本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:李庆林(中国科学院青岛生物能源与过程研究所),题图来自:电影《火星救援》

由于与地球的诸多特征相似,火星一直被认为是未来人类移民外太空的首选目的地。

要想移民火星,可远不止从地球飞到火星那么简单,人类想实现半永久或者永久定居火星,而不仅仅是为了火星一日游,建设火星基地并且保证人们更好地在火星上生存是是否能移民火星的关键所在。

现在,我们生活中的衣食住行其实都离不开种类繁多的化学品,未来移民火星之后更是如此,跨星球运输物资固然是可以,但是时效低、成本高的问题迫使人们需要寻找一劳永逸的解决方法。

既然如此,不如,我们在火星上建一座化工厂吧!

火星基地畅想图(图片来源:Space X)

火星化工厂:挖掘原料

地球上的化工厂正是以石油、煤炭的化石资源为原材料,通过繁多流程工艺的加工,辅助以物理和化学手段,才能得到一系列与我们生产生活密切相关的终端产品,诸如塑料、药物、燃料,包括现在全球供不应求的口罩。

所以,要想在火星建设化工厂,第一步就先去火星挖矿吧!

等等,在有挖矿这个想法之前,我想告诉你的是,据目前的科学报道,并无证据表明火星曾经有过植物或者动物等生命形式存在。目前科学界普遍认为,化石资源是由于古代海洋或湖泊中的动物和微生物的遗体在地层中经过漫长时间的演化形成的。因此,火星底下并不见得一定有矿

那在火星建设化工厂的计划难道还没有开始就要宣告失败了吗?

火星目前没有发现存在石油、煤炭等资源,但是火星真的一无所有吗?我们来看看火星有什么?

科学界普遍认为火星星体表面有土壤,表层下有冰,并且存在稀薄的大气层,此外,1969年伯克利大学的Pimentel教授,通过红外探测器,发现火星大气中含有96%的CO2和4%的N2。如果我们真的要在火星上建设化工厂,似乎唯一的碳物质CO2也就成了化工厂原料的不二选择,即通过CO2制备高分子材料、燃料、药品等生活必须的化学品。

这构想听起来似乎很玄幻,但却并不是天方夜谭,事实上,通过人工光合作用,这一切在未来都是可以实现的!

液态阳光:人工光合作用系统

无论人类未来移民哪一个星球,怎样更好的活下来都尤为重要,这就离不开高分子材料、药物、燃料和肥料等化学品。因此在2003年,美国能源部在伯克利国家实验室启动了“太阳神计划”,旨在通过跟大自然学习构造光合作用系统,利用半导体和催化剂,把CO2转化成各种化学制品。

劳伦斯-伯克利国家实验室 (图片来源:google地图)

近年来,来自伯克利国家实验室的杨培东院士团队,2015年利用半导体和微生物就成功构建了这样第一个集成系统,将这一设想变成了现实。就在近日,他们推出了更为优秀的“2.0 版本”,即利用硅纳米线捕获太阳光子,并产生光生电子将其提供给附着的微生物。最后,微生物吸收二氧化碳,进行化学反应,并产出乙酸盐,连续一周实现高达3.6%的吸收太阳能转化效率。

这一人工光合作用系统,其实是模仿植物的光合作用,将太阳能转化为化学能。植物的光合作用是利用吸收的太阳光,将大气中的CO2和水,转化为糖类等有机物,供植物进行各种代谢活动,事实上我们使用的煤、石油和天然气等也是来自于原始植物的能量积累。

自然光合作用与人工光合作用对比(图片来源:Nat Commun. 2018, 9, 5003)

人工光合作用系统主要由两部分组成,半导体和微生物工程细菌。半导体负责吸收光能,将其转化为电能,具有特定功能的工程细菌利用这种能量,将吸收的CO2合成为特定的有机物(将电能转化为了化学能)。目前,人工光合作用对太阳能的利用效率可以达到8%~10%,相比于植物的光合作用效率提高了约20倍,此外,其生成的产物并不会像植物一样被细菌代谢掉,从而保证了更高的产物产率。

那么可以将太阳能直接转化为化学能的人工光合作用系统究竟是怎么工作的呢?

潘多拉宝盒:生产醋酸的法宝

以醋酸的生产为例,醋酸CH3COOH),学名乙酸,是含有两个碳的重要的有机化学品,也是食醋的主要成分。在人工光合作用系统中,研究者选择厌氧的热醋穆尔氏菌作主角,并开发出金纳米簇无机材料进行光的吸收。

由于代谢过程主要在细胞质中进行,为了减少氧化还原中间产物在跨膜运输中消耗过多的能量,研究者通过半胱氨酸对金纳米簇进行修饰,并将其注入到热醋穆尔氏菌细胞质中,高度生物兼容性的金纳米簇在热醋穆尔氏菌体内能够长期友好相处,不仅不会降低其活性,反而还大幅提高光的量子利用效率。将被注入金纳米簇的工程菌置于特定的培养液中,保持纯CO2的无氧气氛,给予一定强度的光照。一切准备就绪,一出好戏才算真正开始。

a) 热醋穆尔氏菌/金纳米簇混合系统流程图;b) 热醋穆尔氏菌细菌工作示意图 (图片来源:Nat Nanotechnol. 2018, 13, 900-905)

可见光中的光子通过照射进入热醋穆尔氏菌细胞质中的金纳米簇,将其激发产生一个电子e和一个空穴(h+,为了防止产生的电子和空穴再次结合,金纳米簇外包裹的半胱氨酸(Cys)就起到作用了,半胱氨酸被空穴氧化生成胱氨酸(CySS),在这个过程中成功消耗掉金纳米簇中的空穴。而被激发产生的电子和吸收的CO2在一类酶中间体中相遇,通过乙酰辅酶A路径(Wood-Ljungdahl路径主要存在于厌氧细菌和古细菌中,依靠 CO/CO2和H2为碳源和能源用于合成代谢和分解代谢),成功合成醋酸分子产物,并释放到培养液中,并被收集利用。

乙酰辅酶A路径人工光合作用反应过程

研究醋酸的人工光合作用合成,不仅仅是因为其结构简单,研究这一合成过程的初衷是因为乙酸在化工产业中的重要应用。举个例子,以醋酸为原材料,我们可以生产丁醇,丁醇由于其低的饱和蒸气压便于进行液体管道运输,被称为未来可以替代石油的新型燃料;此外,利用醋酸,我们还可以利用聚合反应合成高分子材料,合成手性分子如青蒿素等药物中间体。而这些都将是我们未来在火星上生存下来所必不可少的化学品。

展望:未来外太空移民

在我们成功打开人工光合作用合成化学品这一潘多拉宝盒之后,未来更多的化学品也将会被源源不断的被合成出来。比如,火星上还有4%的氮气,如果未来开发出新的人工光合作用集成系统,将氮气合成氨化合物,就可以为移民火星提供充裕的肥料用于农作物的种植了。

影片中温室蔬菜种植(图片来源:影片《火星救援》)

否则,未来移民火星的时候,恐怕我们只能和《火星救援》中的男主一样,用有味道的有机肥,种植瓜果蔬菜了……

参考文献:

[1] Peidong Yang, et.al. Bacteria photosensitized by intracellular gold nanoclusters for solar fuel production. Nat Nanotechnol. 2018, 13, 900-905.

[2] Peidong Yang, et.al. Close-Packed nanowire-bacteria hybrids for efficient solar-driven CO2 fixation. Joule. 2020, 4, 1-12.

[3] Gengfeng Zheng, et.al. Efficientsolar-driven electrocatalytic CO2 reduction in aredox-medium-assisted system. Nat Commun. 2018, 9, 5003.

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:李庆林(中国科学院青岛生物能源与过程研究所)