人工光合作用由太陽能供電，可以在二氧化碳排放入大氣之前，將其轉(zhuǎn)化為有價值的化工產(chǎn)品，包括生物可降解塑料、藥品甚至液體燃料。這項技術(shù)將改變光合作用的壁壘，實現(xiàn)人與環(huán)境的雙贏。圖片來源：Caitlin Givens。

美國能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學(xué)伯克利分校(UC)的科學(xué)家們近期利用半導(dǎo)體納米線和細(xì)菌，開發(fā)出一個混合動力系統(tǒng)。該系統(tǒng)模仿自然界的光合作用（即植物利用陽光的能量，使得二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為碳水化合物），利用人工光合系統(tǒng)將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為醋酸，醋酸是現(xiàn)今最常見的生物體構(gòu)建塊。

伯克利實驗室材料科學(xué)部門化學(xué)家，同時也是該項研究的領(lǐng)導(dǎo)人之一的Peidong Yang說： “我相信，這個系統(tǒng)是一項革命性的人工光合作用系統(tǒng)。該系統(tǒng)可能從根本上改變化學(xué)和石油工業(yè)的前景。在未來，我們可以簡便地生產(chǎn)出完全可再生化學(xué)品和燃料，從而避免了深度挖掘燃料的困難?！?/span>

這個突破性的人工光合作用系統(tǒng)分成四個部分:(1)收集太陽能，(2)生成減少等價物，(3)減少二氧化碳生物合成的中間體，(4)產(chǎn)生增值的化學(xué)物質(zhì)。

Yang同時也受命于加州大學(xué)伯克利分校和Kavli能源納米科學(xué)研究所(Kavli-ENSI)，作為文章的三位作者之一（另外兩位分別是化學(xué)家Christopher Chang和Michelle Chang），將這項研究的一篇論文發(fā)表在《納米快報》上。文章題目為“納米線-細(xì)菌混合動力系統(tǒng)無需太陽能，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為可增值的化學(xué)物質(zhì)“。Christopher Chang和Michelle Chang也受命于伯克利實驗室和加州大學(xué)伯克利分校。此外，Christopher Chang還是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）的研究員。

二氧化碳的排放是的大氣的溫室效應(yīng)加劇，大氣中二氧化碳目前的含量是地球三百萬年來的最高水平，這是燃燒化石燃料的結(jié)果?；剂?，特別是煤炭，在未來仍將是重要的滿足人類需要的能源。固碳技術(shù)可以減少大氣中的二氧化碳含量，但二氧化碳需要存儲，這是固碳技術(shù)的壁壘。

伯克利分校的研究人員正在開發(fā)人工光合作用技術(shù)，以此來解決存儲二氧化碳的問題。

作為碳催化劑和能源轉(zhuǎn)換的專家，Chris Chang說： “自然界的光合作用，利用葉子吸收太陽能，吸收二氧化碳和水合成生命物質(zhì)。在我們研究的系統(tǒng)中，納米線吸收太陽能供給電子細(xì)菌，利用二氧化碳和水結(jié)合合成各種目標(biāo)產(chǎn)物，即有附加值的化工產(chǎn)品?！?/span>

通過在生物相容性聚光納米線陣列中排布細(xì)菌，這種新型的人工光合作用系統(tǒng)為減少大氣中的二氧化碳含量，即綠色化學(xué)，開辟了一個雙贏的局面。

生物合成專家Michelle 說：“我們的系統(tǒng)屬于新興的材料科學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，期待利用各學(xué)科的優(yōu)勢，開發(fā)出具有新功能的設(shè)備。就像復(fù)活節(jié)上各種彩蛋埋在高高的草叢中一樣，納米線陣列的形成可以保護(hù)細(xì)菌，使得這些氧氣敏感型生物可以在二氧化碳含量較高的環(huán)境中（如煙道氣體）生存?！?/span>

Yang說：“我們的研究系統(tǒng)就像一個人工森林。納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由硅和氧化鈦組成的納米線。這個人工森林類似于綠色植物的葉綠體。一旦吸收陽光，硅和氧化鈦納米線中的電子?空穴對激活，可以吸收不同波長的太陽光譜。硅納米線中的電子?空穴對可以減少二氧化碳，氧化鈦納米線中的電子?空穴對可以分解水分子?！?/span>

一旦開發(fā)出納米線陣列的人工森林，填充在其中的微生物種群可以依據(jù)不同的酶，選擇性地催化減少二氧化碳。在這項研究中，伯克利的研究小組利用的是Sporomusa ovata，一種厭氧細(xì)菌。該細(xì)菌可以從周圍環(huán)境中接受電子。以此來減少二氧化碳。

Michelle Chang說：”之所以選擇Sporomusa ovata催化劑，是因為它可以將二氧化碳轉(zhuǎn)化為醋酸，一種多樣的化學(xué)中間體，進(jìn)而可以制造出于制造出各種各樣有用的化學(xué)物質(zhì)。使用緩沖咸水和微量維生素作為唯一的有機(jī)組成部分，我們能夠?qū)poromusa ovata均勻地填充在納米線陣列中。”

如圖所示為納米線混合細(xì)菌的橫截面的SEM圖。

一旦二氧化碳的含量減少，說明s. ovata正在不斷的生成醋酸(或其他生物合成中間體)，利用大腸桿菌進(jìn)一步合成目標(biāo)化工產(chǎn)品。化工產(chǎn)品的收益率取決于s. ovata和大腸桿菌。在未來，這兩項活動——催化和合成，可以經(jīng)過一步完成。

人工光合作用系統(tǒng)的關(guān)鍵是納米線/細(xì)菌混合動力技術(shù)中光捕捉效率和催化劑的催化活性。使用這種技術(shù)，伯克利團(tuán)隊在200小時的模擬太陽光下的太陽能轉(zhuǎn)換效率高達(dá)0.38，和一片樹葉無差。生成的目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)出率也很高，丁醇（類似于汽油的燃料）含量高達(dá)26%，、盤尼西林（一種抗生素）的含量達(dá)25%，可再生和生物可降解的塑料PHB含量達(dá)到52%。預(yù)計經(jīng)過改進(jìn)，該系統(tǒng)的性能將得到進(jìn)一步提高。

Yang說：“我們正在正在研發(fā)的第二代系統(tǒng)太陽能-化學(xué)能的轉(zhuǎn)換效率為百分之三。“一旦轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，該技術(shù)就可以作為一項有開發(fā)前景的應(yīng)用，進(jìn)行商業(yè)化推廣?！?

除了這幾位作者，該文章的共同作者還有Chong Liu，Joseph Gallagher，Kelsey Sakimoto 和 Eva Nichols。