Tiến bộ mới trong quang hợp nhân tạo

Các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đã tạo ra một bước đột phá trong quang hợp nhân tạo qua việc phát triển một hệ thống có thế thu lượng phát thải CO₂ trước khi chúng được thải vào khí quyển, sau đó dùng năng lượng mặt trời để biến đổi lượng CO₂ đó thành các sản phẩm hóa học hữuích như nhựa sinh học tự phân hủy, dược phẩm và nhiên liệu lỏng.

Hệ thống quang hợp nhân tạo đột phá này có 4 nhiệm vụ chính:  (1) thu năng lượng mặt trời, (2) tạo ra đương lượng khử, (3) khử CO2 thành môi trường tổng hợp sinh học, và (4) tạo ra các chất hóa học hữu ích

Phòng thí nghiệm Berkeley của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Đại học California (UC) Berkeley (HoaKỳ) đã tạo ra một hệ thống lai gồm các dây dẫn nano bán dẫn và các vi khuẩn có khả năng bắt chước quá trình quang hợp tự nhiênnhư cây xanh dùng năng lượng mặt trời để tổng hợp carbohydrates từ CO₂ và nước. Tuy nhiên, hệ thống quang hợp nhân tạo mới này có thể tổng hợp CO₂ và nước thành acetate - thành phần phổ biến nhất cho tổng hợp sinh học hiện nay.

Peidong Yang, nhà hóa học thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley và đồng thời là một trong những người dẫn đầu nhómnghiên cứu này cho biết, hệ thống của họ là một bước nhảy vọt mang tính cách mạng trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo, hệ thống này có thể làm thay đổi cơ bản ngành công nghiệp hóa dầu, con người sẽ có thể sản xuất ra các hóa chất và nhiên liệu theo cách hoàn toàn mới, không cần phải khai thác từ sâu dưới lòng đất nữa.

Lượng CO₂ phát thải vào khí quyển càng lớn thì khí quyển ngày càng trở nên nóng hơn. CO₂ khí quyển hiện đang ở mức cao nhất trong 3 triệu năm qua, chủ yếu là do việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, nhiên liệu hóa thạch, đặc biệt là than, vẫn là một nguồn năng lượng quan trọng để đáp ứng nhu cầu của con người. Các công nghệ tách CO₂ trước khi nó được thải vào khí quyển đang được các nhà khoa học theo đuổi, nhưng vấn đề là cần nơi để chứa CO₂ được tách ra, điều này trở thành thách thức môi trường lớn.

Kỹ thuật quang hợp nhân tạo của các nhà nghiên cứu thuộc Berkeley đã giải quyết được vấn đề lưu trữ CO₂ này bằng cách sử dụng chúng theo những phương thức có ích.

Chris Chang, một chuyên gia về chất xúc tác chuyển đổi năng lượng carbon, thànhviênnhómnghiêncứu cho biết, trong quang hợp tự nhiên, lá hấp thụ  năng lượng mặt trời và CO₂ bị khử kết hợp với nước để tổng hợp các phân tử hình thành sinh khối; còn trong hệ thống mới của nhóm nghiên cứu, các sợi dây dẫn nano sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời và truyền dẫn các electron sang vi khuẩn, tại đó CO₂ sẽ được khử cùng với nước để tổng hợp ra rất nhiều chất hóa học hữu ích theo ý muốn.Bằng việc kết hợp các cách bố trí dây dẫn nano bắt sáng cótương thích sinh học, hệ thống quang hợp mới này tạo ra "mô hình cùng thắng - win/win" cho môi trường: các hóa chất xanh thân thiện được hỗ trợ nhờ năng lượng mặt trời sử dụng CO₂ đã được tách biệt.

Các tác giả cũng cho biết, hệ thống của họ đại diện cho sự liên kết giữa khoa học vật liệu và sinh học, mang lại tiềm năng chế tạo các thiết bị chức năng mới có thể kết hợp và khớp các bộ phận có nguyên lý hoạt động khác nhau với nhau. Ví dụ như, hình thái bố trí dây dẫn nano giúp bảo vệ các vi khuẩn. Hệ thống này tạo ra một "rừng nhân tạo" có cấu trúc dây dẫn nano của hai vật liệu khác nhau, gồm các dây dẫn silicon và titanium oxide. Rừng nhân tạo này hoạt động tương tự như diệp lục trong cây xanh. Khi ánh sáng được hấp thụ, các cặp electron-lỗ nhạy ánh sáng được sinh ra trong các dây dẫn silicon và titanium oxide, chúng hấp thụ các vùng khác nhau của quang phổ mặt trời. Các electron sinh ra trong silicon sẽ được dẫn đến vi khuẩn để khử CO₂, trong khi các lỗ trong titanium oxide tách các phân tử nước để tạo ra oxygen.

Khi rừng nhân tạo được thiết lập, nó sẽ có các vi sinh vật cư trú để tạo ra enzyme chuyên xúc tác cho quá trình khử CO₂. Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng vi khuẩn Sporomusa ovata, một loại vi khuẩn hiếm khí sẵn sàng tiếp nhận electron từ môi trường xung quanh và sử dụng để khử CO₂.

Hình ảnh SEM tiết diện của hệ lai dây dẫn nano - vi khuẩn dùng trong hệ thống quang hợp nhân tạo mới

S. ovata là một xúc tác CO₂ tuyệt vời vì nó tạo ra acetate, một môi trường hóa học linh hoạt có thể dùng để tạo ra nhiều chất hóa học hữu ích.Sau khi CO₂ bị khử bởi vi khuẩn S. ovata thành acetate (hoặc môi trường tổng hợp sinh học khác), vi khuẩn E.coli được điều chỉnh kỹ thuật gen sẽđược dùng để tổng hợp các chất hóa học theo ý muốn. Để tăng sản lượng các chất hóa học sinh ra, vi khuẩn S. ovata và E.coli được lưu trữ riêng biệt trong nghiên cứu. Trong tương lai, hai quá trình: xúc tác và tổng hợp sẽ có thể kết hợp với nhau thành một quá trình.

Chìa khóa dẫn đến thành công của hệ thống quang hợp nhân tạo của nhóm nghiên cứu chính là sự tách biệt các yêu cầu về hiệu suất bắt sáng và hoạt tính xúc tác tạo ra bởi công nghệ lai dây dẫn nano/vi khuẩn. Bằng phương pháp này, nhóm nghiên cứu đã đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời lên tới 0,38% trong 200 giờ dưới ánh sáng kích thích, kết quả này tương đương với hiệu suất của lá cây.

Sản lượng các hóa chất sinh ra từ acetate cũng đáng khí lệ: 26% đối với butanol - một loại nhiên liệu tương tự xăng, 25% đối với amorphadiene - tiền chất của thuốc sốt rét artemisinin, 52% đối với nhựa tái tạo và tự phân hủy PHB.

Nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc tiếp với hệ thống thế hệ thứ hai có hiệu suất chuyển đối từ năng lượng mặt trời sang năng lượng hóa học 3%. Khi nhóm nghiên cứu đạt được hiệu suất chuyển đổi 10%, thì công nghệ này sẽ có khả năng thương mại hóa.

Theo KH&CN Việt Nam