中国实现二氧化碳人工合成淀粉，但指望其减碳为时尚早

虎嗅注：之前机器之心的文章中，已经详细介绍了“二氧化碳人工合成淀粉”这项令人瞩目的学术成果的原理，但之后造就对作者的专访中也指出，这样合成路径的淀粉最终成本可达十几万一吨的“天价”，且能耗和排放都远高于正常生产。因此，也不能就此幻想“凭空造粮食”，实际应用落地还有很长的路要走。

本文来自微信公众号：界面新闻（ID：wowjiemian），作者：王婷婷，头图来自：视觉中国

9月24日，一篇在国际期刊发表的有关二氧化碳人工合成淀粉的论文，引发热议。二氧化碳合成淀粉，除了引起人们对碳排放问题的关注外，还不乏对粮食问题的讨论声，网友甚至戏称“空气变馒头不是梦”“喝西北风”“再也不用种地了”。

在这篇题为《Cell-free chemoenzymatic starch synthesis from carbon dioxide》的研究论文中，首次介绍了由二氧化碳到淀粉的完整合成技术。不仅如此，“双碳”目标大背景下，该技术未来还有望促进碳中和的生物经济发展，推动可持续经济。

据界面新闻记者查询了解到，上述论文发表在由美国科学促进会出版的学术期刊《科学》杂志上，为全世界最权威的学术期刊之一，论文上线日期亦为2021年9月24日。

采用一种类似“搭积木”的方式，中国科学院天津工业生物技术研究所（以下称天津工业生物所）研究员马延和带领团队，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。

据介绍，该技术不依赖植物光合作用，不需大面积种地、施肥和农作物加工，经优化，原料只需二氧化碳、氢气和电，便能生成淀粉。而且在充足能量供给条件下，按照目前技术参数，理论上1立方米大小的生物反应器年产淀粉量相当于我国5亩玉米地的年产淀粉量。

图片来源：天津工业生物技术研究所

被寄予众望的“二氧化碳变淀粉” 

普通情况下，淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在农作物中，将二氧化碳转变为淀粉的复杂过程中，太阳能的理论利用效率不超过2%，且农作物生长周期长，需大量土地、淡水、肥料等资源。因此，新的淀粉制备方法实现了对二氧化碳的高效转化利用，无疑是多重利好。

对于这项二氧化碳人工合成淀粉技术的详细介绍及解读，在9月23日，中科院就此召开了新闻发布会。会上，中科院副院长周琪表示，当今世界面临全球气候变化、粮食安全、能源资源短缺、生态环境污染等一系列重大挑战，二氧化碳的转化利用与粮食淀粉工业合成，正是应对挑战的重大科技问题之一。

而团队的整体设计思路是，将热电厂和水泥厂排放的高浓度二氧化碳分离出来作为原料，将低密度太阳能转化为高密度电或氢能作为能源，形成简单的碳氢化合物，然后设计出从碳氢化合物到淀粉的生物合成过程。

这项研究成果，也获得了中外同行专家的认可和高度评价。

《科学》评审专家表示，“该项工作是一项里程碑式突破，将在下一代生物制造和农业生产中带来变革性影响。”美国工程院院士、瑞典查尔姆斯理工大学教授延斯·尼尔森称，利用不同种类的酶组成的重组酶系统，将二氧化碳化学催化产生的甲醇成功转化为淀粉，是一个现代催化化学与合成生物学相结合的精彩案例。中国工程院院士、南京工业大学原校长欧阳平凯也认为，该研究对中国、对世界解决二氧化碳生成淀粉这个人类基本的食品和原料的问题以及“碳中和”工作，都有很重要的意义。

不过，上述展望的实现，仍要建立在一定条件的基础上。举例来说，首先该转化过程的成本需进一步降低，与农业种植相比具有经济可行性，才有可能节约耕地和淡水资源，同时避免农药、化肥等对环境的负面影响，提高人类粮食安全水平，促进碳中和的生物经济发展。

“0到1”已实现，“1到100”有多远

在中科院的新闻发布会上，天津工业生物所研究团队表示，目前该研究成果尚处于实验室阶段，离实际应用还有相当长的距离，后续还需尽快实现从“0到1”的概念突破，到“1到10”和“10到100”的转换，最终真正成为解决人类发展面临重大问题和需求的有效手段和工具。

论文第一作者、天津工业生物所副研究员蔡韬也在会上直言，产业化应用面临很大的挑战。一方面，在工程生物学基础理论和工程设计方面还有问题要解决；另一方面，就经济性而言，从控制过程成本初步计算，只有二氧化碳到淀粉合成的电能利用效率再提高数倍，淀粉合成的碳素转化速率再提高数十倍，才能与农业种植竞争。因此，实现工业化生产，还需解决诸多的科技难题，距离“淀粉生产工厂”，还有很长的路要走。

中国社会科学院可持续发展研究中心副主任陈迎认为，这项科学研究的突破具有重要意义，但要应用在碳减排领域为时尚早。

“应该看到，二氧化碳非常稳定，打开化学键必须外输能量。二氧化碳合成有机物的转化过程，需要氢气，也必须是绿电制备的绿氢。现在寄希望该技术大规模应用作为减排技术来消耗大量二氧化碳，还为时过早。”陈迎向界面新闻表示，“任何技术能否大规模应用，不仅要技术可行，还要成本有竞争力，社会可接受。”

降碳的未来科技

进入2021年，在巴黎协定框架下各国自主贡献（NDC）和近期各国宣布的碳中和计划让全球碳市场再度活跃起来，包括中国在内的全球碳市场将进入一个崭新的发展阶段。而在降碳过程中，市场尤为关注技术进步和创新对高碳行业的影响。

在减碳的技术层面，近日，剑桥碳捕捉公司也开发了一种技术，即通过两个阶段的矿化过程将二氧化碳分离出来。该技术可用于电力或钢铁的零排放生产，也可与天然气供应商合作，将天然气转化为零排放的氢气。但目前，剑桥碳捕捉公司还在与潜在客户进行商业前讨论，希望在商业规模上试验这项技术。

关于碳捕捉与封存，在碳减排上的确具备技术方面的可塑性，不过目前在国内并不是一个经济的选择。碳捕获技术需具备财务可行性， 捕获和储存二氧化碳需大型地质结构，同时运输排放物也十分复杂且成本高昂。我国的双碳战略是在保增长的同时，控制排放，新技术背后的经济考量亦不可忽视。

同样的道理，想要依靠二氧化碳合成淀粉技术实现碳减排与粮食问题的解决，仍然还有诸多科技、经济难题待面对。

尽管如此，产业化仍然是天津工业生物所科研团队努力的方向。科研团队的下一步目标，一方面是继续攻克淀粉合成人工生物系统的设计、调控等底层科学难题，另一方面便要推动成果走向产业应用，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植。

据了解，从2015年开始，天津工业生物所科研团队就已启动了人工合成淀粉项目。目前，经科技部批准，天津工业生物所正在牵头建设国家合成生物技术创新中心。而具体这项技术未来会走向哪里，能对碳减排、粮食问题产生多大影响力，还要交给时间。

本文来自微信公众号：界面新闻（ID：wowjiemian），作者：王婷婷