比光合作用更快!中研院設計「人工固碳循環」有助研發負碳技術

作者 | 發布日期 2022 年 03 月 07 日 18:10 | 分類 尖端科技 , 環境科學 , 生態保育 Telegram share ! follow us in feedly


中央研究院今日宣布,院長廖俊智費時 7 年時間,帶領團隊成功打造「人工固碳循環」,超越植物光合作用的效率,能將二氧化碳轉化為再利用的化學品,研究成果已在今年 2 月發表於著名國際期刊《自然催化》(Nature Catalysis)。

目前大氣中的二氧化碳,主要是經由植物行光合作用轉化為有機化合物,這個過程稱為「固碳」(carbon fixation),為目前空氣中捕碳最有效的方式,但是速度仍不夠快。

廖俊智表示,「人工固碳循環」是人類史上第二次創造出與自然界不同的固碳循環,這個循環可在實驗室反應器中維持 6 小時,為目前人工固碳效率最高的方法。

以人工固碳途徑突破光合作用限制

大自然光合作用有三大限制,首先所伴隨的固碳過程,是透過植物吸收陽光,以固碳酶(RuBisCO)來固定二氧化碳,並轉化為有機碳儲存在植物體內,但這種固碳酶會受到環境中氧氣影響,產生光呼吸作用,降低固碳效率,而且植物只在生長期有明顯固碳效果,像白天捕捉的二氧化碳,其中一半又經由夜晚的呼吸作用釋放出來,也讓固碳效率打折扣。

廖俊智研究團隊的生物化學研究所博士林柏亨表示,團隊設計出一個比光合作用更有效率的人工固碳途徑,首先為解決植物固碳酶也會與氧結合的問題,選取 2 種不受氧氣影響的固碳酶,再加上 19 個微生物酵素酶共同組合而成,排除「光呼吸」作用干擾,而這途徑只利用微生物體內的酶,並非使用整個微生物,所以能不受植物細胞生長期限制與呼吸作用影響,打造高效的固碳效率。

▲人工固碳循環示意圖。(Source:中研院)

負碳技術不僅吸碳!還能儲存、轉化再利用

為解決日益嚴重的二氧化碳問題,除了要加緊佈建無碳再生能源之外,如何以負碳技術增加碳匯將是達到 2050 年淨零碳排的關鍵。林柏亨說明,團隊所設計的人工固碳循環正是一種負碳技術,能進一步將二氧化碳轉換為可再利用的化學品,不但減少碳排,同時也可以增加碳匯。

研究配合光學即時監控以及輔酶(ATP、NAD(P)H及FAD)再生,提供持續固碳的能量,不斷將二氧化碳轉化為多種常見的化學先驅物(acetyl-CoA、pyruvate及malate),可用來製造多種化學原料,取代石化產品或藥品、食品。

廖俊智指出,這項研究開創新的反應器固碳途徑,可在室溫環境中進行,彈性運用於不同的場域,未來可配合電化學反應,以綠電達成碳再利用的負碳效果。

面對氣候變遷的嚴峻挑戰,廖俊智運用合成生物學,創造出可持續固碳的人工碳循環路徑,有助於負碳技術的發展,解決全球暖化問題,並陸續在《自然》、《科學》、《細胞》等頂尖期刊上,發表多篇成果,並在 2021 年獲得以色列總理獎,表彰廖俊智在生質能源研究的重大突破。

(首圖來源:中研院)