人造光合系统为环境赢得胜利/获胜

这种突发的人造光合系统有四个一般组成部分：（1）收获太阳能，（2）产生还原等同物，（3）将CO2减少到生物合成中间体，（4）生产增值化学品。

来自Berkeley Lab和UC Berkeley的研究人员创造了一种人工光合作用系统，将二氧化碳和水的组合合成醋酸盐，即今天最常见的建筑块。

通过开发可以捕获在气氛中的二氧化碳排放的系统的系统中实现了人造光合作用的潜在游戏变化的突破，然后通过太阳能供电，将二氧化碳转化为有价值的化学产品，包括可生物降解塑料，药物药物甚至液体燃料。

与美国能源部（DOE）的劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学（UC）伯克利的科学家创造了一种半导体纳米线和细菌的混合系统，用于模仿植物使用的天然光合过程阳光中的能量合成二氧化碳和水的碳水化合物。然而，这种新的人造光合体系将二氧化碳和水的组合合成醋酸酯，是今天最常见的建筑块进行生物合成。

“我们认为我们的制度是人造光合作用领域的革命性的跨越，”伯克利实验室材料科学院和本研究领导者之一的化学家佩德东杨说。“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方式生产化学品和燃料，而不是从地下深处提取它们。”

杨某曾在伯克利举行的UC Berkeley和Kavli Energy Nanosciences Institute（Kavli-ensi）的约会是一篇关于纳米信件中这项研究的纸张的三个相应作者之一。本文标题为“纳米线 - 细菌混合物，用于无可置的太阳能二氧化碳固定为增值化学品”。该研究的其他相应作者和领导者是化学家克里斯托弗昌和米歇尔昌。两者也持有与伯克利实验室和UC Berkeley的联合任命。此外，克里斯昌是霍华德休斯医学院（HHMI）调查员。（见下文纸张的作者的全部列表。）

释放到大气中的二氧化碳越多，大气变暖。大气二氧化碳现在处于至少300万年的最高水平，主要是由于化石燃料的燃烧。然而，化石燃料，尤其是煤炭，将仍然是满足可预见的未来的人类需求的重要能力。正在追求其在大气中逃离碳的技术，但都要求储存捕获的碳，这是一个拥有自己的环境挑战的要求。

伯克利研究人员开发的人造光合作用技术通过将捕获的二氧化碳放入良好使用来解决储存问题。

“在天然光合作用中，叶子收获太阳能和二氧化碳减少并与水合成的水合成，用于形成生物质的分子产品，”碳中性能量转化催化剂专家Chris Chang说。“在我们的系统中，纳米线收获太阳能并将电子向细菌输送，其中二氧化碳减少并与水合成，用于合成各种靶向增值的化学产品。”

通过将生物相容的光捕获纳米线阵列与选择细菌群体结合，新的人造光合作用系统为环境提供了胜利/胜利情况：使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新兴联盟，在那里制作新功能设备的机会可以混合和匹配每个学科的组件，”生物合成专家Michelle Chang说。“例如，纳米线阵列的形态保护像复活节彩蛋一样的细菌，如在高层草地上埋在的复活节彩蛋，以便这些通常氧敏感的生物可以在诸如烟气等环境碳二氧化碳来源中存活。”

该系统从纳米线异质结构的“人工森林”开始，由阳和他的研究组早期开发的硅和氧化钛纳米线组成。

“我们的人工林类似于绿色植物的叶绿体，”杨说。“当阳光被吸收时，在−硅和氧化钛纳米线中产生光激发的电子孔对，其吸收太阳光谱的不同区域。硅中的光生电电子将通过CO2减少的细菌，而氧化钛中的光产生的孔分裂水分子以制造氧气。“

一旦建立了纳米线阵列的森林，就填充了填充的微生物群，这些微生物群产生已知选择性地催化二氧化碳的还原的酶。对于本研究，伯克利团队使用Sporomusa ovata，一种厌氧菌细菌，可直接从周围环境中接受电子，并使用它们来减少二氧化碳。

“卵巢是一种巨大的二氧化碳催化剂，因为它使醋酸酯，可以用于制造佩戴物阵列的有用的化学品，“Michelle Chang说。“我们能够使用缓冲的咸水水均匀地填充我们的纳米线阵列，使用缓冲的咸水水，含有痕量的维生素作为唯一的有机成分。”

一旦二氧化碳通过S.Ovata减少到醋酸盐（或其他一些生物合成中间体），遗传工程化大肠杆菌用于合成靶向化学产品。为了提高靶向化学产品的产量，对该研究分开了S.Ovata和E.coli。将来，这两种活动 - 催化和合成 - 可以组合成单一步骤过程。

其人工光合作用系统成功的关键是通过纳米线/细菌混合技术使光捕获效率和催化活性的苛刻要求分离。通过这种方法，在模拟阳光下，伯克利团队在模拟阳光下实现了大约200小时的太阳能转换效率，大约是与叶子相同的。

由乙酸盐产生的靶化学分子的产量也促进 - 丁醇的26％，与汽油相当的燃料，25％的氨基乙烯，抗恶化药物的前体，可再生的52％（52％）和可生物降解的塑料PHB。通过进一步的技术改进预期改进的性能。

“我们目前正在研究我们的第二代系统，这是太阳能的转换效率为3％，”杨说。“一旦我们能够以成本效益的方式达到10％的转换效率，该技术应该是商业上可行的。”

除了相应的作者外，还描述了描述这项研究的纳米字母纸的其他共同作者是Chong Liu，Joseph Gallagher，Kelsey Sakimoto和Eva Nichols。

这项研究主要由DOE科学办公室资助。

出版物：Chong Liu等，“纳米线 - 细菌混合动力器，用于无归属太阳二氧化碳固定到增值化学品”，“2015年纳米信件; DOI：10.1021 / ACS.NANOLETT.5B01254

图像：劳伦斯·伯克利国家实验室