“綠藻俠”有什麽本事

国产v亚洲v天堂a通過跨學科合作,科學家們為綠藻細胞披上壹層二氧化矽“外衣”,使其能在自然條件下持續利用光合作用產氫,每升“綠藻俠”可產生17毫升氫氣。這是生物光合產氫領域取得的壹次重要突破,為化學手段改造光合生物進而實現光生物產氫提出了全新的思路。

綠藻

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浙江大學求是高等研究院徐旭榮副教授課題組,聯合浙大化學系教授唐睿康、上海師範大學藻類光合作用與生物能源轉化實驗室教授馬為民開展了這項研究工作。

沈睡的“氫酶”

作為壹類零碳能源,氫能綠色環保,十分理想。可氫氣從哪裏來呢?當前,氫氣主要來源於石化產業,從石油中制取。科學家們壹直在探索,能否借助自然界中現成的“設備”,利用太陽能分解水來產生氫氣?

藻類細胞的希望很大。30多年前,科學家發現綠藻細胞中除了進行光合作用的光系統I和II以外,還存在著壹種氫酶。“當氫酶被激活後,綠藻就能在進行光合作用的時候產生氫氣,然而氫酶對氧氣非常敏感,在有氧的情況下,氫酶迅速失去活性。所以在正常光照條件下,綠藻通常是進行光合作用,產生氧氣。”徐旭榮老師說,實際上氫酶被激活而產生氫氣,是綠藻應對缺氧等“脅迫”狀況下產生的壹種應激反應,能否對綠藻進行改造,隔絕氧氣,重新“喚醒”氫酶呢?

徐旭榮的合作者之壹,化學系的唐睿康教授長期從事生物礦化研究。他有壹項“絕活”,即通過生物礦化手段,給細胞“穿”上壹層外衣,從而賦予細胞不同的性能。“如果綠藻也被‘包裹’起來,是否可以人為制造缺氧環境呢?”

“綠藻俠”抱團產氫

課題組嘗試用二氧化矽去包裹綠藻。和預想不壹樣的是,單個的綠藻細胞不能產氫,只是進行正常的光合作用,產生氧氣。但他們“意外”發現,當壹個個“穿”著二氧化矽的綠藻逐漸粘合在壹起,形成了壹個個綠藻復合體時,在培養綠藻的試管上方,探針既探測到了氧氣,也探測到了氫氣。實驗證實,在正常的光照條件下,綠藻團能持續地產生氫氣,目前最長時間可達72小時。

“在電子顯微鏡下,我們看到直徑大約100微米的綠藻復合體,裏面包含大約5000個左右綠藻。”課題組博士生熊威解釋說,處於復合體內部的那部分綠藻,因為空間密閉,它們光合作用產生的氧氣恰好被呼吸作用消耗掉,不會有“多余”的氧氣去抑制氫酶。“外層的綠藻進行正常的光合作用產生氧氣但同時隔絕內部細胞和外界的接觸;內部的綠藻通過光合產氧和呼吸作用的平衡制造出壹個既能維持綠藻細胞光合活性但同時能夠激活氫酶的無氧條件,通過這樣的方式激活氫酶從而實現了光合產氫,其產氫效率等同於正常的光合作用。”

在此之前,科學界也有讓綠藻產氫的各種嘗試。最經典的要數美國加州大學伯克利分校學者的兩步法間接光解水制氫工藝,第壹步是綠藻進行光合作用,固定二氧化碳,釋放氧氣,獲得生物量的積累;第二步是在無硫、厭氧的環境中誘導氫酶的高表達。美國能源部認為這項技術有望最終達到市場可接受的生產成本。

“兩步法是從‘時間’上對產氧和產氫過程進行分隔來實現綠藻產氫,而我們的方法則是通過‘空間’上對產氧和產氫過程進行分離,實現了細胞的空間功能分化。”唐睿康說,相比之前的方法,仿生矽化的手段沒有破壞綠藻正常的生命過程,能實現持續產氫,在工藝上更具操作性與便捷性。

目前,研究團隊正在試圖破解綠藻生長失控的難題。“72小時以後,如果‘抱團’的綠藻越來越多,綠藻團就會解散,產氫的過程又會停止。”熊威說,他們正在尋找方法,能控制綠藻的繁殖,那樣就又離工業應用近了壹步。

本文轉自公眾號 微藻博士 ?https://mp.weixin.qq.com/s/BP0wpKp8DfubJTsIDhqEzQ

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