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浙沪两高校跨学科合作取得创新成果 浙大科学家向绿藻要氢气

编辑:互联网思维网时间:2019-09-01 10:06:21阅读次数:

  浙江在线11月04日讯(浙江日报记者曾福泉通讯员周炜)记者3日从浙江大学获悉,浙大和上海师范大学的科学家为绿藻细胞“穿上”二氧化硅“外衣”,使其能够在自然条件下不断利用太阳能和水产生氢气。这一生物光合产氢领域取得的重要突破,已发表在化学领域著名期刊《德国应用化学》上。

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  氢气是一种理想的清洁能源。相比当前工业中普遍从石油中制取氢,利用绿藻产氢更加环保且可持续。浙大求是高等研究院徐旭荣副教授课题组,及其合作者浙大化学系唐睿康教授团队、上海师范大学藻类光合作用与生物能源转化实验室马为民教授团队,已经在实验室里取得令人惊喜的成果:绿藻团聚体持续产生氢气,最长时间可达72小时。

  一般情况下,植物的光合作用产出的是氧气。徐旭荣告诉记者,科学家较早就发现绿藻细胞中存在着一种“氢酶”,当氢酶被激活后,绿藻就能在进行光合作用时产生氢气。然而这一过程非常微妙。“氢酶只能在缺氧环境下被激活,一旦遇到氧气,氢酶就迅速失去活性。正常情况下,因为光合作用产出氧气,氢酶总是处在失活状态。”徐旭荣解释说,“实际上,绿藻产氢更像是其在缺氧等‘胁迫’状况下产生的一种应激反应。”

  从这一原理出发,研究团队尝试为绿藻细胞人为制造出缺氧环境。团队成员、浙大化学系博士生熊威介绍,他们从海洋中大量存在的另一种藻类——硅藻身上获得了仿生学意义上的启示,尝试利用生物矿化技术,以二氧化硅去包裹绿藻,从而获得缺氧环境。

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  实验一开始并不顺利:单个绿藻细胞被包裹上二氧化硅后,仍然只是进行正常的光合作用,不能产出氢气。之后的某一天,培养绿藻的试管上方,探针既探测到了氧气,也意外地探测到了氢气。“我们发现,这是因为包裹着二氧化硅的绿藻逐渐粘合到了一起,形成了团聚体。”熊威说。

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  这个偶然的发现使科学家们意识到,当矿化后的绿藻细胞层层叠叠形成复合体,那些在里层的绿藻细胞就会达到氧气的产生和消耗的动态平衡:在一个与外界隔绝的环境中,绿藻光合作用产生的氧气刚好被自身的呼吸作用消耗掉,使其既能存活,又能获得一个缺氧环境,这样氢酶就被激活了。“因此我们既能探测到外层绿藻产生的氧气,也能探测到内层绿藻产生的氢气。”熊威说,“这同时也解释了目前绿藻团聚体为何无法更久地持续产氢,随着内层绿藻自身继续生长,团聚体坍塌,氢酶再度失活。”

  研究团队抓住这一新发现,连续开展实验。在位于浙大玉泉校区的实验室里,熊威向记者展示了几支试管,试管底部沉积着经过矿化的绿藻细胞复合体。加入三氧化钨粉末后,由于氢气和氧化物的反应而引起颜色变化,说明试管中产生了氢气。

  徐旭荣说,此前科学界研究利用绿藻产氢,比较经典的成果是美国加州大学伯克利分校科学家发展的“两步法”。他们先让绿藻进行正常光合作用,积累生物量;然后再通过缺硫培养削弱其光合作用,使产生的少量氧气被自身的呼吸作用消耗掉,从而激活氢酶。“采用这种方法,氢能从根本上说是来自于起初培养的那些绿藻体内累积的有机物,而在产氢过程中不断消耗。过一段时间后,就要让绿藻重新进行正常光合作用,‘喂饱’自己,再继续产氢。”徐旭荣说。

  徐旭荣表示,中国科学家发展的这种新方法,从空间上分离绿藻细胞的产氧和产氢过程,实现了细胞的空间功能分化。不仅在工艺上更具操作性与简便性,且绿藻产氢持续时间长。

  这一创新成果得益于跨学科的合作,特别是唐睿康教授团队生物矿化技术的引入。“生物矿化领域至今仍是学科前沿,但其基本理念并不深奥。”熊威说,比如给绿藻穿上二氧化硅外衣,就是通过利用不同化学试剂之间的静电相互作用,实现绿藻硅化自组装团聚,在实验室操作中,一个高中生就能完成。“而利用生物矿化技术来获得重要的科学发现,则需要不竭的创新精神。”

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