2008 年8 月6 日，美國麻省理工大學的科學家在實驗室內(nèi)再現(xiàn)了光合作用的過程，在整個過程中光合作用將水分解成氫和氧，并產(chǎn)生了可供燃燒的氫氣和氧氣。該實驗的意義在于光合作用產(chǎn)生的能量能夠被人類利用，這種技術將引發(fā)一場太陽能使用的大革命，以補償煤炭、石油等不可再生資源的消耗。

光合作用反應器

資源豐富、無毒、無污染??作為一種理想的新能源，氫氣密度最小、在自然界存在豐富、發(fā)熱值高、燃燒性能好，本身無毒，燃燒時產(chǎn)物為水、不會產(chǎn)生污染物質(zhì)、燃燒生成的水可繼續(xù)制氫，反復循環(huán)使用等顯著特點。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，氫即用作A-2 火箭發(fā)動機的液體推進劑。目前液氫已被廣泛用作火箭和航天動力的燃料。世界各國對開發(fā)利用氫能都十分重視，投入了不少人力、財力、物力，并且已取得了多方面的進展。氫氣實在是一種理想的能量來源，只是人們一直未能找到不消耗其他能源而大量獲取氫氣的方法。

40 多年前人們發(fā)現(xiàn)綠藻在無氧條件下，經(jīng)太陽光照射可以放出氫氣；10 年前又發(fā)現(xiàn)，藍綠藻等許多藻類在無氧環(huán)境中適應一段時間，在一定條件下都有光合放氫作用。目前，科學家已經(jīng)成功地通過模擬光合作用進程，在實驗室制造出了氫氣。

只用水、陽光和藻類就能生產(chǎn)出能量！聽起來多么異想天開。然而科學家在微型藻類上的實驗證明，這個看似荒誕的夢想并非絕無實現(xiàn)可能。事實上，微型藻類家族中的一小部分成員本身就能夠天然地生產(chǎn)氫氣，而氫氣正是當前被普遍看好的石油替代能源。隨著化石能源儲備的減少和全球氣候變化，世界上許多實驗室都在試圖進一步了解藻類放氫這一生物過程，以便對其加以利用，從而滿足人類對能源的需求。研究的最終目標是，將這些藻類培養(yǎng)在巨大的光合作用反應器中，在陽光的照射下，產(chǎn)生大量“潔凈”氫氣，既不需要電，也不會釋放溫室氣體。

克服生物限制

光合作用放氫現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于1939 年。當年，芝加哥大學的研究員漢斯首先發(fā)現(xiàn)，一種單細胞綠藻——萊茵衣藻，有時候會停止產(chǎn)生氧氣轉而釋放氫氣。不過這種與氫化酶（無氧條件下的一種活性酶）相關的反應極其短暫，轉瞬即逝。直至近年來，這方面的研究才有了重大突破?？茖W家們終于掌握了一些經(jīng)驗，使這一氫合成過程得以延長，開辟出生物科技應用前景。

以著名的萊茵衣藻為例，看看氫氣究竟是如何產(chǎn)生的。衣藻是一種直徑為10 微米的單細胞生物，有兩根鞭毛。由于其結構簡單，50 多年來科學家們一直喜歡用衣藻作為研究模型，并昵稱它為“ 綠色酵母”。在美國能源部基因研究所的協(xié)調(diào)下，世界各地的百余名科學家日前完成了對衣藻全部基因組的測序。作為一種植物，衣藻從光合作用中獲取養(yǎng)料、生長發(fā)育。在光線的作用下，它吸收周圍環(huán)境中的水和二氧化碳，通過反應生成有機分子，主要為糖類。這種由光能向化學能的轉換發(fā)生在細胞的特殊隔室即葉綠體內(nèi)。衣藻僅含有一個鐘狀葉綠體，那里就是反應、產(chǎn)生氫氣的所在。

光能被葉綠體膜吸收，導致水光解，衣藻釋放出氧氣和電子。然后，在葉綠體的類囊體中，電子流將二氧化碳合成糖類。此時氫化酶的介入能夠保證這兩個過程的有效銜接。酶的功能有如安全閥門，在光線的作用下，電子轉移反應立即發(fā)生，而糖類合成則啟動得慢得多。因而這里存在一個關鍵階段，在這個階段里過量的電子對藻類是有毒的，應該被驅(qū)散。而氫化酶能夠吸收電子，制造氫氣，從而避免了系統(tǒng)運行的阻塞。

問題在于，由于水光解釋放出的氧氣很快就會抑制酶的作用，氫氣的制造在幾分鐘之后就會中止。此時光合作用中的電子傳遞鏈提供的電子，就會被有機物利用來幫助吸收二氧化碳形成糖類。這兩種反應機制對電子的爭奪，決定了氫化酶的活動僅僅是暫時的。

效率有待提高

簡而言之，光合作用為酶提供電子，酶依賴于光合作用；反過來，光合作用產(chǎn)生的氧氣又抑制了酶的活動。在研究如何提高光合反應器的效率之前，科學家們的首要任務便是克服這一重要的生物限制。為了做到這一點，目前有兩條途徑。

第一種途徑是將氫化酶與光合作用分離。也就是說，將藻類的生長期（在光合作用下）與氫氣的產(chǎn)生階段（無光合作用參與）分離，讓氫化酶有充分時間發(fā)揮作用。事實上早在2000年，科學家就曾設計過一個分離方案：將衣藻浸泡在一個無硫的環(huán)境中，藻類產(chǎn)生應激性反應，光合作用被削弱（因此氧氣排放量減少），呼吸作用增強（消耗掉更多氧氣）。這樣，衣藻很快處于有利于制氫的厭氧環(huán)境中。遺憾的是，這種環(huán)境對于衣藻來說十分不利，它的生長受阻，很快就會死去。

相比之下，另外一種途徑更為有效。這種方法關注的是一個對光合作用很重要的基因。通過對葉綠體基因的控制，使這個基因處在啟動基因的調(diào)控下，當銅元素缺乏時啟動基因被激活，當銅元素介入時啟動基因受到抑制。這個啟動基因就相當于一個開關。在沒有銅元素介入時，藻類生長，基因開始表達，光合作用發(fā)生。添加銅元素啟動基因抑制，光合作用中斷，氫化酶接力繼續(xù)工作。更有趣的是，由于啟動基因同樣對氧氣敏感，光合作用（產(chǎn)生氧氣）和自身的呼吸作用（消耗氧氣）的彼此交替，可使開關打開或閉合。整個過程不需要人為地對銅進行控制，構成一個可持續(xù)循環(huán)運行的系統(tǒng)。然而，目前的反應效率僅能勉強達到0.5%～3%，要實現(xiàn)工程化產(chǎn)氫達到10%以上還有相當大的距離。

產(chǎn)氫新途徑

光合作用廣泛存在于自然界，葉綠體收集太陽光能，將水和二氧化碳轉化為有機物（葡萄糖），并釋放出氧氣。但這只是最終結果，整個過程一開始是將水和二氧化碳轉化為氧氣、自由的質(zhì)子和電子。在光合作用中產(chǎn)生了兩個化學反應，葉綠素分子失去兩個電子，水分子發(fā)生分解。盡管光合作用在各種教科書中都得到了詳盡的闡述，但是想人工實現(xiàn)這一過程卻絕非易事，主要的問題在于缺少有效地電解水的媒介，在植物中充當這一媒介的是葉綠體。

眾所周知，水能夠電解成氫和氧，但整個過程毫無意義。為了提高這一性能，化學家們提供了能促使反應在更低電壓情況下分解的催化劑。用釕和鉑充當這種媒介，當然這兩種金屬都很昂貴。除此之外，反應要進行還需要特定的溫度條件和氣壓。

目前，科學家已經(jīng)找到了加速水電解的另一個好方法。他們把銦和錫的氧化物做成的電極放置在鈷離子和磷酸鉀的水溶液中，然后在溶液中通入太陽能電池的電流，這樣相當于葉綠體的觸媒就產(chǎn)生了。與此同時，水分解成氧氣和自由的氫離子，這些氫離子聚集在電極上，并在那里形成氫氣。白天，用通常方法獲得的太陽能一部分可用于日常所需要，一部分用來將水分解成氫氣和氧氣，并將氫氣儲存起來。晚上，氫氣和氧氣作為燃料用來發(fā)電。

自由的氫離子和氧能夠轉化為燃料用來發(fā)電。整個過程發(fā)生在正常的大氣壓環(huán)境和溫度內(nèi)。媒介中的物質(zhì)在反應過程中失去了自己的特性，當反應結束時又恢復到原來的樣子。這和自然界的葉綠素一樣。研究證明，能夠使用相對便宜的媒介，并以此為基礎在通常條件下得到光合作用的光能。科學家已經(jīng)為此制定了進一步的研究計劃。實驗室內(nèi)模擬光合作用的過程是利用太陽能歷史上的一個巨大創(chuàng)舉，這將使氫氣生產(chǎn)成為可能，并使太陽能利用步入新的時代。實現(xiàn)工程化產(chǎn)氫的那一天已不再遙遠！

氫元素是世界上分布最廣泛的元素，占宇宙質(zhì)量的75%以上，也是組成人體最多的元素。氫氣是我們非常熟悉的無色、無嗅、無味的氣體，長期以來，被人們認為是沒有生理效應的氣體分子，作為一種可以開發(fā)利用的未來清潔能源。

在20世紀30年代和40年代，人們發(fā)現(xiàn)，部分細菌和藻類能夠產(chǎn)生氫氣。人們期望，能通過細菌和藻類產(chǎn)生氫氣，解決人類日益增長的能源需求問題。但是，半個多世紀過去了，通過細菌和藻類進行工業(yè)化制氫的技術仍然沒有得到大規(guī)模應用。2007年，日本醫(yī)科大學的科學家在《自然醫(yī)學》雜志發(fā)表了一篇研究報告，徹底改變了人們對氫氣的認識——氫氣不僅可以作為能源，而且少量氫氣還具有治療疾病的作用。他們發(fā)現(xiàn)，氫氣治療疾病作用是通過選擇性地清除體內(nèi)羥自由基和過氧亞硝基陰離子，發(fā)揮對抗氧化損傷的作用。這一驚人發(fā)現(xiàn)立即引起了全世界學者的關注，氫氣各種新的醫(yī)學生物學效應在世界各地不斷被發(fā)現(xiàn)。人們很難想象，原本認為生理惰性的普通氫氣現(xiàn)在卻似乎成了“包治百病”的神奇藥物。日本和中國先后開發(fā)出各種氫氣相關健康產(chǎn)品，并受到人們的熱烈追捧。

現(xiàn)在，氫氣顯然成了醫(yī)學、保健與美容領域最為耀眼的明星，許多醫(yī)學專家也認為，隨著研究的深入，氫氣或?qū)Υ龠M人類健康發(fā)揮重大作用。然而，人們大概沒有想到，氫氣不僅可以用于醫(yī)學治療和保健領域，而且還有可能廣泛應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，甚至還可能開啟一個嶄新的“氫農(nóng)業(yè)時代”呢！

植物能產(chǎn)生氫氣

1931年，有學者首次報道，細菌能夠釋放氫氣。1942年，人們又發(fā)現(xiàn)，綠藻也能夠產(chǎn)生氫氣?，F(xiàn)在人們知道，大部分細菌和藻類都能夠在一定條件下制造氫氣。然而，植物是否也能夠產(chǎn)生氫氣呢？

1947年，博伊琴科發(fā)現(xiàn)，從藻類中分離的葉綠體能夠釋放氫氣。由于高等植物葉片都含有葉綠體，因此人們自然會推斷，高等植物都能產(chǎn)生氫氣。直到1961年，薩那德則才發(fā)現(xiàn)，高等植物葉片能夠釋放和利用氫氣。1964年，倫威克等發(fā)現(xiàn)，許多高等植物能夠釋放氫氣，同時發(fā)現(xiàn)，氫氣處理冬黑麥種子后，萌發(fā)速率加快。1986年，麥婀玲和吉布斯在萊茵衣藻的葉綠體中分離得到了具有產(chǎn)氫活性的氫化酶；據(jù)此推測，某些高等植物中也應該存在氫化酶。1986年，托雷斯等發(fā)現(xiàn)，大麥根能產(chǎn)生并釋放氫氣，并檢測到氫化酶活性，確認高等植物能夠釋放氫氣。

或許，當時人們研究生物產(chǎn)氫的目的，僅在于獲取清潔的生物能源，并沒有意識到，氫氣對植物的生物效應，而植物產(chǎn)生的氫氣無論從產(chǎn)量，還是收集方便性來看，都不如細菌和藻類；因此，高等植物產(chǎn)氫的研究長期受到冷落。

氫氣的植物學效應非常顯著

最早發(fā)現(xiàn)氫氣的植物學效應的，應該是在1964年倫威克等發(fā)現(xiàn)，氫氣處理冬黑麥種子后萌發(fā)速率更快。然而，當時的科學家們并沒有對氫氣的植物學效應進行進一步深入探討。直到氫氣的醫(yī)學效應得到廣泛關注之后，氫氣的植物學效應才開始被重新關注。

最近，中國科學院華南植物園、上海第二軍醫(yī)大學以及南京農(nóng)業(yè)大學等學術機構的研究人員在氫氣的植物學效應方面進行初步研究，結果發(fā)現(xiàn)，氫氣對植物的生理功能具有重要調(diào)節(jié)效應，特別是對植物抵御逆境脅迫具有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，氫氣對綠豆、水稻以及苜蓿的種子萌發(fā)具有重要影響；同時發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可提高水稻以及擬南芥的鹽脅迫抗性。此外，還發(fā)現(xiàn)氫氣水處理還能影響植物開花時間。南京農(nóng)業(yè)大學的研究人員發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以誘導苜?？寡趸富蛞约把t素加氧酶1基因的表達并提高其酶活性，減輕由百草枯引起的氧化傷害。他們認為，氫氣可能是一種經(jīng)由血紅素加氧酶1信號途徑減輕氧化傷害的氣體信號分子。他們還發(fā)現(xiàn)，氫氣水處理可以提高水稻以及擬南芥的耐鹽性，而這種耐鹽性的提高可能與氫氣減輕了鹽脅迫誘發(fā)的活性氧傷害有關。此外，他們發(fā)現(xiàn)，氫氣能夠提高苜蓿重金屬鎘的抗性是因為氫氣提高了苜蓿的抗氧化能力。

中國科學院華南植物園與上海第二軍醫(yī)大學的研究人員在證實氫氣具有抗氧化作用，可以誘導植物中的抗氧化酶基因的表達的同時，發(fā)現(xiàn)氫氣可以通過影響植物激素受體蛋白基因的表達而調(diào)節(jié)植物激素的作用，同時植物激素以及脅迫因子能夠誘導水稻產(chǎn)生氫氣。從基因進化角度，推測產(chǎn)生氫氣的蛋白可能是來自水稻的氫化酶基因，發(fā)現(xiàn)水稻產(chǎn)氫能力和推測的水稻氫化酶基因可以受到多種脅迫因素以及植物激素的誘導。

上述研究提示，氫氣可能是一種重要的植物氣體信號分子，它可能通過參與調(diào)控植物激素信號途徑影響植物的生長發(fā)育與逆境適應。

氫氣是未來綠色農(nóng)藥

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一大特點是大量使用化肥和農(nóng)藥。現(xiàn)在，農(nóng)藥和化肥的濫用產(chǎn)生環(huán)境污染、土壤破壞以及食品安全問題。由于氫氣的安全性以及氫氣水使用的經(jīng)濟性和方便性，使氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用前景將十分廣闊。最近，國內(nèi)數(shù)家農(nóng)業(yè)研究機構開展的農(nóng)田規(guī)?；囼灡砻鳎瑲錃夂蜌錃馑谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)，特別是無土栽培農(nóng)作物中，應用效果十分顯著，對作物的營養(yǎng)價值也有一定正面效應。

在未來，農(nóng)民可以使用氫水替代或部分替代農(nóng)藥和化肥，讓農(nóng)作物抗病、抗蟲和抗旱、抗鹽等能力增強，同時，產(chǎn)品品質(zhì)提升、產(chǎn)量增加。這是多么令人激動的“氫農(nóng)業(yè)時代”?。?/span>

氫氣在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應用可能會出現(xiàn)在以下幾個方面：

種子萌發(fā)：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以促進冬黑麥種子的萌發(fā)速率，氫水處理可以促進苜蓿等植物種子的萌發(fā)。這一發(fā)現(xiàn)可能會促進氫氣在提高種子萌發(fā)率方面的應用。

花期調(diào)控：目前已經(jīng)觀察到，玫瑰等植物在氫水處理后改變花期的現(xiàn)象。研究也發(fā)現(xiàn)，氫氣可以調(diào)控植物開花相關植物激素受體蛋白基因的表達。這一發(fā)現(xiàn)提示，氫水在園藝方面將有廣闊的應用前景。

提高抗逆性：干旱和鹽堿等逆境脅迫，往往造成農(nóng)作物減產(chǎn)甚至死亡。研究發(fā)現(xiàn)，氫水可提高水稻、擬南芥以及苜蓿等植物的抗鹽堿、干旱等逆境的能力。使用氫水對農(nóng)作物進行滴灌或噴灌，將提高農(nóng)作物的抗逆能力，達到防災減災的目的。

提高病蟲害抗性：研究發(fā)現(xiàn)，氫氣可以調(diào)節(jié)許多植物激素受體蛋白基因的表達，其中就包含與抗病蟲害相關的植物激素水楊酸和茉莉酸。使用氫水澆灌、噴灌的農(nóng)作物將可能提高農(nóng)作物的病蟲害抗性，代替農(nóng)藥或減少農(nóng)藥的使用，從而保護環(huán)境、提高食品安全。

提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)：使用氫水澆灌的農(nóng)作物，比如一些蔬菜、瓜果，可能更加香甜可口。

減少化肥的使用：由于氫氣可調(diào)節(jié)植物激素如生長素、細胞分裂素等的作用，氫水處理往往可以促進植物的生長。目前已經(jīng)觀察到氫水對綠豆等植物的生長具有明顯的促進作用。因此，將來有可能廣泛應用氫水澆灌農(nóng)作物，促進植物旺盛生長，從而可以減少化肥的使用。

農(nóng)作物產(chǎn)品保鮮：由于氫氣的抗氧化特性，使用氫氣或氫氣與其它氣體的混合氣體可能將有助于農(nóng)作物產(chǎn)品的保鮮。由于氫氣的安全性，沒有毒害、沒有殘留，與其它化學藥劑處理保鮮的農(nóng)產(chǎn)品相比，具有很強的食品安全優(yōu)勢。

漁業(yè)生產(chǎn)：水產(chǎn)業(yè)盡管目前沒有開展相關研究?？紤]到氫氣對動物疾病預防和治療的顯著效果，因此也是非常值得期待的一個領域。

“氫農(nóng)業(yè)時代”令人向往，但是目前需要許多深入研究與試驗要做。首先是探討氫氣對植物效應的作用機理，為氫氣農(nóng)業(yè)的應用奠定堅實理論基礎；其次，是要進行大規(guī)模氫氣農(nóng)業(yè)的田間試驗，搞清楚氫氣及氫氣水在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的使用方法和經(jīng)濟價值，包括使用的濃度、施用的量、施用的次數(shù)以及施用方法，在農(nóng)作物生長的哪個階段使用更有效，等等。不同的農(nóng)作物可能有不同的時期和用量使用要求。

我們相信，隨著這些問題的逐步得以解決，“氫農(nóng)業(yè)時代”將快步向我們走來。

原文：http://blog.sciencenet.cn/blog-41174-740795.html