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◎本報(bào)記者 魏依晨

微藻不僅是地球上古老而又廣泛存在的光合作用生物，同時(shí)也是地球上光合作用效率最高的生物，其光合作用效率是陸生植物的10—50倍。

如今，對(duì)微藻光合作用能量的利用有了新途徑。近日，南昌大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院特聘教授熊威聯(lián)合浙江大學(xué)化學(xué)系唐?？到淌谠凇秶?guó)家科學(xué)評(píng)論》上首次提出了“微藻—材料復(fù)合體”的概念，系統(tǒng)地梳理了這一復(fù)合體的構(gòu)建方法及其在能源、環(huán)境和健康領(lǐng)域的應(yīng)用，闡釋了微藻—材料復(fù)合的化學(xué)機(jī)制。

材料與微藻結(jié)合有助于實(shí)現(xiàn)碳中和

當(dāng)前，全球正面臨著碳減排和資源短缺的雙重壓力，而微藻又被視為極具潛力的新型微生物光合平臺(tái)，具有將太陽(yáng)能和二氧化碳直接轉(zhuǎn)化為各種生物基產(chǎn)品的潛力，該生產(chǎn)模式被稱為光驅(qū)固碳合成技術(shù)，可以同時(shí)起到固碳減排和綠色合成的效果，是有望助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的新型生物制造技術(shù)路線。

“據(jù)估算，微藻每年可固定二氧化碳約900億噸，以微藻為代表的海洋浮游植物年固碳量占全球凈光合固碳的40%以上?！?月14日，熊威在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說(shuō)，然而受制于微藻自身的特性，微藻光合作用能量轉(zhuǎn)化尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。

“在自然界中，生命體可以通過(guò)生物礦化為自身形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)功能的進(jìn)化并增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。受到生物礦化現(xiàn)象的啟發(fā)，科學(xué)家們嘗試通過(guò)材料與微藻的結(jié)合，賦予微藻新的功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微藻光合作用能量的利用。”上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院馬為民教授認(rèn)為，相比于傳統(tǒng)的基因工程改造，這種基于材料的微藻功能化改造操作更加簡(jiǎn)便，成本更加低廉。未來(lái)，微藻—材料復(fù)合技術(shù)在清潔能源、環(huán)境保護(hù)和生命健康等領(lǐng)域的應(yīng)用將有助于實(shí)現(xiàn)碳中和。

據(jù)了解，微藻—材料復(fù)合體的研究已經(jīng)進(jìn)行了十多年，其目的是在能源、環(huán)境和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用中增強(qiáng)復(fù)合體的生物功能。微藻與材料的復(fù)合已經(jīng)在二氧化碳固定、氫氣生產(chǎn)、生物電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和生物醫(yī)學(xué)治療等方面取得了重要進(jìn)展。

兩種機(jī)制讓微藻功能得到改進(jìn)

“微藻光合固碳的應(yīng)用受到細(xì)胞穩(wěn)定性和可重復(fù)利用性的限制?！毙芡f(shuō)，二氧化硅固定化藍(lán)藻是微藻—材料復(fù)合體增強(qiáng)光合能量轉(zhuǎn)換的開(kāi)創(chuàng)性嘗試，為提高微藻光合固碳能力開(kāi)辟了新的道路。隨后研究團(tuán)隊(duì)又發(fā)展了二氧化硅單細(xì)胞包裹藍(lán)藻提高光合作用效率的策略。通過(guò)材料誘導(dǎo)微藻聚集，還能促使微藻在固碳的同時(shí)產(chǎn)生氫氣。

光合作用的過(guò)程伴隨著生物電流。然而，生物電只存在于藍(lán)藻細(xì)胞或葉綠體內(nèi)。如果要利用胞內(nèi)生物電，光合作用產(chǎn)生的電子必須穿過(guò)細(xì)胞質(zhì)到達(dá)細(xì)胞質(zhì)膜并輸出到外部電極?！盎谖⒃濉姌O復(fù)合的生物光伏系統(tǒng)（BPV）為生物電化學(xué)能量的高效轉(zhuǎn)換提供了一種方式?！毙芡f(shuō)。

“微藻—材料相互作用有兩個(gè)層面的含義，一是材料誘導(dǎo)構(gòu)建微藻—材料復(fù)合體，二是材料對(duì)微藻功能進(jìn)行改進(jìn)?！毙芡忉尩溃瑥臉?gòu)建微藻—材料復(fù)合體的角度來(lái)看，其化學(xué)機(jī)制是微藻通過(guò)分子間作用力、共價(jià)鍵或配位鍵與材料結(jié)合形成生物—非生物界面，材料通過(guò)干擾微藻與胞外環(huán)境之間的物質(zhì)和能量傳遞來(lái)影響微藻的功能。除了微藻—材料復(fù)合體的結(jié)構(gòu)外，復(fù)合體結(jié)構(gòu)中微藻—材料的相互作用是最關(guān)鍵的問(wèn)題。

“基于以上研究，我們提出了材料改進(jìn)微藻功能的兩種機(jī)制：一是微藻與材料間的電子傳遞，二是材料誘導(dǎo)的細(xì)胞微環(huán)境轉(zhuǎn)變?！毙芡f(shuō)。

據(jù)了解，目前藍(lán)藻和綠藻是用于構(gòu)建微藻—材料復(fù)合體的最主要的兩個(gè)微藻種類。然而，還有許多其他門類的微藻有待研究。除了微藻本身的特性外，合適的材料策略是影響微藻—材料復(fù)合體功能的關(guān)鍵因素。

熊威說(shuō)，在微藻細(xì)胞表面原位形成仿生材料是構(gòu)建微藻—材料復(fù)合體的主要途徑，但該途徑仍存在許多有待解決的問(wèn)題?！半x心操作對(duì)細(xì)胞造成的損傷不可避免，細(xì)胞表面的精細(xì)材料結(jié)構(gòu)尚未實(shí)現(xiàn)，微藻—材料復(fù)合體的循環(huán)利用性有待改進(jìn)，微藻—材料復(fù)合體的壽命有限……這些問(wèn)題都要逐一去解決。”熊威說(shuō)。

熊威認(rèn)為，這些研究強(qiáng)調(diào)了材料對(duì)微藻的改造作用，凸顯了材料在生物進(jìn)化中的重要意義，為材料在生物學(xué)中的應(yīng)用提供了創(chuàng)新的思路。