滿足碳水需求必須靠種地嗎？二氧化碳和氫氣在一起會(hui) 發生怎樣的反應？

        9月23日，中國科學院召開本年度首場新聞發布會(hui) ，介紹該院天津工業(ye) 生物技術研究所在人工合成澱粉方麵取得的重要進展。該所研究人員提出了一種顛覆性的澱粉製備方法，不依賴植物光合作用，以二氧化碳、電解產(chan) 生的氫氣為(wei) 原料，成功生產(chan) 出澱粉，在國際上首次實現了二氧化碳到澱粉的從(cong) 頭合成，使澱粉生產(chan) 從(cong) 傳(chuan) 統農(nong) 業(ye) 種植模式向工業(ye) 車間生產(chan) 模式轉變成為(wei) 可能，取得原創性突破。相關(guan) 研究成果9月24日在線發表於(yu) 《科學》雜誌。

        澱粉是“粥飯”中最主要的碳水化合物，是麵粉、大米、玉米等糧食的主要成分，也是重要的工業(ye) 原料。

        目前，澱粉主要由綠色植物通過光合作用固定二氧化碳進行合成。在玉米等農(nong) 作物中，將二氧化碳轉變為(wei) 澱粉涉及60餘(yu) 步的代謝反應和複雜的生理調控，太陽能的理論利用效率不超過2%。農(nong) 作物的種植通常需要數月的周期，使用大量的土地、淡水、肥料等資源。

        “長期以來，科研人員一直在努力改進光合作用這一生命過程，希望提高二氧化碳的轉化速率和光能的利用效率，最終提升澱粉的生產(chan) 效率。”論文通訊作者、中科院天津工業(ye) 生物技術研究所所長馬延和直言。

        那麽(me) ，除了光合作用外，還有沒有效率更高的二氧化碳生產(chan) 澱粉的方式？

        為(wei) 解決(jue) 這一難題，中科院天津工業(ye) 生物技術研究所研究人員從(cong) 頭設計了11步主反應的非自然二氧化碳固定與(yu) 人工合成澱粉新途徑，在實驗室中首次實現了從(cong) 二氧化碳到澱粉分子的全合成。

        研究團隊采用了一種類似“搭積木”的方式，聯合中科院大連化學物理研究所，利用化學催化劑將高濃度二氧化碳在高密度氫能作用下還原成碳一（C1）化合物，然後通過設計構建碳一聚合新酶，依據化學聚糖反應原理將碳一化合物聚合成碳三（C3）化合物，最後通過生物途徑優(you) 化，將碳三化合物又聚合成碳六（C6）化合物，再進一步合成直鏈和支鏈澱粉（Cn化合物）。

        “這一人工途徑的澱粉合成速率是玉米澱粉合成速率的8.5倍，向設計自然、超越自然目標的實現邁進了一大步，為(wei) 創建新功能的生物係統提供了新的科學基礎。”論文第一作者、中科院天津工業(ye) 生物技術研究所副研究員蔡韜說。

        在充足能量供給的條件下，按照目前的技術參數推算，理論上1立方米大小的生物反應器年產(chan) 澱粉量相當於(yu) 我國5畝(mu) 土地玉米種植的平均年產(chan) 量。這一成果使澱粉生產(chan) 的傳(chuan) 統農(nong) 業(ye) 種植模式向工業(ye) 車間生產(chan) 模式轉變成為(wei) 可能，並為(wei) 二氧化碳原料合成複雜分子開辟了新的技術路線。

        馬延和表示，該成果為(wei) 從(cong) 二氧化碳到澱粉生產(chan) 的工業(ye) 車間製造打開了一扇窗，如果未來該係統過程成本能夠降低到與(yu) 農(nong) 業(ye) 種植相比具有經濟可行性，將會(hui) 節約90%以上的耕地和淡水資源，避免農(nong) 藥、化肥等對環境的負麵影響，提高人類糧食安全水平，促進碳中和的生物經濟發展，推動形成可持續的生物基社會(hui) 。

        同時，中國科學院副院長、黨(dang) 組成員，中國科學院院士周琪在發布會(hui) 上強調，這項成果尚處於(yu) 實驗室階段，離實際應用還有相當長的距離，後續還需要盡快實現從(cong) “0到1”的概念突破到“1到10”和“10到100”的轉換，最終真正成為(wei) 解決(jue) 人類發展麵臨(lin) 重大問題和需求的有效手段和工具。

        此外，該成果也得到了國內(nei) 外領域專(zhuan) 家的高度評價(jia) 。《科學》雜誌新聞部執行主任梅根·菲蘭(lan) 認為(wei) ，該研究成果將為(wei) 我們(men) 未來通過工業(ye) 生物製造生產(chan) 澱粉這種全球性重要物質提供新的技術路線；中科院院士趙國屏表示，這是一項具有“頂天立地”重大意義(yi) 的科研成果；德國科學院院士、歐洲科學院院士曼弗雷德·雷茲(zi) 稱，本項工作將該領域的研究向前推進了一大步，同時將天津工業(ye) 生物技術研究所推向了國際頂尖水平。

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