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绿藻就能在进行光合作用时产生氢气澳门新葡亰4588,科学家就发现绿藻细胞中存在着一种氢酶

2019年8月17日 - 高校联播
绿藻就能在进行光合作用时产生氢气澳门新葡亰4588,科学家就发现绿藻细胞中存在着一种氢酶

通过跨学科合作,科学家们为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利用光合作用产氢,每升“绿藻侠”可产生17毫升氢气。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出了全新的思路。浙江大学求是高等研究院徐旭荣副教授课题组,联合浙大化学系教授唐睿康、上海师范大学藻类光合作用与生物能源转化实验室教授马为民开展了这项研究工作。沉睡的“氢酶”作为一类零碳能源,氢能绿色环保,十分理想。可氢气从哪里来呢?当前,氢气主要来源于石化产业,从石油中制取。科学家们一直在探索,能否借助自然界中现成的“设备”,利用太阳能分解水来产生氢气?藻类细胞的希望很大。30多年前,科学家发现绿藻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,绿藻就能在进行光合作用的时候产生氢气,然而氢酶对氧气非常敏感,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。”徐旭荣老师说,实际上氢酶被激活而产生氢气,是绿藻应对缺氧等“胁迫”状况下产生的一种应激反应,能否对绿藻进行改造,隔绝氧气,重新“唤醒”氢酶呢?徐旭荣的合作者之一,化学系的唐睿康教授长期从事生物矿化研究。他有一项“绝活”,即通过生物矿化手段,给细胞“穿”上一层外衣,从而赋予细胞不同的性能。“如果绿藻也被‘包裹’起来,是否可以人为制造缺氧环境呢?”“绿藻侠”抱团产氢课题组尝试用二氧化硅去包裹绿藻。和预想不一样的是,单个的绿藻细胞不能产氢,只是进行正常的光合作用,产生氧气。但他们“意外”发现,当一个个“穿”着二氧化硅的绿藻逐渐粘合在一起,形成了一个个绿藻复合体时,在培养绿藻的试管上方,探针既探测到了氧气,也探测到了氢气。实验证实,在正常的光照条件下,绿藻团能持续地产生氢气,目前最长时间可达72小时。“在电子显微镜下,我们看到直径大约100微米的绿藻复合体,里面包含大约5000个左右绿藻。”课题组博士生熊威解释说,处于复合体内部的那部分绿藻,因为空间密闭,它们光合作用产生的氧气恰好被呼吸作用消耗掉,不会有“多余”的氧气去抑制氢酶。“外层的绿藻进行正常的光合作用产生氧气但同时隔绝内部细胞和外界的接触;内部的绿藻通过光合产氧和呼吸作用的平衡制造出一个既能维持绿藻细胞光合活性但同时能够激活氢酶的无氧条件,通过这样的方式激活氢酶从而实现了光合产氢,其产氢效率等同于正常的光合作用。”在此之前,科学界也有让绿藻产氢的各种尝试。最经典的要数美国加州大学伯克利分校学者的两步法间接光解水制氢工艺,第一步是绿藻进行光合作用,固定二氧化碳,释放氧气,获得生物量的积累;第二步是在无硫、厌氧的环境中诱导氢酶的高表达。美国能源部认为这项技术有望最终达到市场可接受的生产成本。“两步法是从‘时间’上对产氧和产氢过程进行分隔来实现绿藻产氢,而我们的方法则是通过‘空间’上对产氧和产氢过程进行分离,实现了细胞的空间功能分化。”唐睿康说,相比之前的方法,仿生硅化的手段没有破坏绿藻正常的生命过程,能实现持续产氢,在工艺上更具操作性与便捷性。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。”熊威说,他们正在寻找方法,能控制绿藻的繁殖,那样就又离工业应用近了一步。(2015-11-20)

澳门新葡亰4588 1绿藻产氢的显色反应(左边是三氧化钨的原来颜色,右边则由于产氢变色)。
澳门新葡亰4588 2电镜下看到的穿上二氧化硅外衣的绿藻
(研究团队供图)澳门新葡亰4588 3博士生熊威展示绿藻产氢试验过程。通过跨学科合作,科学家们为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利用光合作用产氢,每升“绿藻侠”可产生17毫升氢气。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出了全新的思路。浙江大学求是高等研究院徐旭荣副教授课题组,联合浙大化学系教授唐睿康,上海师范大学藻类光合作用与生物能源转化实验室教授马为民开展了这项研究工作,研究论文“Silicification-Induced
Cell Aggregation for the Sustainable Production of H2 under Aerobic
Conditions.”(《硅化诱导的细胞团聚实现有氧条件下的可持续产氢》)发表在最新一期Angew.
Chem. Int.
Ed.(德国《应用化学》)上。沉睡的“氢酶”作为一类零碳能源,氢能绿色环保,十分理想。可氢气从哪里来呢?当前,氢气主要来源于石化产业,从石油中制取。科学家们一直在探索,能否借助自然界中现成的“设备”,利用太阳能分解水来产生氢气?藻类细胞的希望很大。30多年前,科学家发现绿藻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,绿藻就能在进行光合作用的时候产生氢气,然而氢酶对氧气非常敏感,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。”徐旭荣老师说,实际上氢酶被激活而产生氢气,是绿藻应对缺氧等“胁迫”状况下产生的一种应激反应,能否对绿藻进行改造,隔绝氧气,重新“唤醒”氢酶呢?徐旭荣的合作者之一,化学系的唐睿康教授长期从事生物矿化研究。他有一项“绝活”,即通过生物矿化手段,给细胞“穿”上一层外衣,从而赋予细胞不同的性能。“如果绿藻也被‘包裹’起来,是否可以人为制造缺氧环境呢?”“绿藻侠”抱团产氢课题组尝试用二氧化硅去包裹绿藻。和预想不一样的是,单个的绿藻细胞不能产氢,只是进行正常的光合作用,产生氧气。但他们“意外”发现,当一个个“穿”着二氧化硅的绿藻逐渐粘合在一起,形成了一个个绿藻复合体时,在培养绿藻的试管上方,探针既探测到了氧气,也探测到了氢气。实验证实,在正常的光照条件下,绿藻团能持续地产生氢气,目前最长时间可达72小时。“在电子显微镜下,我们看到直径大约100微米的绿藻复合体,里面包含大约5000个左右绿藻。”课题组博士生熊威解释说,处于复合体内部的那部分绿藻,因为空间密闭,它们光合作用产生的氧气恰好被呼吸作用消耗掉,不会有“多余”的氧气去抑制氢酶。“外层的绿藻进行正常的光合作用产生氧气但同时隔绝内部细胞和外界的接触;内部的绿藻通过光合产氧和呼吸作用的平衡制造出一个既能维持绿藻细胞光合活性但同时能够激活氢酶的无氧条件,通过这样的方式激活氢酶从而实现了光合产氢,其产氢效率等同于正常的光合作用。”挑战经典
在此之前,科学界也有让绿藻产氢的各种尝试。最经典的要数美国加州大学伯克利分校的Melis等人的两步法间接光解水制氢工艺,第一步是绿藻进行光合作用,固定二氧化碳,释放氧气,获得生物量的积累;第二步是在无硫、厌氧的环境中诱导氢酶的高表达。美国能源部认为这项技术有望最终达到市场可接受的生产成本。“两步法是从‘时间’上对产氧和产氢过程进行分隔来实现绿藻产氢,而我们的方法则是通过‘空间’上对产氧和产氢过程进行分离,实现了细胞的空间功能分化(spatial–functional
differentiation)。”唐睿康说,相比之前的方法,仿生硅化的手段没有破坏绿藻正常的生命过程,能实现持续产氢,在工艺上更具操作性与便捷性。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。”熊威说,我们正在寻找方法,能控制绿藻的繁殖,那样就又离工业应用近了一步。(文
周炜/ 摄影 周立超)

澳门新葡亰4588 4澳门新葡亰4588 5上图:绿藻产氢的显色反应示意图(左边是三氧化钨的原来颜色,右边则由于产氢变色)。
研究团队供图

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。

本报讯
作为零碳排放能源,氢能绿色环保,是十分理想的.当前,氢气主要从石油中制取,成本非常高。科学家们一直在探索:能否借助自然界中现成的“设备”,来制造氢气。昨天从浙江大学传来消息,浙江大学求是高等研究院徐旭荣副教授课题组,联合浙大化学系的唐睿康教授、上海师范大学藻类光合作用与生物能源转化实验室的马为民教授,共同开展这项研究工作,取得突破。通过跨学科合作,科学家们改造了一种绿藻细胞,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。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。相关研究论文近期发表在Angew.
Chem. Int.
Ed.(德国《应用化学》)上。30多年前,科学家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的时候产生氢气。“但是氢酶对氧气非常敏感,在有氧的情况下,氢酶迅速失去活性,就不能产生氢气。”徐旭荣老师说,实际上氢酶被激活产生氢气这种情况,是绿藻在应对缺氧的状况下,产生的一种应激反应。能否对绿藻进行改造,隔绝氧气,唤醒氢酶呢?徐旭荣的合作者之一,化学系的唐睿康教授长期从事生物矿化研究。他有一项绝活——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,又赋予细胞新的性能。如果绿藻也被“包裹”起来,是否可以人为制造缺氧环境呢?课题组尝试用二氧化硅去包裹绿藻。实验发现了有趣的现象:单个的绿藻细胞不能产氢,只是进行正常的光合作用,产生氧气。但是,当一个个“穿”着二氧化硅外衣的绿藻逐渐粘合在一起,形成了一个个绿藻团聚体时,科学家在培养绿藻的试管上方,用探针检测,既探测到了氧气,也探测到了氢气。实验证实,在正常的光照条件下,绿藻团聚体能持续地产生氢气,目前最长时间可达72小时。(本报通讯员
周炜 本报记者 章咪佳)

编者按:创新带来活力,创新引领未来。深入实施创新驱动发展战略,必须发挥科技创新在全面创新中的引领作用。浙大和上海师范大学的科学家多年来锲而不舍攻关钻研,在吸取世界先进技术的基础上团结协作,最终取得了重要突破,展现了不竭的创新精神。本报杭州11月3日讯
(记者 曾福泉 通讯员 周炜)
记者3日从浙江大学获悉,浙大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。”(2015-11-4)

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。

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