民以食为天，粮食安全是关乎国家长治久安、百姓安居乐业的大事。如今，全球粮食需求在不断增长，但粮食生产的上限受到光合作用能量转换效率（仅为1%或更低）的制约，因此需要大片土地种植农作物，以获取必要的太阳能，才能提供足够的食物。
对此，如果能创造一种全新的、不依赖于太阳能的“光合作用”，是否就能克服能量转换效率的限制，从而允许使用更少的资源就能生产更多的粮食呢？
2022年6月23日，美国加州大学河滨分校 Robert Jinkerson和特拉华大学焦锋等人在Nature子刊Nature Food 上发表题为：A hybrid inorganic-biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production 的研究论文。
该研究开发了一种完全不需要生物光合作用的方法，通过“人工光合作用”来创造不依赖阳光的食物。该技术采用两步电催化过程，将二氧化碳、电和水转化为乙酸盐，产粮生物可以在黑暗的环境中通过消耗乙酸盐来生长。这种有机-无机混合系统可以提高阳光转化为食物的效率，某些食物的转化效率甚至是生物光合作用的18倍。
光合作用在植物中已经进化了数百万年，大多数农作物能将水、二氧化碳和阳光的能量转化为蔗糖、淀粉等人类能够摄入的食物。然而，光合作用的能量转化效率非常低下，只有大约1%甚至更少的太阳能最终被储藏到食物中。
受此限制，即使科学家们为了提供提高光合作用效率而进行大量的育种和基因工程的努力，也只在有限数量的粮食作物上取得了选择性的收获。因此，在这项最新研究中，研究团队尝试摒弃传统的光合作用通路，寻找一种完全不需要生物光合作用的方法——通过“人工光合作用”来创造不依赖阳光的食物。
人工光合作用旨在克服生物光合作用的局限性，包括太阳能捕获效率低和二氧化碳减排差，为粮食生产提供了一种替代途径。最近的研究表明，通过电解过程，可以将CO2和H2O转化为一氧化碳、甲酸盐、甲醇和氢气等还原化合物，再通过工程化细菌进行发酵就可获得燃料和化学品。
值得注意的是，乙酸盐是一种可溶的双碳底物，可以通过电化学方法产生，而且更容易被多种生物代谢。基于此，研究人员设计了新的实验思路——利用CO2电解产生的乙酸盐来培养可生产食物的生物体，从而使食物生产独立于生物光合作用。
人工光合作用的模式图
为了将系统的所有组件集成在一起，研究团队对电解槽的输出进行了优化，在增加乙酸盐产量的同时，还减少了盐的用量，从而产生了迄今为止在电解槽中生产的最高水平的乙酸盐，以支持产食性生物的生长。
该研究的共同通讯作者、特拉华大学焦锋教授表示，这项研究开发的最先进的两步串联CO2电解装置，能够实现对乙酸盐的高选择性生产，这是传统CO2电解路线无法获得的。
传统的两步串联CO2电解装置（上）和优化后的两步串联CO2电解装置（下）
进一步实验表明，各种各样的可生产食物的生物，如绿藻、酵母和产蘑菇真菌，可以在黑暗的环境中直接利用电解槽生成的乙酸盐进行生长繁殖。更令人兴奋的是，通过这种技术生产的藻类，其能量转化效率大约是光合作用的四倍！酵母生产的能量转化效率比通常使用从玉米中提取的糖来培养的要高18倍。
绿藻、酵母和产蘑菇的真菌可以利用乙酸盐进行异养生长
不仅如此，研究团队还调查了利用这项技术种植农作物的潜力，结果表明，豇豆、番茄、烟草、水稻、油菜和青豆等多种常规农作物都可以在黑暗环境下利用乙酸盐来生长。
该研究的第一作者 Elizabeth Hann表示，这项研究显示，很多农作物都能吸收我们提供的乙酸盐来生长和繁殖。通过目前正在进行的一些育种和工程研究，可能能够将乙酸盐作为额外的能源来种植作物，以提高作物产量。
多种常规农作物都可以在黑暗环境下利用乙酸盐来生长
这项技术的研究意义无疑是非凡的，它可以将农业从对太阳的完全依赖中解放出来，并在气候变化的时代背景下为粮食种植提供了无数的可能性。想象一下，如果这项技术能够普及推广，那么人类就能在任意地方进行农作物种植生产，干旱、洪涝等自然灾害对全球粮食安全的威胁就会大大降低，甚至为未来的太空探险提供食物保障。
值得一提的是，这项技术参与了美国宇航局的深空食品挑战赛并成为了第一阶段的获胜者。深空食物挑战赛是一项国际竞赛，旨在为长期太空任务创造新颖的、改变游戏规则的食物生产技术，这些技术需要最少的投入，并最大限度地输出安全、营养和美味的食物。
该研究的共同通讯作者 Robert Jinkerson教授表示，这项研究是人类生产粮食的一个范式转变。通过这项技术，不仅提高了粮食生产效率，还减少了土地需求和气候环境影响。而对于太空探险来说，能量转化效率的提高可以帮助以更少的投入养活更多的宇航员。
在以植物和藻类为基础的食品生产中，人工光合作用比生物光合作用更节能
总而言之，这项研究开发了一种全新的、不依赖于太阳的“人工光合作用”，通过特殊设计的电解槽高效率地生产乙酸盐，再去培养各种各样的产食性生物，从而突破了传统光合作用的能量转化效率上限，最高可达18倍。
想象一下，也许在未来的某一天，基于这项技术的巨大容器，可以在黑暗中、在月球或火星上“种植”各种各样的农作物，人类的星际移民将向前跨出一大步。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s43016-022-00530-x
