引言
年9月24号，中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队采用“搭积木”的方式，从头设计、构建了11步反应的非自然固碳与淀粉合成途径，在实验室中首次选择甲酸和甲醇作为候选中间体，实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成，如图4所示。相关研究成果以题为“Cell-freechemoenzymaticstarchsynthesisfromcarbondioxide”发表于最新一期《Science》上。此研究意义在于减少反应步骤，使得该合成途径比自然光合作用速度更快、效率更高。“这一人工途径，从太阳能到淀粉的能量效率是玉米的3.5倍；淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。”论文第一作者蔡韬说。
#01
用二氧化碳就能合成淀粉？
没有那么简单
淀粉是一种独特的多聚葡萄糖，是植物利用阳光、水、二氧化碳和土壤养分捕捉能量的重要储存物(图1)，提供了世界上80%以上的热量。随着遗传学和生物化学的进步，淀粉合成机制已经愈发清晰。
图1从太阳能到淀粉贮藏能量的过程[1]
传统生物自发固定二氧化碳
每年有超过亿吨二氧化碳被生物自发固定，其中超过90%的碳被植物、藻类和微生物所固定。但即使在最佳条件下，生物固定二氧化碳往往受到转化酶效率低下的影响。图2反应了作物中生成支链淀粉所需的多种酶。
图2支链淀粉合成涉及多种酶[1]
完全人工固定二氧化碳
新兴的合成生物学通过设计人工酶来实现二氧化碳固定。通过整合来自不同生物的不同酶反应，构建在动力学、热力学上更有效的人工路径。Schwander团队就曾构建了一个优化路径，使用了17种酶，包括来自9个不同生物体的3种工程酶，如图3所示。
图3Thecrotonyl–coenzymeA(CoA)/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA(CETCH)[2]
图4人造淀粉合成代谢途径的设计和模块化组装[3，4]
人造淀粉合成技术使工业制造生产淀粉成为可能。核磁共振检测发现，人工合成淀粉分子与天然结构组成一致。在充足能量供给下，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。这使淀粉生产方式从传统的农业种植向工业制造转变成为可能。
#02
固碳技术如何落地：
从“CCUS技术”到“碳价值链”
实际上，“二氧化碳合成淀粉”只是“碳捕获、利用和储存技术”的其中一种，让我们来缓缓揭开这一“黑科技”的神秘面纱。
什么是“CCUS”技术？
联合国欧洲经济委员会（UNECE）于年3月1日发布《碳捕获、利用和储存技术（CCUS，CarbonCapture,UtilizationandStorage）简报》，突出强调了CCUS技术在碳中和进程中的作用。国际能源署制定了与《巴黎协定》路径相一致的清洁技术方案（CTS），在该方案中CCUS贡献了整个工业部门所需减排量的近五分之一。
而根据丁仲礼院士的描述，“碳中和的概念，就是人为排放的二氧化碳（化石燃料利用和土地利用），被人为努力（木材蓄积量、土壤有机碳、工程封存等）和自然过程（海洋吸收、侵蚀-沉积过程的碳埋藏、碱性土壤的固碳等）所吸收。目前全球每年排放的二氧化碳大约是亿吨，其中14%来自土地利用，86%来自化石燃料利用。排放出来的这些二氧化碳，大约46%留在大气，23%被海洋吸收，31%被陆地吸收。”也就是说，碳中和意味着“碳排放量=碳吸收量=自然过程吸收量+生态碳汇（木材、土壤有机质、碳屑等）+工程封存”的平衡点。
随着“自然过程”的吸收量逐渐达到饱和（例如森林在年前会达到固碳峰值），“人为努力”的重要性愈加凸显，这就需要依赖于CCUS技术。可见，CCUS技术对于降低全球二氧化碳排放量、根据《巴黎协定》逆转全球气候变暖趋势至关重要。
目前CCUS技术路径有哪些？
根据丁仲礼院士讲座PPT，目前全球主要“负排放技术”如下图。包括将二氧化碳制成化学品、将二氧化碳制成燃料、微藻的生产、混凝土碳捕集、提高原油采集率、生物能源的碳捕捉和存储、硅酸盐岩石的风化和矿物碳化、植树造林以及土壤有机碳和土壤无机碳、农作物的秸秆烧成木炭还田等等。
图5全球主要“负排放技术”（来自丁仲礼院士报告PPT）
不同固碳技术的碳捕获路径不同，其化学反应、实现路径以及固碳能力、固碳成本也各不相同。
图6碳捕获、碳储存与碳利用全流程
（图源全国能源信息平台）
固碳化学反应角度：固碳技术涉及到的化学反应有的是非氧化还原反应，比如丁仲礼院士特别提及的碱性土壤的固碳，就是将二氧化碳转化为碳酸钙。更多的固碳方法的原理是氧化还原反应，而将二氧化碳转化为低化合价的产物需要还原剂，在光合作用中还原剂是光解水产生的还原氢，而在化工生产中还原剂常常是氢气。“二氧化碳合成淀粉”也使用氢气作为还原剂将二氧化碳转化为有机物。
碳捕获渠道角度：二氧化碳可以从工业废气流（点源碳捕获）以及直接从大气（直接空气捕获）捕获。从二氧化碳浓度较高的点源捕获二氧化碳相对更加容易，目前，基本上所有工业规模的二氧化碳捕获项目都是基于点源碳捕获。虽然直接空气捕获技术成本更高、技术尚未成熟，但不受地点、浓度的拘束，有着更大的潜力。
图7点源碳捕获（图源全国能源信息平台）
碳储存与碳利用角度：二氧化碳并不是废料，固碳的终点也不全是把碳封存地下。例如，“二氧化碳合成淀粉”的研究就很好地体现出绿色经济价值。现在碳利用的三大方向主要是化学、生物和矿化。化学方向的碳利用主要是用二氧化碳为原料合成相关工业产品，以及使用强化采油技术用二氧化碳提高煤层气采收率（原理是使原油体积膨胀，减小粘度，增强流动性），但需要考虑碳的再释放问题。矿化方向的碳利用主要指把碳封存在混凝土、碳酸盐之中，生物方向的碳利用主要指把碳封装在藻类、生物炭之中，是备受