Science：新型水分解-生物合成系统 CO2吸收效率赶超光合作用

【引语】北京时间6月3号（即昨日），Science官网在线发表了一篇关于人工合成生物系统的文章，题为“Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis”。论文通讯作者为哈佛大学化学与化学生物学系的Daniel G. Nocera（下左）和 哈佛医学院系统生物系的Pamela A. Silver（下右）。

此次研究的最大的突破在于：人工合成生物系统的光合效率超过了自然界中的光合作用效率，在人工生态系统、应对全球变暖等应用方面有光明前景。举个脑洞大开的例子，人工系统可以像集装箱似的堆在一块，而植物是不可能一个摞一个的。这就为在沙漠等极端环境生存、星球移民等提供了进一步的可能。

【成果简介】

人工光合成系统可以储存太阳能，并通过化学反应吸收CO₂。哈佛大学两位教授课题组合作开发了一种杂化的水分解-生物合成系统，该系统基于一种生物相容性良好的自然界含量丰富的无机催化系统，可在较低驱动电压下把水分解为H₂和O₂。在O₂存在的条件下，与催化剂接触后，该系统可消耗产出的H₂，利用低浓度的CO₂，来合成生物团、燃料以及其他化学产品。这个可扩展的系统CO₂吸收效率高达50%，每消耗1千瓦时的电量，可精华180g CO₂。把这套杂化设备连接现有的光伏系统之后，CO₂吸收效率可达10%，超过了自然界中的光合系统。说白了，就是利用太阳能电池，这套系统在不额外提供电力的情况下，赶超了树叶等的光合效率。

【图文导读】

图1 高活性低毒性的水分解催化剂。

A. Co-P阴极和CoPi阳极的反应图示和扫描电子显微镜照片。注：黑色部分为主要的化学反应，红色部分为产生有毒物质的副反应。
B. 不同HER催化剂下的电流电压曲线。
C. 16天热处理的Co-P阴极的稳定性。
D. 当CoPi阳极和不同阴极结合时产生的H₂O₂的量。注：黄色-Pt；蓝色-不锈钢；红色Co-P合金。
E. 在Pi存在条件下，Co和Ni的循环电流。注：Ni的电流被放大了50倍。

图2 杂化CO₂吸收设备的能量效率和动力学。

A. 不同E_appl条件下，生成生物团和化合物的η_elec值。
B. 当实验在1个标准大气压的CO₂中进行时，600nm处的光强（OD₆₀₀，是生物团积累量的表征）和通过的电荷量。
C. 当实验在1个标准大气压的空气中进行时，600nm处的光强（OD₆₀₀，是生物团积累量的表征）和通过的电荷量。
D. 建立一个微生物生长模型，可以看出在水分解产生H₂的速率小于生物团消耗H₂的速率时，电荷和生物团的积累量呈线性关系。
E. 在白天和黑夜循环测试中对生物团积累量的实时监测。

图3 以CO2和水为原料，高效合成部分化合物

PHB: A+B；C₃: C+D；C₄+C₅ alcohol：E+F。

在A,C和E中，实验过程中的合成的化合物的浓度、通过电极的电荷和OD₆₀₀的值被标出。取样间隔为1小时。在B,D和F中，生物团的η_elec、合成化合物的η_elec和总体η_elec被标出，取样间隔为24小时。需要指出的是，由于生物团的η_elec表示的是细胞内除了PHB以外的有机体，所以图示的η_elec已经校正过，以排除PHB的干扰。

文献链接：

Water splitting–biosynthetic system with CO₂ reduction efficiencies exceeding photosynthesis

Science官网新闻报道：

Microbe-linked solar panels are better than plants at converting sunlight to energy