人工光合作用系统为环境带来双赢

来自伯克利实验室和加州大学伯克利分校的研究人员创造了一种人工光合作用系统,可以将二氧化碳和水合成为乙酸盐,这是目前生物合成中最常见的组成部分。

可能改变游戏规则的突破在人工光合作用的发展取得的一个系统,可以捕获二氧化碳排放到大气中之前,然后由太阳能供电,将二氧化碳转化为有价值的化工产品,包括生物可降解塑料、药品甚至液体燃料。

科学家和美国能源部(DOE)年代;s劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校(UC)创造了一个混合动力系统的半导体纳米线和细菌,模仿自然光合作用过程的植物利用阳光的能量从二氧化碳和水合成碳水化合物。然而,这种新的人工光合系统将二氧化碳和水合成为乙酸盐,这是目前生物合成中最常见的组成部分。

我们相信我们的系统是人工光合作用领域的革命性飞跃。伯克利实验室材料科学部的化学家杨沛东说,他也是这项研究的领导者之一。我们的系统有可能从根本上改变化学和石油工业,因为我们可以以完全可再生的方式生产化学品和燃料,而不是从地下深处开采它们。

杨还在加州大学伯克利分校和加州大学伯克利分校的Kavli能源纳米科学研究所(Kavli- ensi)任职,他是《纳米快报》杂志上一篇描述该研究的论文的三位通讯作者之一。这篇论文的题目是:无辅助太阳能二氧化碳固定增值化学品的纳米线-细菌杂交。这项研究的其他通讯作者和领导者是化学家克里斯托弗·张和米歇尔·张。两人还兼任伯克利实验室和加州大学伯克利分校的工作。此外,克里斯·张是霍华德·休斯医学研究所(HHMI)的研究员。(以下是论文作者的完整列表。)

释放到大气中的二氧化碳越多,大气就变得越温暖。大气中的二氧化碳现在达到了至少300万年以来的最高水平,主要是由于燃烧化石燃料。然而,在可预见的未来,化石燃料,特别是煤,仍将是满足人类需求的重要能源来源。在碳逃逸到大气之前将其封存的技术正在被开发,但所有这些技术都需要将捕获的碳储存起来,这一要求本身就带来了环境挑战。

伯克利大学研究人员开发的人工光合技术通过充分利用捕获的二氧化碳,解决了储存二氧化碳的问题。

在自然的光合作用中,树叶吸收太阳能,二氧化碳被减少并与水结合合成分子产物,形成生物量。碳中性能源转换催化剂专家Chris Chang说。在我们的系统中,纳米线收集太阳能并将电子传递给细菌,在细菌中二氧化碳被还原并与水结合,从而合成各种目标明确、有价值的化学产品。

通过将生物相容的光捕获纳米线阵列与精选的细菌群结合,新的人工光合作用系统为环境提供了双赢的局面:利用隔离二氧化碳的太阳能绿色化学。

我们的系统代表了材料科学和生物学领域之间的一个新兴联盟,在这个联盟中,制造新的功能设备的机会可以混合和匹配每个学科的组成部分。生物合成专家Michelle Chang说。例如,纳米线阵列的形态可以像保护复活节彩蛋一样保护埋在高草丛中的细菌,这样,这些通常对氧气敏感的生物就可以在烟气等二氧化碳源环境中生存。

这个系统从一个人工森林开始。由硅和氧化钛纳米线组成的纳米线异质结构,是杨和他的研究小组早先开发的。

我们的人工森林类似于绿色植物中的叶绿体。杨说。当阳光被吸收时,在硅和氧化钛纳米线中产生光激发电子和负电洞对,它们吸收太阳光谱的不同区域。硅中光能产生的电子将被传递到细菌上以减少二氧化碳,而氧化钛中光能产生的孔将水分子分解成氧创.”

一旦纳米线阵列的森林被建立起来,它就会被微生物种群所占据,这些微生物能够产生已知的酶,选择性地催化二氧化碳的减少。在这项研究中,伯克利团队使用了一种厌氧菌Sporomusa ovata,这种细菌可以直接从周围环境中吸收电子,并利用它们来减少二氧化碳。

“没有,年代。ovata是一种很好的二氧化碳催化剂,因为它可以制造醋酸盐,而醋酸盐是一种多用途的化学中间体,可以用来制造多种有用的化学品。米歇尔Chang说。我们能够均匀地在纳米线阵列中填充S. ovata,使用缓冲的微咸水,微量维生素是唯一的有机成分。

一旦二氧化碳被S. ovata转化为乙酸盐(或其他生物合成中间体),基因工程大肠杆菌就被用来合成目标化学产品。为提高目标化学制品的产量,本研究将卵圆杆菌和大肠杆菌分离保存。在未来,这两个活动–催化合成–可以组合成单个步骤的过程。

他们的人工光合作用系统成功的关键是分离了对光捕获效率和催化活性的严格要求,而这是纳米线/细菌混合技术所实现的。利用这种方法,伯克利团队在模拟阳光下200小时的太阳能转换效率高达0.38%,与一片树叶的转换效率差不多。

从乙酸盐中产生的目标化学分子的产量也令人鼓舞。丁醇(一种与汽油类似的燃料)的比例高达26%,阿莫菲二烯(抗预警药物青蒿素的前体)的比例高达25%,可再生和可生物降解塑料PHB的比例为52%。随着技术的进一步改进,预期性能会得到改善。

我们目前正在研制第二代系统,该系统的太阳能化学转化效率为3%。杨说。一旦我们能以成本效益的方式达到10%的转换效率,这项技术就应该具有商业可行性。

除了通讯作者,《纳米快报》论文中描述这项研究的其他共同作者还有Chong Liu, Joseph Gallagher, Kelsey Sakimoto和Eva Nichols。

这项研究主要由美国能源部科学办公室资助。

出版:刘崇,等人,用于无辅助太阳能二氧化碳固定增值化学品的纳米线细菌杂交纳米快报,2015;

图片:劳伦斯伯克利国家实验室