人工光合作用固碳及生产粮食

谢少艾

上海交通大学化学化工学院

高级工程师

1　概要描述

1.1　光合作用

光合作用以其高效率的转换太阳能、产生稳定生物能、清洁无污染等诸多优点显现出其独特的优势。

它历经自然亿万年的进化，高效的将太阳能转化为生物能的体系已经相当完善，在未来十大能源排行榜上，人工光合作用位居第一位。它将太阳能转化为有用能源方面的利用率上也是目前所有已知太阳能利用的方式所远远不及的，并且它能够解决许多能源问题，这给寻找新能源的道路指明了新的道路——可以体外模拟光合作用，并加以适当的改造和控制，将太阳能转换为最有用的能源。人工光合作用可以将太阳能电池板捕获的电能直接转化为生物能，固定二氧化碳后可用于生产粮食、生物材料、生物基化学品等。总体光能转化效率可以达到植物光合作用的10倍以上，而且可以在海洋、荒漠等无法种植的场地进行，将引发新的农业革命，彻底解决世界粮食问题，极大缓解人类发展对耕地的不断增长的需求，为未来持续发展提供更广阔的空间。

图1　光合作用示意图

1.2　人工光合作用的研究现状和难题

光合作用吸收、转换能量的过程，提供了利用太阳能来产生新能源的思路。人工光合作用是利用自然光合作用机理来体外建立光合作用系统，人为地利用太阳能分解水制造氢气或固定二氧化碳制造有机物。

1）利用光合作用进行H2O的分解制H2

（1）利用有机物为基础进行光合作用系统的模拟。

光合作用的光反应过程涉及光能的捕获、色素激发、能量传递、电荷分离、水的分解等重要过程，而这一系列的反应主要依赖于光敏剂、含Mn放氧酶和原初电子受体三大核心物质结构。但是此类模拟光合作用的反应体系较为复杂，并且还需要添加催化剂和电子受体等消耗物质，并且物质原料的合成也非常烦琐，金属化合物的合成还可能对环境造成污染，并且其化学性质也不太稳定。

（2）以无机半导体材料为基础进行光合作用系统的模拟。

此类光催化体系的催化理论以及制备方法相对成熟，已经设计并制备出一些催化效率较高的体系。但所用催化剂材料成本较为昂贵，催化剂的稳定性和自我修复能力还不是很理想，而且可见光的利用率也远没达到自然光合系统的水平。

2）人工建立生物化学模拟装置，生成碳水化合物

模拟自然光合作用，固定CO2生成碳水化合物。但是目前为止，此类装置的太阳光能源转化率较低，只有0.04%，光合成效率也只有自然光合作用的五分之一，合成的产物也不能作为能源使用。

此类模拟器在制备工艺上要根据制备原料的具体特性选用合适的加工方法，满足生物活性物质的温度、酸度等方面的要求。同时，光合作用涉及的结构复杂，并且微小，设计的反应器有复杂、微小难以加工结构，反应器的制备工艺局限于目前的加工技术水平。

3）基因工程改造光合作用的固碳过程，引导生产清洁燃料（氢气或甲醇）

不同植物的光合作用原理相同，但是其固碳产物却不一样，这主要是由于不同植物有着不同的固碳基因。

（1）利用DNA序列分析技术对植物细胞进行筛选分析，寻找固碳基因序列；

（2）人工组合产生所需物质的新的基因序列；

（3）利用基因重组技术将供体基因进行重组或利用突变技术、人工诱导技术产生所需固碳基因。

但是对于固碳过程的基因改造过程还有诸多问题，如技术水平尚不够成熟，基因很难控制，容易发生变异，对条件要求比较苛刻，成本相对较高等问题。

2　应用意义与前景

人工光合作用的研究对于解决能源危机具有十分重要的意义，自20世纪80年代人工光合作用概念的提出到目前为止，人工光合作用三大方向的研究已取得很大的进展，例如制备人工树叶产氢、构建人工光和色素蛋白来制造太阳能生物电池、基因改造植物固碳途径等，这些都是非常好的人工光合作用的成果，然而这些成果并未投入工业化生产，主要是由于其转换效率不高、造价过高以及现有技术手段不太成熟等原因，因此在今后的研究中需要不断调整研究思路、创新技术和选用新材料等各种技术手段来建立一套完善的人工光合作用机制。相信在不久的将来，人工光合作用将比自然光合作用更加完善，可以定向生产对人类有用的碳水化合物，并且大量固定二氧化碳，或者光解水产生氢能、电能或其他形式的能源，不仅可以解决能源危机，还将解决温室效应、臭氧破坏等环境问题。