电能辅助CO₂生物转化与利用，结合了电能的清洁性、化学电催化剂的高效性及生物制造的多样性等多个优势，为实现“双碳”目标提供了更高效的解决方案。电催化模块与生物合成模块之间的适配性差是目前导致其整体固碳效率低的关键原因。通过模块化分解、交叉干扰分析和系统集成优化有望实现CO₂的高效转化与利用。

中国科学院天津工业生物技术研究所体外合成生物学中心张玲玲研究员带领的酶电催化研究团队致力于电生物固定CO₂的研究。近期，该团队在电催化-微生物合成系统集成固定CO₂生产单细胞蛋白方面取得重要进展。该工作通过将电催化CO₂还原产甲酸过程与副球菌MA5同化利用甲酸过程进行系统集成与适配，实现了CO₂到单细胞蛋白的转化。在电催化模块，团队设计制备了一种高稳定Cu/Cu₂O电催化剂。该催化剂在-0.78 V下可连续稳定运行100 h以上，高于目前报道的大多数产甲酸电催化剂，且甲酸是唯一液相产物，避免了实际应用中的后分离过程。在微生物合成模块，考察发现常规CO₂还原电解质碳酸氢钾对菌体生长没有明显抑制，反而较低浓度的碳酸氢钾还促进了菌体的生长。在系统集成方面，通过在电催化剂表面添加一层阳离子交换膜，在两模块间加入一层滤膜等措施有效避免了模块间的交叉干扰效应。利用该集成系统，以CO₂作为唯一碳源，电能作为唯一能量输入，实现了单细胞蛋白0.114 OD h^-1的最大生长速率 ，高于目前绝大多数类似电-生物系统的合成速率。此外，细胞干重累积达到2.6 g L^-1，电能转化效率达到9.2%。该系统不需要甲酸分离提纯，不需要使用氢气等易燃易爆气体，不需要额外添加碳源，装置易于集成放大，在CO2固定和生物制造领域展现良好的应用前景。

该研究工作得到天津市合成生物技术创新能力提升行动以及中国科学院关键核心技术攻坚先导专项的支持。研究成果已在Applied Catalysis B: Environment and Energy（IF:22.1）上发表。中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员崔会娟为论文第一作者，张玲玲研究员和李德茂研究员为论文共同通讯作者。

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电催化-微生物合成集成系统固定二氧化碳生产单细胞蛋白示意图