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比光合作用更快!中研院设计“人工固碳循环”有助研发负碳技术

2022-06-26 232


中央研究院今日宣布,院长廖俊智费时 7 年时间,带领团队成功打造“人工固碳循环”,超越植物光合作用的效率,能将二氧化碳转化为再利用的化学品,研究成果已在今年 2 月发表于著名国际期刊《自然催化》(Nature Catalysis)。

目前大气中的二氧化碳,主要是经由植物行光合作用转化为有机化合物,这个过程称为“固碳”(carbon fixation),为目前空气中捕碳最有效的方式,但是速度仍不够快。

廖俊智表示,“人工固碳循环”是人类史上第二次创造出与自然界不同的固碳循环,这个循环可在实验室反应器中维持 6 小时,为目前人工固碳效率最高的方法。

以人工固碳途径突破光合作用限制

大自然光合作用有三大限制,首先所伴随的固碳过程,是透过植物吸收阳光,以固碳酶(RuBisCO)来固定二氧化碳,并转化为有机碳储存在植物体内,但这种固碳酶会受到环境中氧气影响,产生光呼吸作用,降低固碳效率,而且植物只在生长期有明显固碳效果,像白天捕捉的二氧化碳,其中一半又经由夜晚的呼吸作用释放出来,也让固碳效率打折扣。

廖俊智研究团队的生物化学研究所博士林柏亨表示,团队设计出一个比光合作用更有效率的人工固碳途径,首先为解决植物固碳酶也会与氧结合的问题,选取 2 种不受氧气影响的固碳酶,再加上 19 个微生物酵素酶共同组合而成,排除“光呼吸”作用干扰,而这途径只利用微生物体内的酶,并非使用整个微生物,所以能不受植物细胞生长期限制与呼吸作用影响,打造高效的固碳效率。

▲人工固碳循环示意图。(Source:中研院)

负碳技术不仅吸碳!还能储存、转化再利用

为解决日益严重的二氧化碳问题,除了要加紧布建无碳再生能源之外,如何以负碳技术增加碳汇将是达到 2050 年净零碳排的关键。林柏亨说明,团队所设计的人工固碳循环正是一种负碳技术,能进一步将二氧化碳转换为可再利用的化学品,不但减少碳排,同时也可以增加碳汇。

研究配合光学即时监控以及辅酶(ATP、NAD(P)H及FAD)再生,提供持续固碳的能量,不断将二氧化碳转化为多种常见的化学先驱物(acetyl-CoA、pyruvate及malate),可用来制造多种化学原料,取代石化产品或药品、食品。

廖俊智指出,这项研究开创新的反应器固碳途径,可在室温环境中进行,弹性运用于不同的场域,未来可配合电化学反应,以绿电达成碳再利用的负碳效果。

面对气候变迁的严峻挑战,廖俊智运用合成生物学,创造出可持续固碳的人工碳循环路径,有助于负碳技术的发展,解决全球暖化问题,并陆续在《自然》、《科学》、《细胞》等顶尖期刊上,发表多篇成果,并在 2021 年获得以色列总理奖,表彰廖俊智在生质能源研究的重大突破。

(首图来源:中研院)

2022-03-07 22:17:00

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