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浙大科学家生物制氢获突破
来源:中国氢分子产业网 发表时间:2016-1-19 22:47:44 阅读:4000

    浙江大学的科学家通过生物矿化手段,用二氧化硅包裹绿藻,改造绿藻的生物性能,让绿藻在自然条件下持续高效产生氢气,每升绿藻可以产生17毫升氢气,持续产生氢气最长时间可达72小时。研究人员认为,这是生物光合产氢领域取得的一次重要突破。

    目前,由于化石燃料储量日益减少,开发新能源迫在眉睫。专家们普遍认为,氢能源作为绿色环保的零碳能源,将成为新能源舞台上的希望之星。但目前,氢能源几乎完全依靠化石燃料制取,成本非常高。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。如何大规模、低成本地获取这种清洁能源,是制约氢能发展的最大问题。
  
  浙江大学的研究人员们通过跨学科合作,给绿藻细胞披上一层二氧化硅“外衣”,使其能在自然条件下持续不断地利用光合作用,高效产氢,每升绿藻可以产生17毫升氢气,持续产生氢气最长时间可达72小时。这是生物光合产氢领域取得的一次重要突破,为化学手段改造光合生物,进而实现光生物产氢,提供了全新的思路。
  
  一般情况下,植物的光合作用产出的是氧气。30多年前,科学家就发现绿藻细胞中存在着一种氢酶。当它被激活后,绿藻进行光合作用时就能产生氢气。
  
  “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。”课题组负责人徐旭荣解释说,“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。”
  
  徐旭荣的合作者之一,浙大化学系唐睿康教授有一项绝活——能通过生物矿化手段,给细胞“穿”上一层外衣,在不改变生物原本属性的情况下,赋予细胞新的性能。
  
  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。直径100微米的绿藻团中,包含了约5000个绿藻。在正常光照条件下,绿藻团开始产生氢气,目前持续产氢的时间可达72小时。
  
  这个偶然的发现使他们意识到,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。”
  
  “藻类的种类多、数量大,具有极大的产氢潜力。”唐睿康教授表示,生物矿化手段没有破坏藻类正常的生命过程,在工艺上更具操作性与便捷性,可以为生物能源的制备提供新的策略。
  
  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,熊威向观众展示了几支试管,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。
  
  目前,研究团队正在试图破解绿藻生长失控的难题。“72小时以后,如果‘抱团’的绿藻越来越多,绿藻团就会解散,产氢的过程又会停止。”论文第一作者、浙江大学博士生熊威说,他们正在寻找新方法,能控制绿藻的繁殖,那样离工业应用又近了一步。
  
  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。
  
  相关论文于10月发表于国际知名学术期刊《德国应用化学》杂志上。

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