光合作用在植物中已经进化了数百万年，将水、二氧化碳和来自阳光的能量转化为植物本身以及我们吃的食物。然而，这个过程是非常低效的，在阳光中发现的能量只有大约1%最终进入植物。加州大学河滨分校和特拉华大学的科学家们已经找到了一种方法，可以完全绕过对生物光合作用的需求，而通过使用人工光合作用来创造独立于太阳光的食物。

植物在完全黑暗的环境中，在替代生物光合作用的醋酸纤维介质中生长。(Marcus Harland-Dunaway/UCR)

这项研究发表在《自然-食品》杂志上，它使用一个两步电催化过程将二氧化碳、电力和水转化为醋酸，即醋的主要成分的形式。然后，生产食物的生物体在黑暗中消耗乙酸盐来生长。结合太阳能电池板产生的电力为电催化提供动力，这种有机-无机混合系统可以提高太阳光转化为食物的效率，对某些食物来说，效率可提高18倍。

通讯作者、加州大学河滨分校化学与环境工程系助理教授罗伯特-金克森说："通过我们的方法，我们试图找出一种生产食物的新方法，它可以突破通常由生物光合作用带来的限制。"

为了将该系统的所有组件整合在一起，电解器的输出被优化以支持食物生产生物的生长。电解器是利用电力将二氧化碳等原材料转化为有用分子和产品的装置。在减少盐的使用量的同时，增加了醋酸酯的产量，从而使电解器中的醋酸酯产量达到了迄今为止的最高水平。

特拉华大学的通讯作者Feng Jiao说："使用我们实验室开发的最先进的两步串联二氧化碳电解装置，我们能够实现对醋酸的高选择性，而这是无法通过传统的二氧化碳电解路线获得的。"

实验表明，在黑暗中可以直接在富含醋酸盐的电解器输出物上生长各种食物生产生物，包括绿藻、酵母和生产蘑菇的真菌菌丝。用这种技术生产藻类比光合作用生长的能效高约4倍。酵母的生产比通常使用从玉米中提取的糖进行培养的方式要节能18倍左右。

"我们能够在没有任何生物光合作用贡献的情况下培育出产粮的生物体。通常情况下，这些生物体是靠来自植物的糖或来自石油的投入来培养的--石油是数百万年前发生的生物光合作用的产物。这项技术是一种将太阳能转化为食物的更有效方法，与依靠生物光合作用的食物生产相比，"Jinkerson实验室的博士生和该研究的共同主要作者Elizabeth Hann说。

还调查了采用这种技术种植农作物的潜力。豇豆、西红柿、烟草、水稻、油菜和绿豌豆在黑暗中栽培时都能够利用来自醋酸的碳。

"我们发现广泛的作物可以利用我们提供的醋酸，并将其转化为生物体生长和茁壮成长所需的主要分子构件。"Jinkerson实验室的博士生、该研究的共同第一作者Marcus Harland-Dunaway说："通过我们目前正在进行的一些育种和工程，我们也许能够用乙酸盐作为额外的能量来源来种植作物，以提高作物产量。"

通过将农业从完全依赖太阳中解放出来，人工光合作用为在人为气候变化造成的日益困难的条件下种植粮食打开了无数的可能性。如果人类和动物的作物在资源密集度较低的受控环境中生长，干旱、洪水和土地供应减少对全球粮食安全的威胁就会减少。农作物也可以在城市和其他目前不适合农业的地区种植，甚至可以为未来的太空探险家提供食物。

"使用人工光合作用的方法来生产食物，可能是我们养活人类的方式的一个范式转变。通过提高粮食生产的效率，需要更少的土地，减少农业对环境的影响。而对于非传统环境中的农业，如外太空，提高能源效率可以帮助以更少的投入养活更多的船员。这种食品生产方法被提交给美国宇航局的"深空食品挑战"，并成为第一阶段的获胜者。深空食品挑战赛是一项国际竞赛，向创造新颖和改变游戏规则的食品技术的团队颁发奖金，这些技术需要最小的投入，并为长期的太空任务提供最大的安全、营养和可口的食物产出。

"想象一下，有一天巨大的船只在黑暗中和火星上种植西红柿植物，这对未来的火星移民来说将是多么的容易?"共同作者、加州大学河滨分校植物转化研究中心主任Martha Orozco-Cárdenas说。

Andres Narvaez、Dang Le和Sean Overa也对这项研究做出了贡献。这篇题为"用于节能食品生产的无机-生物混合人工光合作用系统"的公开论文可在此查阅。

该研究得到了通过NASA(NNX16AO69A)的空间健康转化研究所(TRISH)、食品和农业研究基金会(FFAR)、Link基金会、美国国家科学基金会和美国能源部的支持。本出版物的内容完全由作者负责，不一定代表食品和农业研究基金会的官方意见。