北京
光合作用在植物中已经进化了数百万年，可以将水、二氧化碳和来自太阳的能量转化为植物生物质和可食用的食物。然而，这个过程非常低效，只有大约 1% 的太阳能量最终进入植物。因此，作物种植需要大片土地来捕获必要的太阳能，为人类提供食物。
近日，美国加州大学河滨分校 Robert E. Jinkerson 课题组在 Nature Food 期刊上发文“A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production”，称找到了一种方法，可以完全绕过生物光合作用的需求，并通过人工光合作用来制造不依赖阳光的食物。
（来源：Nature Food）
具体来说，团队构建了一个混合有机-无机的人工光合作用系统。该技术使用两步电催化过程将二氧化碳、电和水转化为醋酸盐，醋酸盐是醋的主要成分。然后，生产食物的生物会在黑暗中消耗醋酸盐来生长。
目前，团队已对 9 种农作物进行了评估，结合太阳能电池板发电为电催化提供动力，这种有机-无机混合系统可以提高阳光转化为食物的效率，对某些食物而言，效率高达 18 倍。
人工光合作用是模仿生物自然光合作用的一类化学过程，将阳光、水及二氧化碳转化为碳水化合物与氧气。主流方式包括两种：一种是使用吸收阳光的光催化剂；一种是使用电极， 二氧化碳从工厂等收集，使其与氢气反应制成塑料原料等。
在这项研究中，为了生物整合的目的，团队优化了 CO₂ 电解生产乙酸盐的过程，并实现了 CO₂ 对醋酸盐的碳选择性为 57%，这是迄今为止公布的最高值。电解系统经过进一步设计，以产生改进的流出物，其醋酸盐与电解质盐的比率高达 0.75，远高于确定的支持生物生长所需的比率。
“使用我们实验室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，这是通过传统 CO₂ 电解路线无法获得的，”通讯作者Feng Jiao 表示。
▲图 | 利用 CO₂ 生产食品的电化学-生物组合系统（来源：上述论文）
两步电化学过程将 CO₂ 转化为醋酸盐，醋酸盐可作为藻类、酵母、产蘑菇的真菌、莴苣、水稻、豇豆、绿豌豆、油菜、番茄、胡椒、烟草和拟南芥的碳源和能源。
“我们发现，多种作物可以利用我们提供的醋酸盐，并将其构建成生物体生长和繁衍所需的主要分子组成部分。通过我们目前正在进行的一些育种和工程，可以使醋酸盐作为一种额外的能源来提高作物产量，” Robert E. Jinkerson 实验室的博士生、该研究的作者 Marcus Harland-Dunaway 说。
通过将农业从对太阳的完全依赖中解放出来，人工光合作用为在人为气候变化带来的日益困难的条件下种植粮食提供了无数可能性。如果人类和动物的作物生长在资源密集度较低、受控的环境中，干旱、洪水和可用土地减少对全球粮食安全的威胁将较小。农作物也可以在目前不适合农业的城市和其他地区种植，甚至为未来的太空探索者提供食物。
“使用人工光合作用方法生产食物可能是我们养活人的范式转变。通过提高粮食生产效率，需要更少的土地，减少农业对环境的影响。对于非传统环境中的农业，就像外太空一样，能源效率的提高可以帮助以更少的投入养活更多的船员。”Robert E. Jinkerson 说。
目前，这种食品生产方法已提交给美国宇航局的“外太空食品挑战赛”（The Deep Space Food Challenge），并在第一阶段获胜。“外太空食品挑战赛”的网站规定，这项技术的设计目标是在 3 年时间内为最多 4 名宇航员提供食物。
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