Nature Food：科學家開發出不依賴於太陽的「人工光合作用」

2022年06月28日13:30:14 科學 1660

民以食為天，糧食安全是關乎國家長治久安、百姓安居樂業的大事。如今，全球糧食需求在不斷增長，但糧食生產的上限受到光合作用能量轉換效率（僅為1%或更低）的制約，因此需要大片土地種植農作物，以獲取必要的太陽能，才能提供足夠的食物。

對此，如果能創造一種全新的、不依賴於太陽能的「光合作用」，是否就能克服能量轉換效率的限制，從而允許使用更少的資源就能生產更多的糧食呢？

2022年6月23日，美國加州大學河濱分校 Robert Jinkerson和特拉華大學焦鋒等人在Nature子刊Nature Food 上發表題為：A hybrid inorganic-biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production 的研究論文。

該研究開發了一種完全不需要生物光合作用的方法，通過「人工光合作用」來創造不依賴陽光的食物。該技術採用兩步電催化過程，將二氧化碳、電和水轉化為乙酸鹽，產糧生物可以在黑暗的環境中通過消耗乙酸鹽來生長。這種有機-無機混合系統可以提高陽光轉化為食物的效率，某些食物的轉化效率甚至是生物光合作用的18倍。

Nature Food：科學家開發出不依賴於太陽的「人工光合作用」 - 天天要聞

光合作用在植物中已經進化了數百萬年，大多數農作物能將水、二氧化碳和陽光的能量轉化為蔗糖、澱粉等人類能夠攝入的食物。然而，光合作用的能量轉化效率非常低下，只有大約1%甚至更少的太陽能最終被儲藏到食物中。

受此限制，即使科學家們為了提供提高光合作用效率而進行大量的育種和基因工程的努力，也只在有限數量的糧食作物上取得了選擇性的收穫。因此，在這項最新研究中，研究團隊嘗試摒棄傳統的光合作用通路，尋找一種完全不需要生物光合作用的方法——通過「人工光合作用」來創造不依賴陽光的食物。

人工光合作用旨在克服生物光合作用的局限性，包括太陽能捕獲效率低和二氧化碳減排差，為糧食生產提供了一種替代途徑。最近的研究表明，通過電解過程，可以將CO2和H2O轉化為一氧化碳、甲酸鹽、甲醇和氫氣等還原化合物，再通過工程化細菌進行發酵就可獲得燃料和化學品。

值得注意的是，乙酸鹽是一種可溶的雙碳底物，可以通過電化學方法產生，而且更容易被多種生物代謝。基於此，研究人員設計了新的實驗思路——利用CO2電解產生的乙酸鹽來培養可生產食物的生物體，從而使食物生產獨立於生物光合作用。

人工光合作用的模式圖

為了將系統的所有組件集成在一起，研究團隊對電解槽的輸出進行了優化，在增加乙酸鹽產量的同時，還減少了鹽的用量，從而產生了迄今為止在電解槽中生產的最高水平的乙酸鹽，以支持產食性生物的生長。

該研究的共同通訊作者、特拉華大學焦鋒教授表示，這項研究開發的最先進的兩步串聯CO2電解裝置，能夠實現對乙酸鹽的高選擇性生產，這是傳統CO2電解路線無法獲得的。

傳統的兩步串聯CO2電解裝置（上）和優化後的兩步串聯CO2電解裝置（下）

進一步實驗表明，各種各樣的可生產食物的生物，如綠藻、酵母和產蘑菇真菌，可以在黑暗的環境中直接利用電解槽生成的乙酸鹽進行生長繁殖。更令人興奮的是，通過這種技術生產的藻類，其能量轉化效率大約是光合作用的四倍！酵母生產的能量轉化效率比通常使用從玉米中提取的糖來培養的要高18倍。

綠藻、酵母和產蘑菇的真菌可以利用乙酸鹽進行異養生長

不僅如此，研究團隊還調查了利用這項技術種植農作物的潛力，結果表明，豇豆、番茄、煙草、水稻、油菜和青豆等多種常規農作物都可以在黑暗環境下利用乙酸鹽來生長。

該研究的第一作者 Elizabeth Hann表示，這項研究顯示，很多農作物都能吸收我們提供的乙酸鹽來生長和繁殖。通過目前正在進行的一些育種和工程研究，可能能夠將乙酸鹽作為額外的能源來種植作物，以提高作物產量。

多種常規農作物都可以在黑暗環境下利用乙酸鹽來生長

這項技術的研究意義無疑是非凡的，它可以將農業從對太陽的完全依賴中解放出來，並在氣候變化的時代背景下為糧食種植提供了無數的可能性。想像一下，如果這項技術能夠普及推廣，那麼人類就能在任意地方進行農作物種植生產，乾旱、洪澇等自然災害對全球糧食安全的威脅就會大大降低，甚至為未來的太空探險提供食物保障。

值得一提的是，這項技術參與了美國宇航局的深空食品挑戰賽並成為了第一階段的獲勝者。深空食物挑戰賽是一項國際競賽，旨在為長期太空任務創造新穎的、改變遊戲規則的食物生產技術，這些技術需要最少的投入，並最大限度地輸出安全、營養和美味的食物。

該研究的共同通訊作者 Robert Jinkerson教授表示，這項研究是人類生產糧食的一個範式轉變。通過這項技術，不僅提高了糧食生產效率，還減少了土地需求和氣候環境影響。而對於太空探險來說，能量轉化效率的提高可以幫助以更少的投入養活更多的宇航員。