā)可降解聚合物替代現(xiàn)有水凝膠。此外，他們計劃與建筑師合作，在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院校園內(nèi)試點“活體外墻”，實時監(jiān)測碳封存數(shù)據(jù)。

該團隊通過跨學(xué)科方法，將合成生物學(xué)與材料工程結(jié)合，首次實現(xiàn)了光合活體材料的超長效雙碳封存。該研究不僅證明了藍藻-水凝膠體系在碳封存領(lǐng)域的可行性，更為“活性-無機”復(fù)合材料的開發(fā)提供了范式。未來研究方向包括優(yōu)化藍藻光合效率、開發(fā)可降解水凝膠基質(zhì)，以及探索多菌種協(xié)同礦化策略。

1.Dranseike, D., Cui, Y., Ling, A.S. et al. Dual carbon sequestration with photosyn

thetic living materials. Nat Commun 16, 3832 (2025).

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