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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《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。（来源：科技部）
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