德國及葡萄牙研究團隊發展新方法延長藍綠藻產氫活性

藍藻在數十億年前通過光合作用產生氧氣，對地球生命的形成起到了重要作用。今天，科學家將這些微生物視為清潔能源生產的潛在工具，尤其是在開發可持續氫燃料的競賽中。德國和葡萄牙的研究人員目前已開發出一種新方法，使產氫藍藻能夠更長時間保持活性。這一突破解決了生物氫生產面臨的最大挑戰之一：氧氣幹擾。國際研究團隊設計了一種電化學系統，保護藍藻內部的敏感酶在光合作用過程中免受氧氣的損害。

他們的研究成果發表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，可能促進未來可再生氫技術的發展。

氧氣挑戰的解決方案氫氣已成為全球清潔能源部門的主要焦點。美國的政府和企業不斷在低碳氫氣系統上進行大量投資，應用於運輸、製造、航空和電力生產。然而，在不依賴化石燃料的情況下生產氫氣仍然成本高昂且技術困難。藍藻，通常稱為藍綠藻，利用陽光、水和二氧化碳進行自然光合作用。在某些條件下，它們也能產生氫氣。這種能力使它們在可再生能源研究中備受青睞，因為它們不依賴傳統工業燃料來源。

問題在於氧氣。在光合作用過程中，藍藻釋放氧氣，這會迅速損害負責氫氣生產的氫化酶。研究人員多年來一直在與這一矛盾作鬥爭。現有的方法通常需要額外的化學物質或外部碳源來去除氧氣，這些方法增加了成本並降低了可持續性。有些系統還消耗額外的能源，限制了大規模應用。

藍藻的新方法提高了氫氣生產的效率

新研究提出了一種不同的解決方案，避免了許多這些缺陷。聚合物創造了安全區域來自卡塞爾大學、波鴻魯爾大學和里斯本 NOVA 大學的科學家將藍藻細胞嵌入到一種特殊設計的氧化還原聚合物中，該聚合物附著在電極上。這種聚合物含有在施加電壓時會反應的維奧爾根基團。這種反應直接去除了細胞周圍的氧氣，創造了一個局部的無氧環境。通過將氫化酶屏蔽於氧氣暴露之外，這些酶得以更長時間運作。

該設置允許在微生物仍然在光照下進行光合作用的同時持續產氫。研究人員將這一過程描述為邁向可擴展生物氫生產的重要一步。與傳統氫氣系統不同，該設置依賴於活生物體，這些生物體可能會隨著時間的推移自然修復。

卡塞爾大學的 Kirstin Gutekunst 教授表示：「我們的研究方法結合了活細胞的優勢和電化學系統的精確性。」她補充道，這項技術可能幫助未來的生物光伏系統更有效地將陽光直接轉換為氫燃料。研究團隊還對藍藻進行了基因改造，以進一步提高其性能。研究人員將氫化酶直接連接到光合作用的核心組件——光系統 I。這些工程菌株在相同的聚合物系統中產生氫氣的穩定性和持續性均優於天然藍藻。

科學家們相信，這些研究結果可能有助於開發下一代可再生能源系統，結合生物學和電化學以實現更清潔的氫氣生產。該研究發表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上。