浙江大學(xué)的科學(xué)家通過生物礦化手段，用二氧化硅包裹綠藻，改造綠藻的生物性能，讓綠藻在自然條件下持續(xù)高效產(chǎn)生氫氣，每升綠藻可以產(chǎn)生17毫升氫氣，持續(xù)產(chǎn)生氫氣最長時(shí)間可達(dá)72小時(shí)。研究人員認(rèn)為，這是生物光合產(chǎn)氫領(lǐng)域取得的一次重要突破。
目前，由于化石燃料儲(chǔ)量日益減少，開發(fā)新能源迫在眉睫。專家們普遍認(rèn)為，氫能源作為綠色環(huán)保的零碳能源，將成為新能源舞臺(tái)上的希望之星。但目前，氫能源幾乎完全依靠化石燃料制取，成本非常高。相比當(dāng)前工業(yè)中普遍從石油中制取氫，利用綠藻產(chǎn)氫更加環(huán)保且可持續(xù)。如何大規(guī)模、低成本地獲取這種清潔能源，是制約氫能發(fā)展的最大問題。
浙江大學(xué)的研究人員們通過跨學(xué)科合作，給綠藻細(xì)胞披上一層二氧化硅“外衣”，使其能在自然條件下持續(xù)不斷地利用光合作用，高效產(chǎn)氫，每升綠藻可以產(chǎn)生17毫升氫氣，持續(xù)產(chǎn)生氫氣最長時(shí)間可達(dá)72小時(shí)。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，提供了全新的思路。
一般情況下，植物的光合作用產(chǎn)出的是氧氣。30多年前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)綠藻細(xì)胞中存在著一種氫酶。當(dāng)它被激活后，綠藻進(jìn)行光合作用時(shí)就能產(chǎn)生氫氣。
“氫酶只能在缺氧環(huán)境下被激活，一旦遇到氧氣，氫酶就迅速失去活性。正常情況下，因?yàn)楣夂献饔卯a(chǎn)出氧氣，氫酶總是處在失活狀態(tài)�！闭n題組負(fù)責(zé)人徐旭榮解釋說，“實(shí)際上，綠藻產(chǎn)氫更像是其在缺氧等‘脅迫’狀況下產(chǎn)生的一種應(yīng)激反應(yīng)�！�
徐旭榮的合作者之一，浙大化學(xué)系唐�？到淌谟幸豁�(xiàng)絕活——能通過生物礦化手段，給細(xì)胞“穿”上一層外衣，在不改變生物原本屬性的情況下，賦予細(xì)胞新的性能。
實(shí)驗(yàn)一開始并不順利：單個(gè)綠藻細(xì)胞被包裹上二氧化硅后，仍然只是進(jìn)行正常的光合作用，不能產(chǎn)出氫氣。之后的某一天，培養(yǎng)綠藻的試管上方，探針既探測(cè)到了氧氣，也意外地探測(cè)到了氫氣�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，這是因?yàn)榘趸璧木G藻逐漸粘合到了一起，形成了團(tuán)聚體�！毙芡f。直徑100微米的綠藻團(tuán)中，包含了約5000個(gè)綠藻。在正常光照條件下，綠藻團(tuán)開始產(chǎn)生氫氣，目前持續(xù)產(chǎn)氫的時(shí)間可達(dá)72小時(shí)。
這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)使他們意識(shí)到，當(dāng)?shù)V化后的綠藻細(xì)胞層層疊疊形成復(fù)合體，那些在里層的綠藻細(xì)胞就會(huì)達(dá)到氧氣的產(chǎn)生和消耗的動(dòng)態(tài)平衡：在一個(gè)與外界隔絕的環(huán)境中，綠藻光合作用產(chǎn)生的氧氣剛好被自身的呼吸作用消耗掉，使其既能存活，又能獲得一個(gè)缺氧環(huán)境，這樣氫酶就被激活了�！耙虼宋覀兗饶芴綔y(cè)到外層綠藻產(chǎn)生的氧氣，也能探測(cè)到內(nèi)層綠藻產(chǎn)生的氫氣�！毙芡f，“這同時(shí)也解釋了目前綠藻團(tuán)聚體為何無法更久地持續(xù)產(chǎn)氫，隨著內(nèi)層綠藻自身繼續(xù)生長，團(tuán)聚體坍塌，氫酶再度失活。”
“藻類的種類多、數(shù)量大，具有極大的產(chǎn)氫潛力。”唐�？到淌诒硎荆锏V化手段沒有破壞藻類正常的生命過程，在工藝上更具操作性與便捷性，可以為生物能源的制備提供新的策略。
研究團(tuán)隊(duì)抓住這一新發(fā)現(xiàn)，連續(xù)開展實(shí)驗(yàn)。在位于浙大玉泉校區(qū)的實(shí)驗(yàn)室里，熊威向觀眾展示了幾支試管，試管底部沉積著經(jīng)過礦化的綠藻細(xì)胞復(fù)合體。加入三氧化鎢粉末后，由于氫氣和氧化物的反應(yīng)而引起顏色變化，說明試管中產(chǎn)生了氫氣。
目前，研究團(tuán)隊(duì)正在試圖破解綠藻生長失控的難題�！�72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�！闭撐牡谝蛔髡�、浙江大學(xué)博士生熊威說，他們正在尋找新方法，能控制綠藻的繁殖，那樣離工業(yè)應(yīng)用又近了一步。
此前科學(xué)界研究利用綠藻產(chǎn)氫，比較經(jīng)典的成果是美國加州大學(xué)伯克利分�？茖W(xué)家發(fā)展的“兩步法”。他們先讓綠藻進(jìn)行正常光合作用，積累生物量；然后再通過缺硫培養(yǎng)削弱其光合作用，使產(chǎn)生的少量氧氣被自身的呼吸作用消耗掉，從而激活氫酶。“采用這種方法，氫能從根本上說是來自于起初培養(yǎng)的那些綠藻體內(nèi)累積的有機(jī)物，而在產(chǎn)氫過程中不斷消耗。過一段時(shí)間后，就要讓綠藻重新進(jìn)行正常光合作用，‘喂飽’自己，再繼續(xù)產(chǎn)氫�！毙煨駱s說。
徐旭榮表示，中國科學(xué)家發(fā)展的這種新方法，從空間上分離綠藻細(xì)胞的產(chǎn)氧和產(chǎn)氫過程，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的空間功能分化。不僅在工藝上更具操作性與簡便性，且綠藻產(chǎn)氫持續(xù)時(shí)間長。
相關(guān)論文于10月發(fā)表于國際知名學(xué)術(shù)期刊《德國應(yīng)用化學(xué)》雜志上。 |
