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二氧化碳和氢气在一起会发生怎样的反应?



     9月23日,中国科学院召开本年度首场新闻发布会,介绍该院天津工业生物技术研究所在人工合成淀粉方面取得的重要进展。该所研究人员提出了一种颠覆性的淀粉制备方法,不依赖植物光合作用,以二氧化碳、电解产生的氢气为原料,成功生产出淀粉,在国际上首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成,使淀粉生产从传统农业种植模式向工业车间生产模式转变成为可能,取得原创性突破。相关研究成果9月24日在线发表于《科学》杂志。


     淀粉是“粥饭”中最主要的碳水化合物,是面粉、大米、玉米等粮食的主要成分,也是重要的工业原料。

    目前,淀粉主要由绿色植物通过光合作用固定二氧化碳进行合成。在玉米等农作物中,将二氧化碳转变为淀粉涉及60余步的代谢反应和复杂的生理调控,太阳能的理论利用效率不超过2%。农作物的种植通常需要数月的周期,使用大量的土地、淡水、肥料等资源。


    那么,除了光合作用外,还有没有效率更高的二氧化碳生产淀粉的方式?

    研究团队利用化学催化剂将高浓度二氧化碳在高密度氢能作用下还原成碳一化合物,然后通过设计构建碳一聚合新酶,依据化学聚糖反应原理将碳一化合物聚合成碳三化合物,最后通过生物途径优化,将碳三化合物又聚合成碳六化合物,再进一步合成直链和支链淀粉。这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍,为创建新功能的生物系统提供了新的科学基础,有望对粮食生产产生革命性影响,对生物制造产业的发展具有里程碑式的意义。该成果目前尚处于实验室阶段,离实际应用还有相当长的距离。在中科院重点部署项目、天津市财政专项支持下,天津工生所联合中科院大连化物所等单位集中力量攻坚克难,探索了一条跨单位、跨领域联合攻关,通过项目制、工程化的管理方式开展基础研究的科研组织新模式。


    该成果为从二氧化碳到淀粉生产的工业车间制造打开了一扇窗,如果未来该系统过程成本能够降低到与农业种植相比具有经济可行性,将会节约90%以上的耕地和淡水资源,避免农药、化肥等对环境的负面影响,提高人类粮食安全水平,促进碳中和的生物经济发展,推动形成可持续的生物基社会。


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