浙江大学和上海师范大学的科学家通过跨学科合作，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，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》）已发表于最新一期的《应用化学》杂志。（Angew. Chem. Int. Ed.）。

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。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？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。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，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。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。

　 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。科学家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。

　 在此之前，科学界也有让绿藻产氢的各种尝试。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）。”研究人员唐睿康说，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。　　　　

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。目前，研究团队正在试图破解绿藻生长失控的难题，控制绿藻的繁殖，那样就又离工业应用近了一步。

原文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.201504634/full

综合科技日报、浙江大学报道