人工光合作用可以在没有阳光的情况下生产食物

诸平

Fig. 1 Plants are growing in complete darkness in an acetate medium that replaces biological photosynthesis. Credit: Marcus Harland-Dunaway/UCR

Fig. 2 A combined electrochemical–biological system for the production of food from CO₂. a, CO₂ electrolysis uses electricity (generated by photovoltaics) to convert CO₂ and H₂O into O₂ and acetate. This process was optimized to produce an effluent output ideal for supporting the growth of food-producing organisms. b, Chlamydomonas, Saccharomyces, mushroom-producing fungus and a variety of vascular crop plants were grown using the electrolyser-produced effluent. c, The organisms grown using the electrolyser-produced effluent serve as food or food products. This system is capable of making food independent of photosynthesis, using CO₂, H₂O and solar energy. Credit: Nature Food (2022). DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x

据美国加州大学河滨分校（ University of California - Riverside简称UCR）2022年6月23日报道，植物在完全黑暗的醋酸盐介质（acetate medium）中生长，取代了生物光合作用。详见加州大学河滨分校（UCR）马库斯·哈兰德·杜纳韦（Marcus Harland Dunaway）提供的照片（Fig. 1）。

光合作用在植物中进化了数百万年，将水、二氧化碳和太阳能转化为植物生物量和我们所吃的食物。然而，这一过程效率很低，只有约1%的阳光能量最终进入植物。加州大学河滨分校（University of California, Riverside, CA, USA）和美国特拉华大学（University of Delaware, Newark, DE, USA）的科学家发现了一种完全绕过生物光合作用（biological photosynthesis）需求的方法，通过人工光合作用（artificial photosynthesis）创造出不受阳光影响的食物。相关研究结果于2022年6月23日已经在《自然食品》（Nature Food）杂志网站发表——Elizabeth C. Hann, Sean Overa, Marcus Harland-Dunaway, Andrés F. Narvaez, Dang N. Le, Martha L. Orozco-Cárdenas, Feng Jiao, Robert E. Jinkerson. A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production. Nature Food, 2022, 3: 461–471. DOI: 10.1038/s43016-022-00530-x. Published: 23 June 2022. https://doi.org/10.1038/s43016-022-00530-x

此项研究采用两步电催化过程将二氧化碳、电和水转化为醋酸盐（acetate），醋酸盐是醋（vinegar）的主要成分。然后，生产食物的生物体（organisms）在黑暗中消耗醋酸盐来生长。这种有机-无机混合系统与太阳能电池板相结合，产生电能，为电催化提供动力，可以提高阳光转化为食物的效率，某些食物的转化效率高达18倍。

通讯作者、UCR化学与环境工程助理教授罗伯特·金克森（Robert Jinkerson）表示：“通过我们的方法，我们试图找到一种新的生产食物的方法，这种方法可以突破生物光合作用通常施加的限制。”

为了将系统的所有组件集成在一起，对电解槽的输出进行了优化，以支持产食物生物体的生长。电解槽是利用电力将二氧化碳等原材料转化为有用分子和产品的装置。醋酸盐的产量增加了，而食盐（Salt）的用量却减少了，这导致了迄今为止电解槽中醋酸盐的最高产量。

特拉华大学的共同通讯作者焦峰（Feng Jiao音译）表示：“利用我们实验室开发的最先进的两步串联CO₂电解装置，我们能够实现对醋酸盐的高选择性，这是通过传统CO₂电解途径无法实现的。”

实验表明，可以在黑暗中直接在富含醋酸盐的电解槽输出上生长多种食物生产的生物体，包括绿藻（green algae）、酵母（yeast,）和产生蘑菇的真菌菌丝体（fungal mycelium）。利用这项技术生产藻类的能效大约是通过光合作用生产藻类的4倍。酵母生产的能效大约是通常使用从玉米中提取的糖进行培养的18倍。

利用二氧化碳生产食物的电化学-生物组合系统（combined electrochemical–biological system）详见图2所示。其中图a是利用光伏发电产生的电力来电解CO₂，将CO₂和H₂O转化为O₂和醋酸盐（acetate）。该工艺经过优化，可产生理想的废水输出，以支持食物生产生物体的生长。图b是使用电解槽产生的废水种植衣藻（Chlamydomonas）、酵母菌（Saccharomyces）、蘑菇生产菌（mushroom-producing fungus）和各种维管作物（vascular crop plants）。图c是使用电解槽产生的废水生长的生物体可作为食物或食品。该系统能够利用CO₂、H₂O和太阳能，使食物不受光合作用的影响。

这项研究的联合首席作者、罗伯特·金克森实验室博士生伊丽莎白·汉恩（Elizabeth Hann）说：“我们能够在没有任何生物光合作用贡献的情况下培育出生产食物的生物体。通常，这些生物体是在从植物中提取的糖或从石油中提取的输入物上培育出来的，而石油是数百万年前发生的生物光合作用的产物。与依赖生物光合作用的粮食生产相比，这项技术是一种更有效的将太阳能转化为食物的方法。”

还研究了利用该技术种植作物（crop plants）的潜力。豇豆（Cowpea）、西红柿（tomato）、烟草（tobacco）、大米（rice）、油菜（canola）和青豆（green pea）在黑暗中栽培时都能利用醋酸盐中的碳。

该研究的联合首席作者、罗伯特·金克森实验室的博士候选人马库斯·哈兰德·杜纳韦（Marcus Harland Dunaway）说：“我们发现，多种作物都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构件。通过我们目前正在进行的一些育种和工程，我们可能能够将醋酸盐作为额外的能源来种植作物，以提高作物产量（crop yields）。”

通过将农业从完全依赖太阳的状态中解放出来，人工光合作用（artificial photosynthesis）为在人类气候变化（anthropogenic climate change）造成的日益困难的条件下种植粮食打开了无数可能性的大门。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、洪水和土地可用性减少对全球粮食安全的威胁将较小。农作物也可以在城市和其他目前不适合农业的地区种植，甚至可以为未来的太空探险家提供食物。

罗伯特·金克森说：“利用人工光合作用的方法生产食物，可能是我们如何养活人类的一个范式转变。通过提高粮食生产效率，所需土地减少，从而减轻农业对环境的影响。对于非传统环境如外层空间（outer space）中的农业而言，提高能源效率有助于用更少的投入养活更多的乘员。”

这一粮食生产方法被提交给了美国宇航局的深空粮食挑战赛（NASA's Deep Space Food Challenge），在那里它是第一阶段的获胜者。深空食品挑战赛是一项国际竞赛，获奖团队将创造出新颖的、改变游戏规则的食品技术，这些技术需要最少的投入，并最大限度地提高安全、营养和美味的食物产量，用于长时间的空间飞行任务。

此研究的合作者、加州大学河滨分校植物转化研究中心（UC Riverside Plant Transformation Research Center）主任玛莎·奥罗斯科-卡德纳斯（Martha Orozco-Cárdenas）说：“想象有朝一日，巨大的船只在黑暗中和火星上种植番茄植物，这对未来的火星人来说会是多么容易？”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

The future of biofuels in the dark

Abstract

Artificial photosynthesis systems are proposed as an efficient alternative route to capture CO₂ to produce additional food for growing global demand. Here a two-step CO₂ electrolyser system was developed to produce a highly concentrated acetate stream with a 57% carbon selectivity (CO₂ to acetate), allowing its direct use for the heterotrophic cultivation of yeast, mushroom-producing fungus and a photosynthetic green alga, in the dark without inputs from biological photosynthesis. An evaluation of nine crop plants found that carbon from exogenously supplied acetate incorporates into biomass through major metabolic pathways. Coupling this approach to existing photovoltaic systems could increase solar-to-food energy conversion efficiency by about fourfold over biological photosynthesis, reducing the solar footprint required. This technology allows for a reimagination of how food can be produced in controlled environments.