摘要： 面对传统煅烧工艺的高能耗与高碳排放，合成生物学为工业白灰的生产提供了一条颠覆性的替代路径。本文探讨利用基因工程改造微生物（如脲酶菌、碳酸酐酶菌），构建“微生物细胞工厂”，在温和条件下将工业废气或大气中的CO₂直接转化为碳酸钙（白灰前驱体）的生物制造策略。重点阐述其原理、技术路线、放大挑战，并评估这一“生物矿化”路径对产业碳循环闭环的革命性潜力。

一、 生物矿化的自然启示与工程化设计
自然界的微生物（如巴氏芽孢杆菌、某些蓝藻）能通过自身代谢（如产脲酶分解尿素、或碳酸酐酶催化CO₂水合）提高局部微环境的pH和碳酸根离子浓度，诱导碳酸钙沉淀。合成生物学的任务是将这一自然过程工程化、强化和可控化。

底盘微生物与代谢通路设计：

选择生长快、遗传操作方便、耐受工业环境的模式微生物（如大肠杆菌、毕赤酵母或特定工程化脲酶菌）。

通过基因编辑，强化或引入关键酶（脲酶、碳酸酐酶）的表达，并优化相关代谢通路（如氮代谢、跨膜离子运输），使细胞能够高效地将CO₂（或含碳废气）和钙离子转化为碳酸钙。

过程强化与产物控制：

细胞表面展示技术：将碳酸酐酶等关键酶锚定在细胞外表面，使催化反应发生在细胞外，避免产物在胞内积累抑制生长，并便于收集。

引导可控矿化：通过添加有机模板分子或调控溶液化学条件，引导微生物诱导生成的碳酸钙具有特定的晶型（方解石、文石）、形貌和粒度，以满足不同工业用途的需求，超越传统产品的均一性限制。

二、 系统集成与碳循环闭环构想
生物法生产白灰的核心价值在于其负碳潜力和过程温和性。

作为“生物CCUS”的集成方案：

将基因工程微生物反应器直接对接电厂、水泥厂或白灰窑的烟气出口。微生物利用烟气中的CO₂和废热（提供适宜温度），同时系统添加钙源（如工业废渣中的钙离子），连续生产出碳酸钙浆体。这实现了“捕碳”与“产物生产”的一体化。

产生的微生物菌体生物质可经厌氧消化产生沼气，回用于过程能源。

构建“空气-白灰”负排放系统：

结合直接空气捕集（DAC）技术，从大气中捕获的CO₂被送入生物反应器作为碳源。该系统不依赖于任何化石能源或点源排放，理论上可实现真正的“负碳白灰” 生产，成为地球工程级的大气碳移除与资源化设施。

三、 技术挑战、经济性与前景
核心技术挑战：

反应速率与规模：生物过程通常比高温煅烧慢数个数量级。如何通过代谢工程和反应器设计（如高密度培养、膜生物反应器）将生产率提升至工业相关水平，是最大挑战。

钙源经济性与杂质：需要廉价、丰富的钙离子源。工业废液（如氯碱工业废渣、钢渣浸出液）是理想选择，但其杂质对微生物活性及产物纯度的影响需解决。

产物分离与菌体循环：高效地从菌体-碳酸钙混合物中分离高纯度产品，并保持菌体活性用于连续循环，是过程经济性的关键。

经济性与战略前景：

短期内，生物法成本远高于传统方法。但其价值应放在碳成本内部化的未来场景中评估。随着碳价上涨，以及产品可能具备的特殊纳米结构或高生物相容性带来的高端应用溢价，其经济可行性将逐渐显现。

长期看，它为白灰产业提供了一条完全脱碳、甚至实现负排放的终极技术路线图，是将产业从地球化学循环整合进生物地球化学循环的范式革命。

结论： 合成生物学与工业白灰的结合，是一场生命科学与传统材料工业的跨界对话。它试图用细胞的精密“纳米工厂”，取代耗能巨大的“高温窑炉”。虽然前路漫漫，技术挑战如山，但这一方向代表了产业应对气候变化最具根本性和想象力的解决方案之一——不仅减少排放，更让生产过程本身成为修复碳循环的生物引擎。这或许是将“灰色”的工业白灰，彻底染“绿”的生命科技答案。