Science：新型水分解-生物合成系統 CO2吸收效率趕超光合作用

【引語】北京時間6月3號（即昨日），Science官網在線發表了一篇關于人工合成生物系統的文章，題為“Water splitting–biosynthetic system with CO2?reduction efficiencies exceeding photosynthesis”。論文通訊作者為哈佛大學化學與化學生物學系的Daniel G. Nocera（下左）和 哈佛醫學院系統生物系的Pamela A. Silver（下右）。

此次研究的最大的突破在于：人工合成生物系統的光合效率超過了自然界中的光合作用效率，在人工生態系統、應對全球變暖等應用方面有光明前景。舉個腦洞大開的例子，人工系統可以像集裝箱似的堆在一塊，而植物是不可能一個摞一個的。這就為在沙漠等極端環境生存、星球移民等提供了進一步的可能。

【成果簡介】

人工光合成系統可以儲存太陽能，并通過化學反應吸收CO₂。哈佛大學兩位教授課題組合作開發了一種雜化的水分解-生物合成系統，該系統基于一種生物相容性良好的自然界含量豐富的無機催化系統，可在較低驅動電壓下把水分解為H₂和O₂。在O₂存在的條件下，與催化劑接觸后，該系統可消耗產出的H₂，利用低濃度的CO₂，來合成生物團、燃料以及其他化學產品。這個可擴展的系統CO₂吸收效率高達50%，每消耗1千瓦時的電量，可精華180g CO₂。把這套雜化設備連接現有的光伏系統之后，CO₂吸收效率可達10%，超過了自然界中的光合系統。說白了，就是利用太陽能電池，這套系統在不額外提供電力的情況下，趕超了樹葉等的光合效率。

【圖文導讀】

圖1 高活性低毒性的水分解催化劑。

A. Co-P陰極和CoPi陽極的反應圖示和掃描電子顯微鏡照片。注：黑色部分為主要的化學反應，紅色部分為產生有毒物質的副反應。
B. 不同HER催化劑下的電流電壓曲線。
C. 16天熱處理的Co-P陰極的穩定性。
D. 當CoPi陽極和不同陰極結合時產生的H₂O₂的量。注：黃色-Pt；藍色-不銹鋼；紅色Co-P合金。
E. 在Pi存在條件下，Co和Ni的循環電流。注：Ni的電流被放大了50倍。

圖2 雜化CO₂吸收設備的能量效率和動力學。

A. 不同E_appl條件下，生成生物團和化合物的η_elec值。
B. 當實驗在1個標準大氣壓的CO₂中進行時，600nm處的光強（OD₆₀₀，是生物團積累量的表征）和通過的電荷量。
C. 當實驗在1個標準大氣壓的空氣中進行時，600nm處的光強（OD₆₀₀，是生物團積累量的表征）和通過的電荷量。
D. 建立一個微生物生長模型，可以看出在水分解產生H₂的速率小于生物團消耗H₂的速率時，電荷和生物團的積累量呈線性關系。
E. 在白天和黑夜循環測試中對生物團積累量的實時監測。

圖3 以CO2和水為原料，高效合成部分化合物

PHB: A+B；C₃: C+D；C₄+C₅ alcohol：E+F。

在A,C和E中，實驗過程中的合成的化合物的濃度、通過電極的電荷和OD₆₀₀的值被標出。取樣間隔為1小時。在B,D和F中，生物團的η_elec、合成化合物的η_elec和總體η_elec被標出，取樣間隔為24小時。需要指出的是，由于生物團的η_elec表示的是細胞內除了PHB以外的有機體，所以圖示的η_elec已經校正過，以排除PHB的干擾。

文獻鏈接：

Water splitting–biosynthetic system with CO₂ reduction efficiencies exceeding photosynthesis

Science官網新聞報道：

Microbe-linked solar panels are better than plants at converting sunlight to energy