光驅動固氮酶還原氮氣制造氨或可解決全球食物危機

　　所有生物都氮元素來存活，但是已知地球上，僅有兩種過程被用來打開氮氣中的超強化學鍵，從而允許氮氣經還原后轉化為人類、動物和植物能夠消化的含氮化合物。其中的一種過程是自然的從農業開始以來農民就依賴的細菌固氮過程。另外一種過程是一個世紀之前利用氮氣和氫氣制造氨氣的哈柏過程（Haber-B?sch process），它引發肥料生產變革，促進全球食物供應史無前例的增加。

　　大氣含有大量的氮氣，但是人體不能夠直接從那里獲取氮元素，而是從食物的含氮蛋白中獲取這種維持生命的氮元素。

　　如今，在一項新的研究中，來自美國猶他州立大學的Lance Seefeldt及其同事們發現一種可能再次引發農業變革的將氮氣轉化為氨的光驅動過程，同時降低全世界食物供應對化石燃料的依賴以及降低哈柏過程產生相當高的碳足跡。其他的研究人員還包括來自美國國家可再生能源實驗室（NREL）的Katherine A. Brown和Paul W. King；來自美國科羅拉多大學的Molly Wilker、Hayden Hamby 和Gordana Dukovic；來自美國蒙大拿州立大學的Stephen Keable和John Peters。相關研究結果發表在2016年4月22日那期Science期刊上，論文標題為“Light-driven dinitrogen reduction catalyzed by a CdS:nitrogenase MoFe protein biohybrid”。

　　Seefeldt說，他們的研究證實光化學能量能夠替換將大氣中發現的氮氣轉化為氨通常使用的三磷酸腺苷（ATP），其中氨是商業生產肥料的一種主要組分。他說，不論任何一種將氮氣中的化學鍵打開的方法，固氮是一種需消耗大量能源的過程。

　　在哈柏過程中，氮氣還原是在高溫和高壓下實現的，而細菌固氮過程是在自然條件下固氮酶利用來自ATP的化學能將氮氣轉化為氨。在這項研究中，研究人員證實硫化鎘（cadmium sulfide, CdS）納米晶體能夠被用來讓固氮酶鉬鐵蛋白光敏化。這種光敏化的鉬鐵蛋白通過捕捉光能替換ATP促進氮氣還原后產生氨。它每分鐘轉化75個氮氣分子，是最佳條件下依賴ATP的細菌固氮反應率的63%。

　　Seefeldt說，“當前，哈柏過程大約消耗全世界化石燃料供應的2%。因此，這種利用納米材料捕捉光能的過程可能引發該領域技術變革。”

　　NREL 研究科學家Brown 說，“利用光直接將氮氣轉化為氨是更加節能的。這種產生氨的新過程是首個例子說明光能如何能夠直接與氮氣還原相偶聯用來制造氨，這意味著太陽光或人工光能夠驅動這種反應。”