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仿生树叶超越自然界光合作用

花匠小妙招
2025-04-30 06:30

仿生树叶实现太阳能转化，效率超越自然界光合作用
科学家结合化学与合成生物学开发出一种新型太阳能器件，该器件极大地推动了可再生燃料与化学品的发展，有助于人类应对气候变化。

该器件利用太阳能光伏面板产生电能，以驱动水分解为氧气和氢气，随后，器件内部的细菌会吸收氢气，并将空气中的二氧化碳转化为醇类燃料。图片来源：Des_Callaghan via Wikimedia Commons

从一片绿叶、一株小草，到一个藻类细胞，都经历着大自然神奇的光合作用，水、太阳光、二氧化碳三者在光合作用的过程中发生了化学反应，转化生成燃料。而就在不久前，科学家结合化学与生物学开发出了新型仿生树叶，实现了人造的光合作用。

哈佛大学（Harvard University）化学家Daniel Nocera带领的研究团队与哈佛医学院（Harvard Medical School）合成生物学家Pamela Silver带领的研究团队开展合作，致力于开发一种“活电池”，由于该器件结合了生物学技术，因此研究团队将其称为仿生树叶。仿生树叶利用太阳能光伏面板产生电能，以驱动水分解为氧气和氢气，随后，器件内部的细菌会吸收氢气，并将空气中的二氧化碳转化为醇类燃料。该研究团队在2015年开发出了他们的第一片“树叶”，它能够将每升水转化为216毫克醇类燃料，然而，这种“树叶”存在一个问题，即为实现水分解所采用的镍钼锌催化剂会对“树叶”中的微生物产生毒害作用。

针对这一问题，该研究团队开始尝试寻找更合适的催化剂，理想的催化剂不仅能高效催化水分解，还应该与生物体相容。《科学》（Science）于6月2日报道了该团队的最新研究成果，研究人员在钴磷合金中找到了合适的催化剂，而钴磷合金目前主要在塑料、金属部件的耐腐蚀涂层中应用广泛。科研人员配制出由水、钴、磷酸组成的溶液，只要通上电，溶液中就会析出磷化钴催化剂。同时，磷酸水溶液也有益于Ralstonia eutropha细菌等生物体生存，而仿生树叶的后半部分正是由Ralstonia eutropha细菌构成的。工作时，光伏器件会在上述溶液中产生电流，只要溶液两端的电压足够高，水就会发生分解，另一方面，该电压也足以使钴从溶液中析出，生成磷化钴催化剂。仿生树叶只要还处在工作状态，就能保证催化剂充分析出，这样一来也就不存在金属对微生物的毒害问题，仿生树叶中的水分解反应也不会停止。事实上，Nocera制造出的人造树叶可以实现连续16天不间断工作。

这种新型钴催化剂在将水分解为氢气与氧气的同时，不会产生活性氧，因而不会损伤DNA，也不影响其他维持生命所必须的过程。Nocera说：“尽管我还不清楚其中的原理，但寻找答案的过程一定很有意思。”

研究人员用该新型催化剂开发出了第二代仿生树叶，在生产异丙醇、异丁醇等醇类燃料的过程中将效率提高至10%左右。换句话说，微生物每消耗一度电，仿生树叶能吸收来自230000升空气中的130克二氧化碳，并生产出60克异丙醇燃料。该过程中水、阳光、空气转化为燃料的效率已经超过了自然界光合作用的效率。

此外，R. eutropha细菌还能够用于生产石油中所含的复杂碳氢化合物，或者用于替代那些污染严重的原材料来生产各类化工产品。Nocera说：“打个比方讲，有一种虫子以氢气为食，而它们所食的氢气又来源于太阳能电解水，我们称其为‘可再生虫’，再结合合成生物学技术，我们可以让这些虫子做任何事情。这也让我们离可再生化学工业的设想又进了一步。”该合作团队之前在《科学》（Science）上也报道过一项关于R. Eutropha细菌的研究，在该报道中，研究人员利用这种细菌，成功合成出了一种可用于生产塑料的分子。

与植物的光合作用类似，该研究团队的基本思路就是让燃烧反应反向进行，利用化石燃料燃烧后在大气中积累的二氧化碳来生产可再生燃料。但是从价格上来讲，短期之内仿生树叶的成本仍远高于来自地底下的化石燃料，主要原因之一就是微生物法还不能实现燃料的大规模快速生产。目前最大的仿生树叶可用于一升的反应器，不过研究团队还未发现限制其大型化的因素。

这种新型生物反应器将空气中多余的二氧化碳转化为燃料，在缓解全球变暖问题的同时，能够将清洁能源带到那些无法获取现代能源的地方。Nocera说：“这种生产燃料的办法并不需要价值百万的大型设备，在自家后院就可以实现。”

“把生物学技术与有机化学技术结合到一起，将更有利于发挥这两种技术各自的优点。我用水，用空气，用太阳光，就获得了有价值的燃料，而且我做得比大自然要好十倍，这让我很兴奋。”Nocera补充道。

翻译：王舟
校审：赵昌昊

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