Фотосинтез без растений: Создана система для искусственного фотосинтеза

Гибридная система искусственного фотосинтеза, которую разработали ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Lawrence Berkeley National Laboratory) и Калифорнийского университета в Беркли (University of California, Berkeley) под эгидой Министерства энергетики США (U.S. Department of Energy), объединяет химию полупроводников с биотехнологией.

Состоя из полупроводниковых нанопроволок и бактерий, она, подобно растениям, в которых проходит природный процесс фотосинтеза, обеспечивает производство углеводородов за счет солнечной энергии. 

Статья об этом (Nanowire-bacteria hybrids for unassisted solar carbon dioxide fixation to value-added chemicals – ВМ) опубликована в журнале Nano Letters группой авторов под руководством известного химика-нанотехнолога Пэйдун Яна (Peidong Yang) из отдела материаловедения при Лаборатории Беркли и Института Кавли по наноисследованиям в энергетике (Kavli Energy NanoSciences Institute).

Сочетание набора биосовместимых светопоглощающих нанопроволок с определенной популяцией бактерий позволит извлечь двойную выгоду для окружающей среды, поскольку предполагает химическое производство различных соединений без использования токсичных веществ, но с солнечным светом в качестве источника энергии, наряду с сокращением выбросов углекислого газа в атмосферу.

В основе системы так называемый «искусственный лес» из нанопроволочных гетероструктур, которые состоят из кремния и оксида титана. Как поясняет Ян в пресс-релизе, распространенном Лабораторией Беркли (Major Advance in Artificial Photosynthesis Poses Win/Win for the Environment – ВМ), этот «искусственный лес» подобен хлоропластам зеленых растений.

Под воздействием солнечного света в кремнии и оксиде титана возникают пары электрон-дырка, поглощающие в разных участках светового спектра. Образующиеся в кремнии под воздействием фотонов света свободные электроны переходят к бактериям, где восстанавливают углекислый газ, тогда как дырки – так называются носители положительного заряда в полупроводниках – образовавшиеся в оксиде титана, расщепляют молекулы воды с образованием свободного кислорода. 

Лес нанопроволок засевается бактериями, которые производят ферменты – катализаторы восстановления углекислого газа. Авторы работали с анаэробной бактерией Sporomusa ovata, которая легко акцептирует электроны из окружающей среды и использует их в реакциях восстановления углекислого газа до эфира уксусной кислоты, который является промежуточным соединением в производстве разнообразных полезных химических соединений. После того как S.ovata произвела ацетат, в системе начинает работать генно-инженерная бактерия E.coli, синтезирующая из него тот или иной целевой продукт, например, бутанол, который может служить заменителем бензина.