人工光合系統(tǒng)已在黑暗條件下評估九種農(nóng)作物生產(chǎn)效率最高達(dá)十八倍

光合作用在植物中已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬年，可以將水、二氧化碳和來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為植物生物質(zhì)和可食用的食物。然而，這個(gè)過程非常低效，只有大約1%的太陽能量最終進(jìn)入植物。因此，作物種植需要大片土地來捕獲必要的太陽能，為人類提供食物。

近日，美國加州大學(xué)河濱分校羅伯特課題組稱找到了一種方法，可以完全繞過生物光合作用的需求，并通過人工光合作用來制造不依賴陽光的食物。

具體來說，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)混合有機(jī)-無機(jī)的人工光合作用系統(tǒng)。該技術(shù)使用兩步電催化過程將二氧化碳、電和水轉(zhuǎn)化為醋酸鹽，醋酸鹽是醋的主要成分。然后，生產(chǎn)食物的生物會在黑暗中消耗醋酸鹽來生長。

目前，團(tuán)隊(duì)已對9種農(nóng)作物進(jìn)行了評估，結(jié)合太陽能電池板發(fā)電為電催化提供動力，這種有機(jī)-無機(jī)混合系統(tǒng)可以提高陽光轉(zhuǎn)化為食物的效率，對某些食物而言，效率高達(dá)18倍。

人工光合作用是模仿生物自然光合作用的一類化學(xué)過程，將陽光、水及二氧化碳轉(zhuǎn)化為碳水化合物與氧氣。主流方式包括兩種：一種是使用吸收陽光的光催化劑；一種是使用電極， 二氧化碳從工廠等收集，使其與氫氣反應(yīng)制成塑料原料等。

利用二氧化碳生產(chǎn)食品的電化學(xué)——生物組合系統(tǒng)

在這項(xiàng)研究中，為了生物整合的目的，團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了二氧化碳電解生產(chǎn)乙酸鹽的過程，并實(shí)現(xiàn)了二氧化碳對醋酸鹽的碳選擇性為57%，這是迄今為止公布的最高值。電解系統(tǒng)經(jīng)過進(jìn)一步設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生改進(jìn)的流出物，其醋酸鹽與電解質(zhì)鹽的比率高達(dá)0.75，遠(yuǎn)高于確定的支持生物生長所需的比率。

“使用我們實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的最先進(jìn)的兩步串聯(lián)二氧化碳電解裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)對乙酸鹽的高選擇性，這是通過傳統(tǒng)二氧化碳電解路線無法獲得的”，通訊作者表示。

兩步電化學(xué)過程將二氧化碳轉(zhuǎn)化為醋酸鹽，醋酸鹽可作為藻類、酵母、產(chǎn)蘑菇的真菌、萵苣、水稻、豇豆、綠豌豆、油菜、番茄、胡椒、煙草和擬南芥的碳源和能源。

“我們發(fā)現(xiàn)，多種作物可以利用我們提供的醋酸鹽，并將其構(gòu)建成生物體生長和繁衍所需的主要分子組成部分。通過我們目前正在進(jìn)行的一些育種和工程，可以使醋酸鹽作為一種額外的能源來提高作物產(chǎn)量”，羅伯特實(shí)驗(yàn)室的博士生、該研究的作者馬庫斯說。

通過將農(nóng)業(yè)從對太陽的完全依賴中解放出來，人工光合作用為在人為氣候變化帶來的日益困難的條件下種植糧食提供了無數(shù)可能性。如果人類和動物的作物生長在資源密集度較低、受控的環(huán)境中，干旱、洪水和可用土地減少對全球糧食安全的威脅將較小。農(nóng)作物也可以在目前不適合農(nóng)業(yè)的城市和其他地區(qū)種植，甚至為未來的太空探索者提供食物。

“使用人工光合作用方法生產(chǎn)食物可能是我們養(yǎng)活人的范式轉(zhuǎn)變。通過提高糧食生產(chǎn)效率，需要更少的土地，減少農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響。對于非傳統(tǒng)環(huán)境中的農(nóng)業(yè)，就像外太空一樣，能源效率的提高可以幫助以更少的投入養(yǎng)活更多的船員”。羅伯特說。

目前，這種食品生產(chǎn)方法已提交給美國宇航局的“外太空食品挑戰(zhàn)賽”，并在第一階段獲勝。“外太空食品挑戰(zhàn)賽”的網(wǎng)站規(guī)定，這項(xiàng)技術(shù)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是在3年時(shí)間內(nèi)為最多4名宇航員提供食物。