人工葉片（EcoLeaf）：捕碳新選擇？

隨著全球工業化的加速，二氧化碳排放不斷增加，給地球帶來了過重的負擔，並對生態平衡構成重大威脅。因此，尋求有效固碳的方式，變得極為重要。

雖然光合作用是重要的固碳方式，但顯然趕不上人類「加碳」的速度，更不用提熱帶雨林一直被破壞了。但是，其他的固碳方式，許多對環境並不是十分友善。

最近有研究團隊開發了所謂的「EcoLeaf」，盡可能的以天然物為原料，模仿葉片的結構來捕捉二氧化碳。

EcoLeaf。圖片取自《自然通訊》

EcoLeaf主要利用碳酸酐酶（carbonic anhydrase，CA）來固碳，產生碳酸 (H₂CO₃)。不過，除了使用碳酸酐酶以外，也可以使用其他的酵素，如甲酸脫氫酶 (FDH) 。若使用甲酸脫氫酶，則產物就不是碳酸，而是甲酸 (HCOOH)。不論是碳酸或甲酸，都可以透過設計後續的步驟，讓這些產物進一步轉化為其他更複雜的分子。

這些酵素是怎麼放進EcoLeaf 的呢？首先，研究團隊將光引發劑（ITX）塗在纖維基紙上，就像在一片麵包上塗抹果醬。然後，再將塗有 ITX 的纖維基紙放置在紫外光燈下照射，這就像將一片起司放在塗有果醬的麵包上，再用另一片麵包覆蓋，形成三明治結構。紫外光照射會活化 ITX，使其成為 EcoLeaf 連接聚合反應的場所。接著，他們便將含有 GMA/4,4'-AZO（光反應單體）和 CA（碳酸酐酶）的溶液塗抹在活化後的纖維基紙上，就像在起司上添加其他配料。最後，用氙燈照射這個「三明治」。氙燈照射會引發 GMA/4,4'-AZO 聚合，形成一個三維網狀結構，同時將 CA 包覆在網孔內，就像將所有配料融合在一起。這個三維網狀結構就像三明治中的蔬菜，而 CA 就像三明治中的肉片。如此一來，EcoLeaf 就製備完成了，就像一個美味的三明治一樣。

EcoLeaf除了需要有酵素來進行反應，它還有類似植物氣孔的構造。研究團隊將光反應單體 GMA/4,4'-AZO 接到 EcoLeaf 基材表面，形成三維網狀基質。在受到不同波長的光照射時，由於 GMA/4,4'-AZO 分子結構中的偶氮鍵會發生順反異構化，導致基質的網孔大小發生變化，從而產生類似於氣孔的結構。

研究團隊透過使用 365 nm 和 450 nm 光源照射，可以觀察到EcoLeaf 基板內的氣孔會隨之收縮（365 nm）和擴張（450 nm），從而可以使EcoLeaf能夠在惡劣環境下的自我保護和合適條件下的高效碳捕獲之間進行切換。

最後，雖然研究團隊盡可能地使用了天然的材料，但還是不免要使用一些人造物質。到底它夠不夠環境友善呢？土壤降解實驗顯示，EcoLeaf 可以在 40 天內在天然土壤中完全降解，且產物對土壤微環境沒有不利影響。這樣可以確保穩定的生態循環。與現有的合成葉片相比，EcoLeaf 具有最佳的效率/成本比，並且是人工生物碳封存的仿生和功能化平台。此外，其生物碳封存途徑具有一定程度的設計靈活性，可以適應各種單酶或多酶級聯催化劑，將氣態 CO₂ 轉化為更多樣的化合物。 EcoLeaf 代表了酶促人工葉片發展的重要一步。

參考文獻：

Zhu, X., Du, C., Gao, B. et al. Artificial cellulosic leaf with adjustable enzymatic CO2 sequestration capability. Nat Commun 15, 4898 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-49320-y