◎本報記者 魏依晨

微藻不僅是地球上古老而又廣泛存在的光合作用生物，同時也是地球上光合作用效率最高的生物，其光合作用效率是陸生植物的10—50倍。

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如今，對微藻光合作用能量的利用有了新途徑。近日，南昌大學化學化工學院特聘教授熊威聯合浙江大學化學系唐睿康教授在《國家科學評論》上首次提出了“微藻—材料復合體”的概念，系統地梳理了這一復合體的構建方法及其在能源、環境和健康領域的應用，闡釋了微藻—材料復合的化學機制。

材料與微藻結合有助于實現碳中和

當前，全球正面臨著碳減排和資源短缺的雙重壓力，而微藻又被視為極具潛力的新型微生物光合平臺，具有將太陽能和二氧化碳直接轉化為各種生物基產品的潛力，該生產模式被稱為光驅固碳合成技術，可以同時起到固碳減排和綠色合成的效果，是有望助力“雙碳”目標實現的新型生物制造技術路線。

“據估算，微藻每年可固定二氧化碳約900億噸，以微藻為代表的海洋浮游植物年固碳量占全球凈光合固碳的40%以上。”8月14日，熊威在接受科技日報記者采訪時說，然而受制于微藻自身的特性，微藻光合作用能量轉化尚無法實現大規模應用。

“在自然界中，生命體可以通過生物礦化為自身形成有機—無機復合材料，以實現功能的進化并增強環境適應性。受到生物礦化現象的啟發，科學家們嘗試通過材料與微藻的結合，賦予微藻新的功能，以實現對微藻光合作用能量的利用。”上海師范大學生命科學學院馬為民教授認為，相比于傳統的基因工程改造，這種基于材料的微藻功能化改造操作更加簡便，成本更加低廉。未來，微藻—材料復合技術在清潔能源、環境保護和生命健康等領域的應用將有助于實現碳中和。

據了解，微藻—材料復合體的研究已經進行了十多年，其目的是在能源、環境和醫學等領域的應用中增強復合體的生物功能。微藻與材料的復合已經在二氧化碳固定、氫氣生產、生物電化學能量轉換和生物醫學治療等方面取得了重要進展。

兩種機制讓微藻功能得到改進

“微藻光合固碳的應用受到細胞穩定性和可重復利用性的限制。”熊威說，二氧化硅固定化藍藻是微藻—材料復合體增強光合能量轉換的開創性嘗試，為提高微藻光合固碳能力開辟了新的道路。隨后研究團隊又發展了二氧化硅單細胞包裹藍藻提高光合作用效率的策略。通過材料誘導微藻聚集，還能促使微藻在固碳的同時產生氫氣。

光合作用的過程伴隨著生物電流。然而，生物電只存在于藍藻細胞或葉綠體內。如果要利用胞內生物電，光合作用產生的電子必須穿過細胞質到達細胞質膜并輸出到外部電極。“基于微藻—電極復合的生物光伏系統（BPV）為生物電化學能量的高效轉換提供了一種方式。”熊威說。

“微藻—材料相互作用有兩個層面的含義，一是材料誘導構建微藻—材料復合體，二是材料對微藻功能進行改進。”熊威解釋道，從構建微藻—材料復合體的角度來看，其化學機制是微藻通過分子間作用力、共價鍵或配位鍵與材料結合形成生物—非生物界面，材料通過干擾微藻與胞外環境之間的物質和能量傳遞來影響微藻的功能。除了微藻—材料復合體的結構外，復合體結構中微藻—材料的相互作用是最關鍵的問題。

“基于以上研究，我們提出了材料改進微藻功能的兩種機制：一是微藻與材料間的電子傳遞，二是材料誘導的細胞微環境轉變。”熊威說。

據了解，目前藍藻和綠藻是用于構建微藻—材料復合體的最主要的兩個微藻種類。然而，還有許多其他門類的微藻有待研究。除了微藻本身的特性外，合適的材料策略是影響微藻—材料復合體功能的關鍵因素。

熊威說，在微藻細胞表面原位形成仿生材料是構建微藻—材料復合體的主要途徑，但該途徑仍存在許多有待解決的問題。“離心操作對細胞造成的損傷不可避免，細胞表面的精細材料結構尚未實現，微藻—材料復合體的循環利用性有待改進，微藻—材料復合體的壽命有限……這些問題都要逐一去解決。”熊威說。

熊威認為，這些研究強調了材料對微藻的改造作用，凸顯了材料在生物進化中的重要意義，為材料在生物學中的應用提供了創新的思路。

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