如今，全球糧食需求在不斷增長(zhǎng)，但糧食生產(chǎn)的上限受到光合作用能量轉(zhuǎn)換效率（僅為1%或更低）的制約，因此需要大片土地種植農(nóng)作物，以獲取必要的太陽(yáng)能，才能提供足夠的食物。日前，美國(guó)加州大學(xué)河濱分校和特拉華大學(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)了一種完全繞過(guò)生物光合作用需求的方法，通過(guò)人工光合作用生產(chǎn)出不受陽(yáng)光影響的食物。

　　該技術(shù)采用兩步電催化過(guò)程，將二氧化碳、電和水轉(zhuǎn)化為乙酸鹽，產(chǎn)糧生物可以在黑暗的環(huán)境中通過(guò)消耗乙酸鹽來(lái)生長(zhǎng)。這種有機(jī)-無(wú)機(jī)混合系統(tǒng)可以提高陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為食物的效率，某些食物的轉(zhuǎn)化效率甚至是生物光合作用的18倍。該研究論文發(fā)表在《自然食品》上。

　　光合作用在植物中已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年，大多數(shù)農(nóng)作物能將水、二氧化碳和陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)化為蔗糖、淀粉等人類能夠攝入的食物。然而，光合作用的能量轉(zhuǎn)化效率非常低下，只有大約1%甚至更少的太陽(yáng)能最終被儲(chǔ)藏到食物中。受此限制，即使科學(xué)家們?yōu)榱颂峁┨岣吖夂献饔眯识M(jìn)行大量的育種和基因工程的努力，也只在有限數(shù)量的糧食作物上取得了選擇性的收獲。因此，在這項(xiàng)最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)嘗試摒棄傳統(tǒng)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(guò)“人工光合作用”來(lái)創(chuàng)造不依賴陽(yáng)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(yáng)能捕獲效率低和二氧化碳減排差，為糧食生產(chǎn)提供了一種替代途徑。最近的研究表明，通過(guò)電解過(guò)程，可以將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為一氧化碳、甲酸鹽、甲醇和氫氣等還原化合物，再通過(guò)工程化細(xì)菌進(jìn)行發(fā)酵就可獲得燃料和化學(xué)品。

　　值得注意的是，乙酸鹽是一種可溶的雙碳底物，可以通過(guò)電化學(xué)方法產(chǎn)生，而且更容易被多種生物代謝?；诖?，研究人員設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn)思路——利用二氧化碳電解產(chǎn)生的乙酸鹽來(lái)培養(yǎng)可生產(chǎn)食物的生物體，從而使食物生產(chǎn)獨(dú)立于生物光合作用。

　　為了將系統(tǒng)的所有組件集成在一起，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)電解槽的輸出進(jìn)行了優(yōu)化，在增加乙酸鹽產(chǎn)量的同時(shí)，還減少了鹽的用量，從而產(chǎn)生了迄今為止在電解槽中生產(chǎn)的最高水平的乙酸鹽，以支持產(chǎn)食性生物的生長(zhǎng)。

　　焦鋒表示，這項(xiàng)研究開發(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(duì)乙酸鹽的高選擇性生產(chǎn)，這是傳統(tǒng)二氧化碳電解路線無(wú)法獲得的。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，各種各樣的可生產(chǎn)食物的生物，如綠藻、酵母和產(chǎn)蘑菇真菌，可以在黑暗的環(huán)境中直接利用電解槽生成的乙酸鹽進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。更令人興奮的是，通過(guò)這種技術(shù)生產(chǎn)的藻類，其能量轉(zhuǎn)化效率大約是光合作用的4倍。酵母生產(chǎn)的能量轉(zhuǎn)化效率比通常使用從玉米中提取的糖來(lái)培養(yǎng)的要高18倍。

　　不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還調(diào)查了利用這項(xiàng)技術(shù)種植農(nóng)作物的潛力，結(jié)果表明，豇豆、番茄、煙草、水稻、油菜和青豆等多種常規(guī)農(nóng)作物都可以在黑暗環(huán)境下利用乙酸鹽來(lái)生長(zhǎng)。

　　該研究的第一作者伊麗莎白·漢恩表示，這項(xiàng)研究顯示，很多農(nóng)作物都能吸收研究人員提供的乙酸鹽來(lái)生長(zhǎng)和繁殖。通過(guò)目前正在進(jìn)行的一些育種和工程研究，可能能夠?qū)⒁宜猁}作為額外的能源來(lái)種植作物，以提高作物產(chǎn)量。

　　這項(xiàng)技術(shù)或?qū)⑥r(nóng)業(yè)從對(duì)太陽(yáng)的完全依賴中解放出來(lái)，并在氣候變化的時(shí)代背景下為糧食種植提供了無(wú)數(shù)的可能性。值得一提的是，這項(xiàng)技術(shù)參與了美國(guó)宇航局的深空食品挑戰(zhàn)賽并成了第一階段的獲勝者。

　　該研究的共同通訊作者羅伯特·金克森表示，這項(xiàng)研究是人類生產(chǎn)糧食的一個(gè)范式轉(zhuǎn)變。通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，不僅提高了糧食生產(chǎn)效率，還減少了土地需求和氣候環(huán)境影響。而對(duì)于太空探險(xiǎn)來(lái)說(shuō)，能量轉(zhuǎn)化效率的提高可以幫助以更少的投入養(yǎng)活更多的宇航員。

　　總而言之，這項(xiàng)研究開發(fā)了一種全新的、不依賴于太陽(yáng)的“人工光合作用”，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的電解槽高效率地生產(chǎn)乙酸鹽，再去培養(yǎng)各種各樣的產(chǎn)食性生物，從而突破了傳統(tǒng)光合作用的能量轉(zhuǎn)化效率上限，最高可達(dá)18倍。

　　（來(lái)源：生物世界）