人工光合作用重大進步有望實現人與環境雙贏

　　在人工光合作用研究領域，可能迎來一次改變游戲規則的突破：開發出一種二氧化碳捕獲系統，并利用太陽能將捕獲的二氧化碳轉化成有價值的化學產品，包括可生物降解塑料、藥物甚至液體燃料。
　　植物能利用光能把二氧化碳和水合成碳水化合物。美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校科學家合作，開發出一種由半導體納米線和細菌構成的混合系統，能模擬自然界植物的這種光合作用過程。相關論文發表在最近的《納米快報》雜志上。
　　“我們相信，這一系統是人工光合作用領域的一次革命性飛躍，有望從根本上改變化學和石油工業。”研究負責人之一、伯克利實驗室材料科學部化學家楊培東（音譯）說，“我們能以完全可再生的方式生產出化學品和燃料，而不是從地底深處提取它們。”
　　太陽能綠色化工
　　釋放到大氣層中的二氧化碳越多，大氣就會越暖。目前地球大氣中二氧化碳濃度已達到近300萬年來的最高水平，這主要是化石燃料燃燒的結果。而在可預見的未來，化石燃料，尤其是煤炭，仍是滿足人類所需能量的最大來源。人們一直在尋找在二氧化碳進入大氣之前將其隔離的技術，但所有這些技術都需要把捕獲的碳存儲起來，這樣做本身也帶來了環境挑戰。
　　伯克利研究人員開發的人工光合作用技術解決了存儲問題，同時也更好地利用了捕獲的二氧化碳。“在自然的光合作用中，樹葉會收集太陽能還原二氧化碳，與水結合，通過分子合成生物質，”論文作者之一，霍華德·休斯醫學研究所研究碳中和能量轉化催化劑方面的專家克莉絲·張說，“在我們的系統中，納米線會收集太陽能并把電子傳遞給細菌，細菌將二氧化碳還原并與水結合，從而合成多種高附加值的化學產品。”
　　這是一種新型人工光合作用系統，把生物適應性光捕獲納米線陣列和挑選出來的細菌群結合在一起，提供了一種環境雙贏模式：利用隔離二氧化碳的太陽能綠色化工。
　　材料學與生物學聯合
　　“我們的系統代表了材料學和生物學之間新興的聯合，這一聯合領域也為開發新的功能設備提供了廣闊機會。”研究小組的生物合成專家米歇爾·張說，“比如，納米線陣列的形態結構要能保護細菌，就像埋在高草叢中的復活節雞蛋那樣，如此才能使對氧氣敏感的微生物在充滿二氧化碳的環境中生存下來，比如在煙道氣體中。”
　　這一系統早期由楊培東的研究小組開發，開始就像一片奇異的“人造森林”，由硅和二氧化鈦納米線組成。
　　“我們的人造森林就像綠色植物中的葉綠體。”楊說，“當陽光被吸收，光子在硅和二氧化鈦納米線中激發產生電子—空穴對，吸收不同頻率的太陽光譜。光子產生的電子在硅中被傳遞給細菌用于還原二氧化碳，光子產生的空穴在二氧化鈦中將水分子分解，產生氧氣。”
　　納米線陣列森林建成后，成為一種微生物群落的棲息地，這些微生物群落能產生特殊的酶，選擇性地催化還原二氧化碳。在這一研究中，伯克利小組用的是一種叫做卵形鼠孢菌的厭氧菌，這種菌能很容易地直接從周圍環境中獲得電子，還原二氧化碳。
　　“鼠孢菌是非常好的二氧化碳催化劑，同時生成醋酸鹽，這是一種多功能化學中間體，可以制造多種有用的化學產品，”米歇爾·張說。“使用緩沖半咸水和少量維生素，我們可以在納米線陣列中統一‘進駐’鼠孢菌。”
　　當鼠孢菌把二氧化碳還原成醋酸鹽（或其它生物合成中間體）后，再由轉基因大腸桿菌將其合成特殊的化學品。在他們的研究中，為了提高目標化學品產量，把鼠孢菌和大腸桿菌分離開來。將來催化與合成這兩步可以合并為一個過程。
　　未來商業化展望
　　研究人員指出，他們的人工光合作用系統成功的關鍵是分離目標要求，將提高光捕獲效率和提高催化活性分開，納米線/細菌混合技術使之成為可能。通過這種方式，伯克利小組在模擬陽光下實現的太陽能轉化效率為0.38%，持續約200小時，與自然界中的樹葉相仿。
　　他們用醋酸鹽制造的定向化學品產量也得到提高——高達26%的丁醇（一種類似汽油的燃料）、25%的青蒿二烯（一種抗瘧藥青蒿素的前體）和52%的可再生生物降解塑料PHB。隨著該技術進一步精煉，預計系統的性能還會提高。
　　“目前我們正在研究第二代系統，把從太陽能到化學產品的轉化效率提高到3%，”楊說，“等我們在成本效益上達到了10%的轉化率，把這一技術推向商業化就切實可行了。”