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在植物中，光合作用可以将水、二氧化碳（CO2）和太阳光的能量转化为植物生物质，人类食物的绝大部分都直接或间接来自于此。然而，这个重要过程的效率却算不上高，甚至可以说相当低，阳光中只有大约1%的能量最终能够被植物转化。人工光合作用（artificial photosynthesis），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还原能力差等，从而为食品生产提供一种高效途径。去年，我国科学家首次实现了利用二氧化碳人工合成淀粉，取得了具有重大意义的突破进展（Science, 2021, 373, 1523–1527）。

近日，美国加州大学河滨分校Robert E. Jinkerson和特拉华大学Feng Jiao等研究人员另辟蹊径，开发了一种电化学-生物组合的人工光合作用系统，完全绕过生物光合作用的需求，人工捕获CO2并用于无需阳光照射条件下的食品生产，其中就包括黑暗环境中培育蔬菜和蘑菇。相关研究近日发表于Nature Food 杂志。

图1. 由CO2生产食品的电化学-生物组合系统。图片来源：Nature Food

目前的技术中，电化学还原二氧化碳的产物一般是一氧化碳（CO）、甲醇、甲酸等。气体的CO先不论，液体的甲醇和甲酸往往也无法支持大多数产食品生物的生长，比如在食品工业常用的微生物发酵技术中，甲醇和甲酸会进一步转化产生有毒的甲醛。在本文工作中，研究人员使用两步法电还原二氧化碳，以57%的碳选择性（CO2转化为乙酸盐）生产高浓度乙酸盐，再将乙酸盐直接用于异养培养藻类、酵母、蘑菇类真菌，以及用作生菜、水稻、豇豆、青豌豆、油菜籽、番茄、胡椒、烟草和拟南芥的碳源和能量来源，以维持它们在黑暗环境中的生长。结合太阳能电池板为电催化提供电能，这种混合有机-无机系统可以大幅提高“太阳光到食物（solar-to-food）”的能量转换效率，比自然界的生物光合作用高4倍左右。

“使用我们实验室开发的最先进的两步串联CO2电解装置，我们能够实现对乙酸盐的高选择性，这是无法通过传统的CO2电解途径获得的”，Feng Jiao教授说。[1] 传统使用铜催化的CO2电还原生产乙酸盐的碳选择性通常低于15%。研究人员使用串联的两步电解系统，即CO2 CO 乙酸盐，通过最大限度地提高第一和第二电解槽的转化效率，该系统能够实现高达57%的CO2到醋酸盐的选择性。

图2. 两步电化学工艺高效还原CO2为乙酸盐。图片来源：Nature Food

实验表明，在黑暗中各种产食品生物可以直接在富含乙酸盐的电解液流出物上生长，在改进的乙酸盐-电解质盐配比下，每克乙酸盐可以培养0.28 g的绿藻（Chlamydomonas reinhardtii），或者生长0.19 g的通常需要葡萄糖才能生长的酵母（Saccharomyces cerevisiae），并且整个生长过程不需要光合作用。这种技术用于培养藻类比基于生物光合作用的传统藻类培养技术的能量转换效率高出约4倍，而用于培养酵母则比通常使用从玉米中提取的糖进行培养的效率高出约18倍。在成功的将微生物培养与光合作用解耦后，研究人员的目光转向了更大型的真菌——蘑菇。他们用固态发酵法将电解液流出物作为培养基，成功的培育了包括金针菇在内的五种蘑菇。

图3. 藻类、酵母和蘑菇可以在电解液流出物作为唯一碳源和能量源的环境中生长。图片来源：Nature Food

使用同位素标记，研究人员发现生菜也可以在黑暗条件下将乙酸盐用作碳源和能量来源，通过TCA三羧酸循环、糖酵解和糖异生等生化过程将来自乙酸盐的碳用于氨基酸和碳水化合物的合成。同样，前文提到的水稻、青豌豆等作物都显示出了对乙酸盐的代谢利用。

图4. 在电解液流出物中生长的作物。图片来源：Nature Food

“我们试图发现一种生产食物的新方法，可以突破生物光合作用所固有的限制”，Robert E. Jinkerson教授说。现在研究人员能够在没有任何生物光合作用贡献的情况下培育产食品生物，与依赖于生物光合作用的食品生产相比，这项技术是将太阳能转化为食物的更高效方法。[1]

图5. 人工光合作用比生物光合作用更高效。图片来源：Nature Food

将农业从对太阳的依赖中解放出来，人工光合作用为在极端条件下的食品生产带来了可能。本文的技术非常适合需要高能效和低物理空间占用率的应用场景，例如太空飞行任务或地球上的受限环境（类似电影《流浪地球》中的地下城）。广泛采用这种方法与现成的太阳能发电相结合，可以在一定的太阳能下生产更多的食物或动物饲料，这将有助于在不扩大农业用地的情况下满足不断增长的粮食需求。

A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production

Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao & Robert E. Jinkerson

Nature Food, 2022, 3, 461–471, DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

导师介绍

Robert E. Jinkerson

https://www.x-mol.com/university/faculty/65661

参考资料：

1. Artificial photosynthesis can produce food without sunshine

https://news.ucr.edu/articles/2022/06/23/artificial-photosynthesis-can-produce-food-without-sunshine

（本文由Silas供稿）