人工光合成代替光合作用，植物在黑暗中生长！
催化计
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icat2019
我为催化狂！
发表于
以下文章来源于AdvTech
，作者少数異见
AdvTech
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在美国加利福尼亚大学进行的研究中，开发了一种“人工光合作用”技术，该技术利用太阳能发电获得的电力，并和二氧化碳和水反应产生营养物质（乙酸）。现已经在光合成效率高于植物的条件下，进行了植物的栽培(图1)。
这种技术可用于在完全黑暗的环境中使藻类生长，无需任何光合作用。
详细的研究结果刊登在《
Nature food
》上，不仅如此，该研究成果还成功突破了美国宇航局“深空食品挑战赛”的初选。
利用太阳光能的植物光合作用，是支持地球食物供应的重要化学反应。
但光合作用从太阳能到食物的能量转换效率不足1%（图2），而要让大约80亿人生存下去，需要把占地球全部11%的土地用做耕地。
图2. 日本人工光合成组合（ARPchem）的光催化分解水目标（
2021年目标已经达成，请点击
）和植物光合作用的效率（不到1%）
扩大耕地以支持不断增长的人口也将导致自然环境的破坏。
因此，近年来，人们尝试通过操纵植物基因来提高光合效率。
但遗憾的是，提高光合作用效率的成功案例屈指可数，不能指望其立即应用。
改良肥料以改善耕地质量的方法也在考虑之中，但大规模的肥料投入也会带来环境污染的风险。
所以现在，加州大学的研究人员已经开发出一种方法，可以摒弃低效的光合作用系统，用人工光合作用来代替（图3）。
图 3：利用 CO 2生产食品的电化学-生物组合系统
a，CO2电解，利用电力（由光伏发电）将CO2和H2O 转化为O2和乙酸盐。该过程经过优化，可产生的营养液（C源），以支持植物生长。b，使用电解槽产生的营养液可以促进衣藻、酵母菌、蘑菇等多种植物的生长。c，使用电解槽产生的营养液生长的生物体用作食品。在该系统中，植物可以不利用自身光合作用，只需要太阳能，CO2和H2O
【利用人工光合作用获得的养分在“完全黑暗”中种植】
人工光合作用是利用太阳能从二氧化碳和水中生产营养物质的过程。
在正常的光合作用中，这个过程发生在叶绿体中，但在人工光合作用中，它是由催化剂完成的。
其中，最近受到关注的是利用太阳能发电获得的电力，“电解二氧化碳”。
说到电解，用电从水中制造氢气和氧气的过程很广为人知。并且，通过电解二氧化碳制造一氧化碳、甲酸盐、甲醇、氢气等研究也正在加速发展。
然而，
为了
使
获
得的产品
可供植物使用，这些产物必须通过特殊的微生物和其他装置将其转化为营养源和能量，其用途受到限制。
但是新开发的方法可以非常高效的生产乙酸。乙酸是一种可以直接被植物用作营养来源的物质，不同于以往研究中产生的产物（一氧化碳、甲酸盐、甲醇、氢气）。于是研究者们，把人工光合成中获得的含有乙酸的营养液（电解CO2的电解液）投给衣藻，并放置在暗所，让其进行生长。
结果，证实给予1g乙酸具有增加0.28g衣藻的效果(图4)。在生长过程中，99%的输入乙酸被消耗掉，发现乙酸不仅用作能源，而且还用作制造藻体的碳源。不仅如此，研究者们还把人工光合成获得的营养液投向我们熟知的，水稻、番茄、生菜、青豆、墨西哥胡椒、阿布拉纳、烟草、鼠尾草和白毛菜，还包括不进行光合作用的蘑菇和酵母，都发现了他们能够利用乙酸（通过放射性C13验证！）。
图4 a 加入了人工光合成营养液的衣藻与对照组（无添加）在4天后的生长情况；
b，
c是
细
胞密度和增重
的实验结果（三组实验，分别是
无添加，人工光合成营养物添加以及
醋酸添加
）；
d，e
分别
是酿酒酵母
的细胞密度和增重的实验结果（无
三组实验，分别是
添加，人工光合成营养物添加，人为添加葡萄糖）；
f.珍珠牡蛎、金针菇、榆树牡蛎和蓝牡蛎蘑菇菌丝体在人工光合成营养液下的24天后生长状况；
g.不同人工光合成营养液条件下的珍珠菇菌丝体生长状况
这一结果表明，乙酸利用机制在广泛的生物体中普遍存在，未来的植物栽培可能获得人工光合成的恩惠。这可能引起未来农业的革命！
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https://www.nature.com/articles/s43016-022-00530-x
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