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藻类+液滴+光照=氢气:哈工大科学家研发微生物迷你制氢厂

澎湃新闻记者 虞涵棋
2020-11-26 20:12
来源:澎湃新闻
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你知道,植物光合作用不仅可以释放氧气,还可以产生氢气吗?

哈尔滨工业大学化工学院高分子科学与工程系教授黄鑫团队与英国布里斯托大学研究团队合作,将许多活藻类细胞包裹在小液滴中,紧密地挤压在一起,在缺氧条件下胁迫它们通过另类光合作用产生氧气,犹如一个个迷你的制氢工厂。相关论文发表在11月25日的《自然-通讯》杂志上。

电子显微镜下被挤压在一起的藻类细胞,比例尺:10微米

氢是一种清洁能源,其燃烧产物只有水。尽管氢能产业近年来取得了较大的发展,但许多工业制氢方法本身要耗费许多能源。因此,科学家们也在探索更加绿色的生产途径。

正常情况下,藻类细胞会通过光合作用固定二氧化碳,同时释放出氧气。后来,科学家发现藻类细胞中除了进行光合作用的光系统I和II以外,还存在着一种氢酶。当氢酶被激活后,藻类就能在进行光合作用的时候产生氢气。

激活氢酶的“开关”就是氧气水平。这种酶对氧气非常敏感,在有氧的情况下,氢酶迅速失去活性。所以在正常光照条件下,绿藻通常是进行光合作用,产生氧气。氢酶被激活而产生氢气,是藻类应对缺氧等“胁迫”状况下产生的一种应激反应。

那么,如何能让大量藻类细胞高效且协同地大规模生产氢气呢?该研究团队想到了一种近来在组装活细胞方面大显身手的工具——油包水乳状液滴。他们把聚乙二醇包右旋糖酐乳状液滴作为“罐头”,对藻类细胞实施捕获、空间排列和固定。渗透压将这些藻类紧密堆积成多细胞球体,大概每个液滴中都藏着1万个藻类细胞,而尺寸只有不0.1毫米。

这些“藻类细胞罐头”能在日光条件下同时启动有氧和缺氧两种光合作用,表面产生氧气,内部则制造出氢气。

为了提高制氢效率,研究团队还在这些液滴上覆盖了一层薄薄的细菌外壳。这些细菌能够消耗氧气,从而增加激活氢酶的藻类细胞数量。

布里斯托尔大学教授斯蒂芬·曼(Stephen Mann)表示,利用简单的液滴作为载体,在人工微空间中控制藻类细胞的组织和光合作用,是一种潜在的环境友好的制氢方法。他们希望在未来的工作中加以发展。

黄鑫也认为,这种微生物反应器简单易行,在不损害活细胞生存能力的情况下扩大规模应该可行。“它似乎也很柔性。比如说,我们最近在液滴中捕获了大量酵母细胞,并使用微生物反应器生产乙醇。”

    责任编辑:李跃群
    校对:张艳
    澎湃新闻报料:021-962866
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