基于光合作用的生物能源——從基礎(chǔ)研究到應(yīng)用

楊春虹, 常文瑞

1.中國科學(xué)院植物研究所，北京 100093；2.中國科學(xué)院生物物理研究所，北京 100101

能源的現(xiàn)狀與思考

隨著社會的發(fā)展和能源的不斷消耗，地球儲存的能源已日趨枯竭，僅按最保守的估計，到2050年，世界的能源需求也將達到目前的2倍[1]，但現(xiàn)有的能源系統(tǒng)還遠遠滿足不了可持續(xù)發(fā)展的需要。即使是按照當前的能源消耗水平繼續(xù)下去，幾十年后，大部分人的基本生活問題 (飲食起居等)都將會受到影響。同時，大量地使用化石能源已經(jīng)帶來了嚴重的環(huán)境問題。大氣中的CO2濃度持續(xù)升高，即便馬上采取一切可能的節(jié)能減排措施，到2030年，CO2的年排放量也將增至320億噸[2]，其中大部分來自發(fā)電所需的石油礦物燃料的燃燒和日益增長的機動車輛的廢氣排放。能源作為經(jīng)濟穩(wěn)定和社會發(fā)展的必需條件，已日益受到世界各國的高度重視。尋找可再生的清潔能源，無論對發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都是維持社會可持續(xù)發(fā)展的前提，是人類社會繼續(xù)存在和發(fā)展的先決條件[3]。

事實上，各國政府均有各自未雨綢繆的新能源計劃。我國政府最近公布了新的核電、風(fēng)電和石油存貯基地的建設(shè)計劃，這無疑是我國能源發(fā)展規(guī)劃的一個重要組成部分，是一項非常及時和正確的決策。而從中長期來看，取之不盡、用之不竭的太陽能應(yīng)該是最重要和最基本的能源。太陽每天灑向地球表面的能量是當前地球上所有形式儲能的總和，而每個小時灑向地球表面的能量就達到了目前地球上一整年所消耗能量的總和。因無窮無盡而又清潔廉價，太陽能成為了人類最理想的能源。這也正是人們將開發(fā)新能源的期望主要寄托于利用太陽能之所在。然而,我們不能不承認，與人類已經(jīng)或計劃啟動的開發(fā)利用太陽能的方案相比，大自然經(jīng)過長期進化而造就的通過光合作用直接固定太陽能的系統(tǒng)[4]，才是利用太陽能的最好生物原型。從上世紀末開始，世界各國對利用光合作用生產(chǎn)清潔能源的探索和實踐越來越重視，并對其應(yīng)用前景越來越充滿信心。

利用光合作用生產(chǎn)清潔能源的理論基礎(chǔ)

光合作用是從古到今無所不在地存在于高等植物乃至原核生物中的自然現(xiàn)象，億萬年來，從未間斷地利用所吸收的太陽光的能量分解H2O，固定空氣中的CO2，并產(chǎn)生O2和碳水化合物。這一過程不僅供給了地球上一切生物生存所需的能量和氧氣，同時也賦予了人類寶貴的財富——煤炭、石油和天然氣。光合作用是地球上固定太陽能最有效的過程，每年通過光合作用固定的生物質(zhì)可達2200億噸，相當于全世界每年能耗的10倍。

經(jīng)過35億年的進化和發(fā)展，光合作用已形成了一整套高效率固定和轉(zhuǎn)化太陽能的機制。光合作用固定太陽能的過程是通過葉綠體的類囊體膜完成的，由葉綠素 (Chl)或類胡蘿卜素捕獲太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為固定CO2、合成碳水化合物及O2過程中所需的化學(xué)勢和生物能。為了高效地吸收和傳遞能量，在長期的進化過程中，光合器官形成了高效捕獲和傳遞太陽能的能級偶聯(lián)系統(tǒng)，即所謂的“能量陷阱”[5]，這個“能量陷阱”由兩個光反應(yīng)中心及各自的天線系統(tǒng) (PSⅠ和PSⅡ)組成，其所結(jié)合的近500個Chl，形成了排列于兩個光反應(yīng)中心的色素-蛋白超分子體系中且能夠高效吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化太陽能的精細能級偶聯(lián)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了太陽光能從光系統(tǒng)外圍的捕光色素蛋白復(fù)合體 (light harvesting complex，LHC，即捕光天線)到光反應(yīng)中心的迅速傳遞[6,7]。光合膜在長期的進化中形成了能夠多層吸收和傳遞能量的垛疊結(jié)構(gòu)。類囊體膜的基粒片層將密集的LHC單分子層疊成一個垛疊結(jié)構(gòu)，從而增加了太陽光的吸收路徑，保證了更高地吸收和傳遞能量的效率[5]。所以，光合膜以其精密的二維色素偶聯(lián)和三維垛疊結(jié)構(gòu)，成為地球上最有效的吸能、傳能和轉(zhuǎn)能的系統(tǒng)。如果可以利用光合作用的原理，體外模擬光合作用過程，更加有效地固定太陽能，并高效地儲存所固定的太陽能，將給人類帶來一個取之不盡、用之不竭的新能源體系。隨著對光合作用的深入研究，已取得的成果，特別是在結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物化學(xué)方面的研究進展，促進了人們對光合作用原理的理解和認識，并為闡明自然界光合作用有機體的結(jié)構(gòu)及其分子調(diào)控機理提供了大量數(shù)據(jù)，為模擬光合作用奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)[8]。利用光合作用的原理,大規(guī)模地固定太陽能，分解H2O而產(chǎn)生H2，或者截獲光合作用產(chǎn)生的電子而形成電流，已成為各國有關(guān)科學(xué)家們共同追求的目標。很多國家已將模擬光合作用過程用于直接固定太陽能，以實現(xiàn)從太陽能到清潔燃料的大規(guī)模轉(zhuǎn)換?？梢?，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的新能源體系，定會成為未來新能源戰(zhàn)略的一項重要內(nèi)容。

國際上有關(guān)的研究計劃與進展

發(fā)展光合作用的仿生研究，構(gòu)建新型的太陽能生物轉(zhuǎn)化體系，已成為歐美等發(fā)達國家的研究重點。歐盟的權(quán)威科學(xué)家們指出，以光合作用利用的太陽能所驅(qū)動的環(huán)境潔凈型電能、氫能源或者其它燃料的生產(chǎn)，將成為滿足全球能量需求并實現(xiàn)能源長期可持續(xù)發(fā)展的唯一途徑。因此，他們大力主張歐盟組織及其成員國投入巨額資金進行研究[1]。2008年，歐盟組織八個成員國的科學(xué)家，啟動了仿效光合作用的太陽能光生物利用計劃。該計劃包括三大研究方向：1)生物材料光伏技術(shù)的研究，利用該技術(shù)可直接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?)模仿光合作用，利用太陽能裂解H2O而產(chǎn)生高效低污染的燃料；3)改造生物固能途徑，生產(chǎn)諸如甲醇等的燃料。這一計劃也被稱為“人造葉片”計劃[1]。同時，美國能源部基礎(chǔ)能源科學(xué)辦公室也啟動了模擬光合作用的太陽能光生物制氫研究計劃；麻省理工學(xué)院開始了一個能源啟動計劃；2010年，美國能源部又啟動了“人工光合作用聯(lián)合中心 (Joint Center for Artificial Photosynthesis，JCAP)研究計劃”，目的在于模擬自然界的光合作用，構(gòu)建光合系統(tǒng)仿生元件，并將其組裝成太陽能電池系統(tǒng)。此外，澳大利亞也很重視太陽能光生物利用方面的研究，成立了“澳大利亞人工光合作用網(wǎng)絡(luò)” (Australian Artificial Photosynthesis Network)，致力于發(fā)展有效的太陽能光生物利用技術(shù)。

利用葉綠素構(gòu)建生物太陽能電池的研究已經(jīng)取得了一定的成果。美國科學(xué)家提取菠菜葉綠體中的光系統(tǒng)Ⅰ，利用它們轉(zhuǎn)化光能的特性，制成了葉綠素太陽能電池。這種電池有21天的壽命，轉(zhuǎn)化光能的效率達到了12%[9]。瑞士和日本的科學(xué)家已經(jīng)研究出能夠模擬植物葉綠素的人工色素[10]，并將其與從葉綠體中分離的蛋白進行組裝，做到了既能吸收太陽能產(chǎn)生電能，同時又能分解有機物而產(chǎn)生H2[11,12]。澳大利亞科學(xué)家Hingorani等[13]利用低等植物光系統(tǒng)Ⅱ組裝出了一種色素-蛋白超分子體系，這一體系具有體外電子傳遞通道的特性，從而將利用光合膜蛋白組裝生物太陽能電池的研究又推進了一步。2008年，Kanan等人[14]設(shè)計了一種復(fù)合化學(xué)催化劑，經(jīng)過組裝后，可以模擬光合作用，在常溫和常壓下裂解H2O而獲得O2和H2。Ham等人[15]通過原位無細胞表達方法，在電極表面直接組裝蛋白，實現(xiàn)了生物太陽能電池的可再生性。雖然生物太陽能電池的研究還處在基礎(chǔ)研究階段，但取得的成果已大大推動了利用光合作用原理將太陽光能直接轉(zhuǎn)換成人類可利用能量的進程。

模擬光合作用生產(chǎn)清潔能源的可能方案

光合作用吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換能量的過程，給我們提供了直接固定太陽能、產(chǎn)生人類可利用能量的思路。比如，植物具有能夠自組裝的捕光天線，在類囊體膜上具有長壽命電荷分離狀態(tài)；一些海藻和藍細菌能利用太陽能裂解H2O而產(chǎn)生H2；對于植物和細菌，它們固定CO2而產(chǎn)生碳水化合物的過程可以進行遺傳學(xué)改造等。這些現(xiàn)象，為我們利用光合作用的機理固定太陽能、建立可持續(xù)的太陽能-燃料人工轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。分析光合作用固定能量的關(guān)鍵反應(yīng)鏈，模擬光合作用固定太陽能，從而生產(chǎn)人類所需要的清潔能源的研究主要集中在以下四個方面[1,16]：1)利用光合膜色素蛋白復(fù)合體吸收太陽能，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)電子，進而分解H2O；或利用電荷分離的原理和光伏轉(zhuǎn)換技術(shù)，直接將太陽能轉(zhuǎn)化成清潔燃料和電能。2)通過模擬光合作用，建立人工化學(xué)和生物模擬裝置，收集、轉(zhuǎn)化和利用太陽能。如通過裂解H2O和轉(zhuǎn)化空氣中的CO2等方法生產(chǎn)各種形式的清潔燃料。3)通過基因工程改造光合作用的固碳過程，引導(dǎo)生產(chǎn)清潔燃料 (如H2或甲醇)。4)利用光合作用原理，將太陽能直接高效轉(zhuǎn)化為化學(xué)物質(zhì)，不僅可產(chǎn)生能源，還可固定大氣中的CO2，使CO2的濃度回到前工業(yè)時代的水平。

綜上所述，在太陽能-清潔燃料研究過程中，模擬和利用自然界生物系統(tǒng)捕獲太陽能的方式有多種，無論是通過哪種途徑獲得清潔燃料，都具有極其重要的意義。而要實現(xiàn)這種模擬，我們首先要了解自然界光合膜色素蛋白復(fù)合體系統(tǒng)的功能和作用機理，然后才能去模擬它的某個部分，包括天線系統(tǒng)、反應(yīng)中心的電荷分離及電子氧化的催化部位等。

模擬自然界光合作用的過程，尤其是光系統(tǒng)Ⅱ的作用過程，具有很大的難度和挑戰(zhàn)性。目前世界上的研究熱點之一，就是植物利用光系統(tǒng)Ⅱ中的錳簇復(fù)合物將H2O裂解為O2和H2的機制，且已經(jīng)取得了很重要的進展。許多科學(xué)家相信，隨著這一研究領(lǐng)域上的突破，最晚到2050年，即會有人工光合作用系統(tǒng)問世，并實現(xiàn)“人工葉片”的商業(yè)化應(yīng)用。

我國的光合作用基礎(chǔ)研究與生物能源應(yīng)用的探索

我國政府對能源問題一直高度重視，從科學(xué)研究的投入到具體規(guī)劃都已經(jīng)做出了戰(zhàn)略部署。胡錦濤總書記在中共十七大報告中指出了我國能源發(fā)展的方向，即加強能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護，增強可持續(xù)發(fā)展能力，發(fā)展清潔能源和可再生能源。中國科學(xué)院明確提出，爭取在2050年前后，使可再生能源和核能成為我國的主導(dǎo)能源。而要達到這個目標，我們必須在光合作用的基礎(chǔ)理論研究，以及模擬光合作用和尋找新型能源這兩方面投入研究力量。

探索光合作用機理的研究將為模擬光合作用、構(gòu)建新型可再生能源體系打下理論基礎(chǔ)。在這方面，我國科學(xué)家已開展了多年的探索。中國科學(xué)院生物物理研究所在光合作用的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方面已有良好開端，研究工作正在深入，他們解析的光系統(tǒng)Ⅱ捕光色素蛋白復(fù)合體的原子水平結(jié)構(gòu)，為能量吸收和傳遞機制的研究及人工模擬提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)[8]，并為探討光保護機制提供了結(jié)構(gòu)依據(jù)[17]。捕光蛋白的結(jié)構(gòu)解析，第一次提出了該蛋白在囊腔端的結(jié)構(gòu)，中國科學(xué)院植物研究所又在此基礎(chǔ)上證明了這一結(jié)構(gòu)對調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的功能具有分子開關(guān)作用[18]。同時，植物所還構(gòu)建了體外表達、修飾和組裝所有捕光色素蛋白復(fù)合體的體系，系統(tǒng)地研究了捕光色素蛋白復(fù)合體所結(jié)合的捕光色素的光譜特性、不同色素間能級偶聯(lián)的規(guī)律、不同光合膜色素蛋白復(fù)合體超分子體系間的能量傳遞，以及光合膜色素蛋白復(fù)合體高效吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換能量的原理[19]，這些基礎(chǔ)研究為我們將來利用光合作用原理、體外模擬固定太陽能打下了基礎(chǔ)。

在模擬光合作用機理進行新型可再生能源研究方面，我國還處于基礎(chǔ)階段。中國科學(xué)院于2009年啟動了“中國科學(xué)院太陽能行動計劃”，將光生物轉(zhuǎn)換列為重要的研究方向。2008年，中國科學(xué)院就建立了植物所、上海技術(shù)物理所、國家納米中心和化學(xué)所共同參加的生物光伏轉(zhuǎn)化研究小組，啟動了以光系統(tǒng)Ⅱ捕光色素蛋白復(fù)合體為主體的生物太陽能電池方面的研究，目的在于構(gòu)建以光合膜色素蛋白復(fù)合體超分子體系為主體的固體多層光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，建立植物光合作用能量仿生應(yīng)用的理論體系。中國科學(xué)院生物物理研究所利用基因工程技術(shù)改造產(chǎn)油微生物、構(gòu)建光合產(chǎn)油菌的研究已有很好的基礎(chǔ)。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所、水生生物研究所和海洋研究所等單位，在微藻生物轉(zhuǎn)化制造油脂、利用藻類代謝產(chǎn)氫等方面進行了大量的研究；植物研究所建立了用于相關(guān)研究的微藻突變體庫，并開展了技術(shù)體系的研究。鄭州大學(xué)也開展了海水養(yǎng)殖和利用鹽藻的研究。這些研究都為在我國構(gòu)建模擬光合作用的大規(guī)模新型可再生能源系統(tǒng)打下了堅實基礎(chǔ)。與此同時，科技部也組織啟動了相應(yīng)的研究項目。相信在政府的大力支持下，我國科學(xué)家將為揭示光合作用機理、模擬和利用光合作用理論及開發(fā)新型可再生清潔能源做出貢獻。

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