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生物通官微
陪你抓住生命科技
跳动的脉搏
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利用藻类生产氢气
【字体： 大 中 小 】 时间：2002年05月15日 来源：
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今天，氢气，被普遍认为是可多方利用、不污染环境的能源载体，因而广受欢迎。比如，它可以驱动燃烧式发动机，它还可以通过燃料电池发电。 从原则上说，利用电解水分子的原理，人们可以获得无穷无尽的氢气。然而，这一电解过程所消耗的能量，比后来能够赢回来的还要多。但也许活生生的大自然，可能还是为氢气能源事业，提供了一条从生态角度而言较有意义的途径。这条途径，很可能将和绿藻有关。 这一希望，也得到了波恩大学植物所以哈珀为首的生物学家们最新科研成果的支持。他们利用不同的技巧，促使绿藻在光照的作用下，生成了人们梦寐以求的氢气，而且产量可观。 |
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早在大约60年前，人们就首次观察到绿藻可以生成氢气的现象。但长期以来，人们一直把这一现象，只当作是生物界的一项奇闻来看，并没有予以任何重视。一般来说，为了让植物细胞能够生成氢气，人们必须把这些细胞，与光和氧气隔绝一阵子。在这样的条件下，植物细胞内部一种可生成氢气的酶，也就是氢化酶，便会被激活。假如此时，人们再把这些绿藻，置入阳光下的话，氢气生产便会开始，但它只会延续几秒钟，最多几分钟的时间，便告结束。从经济角度而言，如此低的氢气产量，是没有什么意义的。 现在，人们已经可以刺激藻类，明显地提高其生产能力了。德国波恩的生物学家所获得的科研成果，也为此做出了很大贡献。就像所有绿色植物一样，绿藻也具备两套光合系统，它们是由类似于胡萝卜素和叶绿素这样的分子组成的。这些分子的特长，是收集和利用阳光。 这些光合系统，也可以被看成是某种由光照带动的电子传送带。植物细胞可以利用这些电子，合成能量丰富的化合物。就是氢气的生产过程，也和光合作用时所传送的电子数量有关。氢化酶，这个绿藻在进化发展过程中，所保留下来的残遗，就是利用电子，分别把两个、两个的质子，转化成一个个的氢分子。 然而，处于整条光合作用链第一节点上的光合系统，受到阳光辐照时所生产的，并不仅仅是电子。由于水分子，同时也被分解，所以，它也会生产出氧分子。恰恰这一效应，却是一个障碍，假如绿藻细胞应当起到氢气工厂的作用的话，因为氧气可以消除氢化酶的活性，使其处于瘫痪状态。 这也是绿藻为什么在过去的实验中，只能在很短的时间内，提供氢气的原因所在。一旦由于光合作用而产生的氧气，达到了一定的浓度之后，氢化酶，便停止了它们的工作。 多年前，科学家们就已经成功地利用一种抑制剂，有针对性地阻止了负责生成氧气的那个光合系统，继续工作。只不过，这样一来，这个系统，也就不再生成电子了，使得处于无氧状态下的绿藻，不得不转换它们的新陈代谢机制。它们开始降解其自身储藏的物质，比如淀粉和蛋白质。 这样的降解过程，同样也会生成电子。随后，这些电子又被另一个、不受抑制剂影响的光合系统，在阳光辐照的作用下，输送到高一级的能量上。这样一来，氢化酶便可以利用这些“高能”电子，转换释放出人们所希求的氢分子。 与此相比，最近才开发出来的另一种方法，就显得更为巧妙。这种方法的关键之处，在于去硫。假如给盛放在封闭式，也就是不流通的容器中的绿藻，供给不含硫的营养液的话，那么，即使这些绿藻受到阳光的辐照，它们所生成的氧气，也会越来越少，其产量可以逐步降到正常水准的十分之一。 与此同时，在所谓的细胞呼吸过程中，物质新陈代谢所需的氧气量，却不会减少。因此，营养液中的氧气含量，便会很快降低，氢化酶的活性，也就会相应地增强。也就是说，在缺硫的情况下，绿藻自己所选择的新陈代谢之路，其结果，恰恰是光照带动的氢气生产。 不过，最晚七天之后，这些氢气生产者的生产能力，便会明显下降。这时，必须要让它们歇息一下，重新进行正常的光合作用，再次积蓄淀粉和蛋白质，恢复体力。通过提高营养液的硫含量，便可以很容易地达到这一步。从某种意义上来说，硫元素，在此起着控制器的作用。人们可以依靠它，随意控制绿藻，要么生产氧气，要么生产氢气。 从纯计算的角度而言，一平方米面积的绿藻液，在德国的照仗跫拢刻炜梢蕴峁?/FONT>20克的氢气。理论上来说，大规模的设备，完全可能生产出数量可观的氢气，用于能源供应。然而，实际情况，和这个理论生产力的实现，还相隔甚远。 用波恩学者哈珀的话来说，就是目前还存在三个“生物障碍”。首先，至今在实验室里培养出来的绿藻，在进行电子输送时，顶多只利用了其光合能力的20％。此外，绿藻也进化发展出一种保护机制，当阳光辐照过强时，保护自己不受影响。这一保护机制，同样也降低了绿藻的氢气生产能力。第三个障碍，是这些绿藻，不能连续作业，而是不断需要长达两天的休息时间，以“恢复体力”。 此间，波恩的学者进一步研究了氢气生产的关键性单元，也就是氢化酶，它有多种亚种。科学家们成功地从不同的绿藻中，分离出氢化酶基因。现在，德国学者在一项由日本能源部资助的国际项目中，尝试把藻类的光合作用系统以及氢化酶，涂到人造膜上。 但波恩大学的哈珀却以为，直接利用藻类，更为简单。生物学家们已经把氢化酶基因，和一个控制元，嫁接在一起。后者的作用，是提高读氢化酶遗传信息的次数。带有这种基因构造的藻类，和它们的天然同类相比，氢气产量，提高了两到三倍。目前，波恩的生物学家正在和美国加州的一家新兴公司一起合作，检验藻类是否适合于用来进行氢气的大规模工业化生产。假如检验结果表明，这只是一个不可实现的幻想的话，那么科学家们至今的努力，也并不是徒劳的。他们的科研成果，今天，就已经丰富了生物学的基础研究。 摘自 科技之光 |
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