美國科學家突破「光合作用」極限,或可解決地球及星際旅行糧食問題

作者 | 發布日期 2022 年 08 月 08 日 8:30 | 分類 環境科學 , 農業科技 Telegram share ! follow us in feedly


雖然植物光合作用是地球多數生命維生關鍵,但光合作用利用陽光的效率很低,僅約 1% 陽光能量存於植物內。最近美國加州及德拉瓦州科學家發明嶄新光合作用反應途徑,提高能量使用率達 18 倍!如果將系統用在提高作物生產效率,可降低農業對環境的衝擊。成果 6 月刊登於《自然─食物》(Nature Food)期刊。

植物光合作用效率尚有改善空間

植物、藻類的葉綠體光合作用是利用太陽光能量,將環境吸收的二氧化碳和水轉化為碳水化合物(如纖維素、澱粉、糖等),除了提供自己生長養分,也為其他生物的食物來源。雖然光合作用在自然界歷數億年演化,但其實植物光合作用效率並不高,只有約 1% 陽光能量保存於植物內。雖然植物滋養地球無數生命,但若能提高光合作用效率,可更提高農業產量,間接降低對環境的衝擊。

人工光合作用

最近加州大學河濱分校(University of California─Riverside)和特拉瓦大學(University of Delaware)科學家合作新技術,先使用電解器(electrolyzer)將二氧化碳和水轉化為醋酸離子(CH3COO−),隨後藻類、酵母菌、蕈類及萵苣等就算黑暗中也能利用含這些醋酸離子的營養液成長。研究團隊成功擺脫人類對植物光合作用的依賴,可讓各種經濟作物成長茁壯,這類模仿生物自然光合作用的化學技術稱為「人工光合作用」(Artificial Photosynthesis)。與光合作用相比,人工光合技術培養藻類的能量效率高約 4 倍;培養酵母菌能量效率更比傳統法高約 18 倍。

一場演講催生嶄新研究

促成本次合作研究的是 2018 年秋天學術演講激盪出的火花。任教於特拉瓦大學的華人科學家焦鋒教授前往加州大學河濱分校(University of California Riverside)演講,展示如何利用電解器將二氧化碳轉化為其他有機分子,也在場聽演講的助理教授 Jinkerson 聽到可使用這種方法製造醋酸時精神一振,因他正想研發不依賴植物光合作用的植物栽培技術,兩個研究團隊一拍即合,迅速展開合作。

合作沒多久,挑戰旋即浮現。研究團隊很快發現,焦鋒教授生產的醋酸溶液含過高濃度鹽類,完全不適合藻類、真菌或植物生長。焦鋒團隊再將電解二氧化碳程序改良為兩步驟(Two-Step)反應:先將二氧化碳轉化為一氧化碳,然後將一氧化碳轉化為醋酸。如此才生產出適合的醋酸溶液。

獲得 NASA 青睞

此研究成果突破植物光合作用的極限且具極大應用空間,通過「外太空食物挑戰賽」(Deep Space Food Challenge)第一階段考驗,獲得 2.5 萬美元獎金。挑戰賽是美國太空總署 NASA 及加拿大太空總署(Canadian Space Agency)協辦的國際競賽,獲獎團隊必須創造新穎且顛覆未來的糧食生產技術,且技術必須高效使用能源,並提供長期太空任務所需的安全營養且美味的食物來源。

科技進步永無止境,也許有一天,人工光合作用技術真能幫助實現人類於太空種植作物的願景。在此之前,或許能先幫助解決農業大規模生產對地球生態的衝擊及污染。

(首圖來源:Flickr/DM CC BY 2.0)