随着全球气候变化的日益加剧，减少大气中二氧化碳含量已成为当今科学研究和技术创新的重点方向之一。传统的工业碳捕获技术虽然效率高，但往往伴随着高能耗和复杂的设备需求，限制了其大规模推广应用。与此同时，自然界的生态系统如森林、湿地和海洋虽然在碳汇形成方面发挥着核心作用，但其碳捕获过程较为缓慢且难以精确控制。在此背景下，科学界逐渐聚焦于结合生物系统优势与工程技术的创新路径，光合活性材料便是在此领域一次具有突破性的尝试。光合活性材料通过嵌入活性光合微生物于可加工的聚合物基质中，利用光合作用将二氧化碳转化为生物质，同时利用微生物诱导碳酸盐沉淀机制实现额外的无机碳沉积，从而实现双重碳捕获。该技术既继承了生物系统自修复和环境适应的优势，又增强了控制性和稳定性，为碳捕获技术开辟了新的思路。
光合活性材料的核心在于其生物功能组件——光合作用细菌，特别是蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002的使用。该菌株具备较强的CO2浓缩机制，能够将细胞周围环境中稀薄的二氧化碳浓缩至细胞内的羧体中，促进碳固定效率的大幅提升。这一过程通过碳酸酐酶催化碳酸氢根（HCO3-）转变为二氧化碳，随后通过核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶（RuBisCo）将二氧化碳同化进入有机物，最终转化生成生物质。该生物质增长即为光合活性材料中可逆碳汇的主体，同时生物质的积累带来材料颜色和浓度上的变化，为动态监测提供直观依据。 与生物质形成同步发生的另一重要过程是微生物诱导的碳酸盐沉淀（MICP）。在富含钙镁离子的环境下，蓝藻表面负电荷的多糖基质诱导碳酸盐的晶核形成，借助光合作用驱动的碳化平衡，提高局部环境的碱性，实现沉淀难溶碳酸钙和碳酸镁矿物的形成。
该过程是不可逆的碳固定形式，极大增强了碳汇的稳定性与长期性。研究表明，通过调整培养基条件模拟海水成分，保证合适的Ca2+和Mg2+浓度，能够促使该过程高效运行，从而实现生物质蓄积与矿物沉积的协同作用。 为了使光合活性材料具备实际应用的可操作性和机械稳定性，科学家们设计开发了以改性Pluronic F-127聚合物为骨架的水凝胶载体。该载体不仅具备优异的生物惰性和透明性，允许充足可见光穿透，为封装的蓝藻提供充足光照；同时通过化学改性使其具备光交联能力，形成稳定的三维网状结构，实现长时间的物理稳定性。打印技术的引入促进了该材料的结构精确控制，通过数字设计实现不同孔隙率和几何形状的构筑，优化光照分布和物质传输，提升培养效率和碳捕获能力。此外，特定光波长的光源激发交联反应，确保最终结构具备一定的强度和韧性，满足长期运行的机械需求。
实验结果生动展示了光合活性材料的双重碳捕获能力。经过30天的培养，材料每克水凝胶平均捕获2.2±0.9毫克的二氧化碳，其中大部分通过微生物诱导的矿物沉积实现。同时，蓝藻生物质迅速增加，活性细胞数增长至每毫升水凝胶约5×10^9个，生物质积累显著提升材料干重。矿物相分析如X射线衍射和热重分析确认了钙镁碳酸盐的生成，且其矿物相结晶度较高，利于长期碳固定。此外，力学测试显示材料在矿物沉积作用下，储能模量与韧性显著提升，赋予其作为结构材料的潜力。 在材料形态设计方面，利用体积打印及直接墨水书写技术，构筑了多孔格子结构和珊瑚状纹理模型，模拟自然界中高效光合作用系统的通气与光照特征。
格子结构通过被动毛细作用，有效促进培养基向构筑体内部的渗透，同时保持气体交换通畅，提升养分和二氧化碳供给效率。长达一年以上的培养实验显示，结构内部蓝藻持续存活并稳定进行碳捕获，矿物沉淀助力材料刚度进一步增强，打印结构从漂浮状态转变为自立状态，彰显其长期生物活性与机械性能的可持续发展能力。珊瑚状柱状结构点亮了未来高密度大面积碳捕获装置的设计方向，有望高效利用有限空间实现更大规模碳汇部署。 比较现有化学矿化碳捕获技术，光合活性材料的碳固定效率已达到同等规模，且不依赖高浓度的工业副产物，进一步凸显其低成本、可持续的发展优势。与传统碳捕获与封存技术（CCS）相比，该系统无需复杂能耗密集的设备，依赖于阳光和大气中的二氧化碳，降低运行边界条件，适用于分散式部署，特别适合城市绿地、建筑表层和自然生态系统的碳缓冲。这也促进了碳中和基础设施的创新，赋能绿色建筑和环境修复领域的生物技术解决方案。
尽管光合活性材料展现出独特的优势，面对未来大规模应用和商业化推广依然存在诸多挑战。光合微生物的光强适应性、长期活性保持及材料规模化生产与成本控制需要进一步突破。生物安全和生态风险评估也需纳入系统考量，确保安全绿色发展。技术集成过程中，复杂多物理场耦合影响解析、生物-材料界面工程优化、多组分微生物共培养的协同效应等科学问题亟待深入研究。先进的遗传工程手段和合成生物学技术为提升光合作用效率、矿化速率提供了强大工具，具备改造微生物碳固定代谢通路、增强环境适应性等潜力。 此外，从光学设计角度出发，材料本身的光散射、吸收特性影响内部光分布，直接制约光合效率。
未来结合纳米材料技术和仿生结构设计，有望实现更精准的光场调控，迈向高效能光合复合材料平台。生态系统层面，应结合生物多样性保护，开发多功能微生物共生体系，实现碳捕获、养分循环和生态修复的协同增益。 综上所述，光合活性材料代表了一条融合生物学与材料科学、工程技术为一体的创新路径，兼具环境友好性、能源低需求性和结构功能性，开启了生物基碳汇和环境治理的新纪元。作为补充传统碳捕获技术的重要手段，其在全球碳中和战略中扮演不可或缺的角色。未来通过学科交叉协同、技术迭代升级，光合活性材料有望成为分布式碳捕获的重要力量，推动人类社会迈向可持续发展的绿色未来。
