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光合作用在植物中已经存在了数亿年 ， 能够将水、二氧化碳和来自阳光的能量转化为植物生物量 ， 这一过程养活了地球上绝大部分的生物 。 然而 ， 自然光合作用的效率很低 ， 只有约1%的阳光能量最终进入工厂 ， 最终被植物储存起来的能量 ， 更是少之又少 。
最近 ， 来自加州大学河滨分校和特拉华大学的科学家发现了一种完全绕过生物光合作用需求的方法 ， 通过人工光合作用创造出不受阳光影响的食物 。
这项发表在《自然食品》（Nature Food）上的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 ， 醋酸盐是醋的主要成分 。 然后 ， 生产食物的有机体（比如细菌）在黑暗中消耗醋酸盐来生长 ， 最终产生氨基酸等物质 。 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 ， 能量转化效率是自然光合作用的18倍！
简单来说就是 ， 先把太阳能转化为电能 ， 再用这些电能来进行人工光合作用 ， 把二氧化碳和水转化为有机物质 ， 省去了植物叶绿体内复杂的转化过程 ， 大大地提高了光合作用效率 。
来自加州大学河滨分校的化学与环境工程助理教授罗伯特·金克森（Robert Jinkerson）说：“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面临的限制 。 ”
为了将系统的所有组件集成在一起 ， 研究人员对电解槽的输出进行了优化 ， 以支持产粮微生物的生长 。 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 ， 而盐的用量却减少了 ， 这导致了迄今为止电解槽中醋酸盐的最高产量 。
特拉华大学通讯作者冯娇表示：“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 。 ”
【帮太阳加速！自然光合作用效率不到1%，人工光合作用可提高18倍】实验表明 ， 可以直接在黑暗中在富含醋酸盐的电解槽输出上培育多种食品生产生物 ， 包括绿藻、酵母和产生蘑菇的真菌菌丝体 。 利用这项技术生产藻类的能效大约是通过自然光合作用生产藻类的四倍 。 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 。
“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粮食的有机体 。 通常 ， 这些有机体是在从植物中提取的糖或从石油中提取的物质中培育出来的 ， 石油是数亿年前发生的生物光合作用的产物 。 与粮食作物相比 ， 这项技术是一种更有效地将太阳能转化为粮食的方法”这项研究的联合首席作者伊丽莎白·汉恩博士（Elizabeth Hann）说 。
科学家们还研究了利用该技术种植作物的潜力 ， 豇豆、西红柿、烟草、大米、油菜和青豆在黑暗中栽培时都能利用醋酸盐中的碳 。
“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茁壮成长所需的主要分子构建块 。 通过我们目前正在进行的一些育种工程 ， 我们可能能够种植以醋酸盐为额外能源的作物 ， 以提高作物产量 ， ”研究人员说 。
通过将农业从完全依赖太阳的状态中解放出来 ， 人工光合作用为在人类气候变化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减小 。 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 。
使用人工光合作用方法生产食物可能是我们如何养活人类的一个范式转变 。 通过提高食物生产效率 ， 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（如太空）中的农业而言 ， 提高的能源效率可以用更少的投入养活更多的宇航员 。
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