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在应对气候变化的紧迫需求下，研究人员开展了光合活性材料用于双重碳封存（CO2 sequestration）的研究。他们将光合微生物固定在可打印聚合物网络中，发现该材料 30 天每克能封存 2.2 ± 0.9 mg CO2 ，400 天为 26 ± 7 mg ，为碳减排提供新途径。
在全球气候变化的大背景下，二氧化碳（
CO2 ）排放过量导致的温室效应愈发严重，成为了全人类面临的重大挑战。传统的工业碳封存技术，通常需要特定的极端条件和大量的能源消耗，而且还必须靠近大型排放源，成本高昂且实施难度大。而自然生态系统虽然能够有效地进行碳封存，像森林通过树木的光合作用吸收
CO2 ，水生系统和湿地也有着各自的碳固定方式，它们仅依靠阳光和常见的小分子就能在自然环境下运作，成本低且环保。但自然碳封存的速度相对较慢，并且在自然环境之外控制这些生态系统十分困难。为了找到更高效、便捷且可持续的碳封存方法，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）等机构的研究人员展开了深入研究。
他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为碳封存领域带来了新的希望。研究人员通过将具有微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）能力的光合蓝藻 —— 聚球藻属（Synechococcus sp.）菌株 PCC 7002，固定在可打印的基于 Pluronic F - 127（F127）的聚合物网络中，制备出了能够实现双重碳封存的光合活性材料。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是 3D 打印技术，通过直接墨水书写和基于光的增材制造技术，构建出不同结构的光合活性材料，如设计了具有特定尺寸支柱的 3D 晶格结构，促进气体、营养物质传输和光的吸收。其次是材料表征技术，利用流变仪对生物墨水的可打印性进行表征，通过热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X 射线衍射（XRD）等手段对材料中的碳酸盐沉淀进行分析，以此来确定材料的成分和结构变化。
研究结果主要分为以下几个方面：
- 工程化活性材料用于双重碳封存：聚球藻属菌株 PCC 7002 具有碳浓缩机制，能通过可逆的生物质积累和不可逆的矿物沉淀实现双重CO2 封存。研究人员将其封装在 F127 基水凝胶基质中制备光合活性材料，这种生物墨水具有良好的可打印性和光学性能，能保证蓝藻的活力和生长。
- 光合活性材料的双重CO2 封存能力：通过实验测定，在 30 天的培养过程中，光合活性材料中的 PCC 7002 生物质不断增长，同时有不溶性碳酸盐沉淀生成。30 天内，生物样品比非生物样品多积累 36% 的干重，每毫升凝胶中CaCO3 沉淀量达到 4.8 ± 2 mg ，每克水凝胶通过 MICP 封存的CO2 为 2.2 ± 0.9 mg 。
- 复合材料在生命周期中的形成：MICP 过程中形成的晶体碳酸盐会分布在聚合物基质中，主要为钙镁碳酸盐。随着沉淀的形成，材料的机械性能得到增强，如储存模量（G ）和韧性都有所提高。
- 3D 打印光合活性结构用于双重碳封存：研究人员设计的 3D 晶格结构光合活性材料，能促进气体和营养物质运输，有利于长期的碳封存。这种材料在培养过程中不断矿化，机械性能逐渐增强，在 400 天的培养期内，每克水凝胶材料能以碳酸盐沉淀的形式封存 26 ± 7 mg 的CO2 。
研究结论和讨论部分指出，该研究设计的光合活性材料为碳封存提供了一种新的可扩展方法。这种材料仅需阳光和大气中的CO2 ，就能在整个培养期内保持稳定的碳封存效率，其碳封存能力与工业化学矿化过程相比具有竞争力，并且不受特定化学物质可用性的限制。虽然目前该材料在大规模应用中还面临一些挑战，如材料生产的可扩展性和实用性有待提高，但随着生物制造技术的发展，有望实现更大规模的生产和应用。同时，通过基因改造或筛选具有更高光合速率的微生物，还能进一步提高系统的效率。这一研究成果为未来在绿色建筑材料表面涂层、商业规模封存工厂的生物反应器等领域的应用提供了可能，对于减少建筑环境中的CO2 排放，实现长期可持续的碳封存具有重要意义。
