仿生硅矿化提高蓝藻光合作用效率的研究

Cyanobacteria which is a kind of important organisms in nature, is able to photosynthesize.Its photosynthesis is usually influenced by enviroment.Compared to cyanobacteria, diatom show better adaptablility to enviroment due to its silica shell. We suggest that the photosynthesis efficiecy and adaptability to enviroment of cyanobacteria can be improved by biomimetic silicification. The key point of the project is constructing silica layer on cyanobacteria releases enviromental stress and meanwhile, cyanobacteria maintain its original activity and function. Furthermore, the photosynthesis of cyanobacteria can be regulated by adjusting the phase, size and morphology of silica layer. We think that a kind of new photosynthesis reactor can be constructed by compositing cell and materials, where biomimetic mineralization is an important tool. It is a key science point to regulate the biomimetic silicification of cyanobacteria,which require us to find the functional site on cyanobateria cell related to silicification and study the effect of silica materials on the function of cell. The specialty of the project is to supply a new way for the fusion between inorganic materials and biological science by combining the study of biomineralization into living function of organisms.

蓝藻是自然界具有光合作用能力的重要生物体，但其功能往往受到环境的影响。相对于蓝藻，硅藻由于拥有二氧化硅外壳具有更好的环境适应能力。因此我们提出，在蓝藻表面仿生开展硅矿化研究可以改善蓝藻对外界环境的耐受力，进而提高其光合作用效率。本项目的要点是，在保持蓝藻原有活性和功能的同时，通过构建二氧化硅矿化层，降低外界环境胁迫对蓝藻光合作用过程的影响，还可以进一步通过对外壳中纳米硅材料晶态、尺寸、形貌的调控优化蓝藻的光合作用过程。我们认为，通过细胞和材料的复合能够构建出一种新型光合作用反应器而仿生矿化是重要的实现手段，其中对蓝藻仿生硅矿化能力的调控是关键科学问题，这需要我们能够发现并理解细胞表面与硅矿化相关的作用位点，通过生物-无机界面界面研究探索硅材料对细胞的功能化机制。该工作的特点是以蓝藻的光合作用为研究对象，结合生物矿化和生物体活性功能的研究，能为无机功能材料和生命科学的交叉提供新思路。

利用大自然物质及太阳能是当今世界上解决能源短缺问题以及降低甚至消除由大量二氧化碳排放而引起的环境污染和温室效应的重要发展战略和方向，也是当前世界科学研究的前沿和热点。光合藻类可以通过光合作用将丰富的太阳能储存和转变为生物质能。然而藻类的光合作用效率还比较低。我们利用细胞壳化技术，通过仿生硅矿化复合将功能材料以壳的形式和细胞实现复合，从而人工地促进藻类细胞功能化改造，得到具有特殊多层次结构的细胞-材料复合体。实现了绿藻在自然条件下高效，长时间的光合产氢以及通过二氧化铈修饰后的绿藻细胞在人造紫外光的辐射下显示了更好的光合作用活性，大幅提高了藻类的光合作用效率。这种基于材料方法的生物改造十分直接、简便和有效，和生物改造相比具有更好的应用性和经济性优势。这些材料不仅具有特殊的生物功能，而且还能通过和细胞的进一步结合为细胞的生长和发育提供新的环境，实现了细胞和功能材料的有机复合，形成具有生命体的功能材料，在医学，环境，能源等领域有着广泛的应用前景。