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当一个个“穿”着二氧化硅的绿藻逐渐粘合在一起时,在正常光照条件下就能持续产生氢气

“绿藻侠”有什么本事?(新知)

周 炜

2015年11月20日08:50    来源:人民网-人民日报    手机看新闻

  通过跨学科合作,科学家们为绿藻细胞披上一层二氧化硅“外衣”,使其能在自然条件下持续利用光合作用产氢,每升“绿藻侠”可产生17毫升氢气。这是生物光合产氢领域取得的一次重要突破,为化学手段改造光合生物进而实现光生物产氢提出了全新的思路。

  浙江大学求是高等研究院徐旭荣副教授课题组,联合浙大化学系教授唐睿康、上海师范大学藻类光合作用与生物能源转化实验室教授马为民开展了这项研究工作。

  沉睡的“氢酶”

  作为一类零碳能源,氢能绿色环保,十分理想。可氢气从哪里来呢?当前,氢气主要来源于石化产业,从石油中制取。科学家们一直在探索,能否借助自然界中现成的“设备”,利用太阳能分解水来产生氢气?

  藻类细胞的希望很大。30多年前,科学家发现绿藻细胞中除了进行光合作用的光系统I和II以外,还存在着一种氢酶。“当氢酶被激活后,绿藻就能在进行光合作用的时候产生氢气,然而氢酶对氧气非常敏感,在有氧的情况下,氢酶迅速失去活性。所以在正常光照条件下,绿藻通常是进行光合作用,产生氧气。”徐旭荣老师说,实际上氢酶被激活而产生氢气,是绿藻应对缺氧等“胁迫”状况下产生的一种应激反应,能否对绿藻进行改造,隔绝氧气,重新“唤醒”氢酶呢?

  徐旭荣的合作者之一,化学系的唐睿康教授长期从事生物矿化研究。他有一项“绝活”,即通过生物矿化手段,给细胞“穿”上一层外衣,从而赋予细胞不同的性能。“如果绿藻也被‘包裹’起来,是否可以人为制造缺氧环境呢?”

  “绿藻侠”抱团产氢

  课题组尝试用二氧化硅去包裹绿藻。和预想不一样的是,单个的绿藻细胞不能产氢,只是进行正常的光合作用,产生氧气。但他们“意外”发现,当一个个“穿”着二氧化硅的绿藻逐渐粘合在一起,形成了一个个绿藻复合体时,在培养绿藻的试管上方,探针既探测到了氧气,也探测到了氢气。实验证实,在正常的光照条件下,绿藻团能持续地产生氢气,目前最长时间可达72小时。

  “在电子显微镜下,我们看到直径大约100微米的绿藻复合体,里面包含大约5000个左右绿藻。”课题组博士生熊威解释说,处于复合体内部的那部分绿藻,因为空间密闭,它们光合作用产生的氧气恰好被呼吸作用消耗掉,不会有“多余”的氧气去抑制氢酶。“外层的绿藻进行正常的光合作用产生氧气但同时隔绝内部细胞和外界的接触;内部的绿藻通过光合产氧和呼吸作用的平衡制造出一个既能维持绿藻细胞光合活性但同时能够激活氢酶的无氧条件,通过这样的方式激活氢酶从而实现了光合产氢,其产氢效率等同于正常的光合作用。”

  在此之前,科学界也有让绿藻产氢的各种尝试。最经典的要数美国加州大学伯克利分校学者的两步法间接光解水制氢工艺,第一步是绿藻进行光合作用,固定二氧化碳,释放氧气,获得生物量的积累;第二步是在无硫、厌氧的环境中诱导氢酶的高表达。美国能源部认为这项技术有望最终达到市场可接受的生产成本。

  “两步法是从‘时间’上对产氧和产氢过程进行分隔来实现绿藻产氢,而我们的方法则是通过‘空间’上对产氧和产氢过程进行分离,实现了细胞的空间功能分化。”唐睿康说,相比之前的方法,仿生硅化的手段没有破坏绿藻正常的生命过程,能实现持续产氢,在工艺上更具操作性与便捷性。

  目前,研究团队正在试图破解绿藻生长失控的难题。“72小时以后,如果‘抱团’的绿藻越来越多,绿藻团就会解散,产氢的过程又会停止。”熊威说,他们正在寻找方法,能控制绿藻的繁殖,那样就又离工业应用近了一步。

(责编:杜燕飞、蒋琪)

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