【我国科学家实现二氧化碳合成葡萄糖和脂肪酸】中国科学报:4月28日,以封面文章形式发表于《自然—催化》的一项最新研究表明,电催化结合生物合成的方式,能将二氧化碳高效还原合成高浓度乙酸,进一步利用微生物,可以合成葡萄糖和油脂。

“该工作耦合人工电催化与生物酶催化过程,发展了一条由水和二氧化碳到含能化学小分子乙酸,后经工程改造的酵母微生物催化合成葡萄糖和游离的脂肪酸等高附加值产物的新途径,为人工和半人工合成‘粮食’提供了新的技术。”中国科学院院士、中国化学会催化专业委员会主任李灿评价道。

这一成果由电子科技大学夏川课题组、中国科学院深圳先进技术研究院于涛课题组与中国科学技术大学曾杰课题组共同完成。

温和条件下工业废气变“食醋”

那么,二氧化碳究竟是如何变成葡萄糖和油脂的呢?

“首先,我们需要把二氧化碳转化为可供微生物利用的原料,方便微生物发酵。”曾杰介绍道,清洁、高效的电催化技术可以在常温常压条件下工作,是实现这个过程的理想选择,他们就此已经发展了很多成熟的电催化剂体系。

至于要转化为哪种“原料”,研究人员将目光瞄准了乙酸。因为它不仅是食醋的主要成分,也是一种优秀的生物合成碳源,可以转化为葡萄糖等其他生物物质。

“二氧化碳直接电解可以得到乙酸,但效率不高,所以我们采取‘两步走’策略——先高效得到一氧化碳,再从一氧化碳到乙酸。”曾杰说。

即使如此,目前一氧化碳到乙酸的电合成效率(即乙酸法拉第效率)和纯度依旧不尽如人意。对此,研究人员发现,由一氧化碳催化形成乙酸盐,特异性地受催化剂表面几何形状的影响,一氧化碳通过脉冲电化学还原工艺形成的晶界铜催化合成乙酸法拉第效率可达52%。

“实际生产中,提升电流可以提升功率,但是可能降低法拉第效率。”夏川说,好比把每天的工作时间从8小时延长到12小时,虽然上班时间更久,但工作效率反而会下降。“我们把最高偏电流密度提升到321mA/cm2(毫安每平方厘米)时,乙酸法拉第效率仍保持在46%,能够较好地保持‘高电流’和‘高法拉第效率’的平衡。”

不过,常规电催化装置生产出的乙酸混合着很多电解质盐,无法直接用于生物发酵。因此,为了“喂饱”微生物,不仅要提升转化效率、保证“食物”的数量,还要得到不含电解质盐的纯乙酸,保证“食物”的质量。

“我们利用新型固态电解质反应装置,使用固态电解质代替原本的电解质盐溶液,直接得到了无需进一步分离的纯乙酸水溶液。”夏川介绍道,利用该装置,能在250mA/cm2偏电流密度内,超140小时连续制备纯度达97%的乙酸水溶液。

微生物“吃醋”产葡萄糖

得到乙酸后,研究人员尝试利用酿酒酵母这一微生物来合成葡萄糖。

“酿酒酵母主要用于发酵奶酪、馒头、酒等,同时也因其优秀的工业属性,常被用作微生物制造与细胞生物学研究的模式生物。”于涛说,利用酿酒酵母通过乙酸合成葡萄糖的过程,就像微生物在“吃醋”,酿酒酵母通过不断地“吃醋”来合成葡萄糖。“然而,在这一过程中,酿酒酵母本身也会代谢掉一部分葡萄糖,所以产量并不高。”

对此,研究团队通过敲除酿酒酵母中代谢葡萄糖的3个关键酶元件——Glk1、Hxk1和Hxk2,废除了酿酒酵母代谢葡萄糖的能力。敲除之后,实验中的工程酵母菌株在摇瓶发酵的条件下,合成的葡萄糖产量达1.7g/L。

“模式生物酿酒酵母‘从无到有’地在克级水平合成了葡萄糖,这代表了该策略较高的生产水平与发展潜力。”于涛说,为了进一步提升合成的葡萄糖产量,不仅要废除酿酒酵母内源对葡萄糖的再利用能力,还要加强它本身积累葡萄糖的能力。

于是,研究人员又敲除了两个疑似具备代谢葡萄糖能力的酶元件(YLLR446W、EMI2),同时插入来自泛菌属和大肠杆菌的葡萄糖磷酸酶元件(AGPP、YIHX)。

于涛表示,这两种酶可以“另辟蹊径”,将酵母体内其他通路中的磷酸分子转化为葡萄糖,增加了酵母菌积累葡萄糖的能力。经过改造后的工程酵母菌株的葡萄糖产量达2.2g/L,产量提高了30%。

新型催化方式助力高附加值化合物生产

高效的二氧化碳电还原制备高附加值化学品和燃料的工艺,被学界认为是实现未来“零碳排放”物质转化的重要研究方向之一。

目前对二氧化碳电还原技术的研究大多局限于一碳和二碳等小分子产物,如何高效、可持续地将二氧化碳转化为富含能量的碳基长链分子仍然是一个巨大的挑战。

“为了规避二氧化碳电还原的产物局限性,可考虑将二氧化碳电还原过程与生物过程相耦合,以电催化产物作为电子载体,供微生物后续发酵合成长碳链的化学产品,用于生产和生活。”夏川表示。

合适的电子载体对微生物发酵至关重要。由于二氧化碳电还原的气相产物均难溶于水、生物利用效率低,因此往往优先选择二氧化碳电还原的液相产物作为生物发酵的电子载体。然而,普通电化学反应器中所得的液体产物是与电解质盐混在一起的混合物,不能直接用于生物发酵。鉴于此,固态电解质反应器的开发有效解决了二氧化碳电还原液体产物分离的问题,可以连续稳定地为微生物发酵提供液态电子载体。

微生物作为活细胞工厂,其优点是产物多样性很高,能合成许多无法人工生产或人工生产效率很低的化合物,是非常丰富的“物质合成工具箱”。比如,在人们常见的白酒、馒头、抗生素等食品药品的加工中,微生物就发挥着重要作用。

曾杰表示,“通过电催化结合生物合成的新型催化方式,可以有效提高碳的附加值。接下来,我们将进一步研究电催化与生物发酵这两个平台的同配性和兼容性。” 未来要合成淀粉、制造色素、生产药物等,在保持原有电催化设施的同时,只需更换发酵使用的微生物即可。

“该工作开辟了电化学结合活细胞催化制备葡萄糖等粮食产物的新策略,为进一步发展基于电力驱动的新型农业与生物制造业提供了新范例,是二氧化碳利用方面的重要发展方向。”中国科学院院士、上海交通大学微生物代谢国家重点实验室主任邓子新评价道。

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#种草美好生活#

《野餐的幻想和现实》文 | 读者:苔女士

每次在社交软件上刷到野餐内容的时候,我都特别羡慕,那些图片总是那么美好又浪漫:鲜绿色的草坪上铺着白色的野餐垫,随意摆放着莓果、酒、奶酪、法棍,三五好友慵懒地享受阳光,开怀大笑……隔着屏幕,我仿佛都能感受到暖风、芳香和快乐。

我一直想去野餐,但这个想法从来没有实现过。一是因为我之前的工作是996制,周末没有太多精力来折腾。二是因为我凑不齐一起野餐的人,我的朋友要么怕晒,要么怕虫,而且工作大多都很忙。三是来自于我内心的压力,我总是觉得一个完美的野餐需要大费心思地筹备,要准备很多东西,付出时间和金钱,导致我有多期待它,就有多害怕搞砸它。于是,野餐的这个念头就在每年春天强烈萌发,又年复一年地被我推迟,最终沦为了心愿单上的“总有一天要做的事”。

今年春天,我终于辞掉了996的工作,从北京来到了南方。在江南度过的第一个春天,我终于体会到了《桃花源记》里所写的“芳草鲜美,落英缤纷”,这种“高浓度”的春天景观是我之前从未见过的。再加上在后疫情时代,我愈发意识到“想做什么现在就要去做”的重要性,所以我下定决心,一定要在今年春天野餐一次,并邀请了几个新认识的朋友同我一起。

对于我的第一次野餐,我的期望值是很高的,在我的脑海中有一个接近完美的幻想——我希望它舒适、休闲、愉快,同时又要浪漫、美丽,符合我这个“颜控”的要求。怀着满腔热情,我在网上参考海内外各种野餐灵感图,还研读了许多野餐攻略。

经过一番研究,我注意到了一些不合理的地方,很多人的野餐道具并不适合野餐这个场景的真正特点。比如,户外蚊虫多,食物敞开放着会容易进虫,但根据我看到的图片,很多人都是把食物放在碟子里的。诚然,精致的碟子确实比呆板的密封食品盒要有情调,但我实在不想自己精心准备的食物都献给了虫子,那样就太浪费了。

还有,在很多野餐图中,女生都是穿着美丽的小裙子的,在照片里,她们的姿势大多像电影《洛丽塔》里的少女一样趴着,或者就是优雅地躺着,用一本书或太阳帽放在脸上,既能遮阳,也能凹造型。但我想野餐时最常见的的姿势应该还是坐着吧,穿裙子会很不方便。

再比如,泡泡机也是很多网红图片中的高频道具。肥皂泡在半明半暗的春光里飘动,确实很浪漫,但是我实在不希望泡泡接触到食物或衣服上。

研究了各种常见野餐物品的利弊之后,我暗下决心,我的第一次野餐一定要是真正的享受,而不是为了拍出好看照片的表演。于是,我排除了所有虽然热门但经我评估后认定为华而不实的道具,比如:不带盖子的野餐篮、碟子、外文报纸、气球、泡泡机等。我带上了一些虽然外表朴实无华但特别实用的物品:黑色手提垃圾袋、密封玻璃食品盒、保温杯、含酒精的湿巾纸等等。为了追求干净卫生,我甚至不打算带任何现做的食物,想着就买点零食薯片,再准备一些单独包装的面包就行了。

第一波物品准备好了之后,我一个个翻阅、检查,想看看还有没有什么遗漏的。然而,面对着眼前这一大堆超市食品和日用品,我突然感觉这不像野餐,而像在行军路上停下来进食补给,有点过于实用了,缺乏了我想象中应有的浪漫。

我决定还是折衷一下,既要实用,也要浪漫。于是我又做了一盒午餐肉饭团,榨了新鲜的橙汁,还做了一束可以吃的“花束”——把水果插在竹签上,用烘焙纸包装起来,做成花束的模样,非常符合春天的意趣。

当一切都就绪后,在一个阳光明媚的午后,我和朋友们出发去了公园。我们背着装得满满当当的双肩包,顶着明晃晃的太阳,在公园里汗流浃背地走了十分钟,终于找到了一块漂亮的草坪,旁边都是开得正好的绣球花和樱花。

卸下身上的包袱,我们把厚厚的防潮垫取出来垫上,又铺上了有着流苏的白色野餐布,脱鞋坐了上去,还来不及感叹一声岁月静好,就看到几只巨大的蚂蚁爬上了野餐布,我们又跳了起来,赶紧把蚂蚁赶下去,又对着周围喷了一圈防虫喷雾。

午后的太阳着实强烈,我们几个一时竟有一种在烈日下军训的感觉。但置身于春意盎然的大自然中,大家还是兴奋大过于疲惫,又把水果零食从包里一个个掏出来摆好。我拿起手机,对着野餐垫从各个角度拍了一些照片。后续发朋友圈的素材收集完成,我打算开始真正享受我的第一次野餐了。

然而,我并没有意料到的是,气氛比我想象的要冷。几个新朋友的性格都比较腼腆和被动,又没有什么特定的活动来热场,大家一时都不怎么说话,却也不好意思拿出自己的手机来玩,只好左顾右盼,作出着意于欣赏自然美景的样子。我最怕冷场,赶快找一些话题来说,一会儿感叹这花开得真好,一会儿又说晚点就不会那么晒了,一会儿又热情招呼大家吃东西。大家也都接话附和几句,但是我们的对话就像是勉强的包办婚姻,没有自发延续的动力。于是一个诡异的场景出现了——几个年轻人坐在繁华盛开的春林中,却彼此相顾无言,空气中除了鸟叫声就只有吃东西的声音,显得格外安静。

我坐立难安,为了逃避尴尬,找借口说自己要去拍远处的竹子,起身独自往草坪旁边的竹林走去。一路上有好多野餐的人,我偷偷观察别人都在做什么,发现很多人都躺在野餐布上刷短视频、打游戏或是打盹儿。原来别人也并不是都在聊天,而是都在放松自己,我一下子豁然开朗了,野餐不是什么力求完美的社交活动,平时自己喜欢做什么就做什么吧,无需刻意追求谈笑风生,根据自身性格自然处之即可。

可能是因为之前在网上看到的野餐图片都太用心,我形成了一个“野餐就是要精心准备”的认知,但一路观察下来,发现很多人野餐的方式其实很简单朴素。比如有一个野餐布上只放着零星几包薯片和一瓶可乐,感觉对方像是花五分钟去旁边的小卖部买了点吃的就来了。还有一户人家使用的野餐布和我家的桌布一模一样,让我不得不怀疑他们是不是直接把家里的桌布拿来用了。还有人压根就不用野餐布,直接躺在最普通的那种防潮垫上,却也睡得很香。这些人野餐的方式非常省事,看起来毫不费劲,简直把野餐变成了像出门买菜一样的小事。

但也有一些一看就是精心准备的、非常有仪式感的野餐。我看到有三个大学生模样的女孩,几乎带上了所有我认为不实用的野餐器具,一个女孩拿着一束郁金香在摆造型,一个在吹肥皂泡,另一个在拍照,三个人时不时爆发出一阵大笑,那种活泼的少女气息随着春日的暖风来到我耳边,让我的心情也不由自主地轻快起来。还有五六个年轻人围成一圈在玩桌游,自带的小音响里放着清新的民谣,一只小狗在他们身旁跑来跑去,好不快活。

经过一群群野餐的人,看到他们不同的状态之后,我明白了:野餐是人们逃离日常生活的一个出口,每个人野餐的方式不同,但都殊途同归,在大自然的治愈下找到心灵的平静。有的人选择把野餐当成平淡生活中的一个小高潮,用心准备,尽情享受,即使准备过程很辛苦,但这种仪式感带来的满足也是值得的,或许那个春天的午后所带来的浪漫足以让自己抵御生活的许多琐屑。

也有人选择把野餐作为自己的“能量充电桩”,不想花费精力去准备,只想简单舒服地躺在草坪上,把工作的烦心事抛开,不去想家长里短和人情世故,全然地放空自己,对着天空中飞舞的风筝发呆,或是在阳光下睡一个暖洋洋的好觉,偷得浮生半日闲。

绕了一圈后,我也回到我的野餐布上躺下了。闭上眼睛,感受春风拂过自己脸颊的温度,我知道,这个春天只是我的野餐生涯的开始。

(本刊系读者投稿,不代表本刊立场)


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