俄罗斯图拉国立大学近日宣布，其科研团队利用特殊细菌将二氧化碳转化为一种可降解包装材料，有望为温室气体减排和治理塑料污染提供双重解决方案。
联合国环境规划署 2025 年发布的报告显示，全球每年塑料产量已突破 4.6 亿吨，其中一次性包装塑料占比高达 36%，但全球塑料整体回收率不足 9%，超过 70% 的塑料废弃物最终进入土壤、海洋或焚烧填埋。
我们日常最常见的塑料包装核心原料石油基聚乙烯，在自然环境中的完全降解周期长达 200 到 500 年，其分解过程中产生的微塑料，已经渗透到马里亚纳海沟 11000 米的深海、南北极的永久冰川，甚至人类的胎盘、血液与大脑组织中，成为威胁全球生态与人类健康的隐形杀手。
俄罗斯图拉国立大学发布的这项技术，第一次用一套完整的工艺，同时打通了工业二氧化碳高值化利用与非粮基完全可降解塑料生产两条赛道，为两大全球性环境难题提供了一套耦合的闭环解决方案。
据该校生物化学技术科研中心主任维亚切斯拉夫·阿尔利亚波夫介绍，该工艺首先通过催化剂将二氧化碳转化为甲酸盐，再由精选微生物“捕获”甲酸盐，生成用于储存营养物质的聚合物。这种聚合物与普通聚乙烯性能类似，但可在自然环境中于数年内完全降解。
这项技术从何而来？
图拉国立大学是俄罗斯历史最悠久的理工科高校之一，其生物化学技术科研中心是俄罗斯国家级的合成生物学与工业生物技术研究平台，长期聚焦极端环境微生物筛选、二氧化碳生物转化、生物可降解材料三大方向的研究，牵头承担了俄罗斯科学基金会多项国家级重点研发项目。
本次技术研发的牵头人，是该中心主任维亚切斯拉夫・阿尔利亚波夫教授，他深耕微生物合成与二氧化碳资源化利用领域超过 20 年，是俄罗斯合成生物学领域的领军学者，其团队长期与俄罗斯钢铁、化工、电力行业的头部企业合作，专注于工业烟气二氧化碳的高值化利用技术研发。
阿尔利亚波夫教授在技术发布时坦言，团队的研发初衷，就是为了解决现有技术的核心痛点：我们见过太多的减排技术，最终都因为没有商业价值而停留在实验室；也见过太多的可降解塑料，最终因为成本太高、降解条件苛刻而无法真正解决污染问题。我们想要做的，是一套能让企业愿意用、消费者用得起、环境真的受益的技术。
团队的研发并非一蹴而就，而是历经了长达六年的定向攻关，整个历程呈现出清晰的三个递进阶段。2020 到 2021 年，是技术路线验证与菌株初筛的起步阶段，团队放弃了行业主流的基因工程改造实验室菌株路线，转而从极端环境中筛选天然高效菌株。
他们从俄罗斯图拉州、乌拉尔地区的重金属污染土壤、化工废水处理系统等极端环境中，采集了超过 200 份环境样本，分离出 80 种具备单碳化合物代谢能力的微生物菌株，初步验证了二氧化碳电化学转化搭配微生物合成的两步法路线的可行性。
2022 到 2024 年，是菌株定向驯化与工艺优化的核心攻坚阶段，团队对 80 株候选菌株进行了多轮严苛的定向驯化与性能筛选，淘汰率超过 96%，最终筛选出 3 株具备高效甲酸盐代谢与聚羟基脂肪酸酯合成能力的菌株，其中核心主力菌株为真养产碱杆菌。
同时，团队优化了电化学催化体系，实现了电解液与发酵培养基的无缝衔接，解决了中间产物提纯成本高的行业痛点，让整个工艺的经济性有了本质提升。
2025 年到 2026 年初，是实验室小试定型与成果发布阶段，团队完成了实验室小试的全流程验证，实现了从模拟工业烟气二氧化碳到聚羟基脂肪酸酯聚合物的稳定转化，产出的聚合物完成了基础力学性能、加工性能与降解性能测试，各项指标均对标通用石油基聚乙烯。
2026 年 4 月，图拉国立大学正式对外发布了这项技术成果，同时公布了后续中试与工业化落地的规划。
两步法如何把 CO₂变成塑料包装？
这项技术的核心，是一套化学催化预处理搭配微生物定向合成的两步法全链条工艺，用通俗的话来说，就是先把微生物啃不动的气态二氧化碳，变成一口就能吃的水溶性有机碳源，再让微生物把这些碳源吃下去，转化成体内储存的生物脂肪，也就是我们需要的可降解塑料。
整个流程的第一步，是二氧化碳的电化学催化还原，本质上就是把硬骨头敲成肉末的预处理过程。
我们日常所说的二氧化碳，是一种化学性质极其稳定的气态化合物，它的分子结构非常牢固，绝大多数微生物都无法直接啃动并利用它。
行业内也有一步法微生物固碳技术，比如用蓝细菌、光合细菌直接吸收二氧化碳合成有机物，但这类技术普遍存在传质效率极低、能耗高、产量极低的问题，根本无法规模化放大。
而图拉国立大学团队的解决方案，是先通过电化学二氧化碳还原反应，对二氧化碳进行预处理，把气态的二氧化碳转化为甲酸盐，也就是甲酸的钠盐或钾盐，一种易溶于水的单碳有机化合物。
这个反应在常温常压的电解槽中进行，以锡基气体扩散电极为核心催化体系，将工业烟气中的二氧化碳通入电解液中，在电能的驱动下，二氧化碳分子在电极表面得到电子，与水反应生成甲酸根离子，最终形成甲酸盐溶液。
这个预处理环节的核心优势十分明显，反应条件极其温和，不需要高温高压，在常温常压下就能稳定进行，团队优化后的催化体系，对甲酸盐的转化选择性超过 90%，也就是说，超过 90% 的二氧化碳都被转化成了目标产物甲酸盐，副产物极少。
更关键的是，甲酸盐易溶于水，能被绝大多数微生物高效吸收利用，完美解决了二氧化碳生物利用的核心痛点。
而团队最具创新意义的设计，是采用了无缝衔接的耦合工艺，电催化反应生成的含甲酸盐电解液，不需要经过复杂的提纯、浓缩、分离步骤，只需要简单调整 pH 值和微量元素，就能直接作为后续微生物发酵的培养基，大幅简化了工艺流程，降低了中间环节的能耗与提纯成本，这也是这项技术区别于同类研究的核心创新点之一。
整个工艺的第二步，也是整个技术的核心灵魂，是微生物定向生物合成，也就是让微生物把食物变成可降解塑料的过程。
简单来说，就是让筛选出的专属微生物，以甲酸盐为唯一的食物，也就是唯一的碳源和能源，在体内合成可降解的聚合物，最终我们把这些聚合物从微生物体内提取出来，就能加工成和传统聚乙烯性能一样的塑料包装。
这项工艺用到的核心微生物，是团队从极端环境中筛选驯化的真养产碱杆菌，这是一种在自然界中广泛存在的革兰氏阴性菌，也是全球工业合成聚羟基脂肪酸酯的模式菌株。
它最核心的特点，就是具备极强的碳源储存能力，当环境中有充足的碳源，但氮、磷等生长必需的营养元素不足时，它就会停止繁殖，把吸收的所有碳源都转化为聚羟基脂肪酸酯聚合物，储存在体内，作为能量储备粮，就像人摄入过多的能量会转化为脂肪储存起来一样。
在最优条件下，聚羟基脂肪酸酯的含量可以达到菌体细胞干重的 80% 以上，合成效率远超其他微生物。
而团队的创新之处，在于没有使用实验室里经过多代基因改造的工程菌，而是从重金属污染的极端环境中筛选野生菌株，再经过定向驯化。
这种野生菌株的优势极其明显，它在极端环境中进化出了极强的抗逆性，对工业烟气中的硫氧化物、氮氧化物、重金属等有毒杂质的耐受性，远高于实验室工程菌，未来工业化应用时，不需要对工业烟气进行极致的提纯处理，大幅降低了原料预处理成本。
整个微生物合成的过程，就是微生物的正常代谢过程，全程在常温常压的发酵罐中进行，不需要任何苛刻的反应条件。
首先，把第一步得到的甲酸盐培养基注入发酵罐，接种筛选好的真养产碱杆菌，先给微生物提供充足的氮、磷等营养元素，让它快速繁殖，扩大菌体数量；
当菌体数量达到峰值后，停止供给氮源，制造营养限制的环境，此时微生物就会停止繁殖，开启储能模式，疯狂吸收培养基中的甲酸盐，在体内通过代谢途径合成聚羟基脂肪酸酯聚合物，以颗粒的形式储存在细胞内；
发酵结束后，通过简单的物理分离手段，把菌体从发酵液中收集起来，再通过破碎、提纯，把聚羟基脂肪酸酯聚合物从菌体中提取出来，经过干燥、造粒，就得到了可用于加工的塑料粒子。
最终得到的核心产物，是微生物天然合成的聚羟基脂肪酸酯，更具体地说，是其中最常见的聚 3 - 羟基丁酸酯。
它是一种线性聚酯，和石油基塑料一样，具备优异的热塑性和加工性能，可以通过吹膜、注塑、挤出等常规塑料加工工艺，制成塑料袋、餐盒、塑料瓶、包装膜等各类包装产品，拉伸强度、透明度、柔韧性等核心性能，完全对标我们日常使用的聚乙烯塑料。
而它和传统聚乙烯最本质的区别，在于完全可生物降解的特性。
传统聚乙烯是人工合成的高分子化合物，自然界中几乎没有微生物能分解它的分子结构，所以只能在环境中破碎成微塑料，无法完全消失。
而聚羟基脂肪酸酯是微生物天然合成的储能物质，自然界中几乎所有的土壤、淡水、海水环境中，都存在能分泌聚羟基脂肪酸酯降解酶的微生物，这些酶能像剪刀一样，把它的高分子链剪断，最终分解为二氧化碳和水，整个过程没有任何有毒副产物，也不会产生微塑料。
更重要的是，它的降解不需要任何苛刻的条件，在工业堆肥环境中，它 3 到 6 个月就能完全降解；在自然土壤中，1 到 2 年内完全降解；即使在海洋环境中，也能在 3 年内完全降解，这正是它区别于常规可降解塑料的核心优势，真正实现了哪怕被随手丢弃，也不会造成环境污染。
不止是环保，更是商业闭环的打通
当我们理清了这项技术的核心原理，就不难理解它为何能引发全球环保与材料领域的广泛关注。
它的颠覆性，不止在于实现了环保层面的双重突破，更在于第一次打通了环保技术的商业闭环，打破了长期以来环保技术赔本赚吆喝的行业魔咒，同时为两大全球性环境难题提供了可落地的解决方案。
首先是无可替代的双重环境价值，它同时破解了气候变化与塑料污染两大危机。
从碳排放的角度来看，传统石油基塑料的全生命周期，是石油开采、炼化、聚合、使用、废弃焚烧，全程都在排放新增的化石源二氧化碳，每生产 1 吨聚乙烯，全生命周期碳排放约为 2.5 吨二氧化碳当量。
而这项技术的全生命周期，是工业烟气二氧化碳捕获、转化为材料、使用、降解回归二氧化碳，全程没有新增的化石碳排放，反而实现了工业排放二氧化碳的资源化利用，是真正的碳循环经济。
规模化应用后，高排放企业可以就地消纳厂区排放的二氧化碳，大幅降低减排压力与碳税成本。
从塑料污染治理的角度来看，传统塑料污染治理一直是末端治理，比如垃圾分类、回收、焚烧，始终无法解决绝大多数塑料无法回收的核心问题。
而这项技术从源头就生产出可在自然环境中完全降解的材料，哪怕没有完善的垃圾分类体系，哪怕被随意丢弃，也能在数年内完全回归自然，从根源上杜绝了塑料污染与微塑料危害。
更核心的突破，是它实现了商业价值的闭环，让减排从成本项变成了盈利项，这也是它区别于传统环保技术的关键。
这项技术具备碳减排收益加产品销售收益的双重盈利模式，传统碳捕获与封存技术只有投入没有产出，传统可降解塑料只有产品销售收益，而这项技术让企业用自己排放的二氧化碳生产可降解塑料，既可以通过碳交易市场出售减排量获得收益，又可以通过销售塑料产品获得收益，双重收益大幅提升了项目的盈利空间。
同时，它彻底摆脱了对粮食作物的依赖，成本下降空间巨大。
传统聚羟基脂肪酸酯的核心成本来自粮食基原料，而这项技术的核心原料是工业企业排放的二氧化碳，原料成本几乎为零，甚至企业还能通过消纳二氧化碳获得碳补贴。
团队测算，若实现规模化量产，结合风电、光伏等绿电为电化学环节供电，生产成本可降至与传统聚乙烯相当的水平，彻底解决了可降解塑料贵到用不起的行业痛点。
除此之外，这项技术最终产出的塑料粒子，可直接适配现有的塑料加工设备，下游的包装厂、塑料制品厂不需要对生产线进行任何改造，就能直接用它替代传统聚乙烯，大幅降低了产业链的切换成本，具备极强的规模化推广潜力。
实际应用还有哪些坎要过？
尽管这项技术展现出了极具颠覆性的应用前景，但我们必须客观认识到，目前它仅处于实验室小试阶段，距离真正实现工业化量产、走进我们的日常生活，还有多道必须跨越的鸿沟，这也是所有实验室技术走向产业化的必经之路。
首先要面对的，就是化工行业普遍存在的从小试到中试的放大难题，也就是业内常说的死亡之谷。
化工行业有一句老话，实验室能做成的，工厂里不一定能做成。
目前这项技术仅在实验室的小型电解槽、小型发酵罐中完成了验证，反应体积大多在升级别，而工业化量产需要的是立方米级别的反应装置。
从小试到工业化放大，最核心的难题是传质、传热效率的变化，实验室小型装置中，物料混合均匀、温度、pH 值都能精准控制，而大型工业化装置中，很容易出现物料混合不均、局部温度或酸碱度变化的问题，直接导致二氧化碳转化效率下降、微生物活性降低、聚合物产量暴跌，这也是全球绝大多数实验室环保技术，最终都倒在中试阶段的核心原因。
同时，目前团队仅公布了材料的基础性能，聚合物的批次稳定性、耐温性、气体阻隔性、食品接触安全性等包装材料的核心指标，均未完成全面测试，比如食品包装需要的氧气、水蒸气阻隔性能，直接决定了它能不能用来装食品、装零食，耐温性决定了它能不能做成一次性餐盒，这些都是必须完成的基础验证。
其次要突破的，是转化效率与成本的瓶颈，这是必须跨过的商业化门槛。
目前实验室阶段的二氧化碳到甲酸盐再到聚羟基脂肪酸酯的两步法工艺，整体能量转化效率仅约 4%，聚合物产量仅为几十毫克每升培养基，距离工业化量产所需的克级甚至十克级每升的产量，还有数量级的差距。
更核心的是成本问题，传统聚乙烯的市场售价仅约每吨 8000 到 10000 元，而目前粮食基聚羟基脂肪酸酯的市场售价约为每吨 25000 到 40000 元，这项技术要实现商业化推广，必须把生产成本降至与传统聚乙烯相当的水平，而这需要解决三大成本痛点。
第一是电化学环节的能耗成本，二氧化碳电化学还原需要消耗大量电能，若使用电网火电，不仅会增加碳排放，还会让成本居高不下，只有使用风电、光伏等绿电，才能同时实现低碳排放与低成本，这就需要配套的绿电资源，对项目选址有较高要求。
第二是发酵环节的时间与设备成本，实验室发酵周期大多在 48 到 72 小时，而工业化量产需要将发酵周期压缩至 24 小时以内，才能提升设备利用率，降低单位成本，这就需要进一步优化菌株性能，提升聚羟基脂肪酸酯合成效率。
第三是产物提取与提纯成本，传统聚羟基脂肪酸酯生产中，菌体破碎、聚合物提纯的成本，占到总生产成本的 20% 到 30%，目前团队尚未公布提纯工艺的优化方案，这也是未来成本控制的关键环节。
接下来要验证的，是菌株的工业化适配性，也就是从实验室到工厂的环境考验。
实验室中筛选的菌株，是在纯净、稳定的实验室环境中测得的性能，而未来工业化生产中，使用的是真实的工业烟气，其中含有硫氧化物、氮氧化物、重金属、挥发性有机物等多种杂质，这些杂质是否会进入电解液，抑制微生物的活性，甚至导致菌株死亡，仍需要大量的耐受性实验验证。
同时，工业化生产需要菌株具备连续发酵的稳定性，而实验室菌株大多只能实现单批次发酵的稳定，能否在连续数十批次的发酵中，保持稳定的活性与聚合物合成效率，会不会出现菌种退化的问题，都是必须解决的工业化难题。
最后要跨越的，是行业合规与市场准入的高门槛，这是一条漫长的认证周期。
包装材料，尤其是食品接触用包装材料，有着极高的行业合规门槛，在全球绝大多数国家，食品接触用塑料材料，必须通过严格的食品接触安全认证、生物安全性检测、毒理学测试，可降解材料还需要通过可降解性能认证，才能进入市场。
比如中国的食品接触用塑料材料及制品国家标准、欧盟的食品接触塑料法规、美国食品药品监督管理局的食品接触材料认证，这些认证流程周期长、投入高，需要大量的检测数据与长期的安全性验证，目前这项技术的产品尚未启动任何合规认证，这也是它商业化落地必须跨越的关键门槛。
当然，如果这项技术最终实现规模化量产，它给我们的生活与全球生态带来的改变，将是颠覆性的。
我们日常使用的塑料袋、外卖餐盒、快递包装、食品保鲜膜，都将变成用工业废气二氧化碳生产的材料，哪怕被随意丢弃，也会在 1 到 2 年内完全降解，再也不会造成白色污染，海洋中的微塑料污染也将得到根本性的遏制。
钢铁厂、火电厂、化工厂等高排放企业，再也不用为碳排放超标发愁，厂区排放的二氧化碳将变成宝贵的生产原料，就地转化为高附加值的塑料产品，企业的减排义务变成了新的营收板块，全球碳中和进程将大幅加速。
可降解塑料再也不用依赖粮食作物，彻底解决了塑料与人争粮的矛盾，全球粮食安全压力也将得到缓解。
这项技术的延伸应用场景极其广阔，除了包装材料，聚羟基脂肪酸酯还可以用于生产农业地膜，解决农田地膜残留污染问题。
用于生物医药领域，做成药物缓释载体、手术缝合线，在人体内自动降解，无需二次手术。
甚至可以用于航天领域，在空间站中把宇航员呼出的二氧化碳转化为所需的材料，实现太空环境中的资源循环。
本文转自：绿创碳和