Nature Food | 突破！人工光合作用可以在没有阳光的情况下生产食物

2022 年 6 月 23 日, Nature Food杂志在线发表了来自美国加州大学河滨分校 Robert E. Jinkerson课题组等合作题为“A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production”的研究论文，该研究构建了一个混合有机-无机的人工光合作用系统，来制造不依赖阳光的食物。具体是使用两步电催化过程将二氧化碳、电和水转化为醋酸盐。然后，用产生的醋酸盐来作为生产食物的生物在黑暗中的能量来源。

全球粮食需求正在增长，但粮食生产最终受限于光合作用的能量转换效率。大多数农作物可以将阳光和 CO2转化为植物生物质，能量转化效率仅为约 1% 或更低。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。最近为提高光合作用效率而进行的育种和基因工程的努力仅在有限数量的粮食作物中产生了选择性收益。人工光合作用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，并可以为粮食生产提供替代途径。通过电化学方式可以提供独立于生物光合作用的碳和能源，以维持生产食品的生物体的生长。迄今为止，电化学衍生的底物无法支持大多数植物的生长。然而，乙酸盐是一种可溶性的双碳底物，可以通过电化学方法生产并且更容易被多种生物体代谢。使用由 CO2生产的醋酸盐电解物培养植物或酵母可以使食物生产独立于生物光合作用，但尚未得到证实。该研究开发了一种电催化工艺，可以用于从 CO2生产醋酸盐（作为醋酸钠或醋酸钾，取决于电解质盐）。该方法将两步电解系统通过串联工艺将 CO2转化为 CO，然后将 CO 转化为乙酸盐。然后，生产食物的生物（包括酵母和植物等）会在黑暗中消耗电解产生的醋酸盐来生长，从而达到绕过生物光合作用的光需求，并通过使用人工光合作用来制造不依赖阳光的食物。

实验表明，可以在黑暗中直接在富含醋酸盐的电解槽输出物上生长多种食品生产生物，包括绿藻、酵母和蘑菇等。用这种技术生产藻类的能源效率大约是光合作用生长的四倍。酵母生产的能源效率比通常使用从玉米中提取的糖培养的方式高出约 18 倍。因此，该研究在没有生物光合作用的任何贡献的情况下种植粮食生产生物。

此外，为了进一步评估通过 CO2电解固定的碳是否可用于生产植物性食品，还研究了醋酸盐作为农作物碳源和能源的潜力。我们使用在两个碳原子上标记的重同位素13C-乙酸盐跟踪乙酸盐在植物中的掺入，以评估外源乙酸盐是否可以被农作物代谢。研究证实C-乙酸碳掺入氨基酸和糖中提供了强有力的证据，证明外源乙酸盐可以很容易地掺入在黑暗条件下生长的豇豆、番茄、烟草、大米、油菜和绿豌豆中。

综上所述，该研究通过将农业从对太阳的完全依赖中解放出来，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。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。未来的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。

论文链接：
https://www.nature.com/articles/s43016-022-00530-x.pdf

转自：植物生物技术Pbj

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