基于材料功能化的微藻光合产氢研究

Microalgaes are very important photosynthesis organisms in nature, which are considered to be one of the most promising biological energy materials. We suggest to biomimeticly modify the microalgae cells based on materials by surface functionalization and to construct a microalgae-biomimetic material complex which can produce hydrogen with high efficiency by photosynthesis. The key point of the project is to construct a microalge-material complex with defined function and hierarchical structure by mineralization layer with special function while the activity of microalgae is kept. Furthermore, the hydrogen production from the photosynthesis of microalgaes can be regulated by adjusting the phase, size and morphology of inorganic layer. We think that a kind of new photosynthesis reactor can be constructed by compositing cell and materials, where it is a key science point to regulate the biomimetic mineralization and assemblying of microlagaes, which require us to find the functional site on microalgae cell related to mineralization and study the effect of inorganic 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.

微藻是自然界中非常重要的光合作用生物，被认为是非常有希望的生物能源材料。受硅藻的结构启发，我们提出通过基于材料的微藻细胞表面功能化方法，对微藻细胞进行仿生功能化改造，构建具有高效光合产氢的微藻-仿生材料复合结构。本项目的要点是，在保持微藻原有活性和功能的同时，通过形成具有特殊功能的无机矿化层，诱导微藻细胞的组装，构建具有特定功能和多级结构的微藻复合体，还可以进一步通过对外壳中纳米材料晶态、尺寸、形貌的调控优化微藻的光合产氢过程。我们认为，通过细胞和材料的复合能够构建出一些新型光合作用反应器，其中对微藻仿生矿化和组装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矿化相关的作用位点，通过生物-无机界面研究探索材料对细胞的功能化机制。同时，结合了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。

微藻可以通过光合系统吸收太阳能，将水分子（H2O）裂解为电子（e -）和 氢离子（H +），在高催化活性的[FeFe]-氢酶的作用下将e -和H +重组为氢气（H2）。 因此，微藻的光合产氢具有能量转化效率高、环境友好、原料丰富等优势，在太阳能利用和氢能生产方面具有光明的应用前景。本项目首先选取莱茵衣藻作为研究对象，自主设计了一套光合藻类生物制氢的反应器，在这套反应装置中研究简单地通过氮气诱导莱茵衣藻光合产氢的机制。提出了一种通过氮气换氢气的绿色可持续产氢策略。低光强且部分遮光条件下与持续稳定流量的氮气气氛协同作用为莱茵衣藻建立了一个理想的产氢微环境，实现其一周时间的连续高效光合产氢。同时通过仿生硅矿化诱导了藻菌聚集体的构建，并研究了聚集体的光合产氢行为；最后还研究了缺硫条件下的小球藻聚集体的光合产氢。本研究为微藻光合产氢的规模化应用提供了重要的参考方向。