像南美洲泡蟾产生的泡沫一样，美国辛辛那提大学的两位研究人员开发的新材料可以在没有阳光的条件下把二氧化碳固化为糖。

　　文｜辛江

　　南美洲的泡蟾有一种特别的行为。在产卵后，雌性泡蟾会在卵上覆盖一层细腻的泡沫，把卵包裹在其中，漂浮在水面上。这层透气的泡沫能够帮助受精卵保持合适的温度，同时避免受到光照和病原体的侵袭。最令人惊奇的是，这种泡沫可以维持两周的时间而不损坏。现在，研究者借用来自这种泡沫的物质，开发出了一种全新的材料，不仅能更有效地固化二氧化碳，而且还能把二氧化碳变成糖，甚至直接变成更好的生物燃料。

　　这种一举多得的材料能够通过类似植物光合作用的过程来捕捉二氧化碳，并且将其转化为糖类物质。产生的糖可以用来制造生物质燃料，避免了其他生物质燃料那种与粮食及其他农作物争夺土地的状况。如果非要说什么缺点的话，也许只能说它不能像真正的植物那样产生氧气罢了。

　　很早之前人们就发现，植物可以在阳光的照射下，将二氧化碳和水转化成糖类产物，同时将副产品氧气排放回大气。在经过了一百多年的摸索之后，人们终于研究清楚了光合作用的过程。光合作用可以分成光反应和暗反应两部分，在光反应过程中会产生氧气，同时将光能转化为化学能，为暗反应提供能量；而暗反应中最重要的过程被称为卡尔文循环，它将把二氧化碳整合到一个五碳糖分子上，形成一种不稳定的六碳糖，然后分解并还原生成两个3-磷酸甘油酸，再在ATP提供的能量帮助下产生两个3-磷酸丙糖，最后合成葡萄糖。在卡尔文循环中，每生成一个葡萄糖分子就能够固化六个二氧化碳分子，同时产生六个水分子。

　　传统的观点认为，光合作用只有在叶绿体的参与下才会发生，但是，俄亥俄州辛辛那提大学的生物工程和土木工程助理教授David Wendell博士和Carlo Monetmagno博士打破了这一固有观念，他们在今年开发出的泡沫状新材料，能够帮助把光合作用用于工业化的二氧化碳捕捉过程。

　　之所以采用泡沫状的材料，是因为这种材料能够透气，透光，并且有相对较大的反应面积，可以捕捉更多空气中的二氧化碳分子。他们发现来自泡蟾泡沫的Ranaspumin-2蛋白质是很好的表面活性剂，它起到的作用大概和吹肥皂泡时的肥皂类似。通过添加这种生物表面活性剂，他们获得了能够长期存在的泡沫。

　　泡沫的其他组成部分包括来自植物、真菌和藻类的多种酶。这些酶能够帮助完成二氧化碳固化的过程，其中最重要的是BR/F0F1-ATP合酶。这种酶是一个微型的分子旋转马达，负责将光能转化为化学能，催化生成提供能量的ATP，并借此承担将二氧化碳变成糖类的重要职能。其它酶则起到辅助的作用，让泡沫吸进二氧化碳，并且把它们固化成葡萄糖和果糖。

　　这项研究结果已经发表在今年3月的《纳米快报》上。研究者证实了这种系统的固化效率是传统二氧化碳固化设备的五倍，而化学能转化率甚至可以高达96%—而自然界光合作用系统的转化效率大概只有6%。在实验过程中，每份原料能够生成十倍体积的泡沫，每小时能够产生116nmol的葡萄糖。“和植物相比，这种系统的优点在于可以将所有的太阳光能都用来转化为糖类，而植物则需要使用大量的能量来维持生命和生长。这种泡沫不需要土地来种植，粮食产品也不会受到影响；而且它能够在高浓度二氧化碳环境下使用，比方说热电厂的烟囱里。而自然的光合作用系统则没法在这种环境中工作，它们需要二氧化碳在某个特定的浓度范围之内。”David Wendell说。

　　有效而低成本地固化二氧化碳就已经是很好的卖点，不过这种新材料的用途还不仅如此。通过添加额外的催化剂和酶，这种人造泡沫还能将糖类转化成二甲基呋喃(DMF)，一种被认为有希望取代乙醇的新型生物燃料。和乙醇相比，DMF燃烧产生的能量要高40%，几乎与汽油相当；它完全不溶于水，所以不用担心吸潮问题；而它的沸点比乙醇高出接近20摄氏度，这意味着它在常温下会更加稳定。Wendell和Monetmagno饶有兴味地算了一笔账：假设堆积1米高的这种泡沫的话，每小时每公顷面积将能够产生10公斤DMF。考虑到阳光强度、时间等等各种限制因素，每年一公顷面积的泡沫能够产生34.5吨的DMF，这是同等面积的生物质DMF产量的十倍以上。

　　看起来，这像是解决二氧化碳回收固化问题的一个好办法。这大概就是为什么在9月份伦敦举行的2010地球奖颁奖礼上，这一发明能够获得了未来科技奖奖项的原因。下一步他们将尝试比较大规模的应用，目前看来它的应用方向是在碳捕捉设备，诸如火电厂这类型的企业当中。当然，在进一步的推广之前，还有一些问题需要解决。做为有多种蛋白质成分的材料，它会受到各种苛刻条件的限制，例如温度、湿度、酶的活性，以及阳光在通过多层泡沫时的衰减程度等等。能否拥有更强的适应性就是它能否获得广泛应用的关键。