问题：二氧化碳减排压力与化工原料结构性矛盾并存 “双碳”目标背景下，如何在控制二氧化碳排放总量的同时兼顾产业发展，需求日益突出；二氧化碳是最稳定的含碳小分子之一——若能高效转化为化工原料——有助于把“排放”变成“资源”。但从化学性质看，二氧化碳碳—氧键能高、反应惰性强，传统化工路线往往依赖高温高压、氢源以及复杂催化体系；而在生物制造领域，常见的多酶或代谢合成路径通常需要ATP、NAD(P)H、四氢叶酸等辅因子，成本与稳定性成为放大应用的主要限制。在温和条件下将二氧化碳转化为更长碳链、可直接对接产业链的“平台分子”，仍是绿色化工的一道难题。 原因：从“C1难扩链”到“辅因子成本高”的双重瓶颈 业内长期面临两上约束：一是C1分子向C2、C3等更高碳数分子的“扩链效率”偏低，路线往往步骤多、选择性不足；二是体外酶催化虽然选择性高，但对昂贵辅因子的依赖在规模化时会带来补料、再生与失活等问题，推高综合成本。尤其在连续化、长周期运行的工业场景中，辅因子循环效率与酶稳定性会直接影响单位产品成本与碳足迹。因此，降低对高价辅因子的依赖、缩短反应路径并提高通量，成为二氧化碳生物催化转化的关键方向。 影响：为二氧化碳“变原料、变产品”提供可复制的技术范式 针对上述瓶颈，山东大学微生物改造技术全国重点实验室团队提出一条“化学催化+体外酶级联”衔接的新路线：先在相对温和条件下，利用ZnO-ZrO₂无机催化剂将二氧化碳加氢生成甲醇，再将甲醇输入体外酶级联系统，连续转化生成3-羟基丙酮酸与丙酮酸，并深入得到下游化合物。涉及的成果已在线发表于《ACS Catalysis》。 据介绍，该体系以6种酶构建级联网络，并以焦磷酸硫胺素作为关键辅酶推动反应，避免了对ATP、NADH等常见高成本辅因子的依赖。实验数据显示，3-羟基丙酮酸与丙酮酸的产物水平分别达到50.2 mM与49.6 mM；反应速率分别达到7.2 mmol C L⁻¹ h⁻¹与5.5 mmol C L⁻¹ h⁻¹，显示出较好的转化效率与应用潜力。研究还表明，3-羟基丙酮酸可进一步转化为D-景天庚酮糖-7-磷酸，丙酮酸可进一步生成乙偶姻，为“平台分子—衍生产品”的连续开发提供了路径。 从产业角度看，3-羟基丙酮酸与丙酮酸均为重要的生物基平台化学品，可用于香料、医药中间体、可降解材料等领域；其衍生物也可拓展到精细化学品与功能化产品方向。该研究通过降低辅因子门槛、提升体外酶级联效率，为二氧化碳资源化提供了更具经济性的选择，也为“化学催化制中间体—生物催化做精细转化”的耦合路线提供了示范。 对策：以模块化设计提升效率，以成本导向推动可放大性 在技术实现上，团队采用系统性酶筛选、理性改造与模块化组装的思路，将反应拆分为相对独立且可串联的通道，便于围绕关键节点逐步优化。这种“模块化—可替换—可迭代”的工程设计，也有利于后续在不同原料供给和不同目标产品之间快速迁移。此外，选用价格相对低廉的焦磷酸硫胺素，突出“降低依赖、补给方便、运行简化”的成本取向，更贴近工业放大对稳定性与持续运行的要求。 科研团队表示，下一步将推动体系向生物反应器条件迁移，重点评估连续化运行中的酶稳定性、底物与中间体抑制效应、传质限制等工程问题，并探索与化学催化环节更紧密的耦合策略，以提高通量和整体效率。相关研究获得国家自然科学基金、中国博士后科学基金、山东省自然科学基金及青岛市博士后资助，部分平台在产物检测等环节提供了技术支持。 前景：二氧化碳转化或从“概念验证”走向“链条集成” 总体来看，该成果的意义不仅在于提升单一产物的产率，更在于提出了一条兼顾选择性、成本与可扩展性的二氧化碳转化路线。未来若能在放大条件下保持高通量并实现酶体系长期稳定运行，有望与可再生氢供给、绿色电力以及化工园区的碳捕集利用场景形成协同，推动二氧化碳利用从实验室的“点状突破”走向产业链的“系统集成”。同时，围绕平台化学品开展多元衍生开发，也将为绿色制造提供更丰富的产品组合与商业化路径。
这项研究为二氧化碳资源化提供了新的技术路线选择，在满足“双碳”目标需求的同时，也表现出产业化潜力。随着后续放大与工程化研究推进，这种“化学催化+生物催化”的绿色制造模式有望为传统生产路径带来新的替代方案，并为碳减排与碳利用提供可复制的实践经验。