二氧化碳变乙烯，蓝细菌在膜里一产就是4个月 | 海潮天下·前沿|乙烯|催化剂|反应器|基质|氧化|海潮

海潮天下·导读

未来的乙烯生产，或许可以把“工厂”做得更像一张薄膜。阳光照射下来，二氧化碳和水进入系统，经过基因改造的蓝藻在薄膜中持续工作，把光能转化为乙烯。芬兰图尔库大学的研究团队对一种名为集胞藻PCC 6803的蓝细菌进行了基因改造，给它植入了一个来自丁香假单胞菌的乙烯合成酶基因（efe）。改造后的蓝细菌就变成了“微型工厂”——只需吸收阳光、水和二氧化碳，就能直接合成、并释放出乙烯气体。

海潮天下（Marine Biodiversity）本期介绍的就是芬兰图尔库大学等开发出这种新型光合系统。研究人员把这种设想推进到了超过4个月的连续运行尺度，说明光合微生物可固定在固态材料中，作为一种可长期使用的生物催化单元。若未来能进一步提高单位面积产率，并解决大面积制备、光照、气体传质和乙烯收集等工程问题，这类“活的薄膜”有望成为传统化石原料乙烯生产之外的一种新型技术路线。

本文约5500字，阅读约3分钟

文 | 王海诗

出品 | 海潮天下

乙烯是现代化工产业最重要的基础原料之一，大量用于生产聚乙烯、环氧乙烷等化学品。目前工业乙烯主要来自石油和天然气等化石资源的裂解。近年来，科学家一直在探索另一条路线——让能够进行光合作用的微生物直接利用光能和二氧化碳合成乙烯。

2026年7月2日发表在《Trends in Biotechnology》的一个最新研究显示，工程化蓝藻可以被固定在纳米纤维素薄膜中，像一层“会工作的生物材料”一样持续地利用光能和二氧化碳合成乙烯。实验中，这种固态光合细胞工厂连续运行超过4个月，在相同条件下的长期乙烯产率约为悬浮培养的2倍。

这项研究由芬兰图尔库大学和芬兰国家技术研究中心等机构完成。研究团队将工程化集胞藻（Synechocystis sp. PCC 6803）嵌入纳米纤维素基质，再置于定制的光生物膜反应器中进行连续培养。

▲上图：研究示意图。论文出处：©Kosourov SN, Siitonen V, Tóth GS, Levä T, Tammelin T, Kallio P, Allahverdiyeva Y.(2026)

Marine Biodiversity

蓝藻不用再“泡”在培养液里

这项研究的核心变化倒还不是重新设计一种产乙烯蓝藻，它改变的是蓝藻工作的方式。该研究用的集胞藻是经基因工程改造的，导入来源于丁香假单胞菌的乙烯形成酶（Efe）。这种酶能够利用细胞代谢中的2-氧代戊二酸和氧气生成乙烯，因此蓝藻可以把光合作用固定的碳导向乙烯合成。

传统做法一般是让蓝藻悬浮在培养液中。细胞要不断生长、分裂，培养液还要持续搅拌，以防止细胞沉降。在连续流条件下，细胞又容易随培养液流失。该研究团队认为，这种培养模式会让相当一部分固定的碳和能量进入生物量、却没进入目标产品。

所以，固态光合细胞工厂采用了另一种思路。他们把蓝藻固定在薄膜内部，让细胞保持活性，但限制其大量增殖。这样一来，系统从“培养细胞”转向了“让细胞持续充当催化剂”。

研究团队选用的是TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TCNF），这种纳米纤维素基质具有较高的透明度，同时形成多孔结构，可以维持细胞水合状态，并为气体和营养物质交换提供通道。

反应器采用半湿式运行。让薄膜保持湿润，但同时暴露于气相环境；培养基持续供应营养物和无机碳，生成的乙烯就可以从膜中释放到气相、并被监测（这一点对乙烯这样的挥发性产物尤其重要）。

▲固态光合细胞工厂在光生物膜反应器（PhBFR）系统中的连续乙烯生产。论文出处：©Kosourov SN, Siitonen V, Tóth GS, Levä T, Tammelin T, Kallio P, Allahverdiyeva Y.(2026)

Marine Biodiversity

142天持续产乙烯，关键却不是“碳越多越好”

研究团队最初使用200毫摩尔/升碳酸氢钠作为无机碳来源。200微米厚的Ca²⁺-PVA-TCNF水凝胶膜可以维持乙烯生产，但约55天后出现明显褪色，产量开始下降。

随后，研究人员降低碳酸氢盐浓度，在20~100毫摩尔/升之间进行调整。结果显示，20~60毫摩尔/升已经足以维持较稳定的长期生产。一个实验持续超过142天，累计乙烯产量约80.4毫摩尔，即约2升/平方米，平均生产速率约0.57毫摩尔/平方米/天。

不过，高浓度碳酸氢盐在短期内虽能提高产量，却不利于长期运行。在20、60和120毫摩尔/升3种条件下，长期累计产量分别约为1.24、0.72和0.68升/平方米。高浓度条件下，薄膜更早出现褪色，光化学活性下降也更明显。研究人员还排除了乙烯合成基因质粒丢失或发生突变这一解释。

这说明，固态光合细胞工厂的长期运行并不是简单增加碳源供应就能提高产量。碳酸氢盐浓度还会影响细胞的生理状态以及薄膜内部的微环境，过高的供应可能带来渗透压力、碳氮平衡变化以及局部pH和碳酸盐沉淀等问题。

另一个有意思的现象跟诱导剂IPTG有关。在实验初期，研究人员得加入IPTG启动乙烯形成酶的表达。可随着培养时间延长，固定在薄膜中的细胞救逐渐不再对额外IPTG产生明显响应，但乙烯生产仍能持续。亦即，长期运行阶段并不需要不断补加IPTG。研究人员认为，细胞进入生长受限状态后，其生理状态和基因表达调控发生了变化，已有的酶以及一定程度的基础表达可能足以维持乙烯生产。

▲（A）在连续BG11培养基流（20ml h⁻¹）和恒定空气供给（10ml min⁻¹）条件下，不同碳酸氢钠浓度（20mM、60mM、120mM，分别以青色、蓝色和红色曲线表示）加载的Ca²⁺–PVA–TCNF水凝胶膜的每日乙烯产量随时间的变化。箭头标示肉眼可见的膜漂白起始点。（B）实验开始（0天）和结束时（20、60、120 mM碳酸氢钠浓度分别对应129、56、43天）膜的视觉外观及光化学活性。图中Y(II)值代表光系统II的有效量子产率，在膜上多个随机选取点位测得；数值范围表示观测到的最小值和最大值。PVA：聚乙烯醇（polyvinyl alcohol）；TCNF：TEMPO氧化纤维素纳米纤维。论文出处：©Kosourov SN, et al.(2026)

Marine Biodiversity

同样的蓝藻，换成薄膜后产量提高约1倍

研究团队随后设置了直接对照。在相同的反应器、光照、培养基流速、碳酸氢盐浓度和初始细胞量条件下，悬浮培养的集胞藻与固定化蓝藻进行比较。

129天后，悬浮培养累计产生26.6毫摩尔乙烯，约0.66升/平方米；Ca²⁺-PVA-TCNF薄膜则达到50毫摩尔，约1.24升/平方米。两者平均日产率分别约为0.20和0.39毫摩尔/平方米/天，固定化系统约为悬浮系统的1.8倍。

▲悬浮培养条件下集胞藻（Synechocystis efe）的每日乙烯产量及叶绿素a含量的变化。实验在光生物膜反应器（PhBFR）中进行，持续供给含20mM碳酸氢钠的BG11培养基（流速20 mL/h）和恒定空气（流速10 mL/min）。图中箭头表示向反应器内添加1mM IPTG（异丙基-β-D-硫代半乳糖苷）的诱导时间点。乙烯产量以每日累计值显示（蓝线），叶绿素a含量（绿线）反映培养液中细胞生物量的变化。可以看出，悬浮培养在运行初期叶绿素a含量快速下降，且需要定期补加IPTG才能维持乙烯生产，长期累积产量明显低于固定化薄膜系统。论文出处：©Kosourov SN, et al.(2026)

▲固定化膜与悬浮培养的长期乙烯累积产量对比（130天）。在完全相同的光照、培养基供给和碳源条件下，两种固定化薄膜（PVA-TCNF和MLG-TCNF）的累计乙烯产量均明显高于悬浮培养。其中，全多糖的MLG-TCNF膜在130天内累计产量最高（约1.44 L/m²），约为悬浮培养（约0.66 L/m²）的2.2倍。此外，固定化膜仅在实验开始时诱导一次即可，而悬浮培养需要反复添加诱导剂（IPTG）才能维持生产。图中未显示误差棒，因长期实验仅执行一次。图片来自论文：©Kosourov SN, et al. (2026)

差异的一个重要来源是细胞留存。悬浮体系开始运行后，叶绿素a含量很快从约5.5毫克下降到约1毫克，此后长期维持在较低水平。固定在膜中的细胞则保持了更稳定的叶绿素a含量。悬浮体系还需要持续搅拌防止沉降，并定期补加IPTG维持乙烯形成酶表达。

换句话说，这项研究要解决的是长期运行过程中“细胞留不住、容易长成生物量、需要频繁干预”的工程问题。不过，研究人员没有把这一结果解释为悬浮培养失效，毕竟悬浮体系本身也还成功运行了约4个月，只不过长期生产性能低于固定化体系。

▲上图：蓝细菌在自然水体中过度繁殖会引发水华灾害（左），而在实验室可控条件下，经过基因改造的蓝细菌可在纳米纤维素薄膜上持续将二氧化碳转化为乙烯（右）。论文中用于产乙烯的集胞藻PCC 6803（Synechocystis sp. PCC 6803）即属于蓝细菌门，是一类能进行放氧光合作用的原核微生物。图片来源：国家自然博物馆展板，摄影：Linda Wong

Marine Biodiversity

新的工程难题

研究最后测试了一种完全由多糖构成的Ca²⁺-混联葡聚糖（MLG）-TCNF膜，用混联葡聚糖替代含聚乙烯醇的材料。这种膜在130天内累计产生约58毫摩尔乙烯，即约1.44升/平方米，是测试膜材料中累计产量最高的一种。实验还显示，TCNF基膜和水凝胶在加入相应降解酶后可以发生较快降解；48小时内，干膜已经完全解体。

但这里出现了一个技术问题。MLG-TCNF膜厚约2毫米，是200微米PVA-TCNF膜的10倍。按催化剂体积计算，前者的时空产率反而只有0.22毫摩尔/升催化剂/天，而后者达到1.9毫摩尔/升催化剂/天。研究人员认为，较厚的膜会加剧内部遮光，限制光线进入深层细胞。

这恰好是固态光合细胞工厂下一阶段最棘手的问题——细胞密度、膜厚度和光传递之间存在直接矛盾。膜要是太薄，单位面积能够承载的细胞量有限；可若是膜太厚，内部细胞又会受到遮光影响。同时，氧气、二氧化碳、营养物和乙烯都需要在膜内部完成传递。面积扩大以后，还必须解决大面积薄膜的均匀光照、供水、气体交换和产品回收。

这个研究把“工程化微生物”和“功能材料”放进了同一个生产单元，这是一个亮点。蓝藻负责光合固碳和乙烯合成，纳米纤维素膜负责限制生长、固定细胞、维持水分并改善物质传递，反应器则负责光照、供料和产品收集。4个月的连续运行证明，这种组合至少可以在实验室条件下维持较长时间的生物催化活动。

不过，这项工作目前还是一个经过长期连续运行验证的实验室技术，距离接近工业化的乙烯生产工艺还有点远。该论文将其技术成熟度评为TRL 4，并明确指出，在进入更接近实际应用的环境前，还需要提高生产率、碳利用效率、基质性能和反应器设计。研究团队下一步考虑的方向包括直接供应二氧化碳、优化气体与薄膜之间的传质、开发可光固化和3D打印的生物基材料，以及在薄膜内部加入导光结构。对于规模化反应器，均匀照明、气体交换、膜水合和乙烯回收都需要重新设计。

固态光合细胞工厂

固态光合细胞工厂（solid-state photosynthetic cell factory，solid-state PCF）指将经过工程化改造的光合微生物固定在固体或水凝胶基质中，使其在保持光合活性的同时持续进行目标化学品合成的生物生产平台。与传统悬浮培养不同，细胞不再自由分散于培养液中，而是被固定在材料内部。

工程化集胞藻

集胞藻（最经典的是Synechocystis sp. PCC 6803）是模式生物，具有完整基因组序列，且天然具备强悍的光合作用能力。合成生物学将其作为“微型光合细胞工厂”进行改造，直接将太阳能和二氧化碳转化为高价值化学品或燃料。不过，天然集胞藻虽然能进行光合作用，但它的自然代谢只服务于自身的生长和繁殖。野生集胞藻吸收CO2后，合成的是自己生长所需的蛋白质、脂质和糖类，不会主动为人类制造乙醇、塑料前体或药物。

所以本研究用的是工程化集胞藻（Engineered Synechocystis），它是通过基因工程或合成生物学手段改造过的一类单细胞蓝藻（蓝细菌）。简单来说，工程化集胞藻就是把蓝藻改造为一个“以太阳光和CO2为原料的微型生产车间”，是绿色低碳制造和碳中和技术中的一种重要工具。

TEMPO氧化纤维素纳米纤维

TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TEMPO-oxidized cellulose nanofiber，TCNF）是一种以纤维素为基础制备的纳米纤维材料（宽度通常只有3~4纳米，长度可达数百纳米至微米级）。它之所以在材料学界和生物医用领域备受关注，核心原因在于TEMPO催化化学反应带来的三大决定性特性：选择性氧化（带负电）、极易剥离解离、高透明度与高强度。比如这个研究就利用了它较高的光学透明度、孔隙结构和机械稳定性构建细胞固定化基质，为细胞提供水分保持、气体交换和物质传递条件。

技术成熟度等级

技术成熟度等级（Technology Readiness Level，简称TRL）是国际上通用的一种用来评估一项技术/材料从“概念构想”到“商业化/实际应用”成熟程度的标准化衡量体系。它最初由美国国家航空航天局（NASA）在20世纪70年代提出的，如今已广泛应用于航空航天、国防、生物医药、新能源及材料科学（包括合成生物学、纳米材料等）领域。TRL共分为1~9级，数字越大，代表技术越成熟、越接近大规模实际落地。TRL 1~3级属于高风险科研投资；TRL 4~6级被称为“死亡之谷”（实验室成果向工业化转化的最难关卡）；TRL 7~9级则更偏向产业资本投融资。比如说，工程化集胞藻或TEMPO氧化纤维素纳米纤维（TCNF）的某些前沿应用，如果刚在实验室培养皿或小试管里验证了可行性，就属于TRL 3；如果已经建成了百吨级的中试生产线，差不多可能达到了TRL 5~6。

在这项论文中，将这一固态光合细胞工厂定位在TRL 4（中试与验证阶段），意味着已经完成实验室环境中的技术验证，但距离中试和实际应用仍有明显距离。

读而时思之~

蓝细菌生产的乙烯分子，跟石油炼化得到的乙烯没有任何区别。商业化也早有先例，比如巴西等地的公司已经在用甘蔗生产生物乙醇，再脱水制成生物乙烯，最后合成生物基聚乙烯（Bio-PE），只不过蓝细菌路线是对这一思路的“升级版”——跳过“生物乙醇”这个中间环节，直接用阳光和CO₂一步法生产乙烯。再往远了看，未来在火星殖民中，可以利用火星上的阳光和富含CO₂的大气，用蓝细菌生产乙烯，直接在火星上制造建筑材料，也是有可能的……这篇研究没有一味地继续去追求“让蓝藻长得更快、产量更高”，他们换了一种思路，将经过基因工程改造、能够合成乙烯的集胞藻固定在纳米纤维素基质中，把蓝藻从不断增殖的“培养细胞”变成可以长期工作的“活催化剂”。为拓展思路，让我们一起来探索一下，思考几个问题（没有标准答案，仅供启发思考用）。

（图文无关）▲蓝藻微小到肉眼不可见，却是地球上丰度最高、贡献了极大初级生产力的光合生物。上图是原绿球藻（Prochlorococcus marinus）的扫描电子显微镜（SEM）图像。©Luke Thompson & Nikki Watson

【Q1】这项研究将工程化蓝藻固定在纳米纤维素基质中，使乙烯生产持续超过4个月。实验也显示，长期运行中的产率并非始终保持不变。现有结果能够确认哪些因素会影响系统的长期稳定性？哪些因素只是论文提出的潜在瓶颈、尚缺乏因果证据？如果进一步延长运行时间，应该如何设计实验，区分细胞生理状态、光限制、代谢状态、材料性质和传质过程各自的贡献？如果只能设计3组关键实验，你会如何证明造成产率下降的主导因素？

【Q2】传统微生物发酵往往追求高细胞密度和高生物量，但这项研究恰恰利用固定化限制细胞生长，让细胞更像一个长期工作的“活催化剂”。你认为，当“细胞增殖”被人为压制后，光合生物制造的基本评价指标是否也应该改变？除单位生物量生产率之外，是否应该更加关注单位面积产率、催化剂寿命、单位催化剂体积时空产率、光能利用效率和生命周期生产率？

【Q3】这个研究显示，长期乙烯生产的关键并不只是提高单位时间产率，还包括维持细胞长期稳定工作。如果进一步进行代谢工程改造的话，你认为，应优先提高乙烯合成途径的碳流分配呢，还是降低产乙烯对细胞生长和基础代谢的扰动？两种策略，可能分别带来什么长期代价？假设，对于需要连续运行100天以上的光合细胞工厂，最高瞬时乙烯产率是否仍应作为首要优化目标？若是把累计乙烯产量、单位光能产率、细胞寿命和催化剂更换频率同时纳入评价，最合理的优化目标应该如何定义？

【Q4】最近海潮天下小编在北大未名湖看到了比较明显的蓝藻水华，拓展地想到一个问题。能不能把蓝藻水华、绿潮等环境治理过程中本来需要打捞、脱水和处置的藻类生物量，纳入“光合细胞工厂”的技术体系？比如说，藻华爆发的时候，打捞出来大量天然蓝藻，利用这些藻体中回收的氮、磷、有机碳以及其他营养资源，建立藻华生物质资源回收体系，为经过严格生物安全设计的工程蓝藻提供培养资源。另外与悬浮微藻相比，沿海的浒苔形成的漂浮或岸滩生物质具有较低的收集门槛，但其高含水率、盐分和潜在污染物仍会增加后续处理成本。……我们国家科学界过去一直在研究如何把藻华变成燃料或化学品（当然也很好），不过这项研究或提示了一条不同的路线——能否把藻华治理产生的营养元素和生物质资源，转化为支撑下一代固态光合细胞工厂的“原料基础设施”呢？

声明：1）本文仅代表资讯、以及作者本人的观点；仅供读者参考，不代表平台观点。2）本文已经开启“快捷转载”，欢迎微信公众平台转发；3）欢迎专家、读者不吝指正、留言、赐稿！欢迎有理有据的不同意见，激发思考、百家争鸣。

资讯源 | Kosourov SN, et al.(2026)

文 | 王海诗

排版 | 卢晓雨

时间 | 2026年8月

联系小编 | editor@oceanbiodiversity.cn

本文参考资料
感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以参看该研究的全文：
Kosourov SN, Siitonen V, Tóth GS, Levä T, Tammelin T, Kallio P, Allahverdiyeva Y. Over 4 months of ethylene production using solid-state photosynthetic cell factories. Trends Biotechnol. 2026 Jul 2:S0167-7799(26)00246-5. doi: 10.1016/j.tibtech.2026.06.006. Epub ahead of print. PMID: 42392926.
https://pubs.rsc.org/gc/article/22/19/6404-6414/687862
https://pubs.rsc.org/gc/article/22/19/6404/687862/Towards-sustainable-ethylene-production-with
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0167779926002465
https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0167-7799%2826%2900246-5
下面是芬兰图尔库大学 (University of Turku) 在2020年发布的一个旧闻，人工蓝细菌生物膜可实现持续一个月以上的太阳能驱动乙烯生产（今年的最新进展中，他们联合芬兰国家技术研究中心 (VTT Technical Research Centre of Finland) 推出了升级版的纳米纤维素薄膜技术，将蓝细菌生物膜的持续产乙烯时间大幅延长到了4个月以上，产量达到传统悬浮培养系统的两倍，并且纳米纤维素材料本身具备可回收和生物降解性。这正是您在最开始看到的中文科普报道的核心依据），温故而知新，感兴趣的海潮天下（Marine Biodiversity）读者可以拓展一番、去看一下6年前的旧闻：
https://www.utu.fi/en/news/press-release/artificial-cyanobacterial-biofilm-can-sustain-solar-driven-ethylene-production

▼ 海潮天下·往期推荐
❀全球海洋正在经历稳态转换、进入大型藻类时代？每年暴涨13.4%
❀北京大学未名湖水系的蓝藻水华（微囊藻）
❀巨藻为何能撑起海底森林？科学家首次解析其“阳光引擎”内部结构
❀精度提至1公里！NOAA升级马尾藻风险预警体系
❀欧盟《生物技术法案》（Biotech Act）提议，将安全基因植入合成代码 | 科技创新中伦理问题前瞻研究
❀2026年生物安全技术征集启动！《卡塔赫纳议定书》发布最新通知
❀纪念詹姆斯·沃森 | 从DNA到人工智能，生物信息学如何塑造未来医学与生物技术？