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手中有电,心里不慌/有电就有粮

发布时间:2021-09-24

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  2019年,全球二氧化碳排放量达到370亿吨,大气二氧化碳浓度超过410ppm,气候变化与温室效应已影响人类生存发展。利用可再生能源产生的电能将二氧化碳分子转化为高附加值产物 (一氧化碳、甲酸、烃类、醇类等),一方面可以将可再生能源以化学能的形式转化和存储,另一方面也可以降低大气中二氧化碳的浓度,缓解全球气候变暖、海洋酸化等问题,被认为是一种能同时实现碳循环利用和可再生能源存储的有效途径。此外,联合国发布的2021年版《世界粮食安全和营养状态》报告显示,自2014年以来,全球粮食短缺导致的营养不良人口接近6.9亿,以每年1200万的速度增长。如何将二氧化碳的资源化利用与不断增长的粮食需求相结合,仍然是一项亟待解决并充满挑战性的工作。

  淀粉属于高分子碳水化合物,是由单一类型的糖单元组成的多糖,是食品和动物饲料的主要营养成分,占全球热量摄入的80%以上,主要由植物通过光合作用产生。中科院天津工业生物技术研究所团队针对植物生长周期长、天然淀粉合成途径长、催化效率低的关键问题,通过从头设计和构建具有较少反应步骤的人工淀粉合成途径(ASAP途径),利用电能催化二氧化碳合成淀粉,实现了比玉米中提高8.5倍淀粉合成速率。与经过数十亿年选择而进化获得的自然途径相比,人工设计的途径不同的催化反应以及酶之间存在兼容性差的问题,研究团队从元素、模块和系统层面逐步优化人工路径,通过关键中间体将天然淀粉途径分解为四个模块。与植物中合成淀粉途径的约60步反应相比,ASAP途径仅需要包含11步级联反应。通过解决模块内部和模块之间的不相容相互作用以及开发化学酶系统,ASAP的淀粉生产率较初期途径提高了约 150倍,4h催化反应分别可以产生1.63 g/L直链淀粉和1.28 g/L支链淀粉。

  中科院天津工业生物技术研究所团队构建的二氧化碳合成淀粉途径,通过利用可再生资源产生的电能,实现了从温室气体二氧化碳再利用到粮食核心成分淀粉合成的跨越式发展。该途径显示了未来从二氧化碳工业生物制造淀粉的巨大潜力,有望做到“有电就有粮”,对满足我国不断增长的粮食需求,实现我国的碳中和目标,促进经济可持续发展,具有重大意义。

(责任编辑:侯茜)

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