浙沪两高校跨学科合作取得创新成果：向绿藻要氢气

近日，浙江大学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。

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。

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。

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。”