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酸奶杯、可降解購物袋、手術縫合線……這些日常物品背后可能藏著一個共同的“生命之源”——L-乳酸。這種有機小分子不僅是生物可降解塑料的單體，也廣泛應用于食品、醫(yī)藥等民生領域。然而，其傳統(tǒng)生產高度依賴糧食發(fā)酵。

如何在實現(xiàn)“雙碳”目標和保障糧食安全的背景下，找到低碳可持續(xù)發(fā)展途徑？破局的曙光，居然是令人意想不到的二氧化碳。

近日，中國科學院院士、中國科學院大連化學物理研究所研究員（以下簡稱大連化物所）李燦，副研究員王旺銀等在人工光合成-生物制造“接力”合成L-乳酸研究方面取得新進展。他們通過人工光合成交叉合成生物學，利用二羥基丙酮（DHA）作為中間體，實現(xiàn)了利用太陽能等可再生能源從二氧化碳和水合成光學純L-乳酸，為突破資源與環(huán)保雙重困境開辟了新路徑。相關成果發(fā)表于美國化學會期刊《人工光合成》，并被選為封面文章。

需求激增背后的“煩惱”

L-乳酸是一種天然存在的手性分子，是賦予酸奶獨特酸爽風味的“功臣”、化妝品中溫和的pH值調節(jié)劑、醫(yī)藥領域的常用原料，也是聚乳酸（PLA）的單體。

PLA屬于聚酯“家族”中生物可降解高分子聚合物材料之一，因其用量占生物可降解材料的近50%，成為當之無愧的“綠色塑料”代表，廣泛應用于醫(yī)療器械、3D打印、食品包裝、農用地膜、一次性餐具等領域。隨著綠色可持續(xù)發(fā)展方式的轉變，PLA市場需求呈爆發(fā)式增長，直接推高了對單體L-乳酸的需求。

然而，繁榮背后暗藏隱憂。長期以來，L-乳酸工業(yè)生產高度依賴一條看似成熟的路徑：以玉米、薯類等作物為原料，通過微生物發(fā)酵制取。“大規(guī)模使用糧食資源生產工業(yè)原料，將對我國糧食安全構成潛在威脅，絕非可持續(xù)發(fā)展之道?！崩顮N強調。

如何破解“要環(huán)?！焙汀氨ｏ埻搿奔骖櫟碾y題？研究團隊將目光投向溫室氣體的主要成分——二氧化碳。

“近年來，碳中和理念逐漸深入人心。L-乳酸作為如此重要的化學品原料，開發(fā)一條利用可再生能源高效轉化二氧化碳的綠色合成途徑，對于實現(xiàn)碳中和目標，乃至保障糧食安全等都具有重要意義。與此同時，對催化路徑的探索及催化過程的理解將為基礎理論研究提供重要參考和指導?！蓖跬y告訴《中國科學報》。

二氧化碳的“綠色逆襲”

“PLA的生命周期本身就是一個潛在的‘碳循環(huán)’閉環(huán)。”王旺銀解釋說。理想狀態(tài)下，利用二氧化碳資源化轉化合成PLA，相當于將溫室氣體“鎖”進塑料制品中，是一個凈減碳過程。而當這些PLA制品（如餐盒、地膜）結束使命，在堆肥條件下約3到6個月即可完全降解，重新變回二氧化碳和水，回歸自然。

從上述自然角度，李燦想到了由自己提出并歷經(jīng)多年發(fā)展的“液態(tài)陽光”技術?！八侵咐锰柲艿瓤稍偕茉捶纸馑磻苽渚G氫，進而通過二氧化碳加氫合成液態(tài)陽光甲醇。早在2001年，我們就把目光放在能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展上，并啟動光催化分解水制氫、光電催化制氫等領域的研究，目標是把太陽能轉化為可穩(wěn)定儲存、易于運輸?shù)囊簯B(tài)太陽燃料?！?/p>

2017年，李燦團隊成功研發(fā)出一種高選擇性、高穩(wěn)定性的二氧化碳加氫制甲醇固溶體催化劑。在此基礎上，2020年，團隊結合已研發(fā)的電催化分解水制氫技術，在蘭州新區(qū)完成了全球首套千噸級液態(tài)太陽燃料合成的全流程中試項目，邁出了太陽能等可再生能源轉化為液體燃料的關鍵一步。他們形象地稱液態(tài)太陽燃料為“液態(tài)陽光”。

“人工光合成，本質上是道法自然光合作用的過程。如果以液態(tài)陽光為基礎，通過人工光合成與合成生物學的‘接力’，就可以實現(xiàn)綠色生物制造?！崩顮N介紹。因此，團隊在這項工作中創(chuàng)新性采取了化學催化與生物細胞催化“接力”策略，如同兩位頂尖運動員完美配合的接力賽。

“能源化學催化可以更高效地將二氧化碳轉化為有機小分子，但在合成高光學純度的生物基化學品方面面臨著一定的挑戰(zhàn)。”王旺銀介紹，“生物細胞酶催化則恰恰相反，它更善于‘利用’有機小分子，通過酶催化劑制造手性結構，高選擇性合成有機酸、氨基酸糖類等生物分子?！?/p>

那么，誰來充當“接力棒”？他們從自然界的糖代謝網(wǎng)絡中找到了答案——DHA。DHA在生物體內是糖酵解途徑的“交通樞紐”，四通八達。選擇它作為中間體，就像在化學世界與生物世界架起一座高效、通用的橋梁?！癉HA是自然賦予的理想‘交接點’，讓化學催化與生物催化得以‘雙向奔赴’?！蓖跬y說。

99%的轉化率

在生物接力環(huán)節(jié)，工程改造的畢赤酵母細胞展現(xiàn)了高效率。它能夠將DHA近乎完美地轉化為L-乳酸，轉化率高達99%，補料分批發(fā)酵時L-乳酸產量可達100g/L以上?！跋啾戎?，傳統(tǒng)以葡萄糖為原料的發(fā)酵法，轉化率通常僅70%左右。新路徑在效率和可持續(xù)性上實現(xiàn)了雙重飛躍。”論文第一作者、大連化物所博士生張亞靜說。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)，DHA在生物代謝途徑中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。它相當于一座“中心車站”，以此為起點，利用合成生物學手段對代謝工程進行“調流”，DHA的磷酸化形式二羥丙酮磷酸（DHAP）會進入微生物主流合成代謝途徑，其調通代謝工程可用于拓展合成多糖和氨基酸等產物。

這項研究是跨學科智慧碰撞的結晶。團隊會集了物理化學、分子生物學、合成生物學等多領域人才。生物背景的曹旭鵬、孫文輝在細胞工廠構建中與張亞靜一起攻堅克難，物理化學背景的宋睿則為光催化環(huán)節(jié)提供了關鍵支撐。李燦坦言：“最大的挑戰(zhàn)在于融合不同學科思維。我們堅持從基礎原理出發(fā)，化學與生物互相啟發(fā)、互相驗證，才一步步打通了路徑?！?/p>

“該接力催化體系的太陽能利用效率在15%以上，為構建高效轉化二氧化碳和水合成各種高端化學品，特別是糧食類生物大分子物質等，提供了從二氧化碳出發(fā)的合成路徑。”李燦說。

“在我國‘雙碳’戰(zhàn)略目標和能源轉型的背景下，發(fā)展新質生產力對科技創(chuàng)新提出了更高要求。未來，通過進一步的技術開發(fā)和放大示范驗證，我們將積極推進從二氧化碳和水合成光學純L-乳酸的工業(yè)應用?！崩顮N表示。

相關論文信息：https://doi.org/10.1021/aps.5c00008

（原載于《中國科學報》?2025-07-03?第3版?綜合）