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科学网—[转载]植物能够「制造」出氧气，为何不能「制造」出氢气？

花匠小妙招
2024-12-31 14:49

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宮非

台湾科技大学工学博士

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2019-03-27

谁说植物不能产氢？有些绿藻在无氧条件下是可以产氢的，但这种现象通常被看作是绿藻面对缺氧胁迫环境的应急反应。浙江大学化学系唐睿康教授的研究发现，绿藻细胞中存在一种「氢酶，hydrogenase」，当绿藻缺氧时氢酶就会被激活，能在光合作用时产生氢气。（如图 1）

通过对绿藻仿生矿化改造诱导绿藻的自发聚集，可以在保证光合系统II活性的同时激活氢酶，从而改变绿藻的光合途径，实现在自然条件下直接分解水产生氢气。

通常，植物行光合作用是利用阳光照射树叶时，将二氧化碳和水转化为氧和葡萄糖。不过，早在 1930 年代，莱茵衣藻在无氧条件下产生氢气的现象就被发现了，但是随后的研究发现产氢的活性受到氧气的抑制，即在富氧的正常条件下，并不产生氢气，只有在无氧条件下才产生少量氢气，难以应用于工业化生产。到了 1970 年代，在全球能源危机和环境污染的背景下，微型绿藻产氢的研究又重新受到重视。回到前面提到：莱茵衣藻在无氧条件下产氢，被看作是莱茵衣藻面对缺氧胁迫环境的应急反应，产生的氢气只是副产物。正常条件下，同其他绿色植物一样通过光合作用制造有机物从而获得能量；一旦面临缺氧环境，就通过产氢代谢途径，启动新的能量供应转化程序。

绿藻可用于产制氢气最早发表于 1942 年，两位在芝加哥大学的科学家 Hans Gaffron 与 Jack Rubin 观察到在缺氧状态，同时没有二氧化碳存在下，绿藻可产生氢气，只是发生时间非常短暂，产生氢气也非常微量。在而后将近 60 年的时间，许多人努力想开发此途径做为氢气的来源，一直没有显著的突破。直到 1999 年，由 UC Berkely 的 Melis 教授和美国国家再生能源实验室（NREL）的 Seibert 等研究员发表他们从 1997 年开始进行的系列实验室结果，才又大幅提升人们对这方面研究的热衷。当时他们发现借由停止供应培养藻类所需的硫跟氧氧的话，可引导藻类产制氢气，但一段时间后需回复供给，否则藻类会死亡。他们也发现可以重覆循环的操作上述步骤，间歇性的产制氢气。

其实，光合作用包含二个程序，如图 2 所示，第一个程序（photosystem Ⅱ complex, PSII）为叶绿素或其它色素吸收太阳光，同时将水分子分解产生氧气、质子与电子。电子与质子负责提供化学能给第二个程序（photosystem I complex, PSI, Calvin cycle)，将二氧化碳与水转化成醣类。两个程序中，虽然只有第一个程序需要阳光，但是当没有光线时，两个程序均同时停止运作。有趣的是，当光线回复照射时，第一个程序会迅速的启动，但第二个程序则较缓，此时植物细胞会处于较高的电子浓度之下。过高的电子浓度将对植物细胞产生伤害，因此，此时多余的电子将由质子吸收，形成对植物细胞无害的氢气。然而协助产制氢气的酶（hydrogenase）其功能会受制于氧气，随着第一个程序发生不久，产氢的功能即被抑制，此时第二个程序也开始运行。这也就是为什么绿藻产氢量很少，且时间很短。

绿藻产氢之原理。

就如同其它的再生能源技术，目前的绿藻产氢技术相较于石化能源，仍不具备商业化竞爭力。依据 Melis 教授与美国能源部的研究推估，如果 50% 的光合作用能力被移转用来产氢，将使绿藻具备足够的商业竞争力。他们推估在此效率之下，一公斤氢气约 2.8 美元，而一公斤氢气会有的能量约等于一加仑汽油的能源含量，同时一英畂地每天约可产生 40 公斤的氢气。正常情况下，仅约 3-5%的光合作用能力用来生产氢气，在 1999 年时，Melis 以间歇性停止供应硫化物作法产氢，将效率提升 10% 左右，但距 50% 仍有段距离。

Ref.: Adv. Mater.,2017,29, 1605903, DOI: 10.1002/adma.201605903.

编辑于 2020-09-06

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宋西凹