【Nature子刊】突破！人工光合作用可以在没有阳光的情况下生产食物
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。
从二氧化碳电解中生产乙酸盐。为了提供一种独立于生物光合作用的碳和能源，以维持食品生产生物的生长，我们开发了一种电催化工艺，从二氧化碳中生产乙酸盐（根据电解质盐的不同，可以是乙酸钠或乙酸钾）。 使用铜催化剂通过电化学还原二氧化碳直接生产的乙酸盐的碳选择性低于15%，这被定义为最终产品中的碳量除以系统中还原的碳总量13-16。然而，最近关于一氧化碳还原的研究表明，使用纳米结构的铜催化剂12,17,18，可以在工业相关的反应速率下生产醋酸，其碳选择性大于50%。为了从直接的二氧化碳进料中获得最大的选择性和生产醋酸，演示了一个两步电解器系统，通过串联过程将二氧化碳转化为一氧化碳，然后将一氧化碳转化为醋酸（图2a和扩展数据图1a）。更具体地说，二氧化碳被送入第一个电解器的阴极，该电解器利用一种支持在气体扩散层（即碳纸）上的商用银催化剂，并产生一种含有CO、H2和微量CO2的气体产品流。气体扩散电极改善了气态二氧化碳向电催化剂的传输，与溶解的二氧化碳相比，实现了对二氧化碳还原产物的更高电流。
二氧化碳在典型的间歇式反应器中16,19-21。在去离子水中的1M KHCO3溶液去离子水中的1M KHCO3溶液被用作CO2电解器阳极侧的电解液（即电解液），并通过阳极室循环以保持离子传导性。水性电解质的存在已被证明可以降低基于阴离子交换膜的二氧化碳电解器的总电池电位13,22。由于二氧化硫在中性pH值中的稳定性，因此利用二氧化硫阳极来还原二氧化碳。然后，气体产品流被送入CO电解器的阴极室，其中包含一个用于CO还原的商业铜催化剂，1M KOH作为电解液和一个NiFeOx阳极。这种设计类似于Romero Cuellar等人以前报告的串联系统23。通过最大限度地提高第一和第二电解器的转化率，以及专门针对醋酸酯而不是其他多碳产品，该系统能够实现二氧化碳到醋酸酯的单程转化率为25%，比以前报告的<1%的转化率有很大的改进（补充表1）。
污水，即含有醋酸和其他副产品的电解液产品（扩展数据图1c,d），被评估为培养食品生产生物体的碳和能源来源。早期的实验发现，醋酸盐与电解质比例低于0.4的污水不支持藻类的生长（补充说明）。因此，最大限度地提高醋酸盐与电解质的比例对于将这些碳产品与生物食品生产相结合至关重要。串联式二氧化碳电解系统的操作参数被确定为最大限度地将二氧化碳原料转化为乙酸盐。对于一氧化碳的生产，二氧化碳电解器的操作电流密度为100mAcm-2，入口流量为7mlmin-1的二氧化碳，这使得二氧化碳转化为一氧化碳的比例达到了43%，并保持了较高的性能水平 对于一氧化碳电解器，选择了150mAcm-2的操作电流密度，以便在整个电解过程中使电化学产生的一氧化碳转化为C2+产品的比例大于80%（扩展数据图1g，h）。最初的实验发现，微量的二氧化碳对CO电解器中的醋酸酯选择性有负面影响，并导致CO电解器的电压迅速增加（图2b,c）。
当在两个电解槽之间引入一个5M NaOH洗涤器时，乙酸盐的选择性增加了3倍以上，因为洗涤器阻止了来自第一个反应器的未反应的二氧化碳到达CO电解槽（图2d-f和扩展数据图1b）。总的来说，在0.7 gd-1 cm-2的生产速率下，57%的反应的二氧化碳形成了醋酸，代表了迄今为止报告的二氧化碳原料到醋酸的最高转化率（图2e和补充表1）。串联式二氧化碳电解系统运行稳定，同时产生了高醋酸-电解质比率的流出物。二氧化碳电解器的电压在2.95V附近保持恒定（图2f），在六小时的实验中，电压增加不到60mV。二氧化碳反应器在2.22V的电压下运行，在实验过程中电压增加了160mV（图2f），这是由于随着乙酸盐的积累，电解液的pH值从13.7转移到13.4。阴离子（通过使用冷阱）和阳离子都被收集起来，并对其进行分析，以确定产品的数量。由于超过99%的乙酸盐被收集在电解液中，这是主要的效果。由于超过99%的乙酸盐被收集在电解液中，这就是用于食品生产的主要污水。最终产生的污水含有0.75M的醋酸，醋酸-电解质的盐比为0.75，是迄今为止记录的最高的醋酸-电解质产品流。
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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s43016-022-00530-x.pdf
光合作用在植物中已经进化了数百万年，可以将水、二氧化碳和来自太阳的能量转化为植物生物质和可食用的食物。然而，这个过程非常低效，只有大约 1% 的太阳能量最终进入植物。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。 近日，美国加州大学河滨分校 Robert E. Jinkerson 课题组在 Nature Food 期刊上发文“A hybrid inorganic–biological artificial photosynthesis system for energy-efficient food production”，称找到了一种方法，可以完全绕过生物光合作用的需求，并通过人工光合作用来制造不依赖阳光的食物。
具体来说，团队构建了一个混合有机-无机的人工光合作用系统。该技术使用两步电催化过程将二氧化碳、电和水转化为醋酸盐，醋酸盐是醋的主要成分。然后，生产食物的生物会在黑暗中消耗醋酸盐来生长。 目前，团队已对 9 种农作物进行了评估，结合太阳能电池板发电为电催化提供动力，这种有机-无机混合系统可以提高阳光转化为食物的效率，对某些食物而言，效率高达 18 倍。 人工光合作用是模仿生物自然光合作用的一类化学过程，将阳光、水及二氧化碳转化为碳水化合物与氧气。主流方式包括两种：一种是使用吸收阳光的光催化剂；一种是使用电极， 二氧化碳从工厂等收集，使其与氢气反应制成塑料原料等。 在这项研究中，为了生物整合的目的，团队优化了 CO₂ 电解生产乙酸盐的过程，并实现了 CO₂ 对醋酸盐的碳选择性为 57%，这是迄今为止公布的最高值。电解系统经过进一步设计，以产生改进的流出物，其醋酸盐与电解质盐的比率高达 0.75，远高于确定的支持生物生长所需的比率。 “使用我们实验室开发的最先进的两步串联 CO₂ 电解装置，能够实现对乙酸盐的高选择性，这是通过传统 CO₂ 电解路线无法获得的，”通讯作者Feng Jiao 表示。
两步电化学过程将 CO₂ 转化为醋酸盐，醋酸盐可作为藻类、酵母、产蘑菇的真菌、莴苣、水稻、豇豆、绿豌豆、油菜、番茄、胡椒、烟草和拟南芥的碳源和能源。
“我们发现，多种作物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组成部分。通过我们目前正在进行的一些育种和工程，可以使醋酸盐作为一种额外的能源来提高作物产量，” Robert E. Jinkerson 实验室的博士生、该研究的作者 Marcus Harland-Dunaway 说。
通过将农业从对太阳的完全依赖中解放出来，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。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、洪水和可用土地减少对全球粮食安全的威胁将较小。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。
“使用人工光合作用方法生产食物可能是我们养活人的范式转变。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。对于非传统环境中的农业，就像外太空一样，能源效率的提高可以帮助以更少的投入养活更多的船员。”Robert E. Jinkerson 说。
目前，这种食品生产方法已提交给美国宇航局的“外太空食品挑战赛”（The Deep Space Food Challenge），并在第一阶段获胜。“外太空食品挑战赛”的网站规定，这项技术的设计目标是在 3 年时间内为最多 4 名宇航员提供食物。