植物在完全黑暗的環(huán)境中，在替代生物光合作用的醋酸纖維介質(zhì)中生長。(Marcus Harland-Dunaway/UCR)

這項研究發(fā)表在《自然-食品》雜志上，它使用一個兩步電催化過程將二氧化碳、電力和水轉(zhuǎn)化為醋酸，即醋的主要成分的形式。然后，生產(chǎn)食物的生物體在黑暗中消耗乙酸鹽來生長。結(jié)合太陽能電池板產(chǎn)生的電力為電催化提供動力，這種有機(jī)-無機(jī)混合系統(tǒng)可以提高太陽光轉(zhuǎn)化為食物的效率，對某些食物來說，效率可提高18倍。

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通訊作者、加州大學(xué)河濱分?；瘜W(xué)與環(huán)境工程系助理教授羅伯特-金克森說："通過我們的方法，我們試圖找出一種生產(chǎn)食物的新方法，它可以突破通常由生物光合作用帶來的限制。"

為了將該系統(tǒng)的所有組件整合在一起，電解器的輸出被優(yōu)化以支持食物生產(chǎn)生物的生長。電解器是利用電力將二氧化碳等原材料轉(zhuǎn)化為有用分子和產(chǎn)品的裝置。在減少鹽的使用量的同時，增加了醋酸酯的產(chǎn)量，從而使電解器中的醋酸酯產(chǎn)量達(dá)到了迄今為止的最高水平。

特拉華大學(xué)的通訊作者Feng Jiao說："使用我們實驗室開發(fā)的最先進(jìn)的兩步串聯(lián)二氧化碳電解裝置，我們能夠?qū)崿F(xiàn)對醋酸的高選擇性，而這是無法通過傳統(tǒng)的二氧化碳電解路線獲得的。"

實驗表明，在黑暗中可以直接在富含醋酸鹽的電解器輸出物上生長各種食物生產(chǎn)生物，包括綠藻、酵母和生產(chǎn)蘑菇的真菌菌絲。用這種技術(shù)生產(chǎn)藻類比光合作用生長的能效高約4倍。酵母的生產(chǎn)比通常使用從玉米中提取的糖進(jìn)行培養(yǎng)的方式要節(jié)能18倍左右。

"我們能夠在沒有任何生物光合作用貢獻(xiàn)的情況下培育出產(chǎn)糧的生物體。通常情況下，這些生物體是靠來自植物的糖或來自石油的投入來培養(yǎng)的--石油是數(shù)百萬年前發(fā)生的生物光合作用的產(chǎn)物。這項技術(shù)是一種將太陽能轉(zhuǎn)化為食物的更有效方法，與依靠生物光合作用的食物生產(chǎn)相比，"Jinkerson實驗室的博士生和該研究的共同主要作者Elizabeth Hann說。

還調(diào)查了采用這種技術(shù)種植農(nóng)作物的潛力。豇豆、西紅柿、煙草、水稻、油菜和綠豌豆在黑暗中栽培時都能夠利用來自醋酸的碳。

"我們發(fā)現(xiàn)廣泛的作物可以利用我們提供的醋酸，并將其轉(zhuǎn)化為生物體生長和茁壯成長所需的主要分子構(gòu)件。"Jinkerson實驗室的博士生、該研究的共同第一作者M(jìn)arcus Harland-Dunaway說："通過我們目前正在進(jìn)行的一些育種和工程，我們也許能夠用乙酸鹽作為額外的能量來源來種植作物，以提高作物產(chǎn)量。"

通過將農(nóng)業(yè)從完全依賴太陽中解放出來，人工光合作用為在人為氣候變化造成的日益困難的條件下種植糧食打開了無數(shù)的可能性。如果人類和動物的作物在資源密集度較低的受控環(huán)境中生長，干旱、洪水和土地供應(yīng)減少對全球糧食安全的威脅就會減少。農(nóng)作物也可以在城市和其他目前不適合農(nóng)業(yè)的地區(qū)種植，甚至可以為未來的太空探險家提供食物。

"使用人工光合作用的方法來生產(chǎn)食物，可能是我們養(yǎng)活人類的方式的一個范式轉(zhuǎn)變。通過提高糧食生產(chǎn)的效率，需要更少的土地，減少農(nóng)業(yè)對環(huán)境的影響。而對于非傳統(tǒng)環(huán)境中的農(nóng)業(yè)，如外太空，提高能源效率可以幫助以更少的投入養(yǎng)活更多的船員。這種食品生產(chǎn)方法被提交給美國宇航局的"深空食品挑戰(zhàn)"，并成為第一階段的獲勝者。深空食品挑戰(zhàn)賽是一項國際競賽，向創(chuàng)造新穎和改變游戲規(guī)則的食品技術(shù)的團(tuán)隊頒發(fā)獎金，這些技術(shù)需要最小的投入，并為長期的太空任務(wù)提供最大的安全、營養(yǎng)和可口的食物產(chǎn)出。

"想象一下，有一天巨大的船只在黑暗中和火星上種植西紅柿植物，這對未來的火星移民來說將是多么的容易？"共同作者、加州大學(xué)河濱分校植物轉(zhuǎn)化研究中心主任Martha Orozco-Cárdenas說。

Andres Narvaez、Dang Le和Sean Overa也對這項研究做出了貢獻(xiàn)。這篇題為"用于節(jié)能食品生產(chǎn)的無機(jī)-生物混合人工光合作用系統(tǒng)"的公開論文可在此查閱。

該研究得到了通過NASA（NNX16AO69A）的空間健康轉(zhuǎn)化研究所（TRISH）、食品和農(nóng)業(yè)研究基金會（FFAR）、Link基金會、美國國家科學(xué)基金會和美國能源部的支持。本出版物的內(nèi)容完全由作者負(fù)責(zé)，不一定代表食品和農(nóng)業(yè)研究基金會的官方意見。