地球的氣候危機(jī)越來越嚴(yán)重，罪魁禍?zhǔn)拙褪嵌趸歼@種溫室氣體。如果人類能夠找到一種方法消耗掉大氣中的二氧化碳，并且轉(zhuǎn)化為對人類有利的物質(zhì)，那將是全世界的福音！
最近，中國的科學(xué)家就實(shí)現(xiàn)了這樣的突破。電子科技大學(xué)夏川課題組、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院于濤課題組與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰課題組合作，實(shí)現(xiàn)了將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖的壯舉。
我們知道，葡萄糖是生物體內(nèi)的重要營養(yǎng)物質(zhì)，可以提供能量，對于地球大部分生物來說都是必需的。實(shí)現(xiàn)了這樣的技術(shù)，對于未來我們固碳具有重要的幫助。
在自然界，二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖的非人工途徑也有，大家最熟悉的就是植物的光合作用了，方程式如下：
我們都知道這種方式是成本最低的減少大氣中二氧化碳含量的手段，但世界上的植物并不是我們想要多少就有多少的。如果能隨心所欲種那么多的樹，咱們今天也不用擔(dān)心氣候危機(jī)了。所以，在繼續(xù)開發(fā)清潔能源的同時(shí)，我們需要想出新的方式來將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟恰?/span>
那么，我國科學(xué)家是如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)“奇跡”的呢？
研究人員介紹，想要直接從二氧化碳變成葡萄糖，目前來看還是做不到的，必須要經(jīng)過一系列步驟才行。他們選中的一種中間產(chǎn)物，就是乙酸。
（圖片說明：通過電化學(xué)耦合生物發(fā)酵實(shí)現(xiàn)將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為長鏈產(chǎn)品的示意圖）
乙酸又叫醋酸，也就是食醋的主要成分。研究人員指出，乙酸是一種優(yōu)秀的生物合成碳源，所以他們希望先合成乙酸，再轉(zhuǎn)化為葡萄糖。
二氧化碳制備乙酸，研究人員也采取了兩步走的策略。這不是說直接合成不可能，但是直接電解合成乙酸的過程效率比較低，所以他們先把二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳（這個(gè)無機(jī)化學(xué)反應(yīng)就很簡單了），然后再利用一氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸。
按照常規(guī)方法合成的乙酸不能直接使用，不僅要提高轉(zhuǎn)化效率，產(chǎn)物中還有許多雜質(zhì)。因此，研究人員采用了固態(tài)電解質(zhì)的裝置進(jìn)行合成，解決了上述兩個(gè)問題，讓他們連續(xù)在超過140個(gè)小時(shí)的時(shí)間里制備出純度高達(dá)97%的乙酸溶液。
（圖片說明：本次實(shí)驗(yàn)中的固態(tài)電解質(zhì)反應(yīng)器）
接下來，乙酸合成葡萄糖的過程就要更加復(fù)雜了。
這個(gè)過程，研究人員是通過微生物發(fā)酵的方式來實(shí)現(xiàn)的。他們選擇的是釀酒酵母，這種酵母在奶酪、饅頭、釀酒等發(fā)酵行業(yè)經(jīng)常發(fā)揮作用，它們可以“吃掉”乙酸，并且在體內(nèi)合成葡萄糖。
這里有一個(gè)問題，釀酒酵母本身也會代謝葡萄糖，這就會導(dǎo)致產(chǎn)物流失，產(chǎn)量下降。為此，研究團(tuán)隊(duì)又敲除了釀酒酵母中代謝葡萄糖的三個(gè)關(guān)鍵酶原件——Glk1、Hxk1和Hxk2。就這樣，這些酵母天生就沒有分解葡萄糖的能力，保留了所有的產(chǎn)物。
與此同時(shí)，研究人員還將另外兩個(gè)疑似具備代謝葡萄糖能力的酶元件敲除，替換為來自泛菌屬和大腸桿菌的葡萄糖磷酸酶元件。據(jù)介紹，這兩種酶可以將酵母體內(nèi)其他通路中的磷酸分子轉(zhuǎn)化為葡萄糖，也就是讓酵母菌獲得了另一種合成葡萄糖的途徑。
通過這些方式的合成，研究人員實(shí)現(xiàn)了2.2克每升的葡萄糖產(chǎn)量。
在未來，這種電催化結(jié)合生物合成的新型催化方式，甚至可能創(chuàng)造更多奇跡，比如制造色素甚至是生產(chǎn)藥物。
不僅如此，大家可能還記得，去年9月，《科學(xué)》期刊發(fā)表了我國科學(xué)家的另一項(xiàng)重大突破，那就是實(shí)現(xiàn)了利用二氧化碳制淀粉的突破。
淀粉也屬于糖類，葡萄糖叫做單糖，淀粉則屬于多糖，經(jīng)過分解可以得到葡萄糖。眾所周知，淀粉是糧食最主要的成分。通過二氧化碳制備淀粉，可以說是直接將人類不用的氣體轉(zhuǎn)化為“糧食”。而且，人工合成淀粉的效率甚至是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)淀粉的8.5倍。如果未來能夠推廣甚至投產(chǎn)，那將會給世界帶來巨大的轉(zhuǎn)變！
正如我們前面所說的，二氧化碳導(dǎo)致的溫室效應(yīng)給我們帶來了氣候危機(jī)。如果我們能夠找到一些化學(xué)手段將二氧化碳收集起來，甚至轉(zhuǎn)化為葡萄糖、淀粉這樣的營養(yǎng)物質(zhì)，那么在拯救地球氣候的同時(shí)，還能緩解全世界的糧食危機(jī)，可以說是造福全世界！
科學(xué)家指出，隨著人類新能源發(fā)電技術(shù)不斷提升，電力成本不斷下降，未來通過電還原技術(shù)分解大氣中的二氧化碳將逐漸走進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界，這對于我們挽救地球危機(jī)有重要的意義。
說起來你可能不信，這樣的技術(shù)，對于人類建立外星殖民地也有幫助！
2018年的時(shí)候，美國宇航局曾經(jīng)發(fā)起了一項(xiàng)“百年挑戰(zhàn)項(xiàng)目”，以現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)的形式號召大家開發(fā)出將二氧化碳轉(zhuǎn)化為葡萄糖的途徑。他們表示，這種技術(shù)有助于人類未來對火星的開發(fā)。
我們知道，火星是一個(gè)非常貧瘠的星球，但在太陽系中算是環(huán)境比較好的了，人類希望在未來能夠登陸火星甚至在這里定居。不過，這里幾乎沒有氧氣、沒有水，更別提食物了。這些資源全部從地球帶過去是不現(xiàn)實(shí)的，只能想辦法利用火星僅有的一些物質(zhì)進(jìn)行合成。
火星大氣中最多的就是二氧化碳了，盡管密度僅有地球的1%，但其中95%都是二氧化碳。二氧化碳含有葡萄糖里三種元素中的兩種，至少在理論上存在合成葡萄糖的可能，所以NASA才鼓勵(lì)大家進(jìn)行這樣的嘗試。
（圖片說明：本次實(shí)驗(yàn)中用于制備葡萄糖的酵母菌株發(fā)酵液及制備的葡萄糖）
可以說，不論是在地球還是在火星，二氧化碳轉(zhuǎn)化為食物、藥品的技術(shù)都具有極其重要的意義。變廢為寶是每一個(gè)人的夢想，而這樣的夢想就需要這些偉大的科學(xué)家們來幫助大家實(shí)現(xiàn)。今天我們覺得大氣中的二氧化碳太多，沒準(zhǔn)未來的哪一天，二氧化碳還不夠用了呢……
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