通過跨學(xué)科合作，科學(xué)家們?yōu)榫G藻細(xì)胞披上一層二氧化硅“外衣”，使其能在自然條件下持續(xù)利用光合作用產(chǎn)氫，每升“綠藻俠”可產(chǎn)生17毫升氫氣。這是生物光合產(chǎn)氫領(lǐng)域取得的一次重要突破，為化學(xué)手段改造光合生物進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光生物產(chǎn)氫提出了全新的思路。
浙江大學(xué)求是高等研究院徐旭榮副教授課題組，聯(lián)合浙大化學(xué)系教授唐?？怠⑸虾煼洞髮W(xué)藻類光合作用與生物能源轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)室教授馬為民開展了這項(xiàng)研究工作。
沉睡的“氫酶”
作為一類零碳能源，氫能綠色環(huán)保，十分理想。可氫氣從哪里來呢？當(dāng)前，氫氣主要來源于石化產(chǎn)業(yè)，從石油中制取?？茖W(xué)家們一直在探索，能否借助自然界中現(xiàn)成的“設(shè)備”，利用太陽能分解水來產(chǎn)生氫氣？
藻類細(xì)胞的希望很大。30多年前，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)綠藻細(xì)胞中除了進(jìn)行光合作用的光系統(tǒng)I和II以外，還存在著一種氫酶?！爱?dāng)氫酶被激活后，綠藻就能在進(jìn)行光合作用的時(shí)候產(chǎn)生氫氣，然而氫酶對(duì)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(jìn)行光合作用，產(chǎn)生氧氣?！毙煨駱s老師說，實(shí)際上氫酶被激活而產(chǎn)生氫氣，是綠藻應(yīng)對(duì)缺氧等“脅迫”狀況下產(chǎn)生的一種應(yīng)激反應(yīng)，能否對(duì)綠藻進(jìn)行改造，隔絕氧氣，重新“喚醒”氫酶呢？
徐旭榮的合作者之一，化學(xué)系的唐?？到淌陂L期從事生物礦化研究。他有一項(xiàng)“絕活”，即通過生物礦化手段，給細(xì)胞“穿”上一層外衣，從而賦予細(xì)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(huán)境呢？”
“綠藻俠”抱團(tuán)產(chǎn)氫
課題組嘗試用二氧化硅去包裹綠藻。和預(yù)想不一樣的是，單個(gè)的綠藻細(xì)胞不能產(chǎn)氫，只是進(jìn)行正常的光合作用，產(chǎn)生氧氣。但他們“意外”發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)個(gè)“穿”著二氧化硅的綠藻逐漸粘合在一起，形成了一個(gè)個(gè)綠藻復(fù)合體時(shí)，在培養(yǎng)綠藻的試管上方，探針既探測到了氧氣，也探測到了氫氣。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在正常的光照條件下，綠藻團(tuán)能持續(xù)地產(chǎn)生氫氣，目前最長時(shí)間可達(dá)72小時(shí)。
“在電子顯微鏡下，我們看到直徑大約100微米的綠藻復(fù)合體，里面包含大約5000個(gè)左右綠藻?！闭n題組博士生熊威解釋說，處于復(fù)合體內(nèi)部的那部分綠藻，因?yàn)榭臻g密閉，它們光合作用產(chǎn)生的氧氣恰好被呼吸作用消耗掉，不會(huì)有“多余”的氧氣去抑制氫酶?！巴鈱拥木G藻進(jìn)行正常的光合作用產(chǎn)生氧氣但同時(shí)隔絕內(nèi)部細(xì)胞和外界的接觸；內(nèi)部的綠藻通過光合產(chǎn)氧和呼吸作用的平衡制造出一個(gè)既能維持綠藻細(xì)胞光合活性但同時(shí)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(shí)現(xiàn)了光合產(chǎn)氫，其產(chǎn)氫效率等同于正常的光合作用?！?/span>
在此之前，科學(xué)界也有讓綠藻產(chǎn)氫的各種嘗試。最經(jīng)典的要數(shù)美國加州大學(xué)伯克利分校學(xué)者的兩步法間接光解水制氫工藝，第一步是綠藻進(jìn)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(huán)境中誘導(dǎo)氫酶的高表達(dá)。美國能源部認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)有望最終達(dá)到市場可接受的生產(chǎn)成本。
“兩步法是從‘時(shí)間’上對(duì)產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過程進(jìn)行分隔來實(shí)現(xiàn)綠藻產(chǎn)氫，而我們的方法則是通過‘空間’上對(duì)產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過程進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的空間功能分化。”唐?？嫡f，相比之前的方法，仿生硅化的手段沒有破壞綠藻正常的生命過程，能實(shí)現(xiàn)持續(xù)產(chǎn)氫，在工藝上更具操作性與便捷性。
目前，研究團(tuán)隊(duì)正在試圖破解綠藻生長失控的難題?！?2小時(shí)以后，如果‘抱團(tuán)’的綠藻越來越多，綠藻團(tuán)就會(huì)解散，產(chǎn)氫的過程又會(huì)停止?！毙芡f，他們正在尋找方法，能控制綠藻的繁殖，那樣就又離工業(yè)應(yīng)用近了一步。
本文轉(zhuǎn)自公眾號(hào) 微藻博士 ?https://mp.weixin.qq.com/s/BP0wpKp8DfubJTsIDhqEzQ
