人工光合作用可以在没有阳光的情况下生产食物

这项研究发表在自然的食物该公司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，生产食物的生物在黑暗中消耗醋酸盐来生长。结合太阳能电池板产生的电能为电催化提供动力，这种有机-无机混合系统可以提高阳光转化为食物的效率，对某些食物的效率可提高18倍。

“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通常施加的限制，”通讯作者、加州大学河滨分校化学与环境工程助理教授罗伯特·金克森说。

为了将系统的所有组件整合在一起，电解槽的输出进行了优化，以支持食品生产生物的生长。电解槽是一种用电将二氧化碳等原材料转化为有用分子和产品的设备。在减少盐用量的同时，醋酸盐的产生量增加了，从而产生了迄今为止电解槽中最高水平的醋酸盐。

“使用最先进的两步串联CO2在我们实验室开发的电解装置中，我们能够实现对醋酸盐的高选择性，这是传统CO无法获得的2该研究的通讯作者、特拉华大学的焦峰说。

实验表明，许多生产食物的生物可以在黑暗中直接在富含乙酸盐的电解槽产出物上生长，包括绿藻、酵母和生产蘑菇的真菌菌丝体。用这种技术生产藻类的能源效率大约是光合作用的四倍。酵母生产的能源效率比通常使用从玉米中提取的糖培养酵母的效率高18倍。

“我们能够在没有任何生物光合作用的情况下种植生产食物的生物。通常，这些生物是在从植物中提取的糖或从石油中提取的原料上培养的——这是数百万年前发生的生物光合作用的产物。与依靠生物光合作用生产食物相比，这项技术是一种更有效的将太阳能转化为食物的方法，”金克森实验室的博士候选人、该研究的共同主要作者伊丽莎白·汉恩说。

还研究了利用这种技术种植农作物的潜力。豇豆、番茄、烟草、水稻、油菜籽和青豌豆在黑暗中种植时都能利用醋酸盐中的碳。

“我们发现，各种各样的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繁荣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和工程，我们可能能够种植以醋酸盐作为额外能源的作物，以提高作物产量，”金克森实验室的博士候选人、该研究的共同主要作者马库斯·哈兰德-唐纳威说。

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。如果供人类和动物食用的作物在资源密集程度较低、受控制的环境中生长，干旱、洪水和土地可用性减少对全球粮食安全的威胁就会减少。农作物也可以在城市和其他目前不适合农业的地区种植，甚至为未来的太空探险者提供食物。

“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。通过提高粮食生产的效率，减少了对土地的需求，减少了农业对环境的影响。对于非传统环境中的农业，比如外太空，能源效率的提高可以帮助用更少的投入养活更多的船员。”

这种食品生产方法被提交给美国宇航局的深空食品挑战赛，并获得了第一阶段的冠军。“深空食品挑战赛”是一项国际竞赛，奖励团队创造新颖的、改变游戏规则的食品技术，这些技术需要最少的投入，并最大限度地为长期太空任务提供安全、营养和美味的食品。

加州大学河滨分校植物转化研究中心主任、合著者玛莎Orozco-Cárdenas说:“想象一下，有一天，巨大的容器在黑暗中和火星上种植番茄——这对未来的火星人来说会容易得多?”

Andres Narvaez, Dang Le和Sean Overa也参与了这项研究。

该研究得到了空间健康转化研究所(TRISH)通过美国宇航局(NNX16AO69A)、食品和农业研究基金会(FFAR)、林克基金会、美国国家科学基金会和美国能源部的支持。本出版物的内容完全由作者负责，并不一定代表食品和农业研究基金会的官方观点。