二氧化碳人工合成淀粉,除了“喝西北风”,我们还能干什么?

2021-09-25 22:57 绿创碳和
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近期,中国科学院天津工业生物技术研究所马延和团队在淀粉人工合成方面取得突破性进展,在国际上首次实现二氧化碳到淀粉的从头合成。相关成果于9月24日在线发表在国际学术期刊《科学》上。


很多人可能不知道这意味什么。


这意味着我们去火星不用辛苦种土豆了(火星CO2含量接近96%)。


《火星救援》里的马特·达蒙靠种土豆活了下来,而 NASA 曾打算让这成为现实。


淀粉是由许多葡萄糖单元通过糖苷键连接而成的聚合碳水化合物,是人类饮食的主要成分、重要的能量来源,广泛存在于马铃薯、小麦、玉米、大米、木薯等主食中。同时,它也是一种被广泛应用的工业原料,被用于造纸、服装、塑料等领域。



不过目前,人类主要通过农业种植来生产这种复杂的多碳化合物。


目前,淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产,合成与积累涉及约60步代谢反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为2%左右。


农作物种植通常需较长周期,并使用大量土地、淡水等资源和肥料、农药等农业生产资料。



长期以来,科研人员一直在努力改进光合作用这一生命过程,希望提高二氧化碳和光能的利用效率,最终提升淀粉的生产效率。


无需进行光合作用将二氧化碳转化为淀粉既是一项创新型科技成果,而且当属全球性的重大颠覆性技术。


此前,多国科学家对该技术进行积极研究,但一直未出现实质性的突破成果。


但现在,一切将变得不同。


天津工生所从头设计出11步主反应的非自然二氧化碳固定与人工合成淀粉新途径,在实验室中首次实现从二氧化碳到淀粉分子的全合成。



研究团队采用一种类似“搭积木”的方式,联合中科院大连化学物理研究所,利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一(C1)化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三(C3)化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物聚合成碳六(C6)化合物,再进一步合成直链和支链淀粉(Cn化合物)。



这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,向设计自然、超越自然目标的实现迈进一大步,为创建新功能的生物系统提供了新科学基础。



意义有多重大?看看官方对它的评价。


“这是继上世纪60年代在世界上首次完成人工合成结晶牛胰岛素之后,中国科学家又在人工合成淀粉方面取得重大颠覆性、原创性突破——国际上首次在实验室实现二氧化碳到淀粉的从头合成。”


中国科学院副院长周琪认为:“这一研究成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有距离,后续需尽快实现从“0到1”概念突破到“1到10”的转换。”


但是即便如此,这一颠覆性的研究成果也为人类解决温饱和碳排放世界性问题提供广阔的遐想空间。


如果未来二氧化碳人工合成淀粉的系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,推动形成可持续的生物基社会,提高人类粮食安全水平。


很多人可能不理解,农业本来不就是种植植物么?怎么还会破坏环境呢?


我国以7%的耕地养活世界22%的人口,本身就存在着远高于其他国家的资源与环境压力。



而农业活动是人类最早作用于自然生态系统的活动,它不但改变当地的自然生态系统,使之成为人工生态系统,而且有可能对生态环境产生更为广泛的影响。


二十世纪20年代以来,特别是第二次世界大战以后,以大量使用石油产品、高投入高产出为特征的石油农业对自然生态系统和生态环境的影响已远远超出传统农业,达到了前所未有的程度。



其影响归结起来主要有以下五方面:

(1)引起土壤侵蚀和土地退化;

(2)引起生物多样性的减少;

(3)农业生产控制有害生物对生态环境造成的影响;

(4)农业用水对生态环境的影响;

(5)农业活动中的化肥、农药和能源利用对生态环境的影响。



而作为水资源紧缺的国家,目前我国面临着日益严重的水危机,作为国民经济“**用水大户”的农业灌溉,也一直是水资源“**浪费大户”。


如果未来这项技术能够实现规模化量产,可能会颠覆我们对于农业的认知。


最新研究成果实现在无细胞系统中用二氧化碳和电解产生的氢气合成淀粉的化学-生物法联合的人工淀粉合成途径(ASAP),为推进“碳达峰”和“碳中和”目标实现的技术路线提供一种新思路。


这一成果的亮点是以二氧化碳为原料,这为解决碳排放提供了途径。


据估计,每年有500万人死于由气候变化及碳过度排放引起的空气污染、饥荒和疾病。如果这一成果可以正式应用,或许可以为解决碳排放提供新的思路,同时也可以变废为宝。



我们先简单理解一下是如何实现二氧化碳人工合成淀粉的。


先通过光伏发电将光能转变为电能,通过光伏电水解产生氢气,然后通过催化利用氢气将二氧化碳还原生成甲醇。


使用生物转化酶逐步将一碳的甲醇转化为三碳的二羟基丙酮,进一步转化为六碳的磷酸葡萄糖,最终合成了直链和支链淀粉。



2020年我国光伏新增装机容量为48.2GW,其中集中式装机32.7GW,分布式装机15.5GW。



在海上风电领域,中国已经连续三年拿下了新增装机容量**的宝座。据全球风能理事会(GWEC)统计,中国截至2020年的累计装机容量已达到9898兆瓦(下文均简写为MW),距**名英国(10206MW)仅差308MW。


庞大的新能源装机量产生了大量的廉价电力,这为这项技术推广扩散创造了可能。



配合碳捕捉与封存技术,在理想状态下,这项技术能消耗掉大量的二氧化碳,有力缓解当前的二氧化碳排放压力。


当然靠当前技术,消耗大量的能源去收集二氧化碳并封存,在对抗全球变暖方面是不值得期待的。


美国也已关停了过去几年运行的所有碳捕集项目,更有效率的方法还在研究。


但随着技术的发展迭代,未来可期。


“在看”我吗?

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