光合作用在植物中已經進化了數百萬年，將水、二氧化碳和來自陽光的能量轉化為植物本身以及我們吃的食物。然而，這個過程是非常低效的，在陽光中發現的能量只有大約1%最終進入植物。加州大學河濱分校和特拉華大學的科學家們已經找到了一種方法，可以完全繞過對生物光合作用的需求，而通過使用人工光合作用來創造獨立於太陽光的食物。
植物在完全黑暗的環境中，在替代生物光合作用的醋酸纖維介質中生長。(Marcus Harland-Dunaway/UCR)
這項研究發表在《自然-食品》雜誌上，它使用一個兩步電催化過程將二氧化碳、電力和水轉化為醋酸，即醋的主要成分的形式。然後，生產食物的生物體在黑暗中消耗乙酸鹽來生長。結合太陽能電池板產生的電力為電催化提供動力，這種有機-無機混合系統可以提高太陽光轉化為食物的效率，對某些食物來說，效率可提高18倍。
通訊作者、加州大學河濱分校化學與環境工程系助理教授羅伯特-金克森說：”通過我們的方法，我們試圖找出一種生產食物的新方法，它可以突破通常由生物光合作用帶來的限制。”
為了將該系統的所有組件整合在一起，電解器的輸出被優化以支持食物生產生物的生長。電解器是利用電力將二氧化碳等原材料轉化為有用分子和產品的裝置。在減少鹽的使用量的同時，增加了醋酸酯的產量，從而使電解器中的醋酸酯產量達到了迄今為止的最高水平。
特拉華大學的通訊作者Feng Jiao說：”使用我們實驗室開發的最先進的兩步串聯二氧化碳電解裝置，我們能夠實現對醋酸的高選擇性，而這是無法通過傳統的二氧化碳電解路線獲得的。”
實驗表明，在黑暗中可以直接在富含醋酸鹽的電解器輸出物上生長各種食物生產生物，包括綠藻、酵母和生產蘑菇的真菌菌絲。用這種技術生產藻類比光合作用生長的能效高約4倍。酵母的生產比通常使用從玉米中提取的糖進行培養的方式要節能18倍左右。
“我們能夠在沒有任何生物光合作用貢獻的情況下培育出產糧的生物體。通常情況下，這些生物體是靠來自植物的糖或來自石油的投入來培養的–石油是數百萬年前發生的生物光合作用的產物。這項技術是一種將太陽能轉化為食物的更有效方法，與依靠生物光合作用的食物生產相比，”Jinkerson實驗室的博士生和該研究的共同主要作者Elizabeth Hann說。
還調查了採用這種技術種植農作物的潛力。豇豆、西紅柿、煙草、水稻、油菜和綠豌豆在黑暗中栽培時都能夠利用來自醋酸的碳。
“我們發現廣泛的作物可以利用我們提供的醋酸，並將其轉化為生物體生長和茁壯成長所需的主要分子構件。”Jinkerson實驗室的博士生、該研究的共同第一作者Marcus Harland-Dunaway說：”通過我們目前正在進行的一些育種和工程，我們也許能夠用乙酸鹽作為額外的能量來源來種植作物，以提高作物產量。”
通過將農業從完全依賴太陽中解放出來，人工光合作用為在人為氣候變化造成的日益困難的條件下種植糧食打開了無數的可能性。如果人類和動物的作物在資源密集度較低的受控環境中生長，乾旱、洪水和土地供應減少對全球糧食安全的威脅就會減少。農作物也可以在城市和其他目前不適合農業的地區種植，甚至可以為未來的太空探險家提供食物。
“使用人工光合作用的方法來生產食物，可能是我們養活人類的方式的一個範式轉變。通過提高糧食生產的效率，需要更少的土地，減少農業對環境的影響。而對於非傳統環境中的農業，如外太空，提高能源效率可以幫助以更少的投入養活更多的船員。這種食品生產方法被提交給美國宇航局的”深空食品挑戰”，並成為第一階段的獲勝者。深空食品挑戰賽是一項國際競賽，向創造新穎和改變遊戲規則的食品技術的團隊頒發獎金，這些技術需要最小的投入，並為長期的太空任務提供最大的安全、營養和可口的食物產出。
“想象一下，有一天巨大的船隻在黑暗中和火星上種植西紅柿植物，這對未來的火星移民來說將是多麼的容易？”共同作者、加州大學河濱分校植物轉化研究中心主任Martha Orozco-Cárdenas說。
Andres Narvaez、Dang Le和Sean Overa也對這項研究做出了貢獻。這篇題為”用於節能食品生產的無機-生物混合人工光合作用系統”的公開論文可在此查閱。
該研究得到了通過NASA（NNX16AO69A）的空間健康轉化研究所（TRISH）、食品和農業研究基金會（FFAR）、Link基金會、美國國家科學基金會和美國能源部的支持。本出版物的內容完全由作者負責，不一定代表食品和農業研究基金會的官方意見。