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全球每年向大气排放近 400 亿吨二氧化碳，相当于每分钟倾倒下 8 万吨“隐形巨石”。面对这场气候危机，业界尝试了两种主流解法：工业碳捕集与自然生态系统固碳。前者如高压吸附、地下封存，虽效率高却需消耗额外能源，占电厂总能耗的 20% 以上；后者如造林、海洋增肥，虽成本低廉却受限于生长速度，比如一棵树需数十年固碳，并存在诸如森林火灾、海洋酸化频发等生态脆弱性。更棘手的是，生物封存的碳可能因生物死亡或环境扰动重新释放——这就像用漏水的桶装水，终究难解干渴。

能否让微生物化身“微型碳工厂”，既像森林一样靠阳光自主运转，又像工业设备般稳定可控？瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）团队设计了一种基于蓝藻（Synechococcus sp. PCC 7002）的光合活体材料，通过生物质积累与微生物诱导碳酸盐沉淀（Microbially Induced Carbonate Precipitation, MICP）的双重路径，实现了超 400 天的持续性二氧化碳封存。该研究为碳中和基础设施的开发提供了创新性解决方案。这项突破性研究以“Dual carbon sequestration with photosynthetic living materials”为题登上 Nature Communications，为碳中和战场开辟了一条“生物智造”新战线。

双重 CO₂ 封存通过可逆生物质积累和不可逆矿物沉淀进行。

研究人员将蓝藻封装在水凝胶基质中，以制造能够进行双重碳封存的光合生物材料。团队选择 Pluronic F-127（F-127）水凝胶作为蓝藻封装基质，满足光合作用的光能需求。由于大多数小分子能够轻易地通过 F127 基水凝胶扩散，因此它已用于工程生物材料的设计。通过引入功能化的 F127-双氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯（F127-BUM）与光引发剂 LAP（锂苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰基膦酸盐），水凝胶可在 405 nm 光照下发生光交联，形成力学稳定的三维网络。这种设计不仅为蓝藻提供了物理保护，还允许小分子营养物质自由扩散，维持长期代谢活性。

图 | 用于双碳封存的光合作用活体材料的制备

蓝藻的碳封存能力源于其碳浓缩机制（CO₂ Concentrating Mechanism, CCM）与胞外矿化协同作用。在 CCM 路径中，溶解的CO₂通过碳酸酐酶（Carbonic Anhydrase, CA）转化为 HCO₃⁻，随后在羧酶体内由 RuBisCO 酶催化生成 3-磷酸甘油酸，最终合成生物质。实验显示，封装后的蓝藻在 30 天内增殖至 5×10⁹ cells/mL 凝胶，生物质干重较对照组（无蓝藻水凝胶）增加 36%。

与此同时，蓝藻代谢活动升高局部 pH，驱动海水中 Ca²⁺/Mg²⁺与CO₃²⁻ 结合，形成稳定的碳酸盐沉淀。通过热重分析与 X 射线衍射，团队证实沉淀物主要为方解石（CaCO₃）与含镁方解石。30 天内，每克水凝胶通过 MICP 封存 2.2±0.9 mg CO₂，而 400 天后封存量提升至 26±7 mg/g，表明矿化过程随培养时间持续增强。

为克服传统块状水凝胶的光衰减问题，团队采用 3D 打印技术构建仿生多孔晶格结构。该结构通过毛细作用实现培养基被动输运。实验表明，此类设计可使光线穿透深度增加 50%，同时维持蓝藻在深层区域的活性，365 天后仍检测到显著叶绿素信号。力学测试显示，矿化后的材料储存模量从初始 5.4±2 kPa 增至 111±7 kPa，抗压强度提升 20 倍，证明矿化沉积对材料的增强效应。

图 | 用于双重碳封存的光合生物结构的数字化制造

当然，从实验室到真实世界仍存在挑战。尽管材料已实现 400 天持续运行，但长期封存速率是否会随蓝藻衰老而下降？水凝胶的生产过程是否会产生隐性碳足迹？真实海水的成分波动是否影响矿化效率？团队坦言，下一步将优化蓝藻基因以提升光合效率，并开发可降解聚合物替代现有水凝胶。此外，他们计划与建筑师合作，在苏黎世联邦理工学院校园内试点“活体外墙”，实时监测碳封存数据。

该团队通过跨学科方法，将合成生物学与材料工程结合，首次实现了光合活体材料的超长效双碳封存。该研究不仅证明了蓝藻-水凝胶体系在碳封存领域的可行性，更为“活性-无机”复合材料的开发提供了范式。未来研究方向包括优化蓝藻光合效率、开发可降解水凝胶基质，以及探索多菌种协同矿化策略。

参考链接：

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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