伯克利，加州——随着一种可以捕获二氧化碳(CO)的系统的开发，人工光合作用取得了一项潜在的改变游戏规则的突破₂排放到大气中，然后由太阳能驱动，将二氧化碳转化为化学产品。

美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校(UC)的科学家们创造了一种半导体纳米线和细菌的混合系统，该系统模拟了植物利用阳光中的能量从CO中合成碳水化合物的自然光合作用过程₂和水。然而，这种新的人工光合系统将二氧化碳和水的组合合成乙酸盐，这是当今生物合成中最常见的组成部分。

“我们相信我们的系统是人工光合作用领域的革命性飞跃，”伯克利实验室材料科学部的化学家、这项研究的领导者之一杨培东说。188金宝搏bet官网“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的方式生产化学品和燃料，而不是从地下深处开采。”

杨，他还在加州大学伯克利分校和加州大学伯克利分校的Kavli能源纳米科学研究所(Kavli- ensi)任职，是该杂志上一篇描述这项研究的论文的三位通讯作者之一纳米快报．这篇论文的标题是“纳米线-细菌杂交，用于无辅助太阳能二氧化碳固定到增值化学品。”本研究的其他通讯作者和领导者是化学家Christopher Chang和Michelle Chang。他们还与伯克利实验室和加州大学伯克利分校联合任职。此外，Chris Chang是霍华德休斯医学研究所(HHMI)的研究员。

释放到大气中的二氧化碳越多，大气就会变暖。大气中的二氧化碳目前处于至少300万年以来的最高水平，这主要是化石燃料燃烧的结果。然而，在可预见的未来，化石燃料，尤其是煤炭，仍将是满足人类需求的重要能源。人们正在研究在碳逃逸到大气之前将其封存的技术，但所有技术都要求将捕获的碳储存起来，这一要求本身就带来了环境挑战。

由伯克利研究人员开发的人工光合技术通过充分利用捕获的二氧化碳解决了储存问题。

“在自然光合作用中，树叶收集太阳能，二氧化碳被减少，并与水结合，合成形成生物质的分子产物，”碳中性能源转换催化剂专家克里斯·张(Chris Chang)说。“在我们的系统中，纳米线收集太阳能并将电子传递给细菌，在细菌中减少二氧化碳并与水结合，以合成各种有针对性的、增值的化学产品。”

通过将生物兼容的光捕获纳米线阵列与选定的细菌种群相结合，新的人工光合作用系统为环境提供了一个双赢的局面:使用隔离CO的太阳能绿色化学₂．

生物合成专家米歇尔·张(Michelle Chang)说:“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，有机会制造新的功能设188金宝搏bet官网备，可以混合和匹配每个学科的组件。”“例如，纳米线阵列的形态保护细菌，就像埋在高草中的彩蛋，这样这些通常对氧敏感的生物就可以在烟道气等环境二氧化碳源中生存。”

该系统从一个纳米线异质结构的“人工森林”开始，由硅和氧化钛纳米线组成，这是杨和他的研究小组早些时候开发的。

“我们的人工森林类似于绿色植物中的叶绿体，”杨说。“当阳光被吸收时，在硅和氧化钛纳米线中产生光激发电子空穴对，它们吸收太阳光谱的不同区域。硅中光产生的电子将传递给细菌产生CO₂氧化钛中光产生的孔洞将水分子分裂成氧气。”

一旦纳米线阵列森林被建立起来，它就被微生物种群所填充，这些微生物种群产生已知的选择性催化CO的减少的酶₂．在这项研究中，伯克利团队使用了卵形孢子菌(Sporomusa ovata)，这是一种厌氧细菌，它很容易直接从周围环境中接受电子，并利用它们来减少二氧化碳。

”年代。ovata是一种很好的二氧化碳催化剂，因为它可以生成醋酸盐，醋酸盐是一种多功能的化学中间体，可以用来制造各种有用的化学物质。”Michelle Chang说。“我们能够用S. ovata均匀地填充纳米线阵列，使用含有微量维生素作为唯一有机成分的缓冲微咸水。”

一旦二氧化碳被S. ovata还原为醋酸酯(或其他一些生物合成中间体)，基因工程的大肠杆菌就被用来合成目标化学产品。为了提高目标化学产品的产量，在这项研究中，卵孢杆菌和大肠杆菌是分开的。在未来，这两种活动——催化和合成——可以合并成一个单一步骤的过程。

他们的人工光合作用系统成功的关键是分离对光捕获效率和催化活性的苛刻要求，这是由纳米线/细菌混合技术实现的。通过这种方法，伯克利团队在模拟阳光下实现了高达0.38%的太阳能转换效率，持续约200小时，这与一片叶子的转换效率大致相同。

由醋酸盐产生的目标化学分子的产量也令人鼓舞——丁醇(一种与汽油类似的燃料)的产量高达26%，非苯二烯(抗疟药物青蒿素的前体)的产量高达25%，可再生和可生物降解的塑料PHB的产量高达52%。随着技术的进一步改进，性能有望提高。

杨说:“我们目前正在开发第二代系统，其太阳能到化学物质的转换效率为3%。”“一旦我们能够以经济有效的方式达到10%的转换效率，这项技术就应该具有商业可行性。”

除通讯作者外，本论文的其他共同作者纳米快报描述这项研究的论文是Chong Liu, Joseph Gallagher, Kelsey Sakimoto和Eva Nichols。

美国能源部科学办公室主要资助了这项研究。