能生產肥料的「仿生葉」：有望解決飢餓問題

據國外媒體報道，哈佛大學研究團隊開發的新型「仿生葉」或許將掀起一場新的「綠色革命」。這是一個模仿光合作用過程的人工系統，能像植物葉片一樣，將太陽光能轉化為養料。有朝一日，這種仿生葉或許能幫助提高發展中國家的農作物產量，進而解決世界飢餓問題。哈佛大學的研究者相信，他們的這一成果能幫助推動下一次農業革命。

圖中右側是用了仿生葉肥料培養的蘿蔔，要比用普通肥料的蘿蔔大1.5倍。

利用細菌、陽光、水和空氣，他們在農作物生長的土壤中成功生成了肥料。該研究團隊由著名生物化學家丹尼爾·諾塞拉（Daniel Nocera）領導，開發模仿植物光合作用的人工葉是他主要的研究方向。

在之前的研究基礎上，諾塞拉的團隊開發出了這種仿生葉設備。通過對生成的氨進行測量可知，該系統具有比自然光合作用更高的效率，能產生更多的肥料。不過，真正的證據是研究人員種植了超過5輪的蘿蔔。利用仿生葉所產生的肥料來種植蔬菜，產量要比對照組高150%。

這種仿生葉以丹尼爾·諾塞拉博士開發的人工葉為基礎，利用太陽能（由圖中的太陽能板收集）將水分子分解為氫和氧。

接下來，研究團隊希望提高該系統的生產率，使印度或撒哈拉以南非洲的農民可以用這項技術生產肥料。「當你擁有大型集約化的生產工藝和大規模的基礎設施，你可以輕而易舉地生產並運輸肥料，」諾塞拉博士說，「但如果是在印度某個水體受污染的村莊里，這是不可能的。貧窮的新興國家往往沒有資源來做這些。我們應該思考一種分散式的系統，因為這才是那裡真正需要的。」

研究團隊在美國化學學會第253次會議上彙報了這項工作。此前，諾塞拉團隊已經開發了一種模擬植物葉片光合作用的人工葉，在陽光照射下可以將水分解成氫氣和氧氣；之後，人工葉引入了細菌Ralstonia eutropha，在消耗氫的同時，這種細菌能提取出空氣中的二氧化碳，形成液態肥料。

為了確保這一過程順利進行，研究團隊將此前設備中對微生物有害的鎳-鉬-鋅催化劑換成了對細菌友好的鈷-磷合金。

「這些肥料只是第一步，做到這一步意味著你可以建立一個可持續的化學合成平台，」諾塞拉博士說，「現在我們展示的是這項技術的一般方法，使用另一類細菌將大氣中的氮提取出來並製成肥料。」

水分子在太陽能和催化劑作用下分解為氫和氧。之後，人工葉的細菌在消耗氫的同時，能提取出空氣中的二氧化碳，將其製成液態肥料。

為了實現這一目的，諾塞拉博士的團隊設計了新的仿生葉系統，其中的黃色桿菌屬（Xanthobacter）細菌能使人工葉產生的氫和空氣中的二氧化碳結合，形成一種原生體，作為「燃料」儲存在細菌內部。接著，這些細菌吸收空氣中的氮，並利用原生體——本質上是氫的儲存介質——生成氨。

在諾塞拉的設想中，這種仿生葉可以直接安在農作物生長的土壤中，直接為農作物提供養分。在20世紀60年代的第一次「綠色革命」中，以氨為基礎的肥料大規模應用在水稻和小麥新品種的種植上，使農業產量翻了一倍。據聯合國的報告稱，儘管這場革命導致了一些嚴重的環境破壞問題，但也拯救了數以百萬計的生命——特別是在亞洲。

然而，世界人口依然在不斷增長，預計到2050年時將比現在增加超過20億人，其中大部分人口增長出現在世界部分最貧窮的國家。為每個人提供食物需要多方面的努力，而研究者普遍認為，我們更應該增加農作物的單位產量，避免破壞自然環境來獲得更多的農業用地。

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