南昌大学熊威/浙江大学唐睿康Nat. Sci. Rev.综述：微藻-材料复合助力碳中和

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南昌大学熊威/浙江大学唐睿康Nat. Sci. Rev.综述：微藻-材料复合助力碳中和

邃瞳科学云

2023-08-10

导读：本文首次提出了“Microalgae-Material Hybrid”(MMH)的概念，系统地介绍了微藻-材料复合体的构建方法，并探讨了其在光合固碳、光合产氢、生物光伏以及生物治疗等领域的应用，阐释了

第一作者：熊威

通讯作者：熊威，唐睿康

通讯单位：1. 南昌大学化学化工学院 2. 浙江大学化学系

论文DOI：10.1093/nsr/nwad200

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微藻-材料复合赋予微藻新功能，有望为微藻光合作用能量的利用提供新途径。本文首次提出了“Microalgae-Material Hybrid”(MMH)的概念，系统地梳理了微藻-材料复合体的构建方法以及其在光合固碳、光合产氢、生物光伏及生物治疗等领域的应用。此外，文章还分析了微藻材料复合体的当前问题和未来挑战，阐释了微藻-材料复合的化学机制，并对微藻-材料复合体助力碳中和的前景进行了展望。

背景介绍

微藻是地球上光合作用效率最高的生物，其光合作用效率是陆生植物的10到50倍。据估算，微藻每年可固定二氧化碳约900亿吨，占全球净光合固碳的40%以上。随着全球变暖的加剧和我国“双碳”计划的提出，微藻的作用日益重要，也愈发引起大家的关注。但是受制于微藻自身的特性，微藻光合作用能量转化尚无法实现大规模应用。在自然界中，生命体可以通过生物矿化为自身形成有机-无机复合材料以实现功能的进化并增强环境适应性。受到生物矿化现象的启发，科学家们尝试通过材料与微藻的结合，赋予微藻新的功能，以实现对微藻光合作用能量的利用。相比于传统的基因工程改造，这种基于材料的微藻功能化改造，操作更加简便，成本更加低廉。未来，微藻-材料复合技术在清洁能源、环境保护和生命健康等领域的应用将有助于实现碳中和。

图1 微藻-材料复合增强光合能量转换的发展沿革和未来趋势

本文亮点

要点1：提出了“Microalgae-Material Hybrid”(MMH)的概念。

要点2：归纳总结了微藻-材料复合体的构建方法：（1）细胞固定化;（2）单细胞壳化;（3）多细胞聚集。

要点3：梳理了微藻-材料复合体在光合固碳、光合产氢、生物光伏及生物治疗等方面的应用案例。

要点4：阐释了微藻-材料复合的化学机制以及微藻-材料相互作用的机制。

图文解析

提高光合固碳

微藻光合固碳的应用受到细胞稳定性和可重复利用性的限制。二氧化硅固定化蓝藻是微藻-材料复合体增强光合能量转换的开创性尝试，为提高光合固碳能力开辟了新的道路。随后又发展了二氧化硅单细胞包裹蓝藻提高光合作用效率的策略。

图2 微藻-材料复合体用于光合固碳

诱导光合产氢

在自然界中，微藻可以将水光解生成H₂和O₂，但这是一个短暂的过程，因为光系统产生的氧气会迅速使氢化酶失活。目前，抑制O₂的产生和及时去除O₂是产生光合作用产氢的厌氧环境的主要策略。

图3 微藻-材料复合体用于光合产氢

增强生物电化学能量转换

从能量转换的角度来看，光合作用的本质是光能通过电能的形式转化为化学能。在光合作用中，PSII捕获光能并将水分解产生电子，然后光合作用电子通过光合电子传递链(PETC)转移到高能化合物。因此，光合作用的过程伴随着生物电流。然而，生物电只存在于蓝藻细胞或叶绿体内。如果要利用胞内生物电，光合作用电子必须穿过细胞质到达细胞质膜并输出到外部电极。基于微藻-电极复合的生物光伏系统(BPV)为生物电化学能量的高效转换提供了一种方式。

图4 微藻-材料复合增强生物电化学能量转换

促进生物化学能转化

从能量代谢的角度来看，病理细胞是由能量不足、能量传递障碍、能量代谢紊乱引起的。以肿瘤细胞为例，肿瘤微环境不仅是厌氧的，而且富含自由基。微藻光合作用不仅可以释放氧气来缓解组织缺氧，还可以产生氢气来清除自由基。因此，微藻可以将光能以化学能的形式传递给肿瘤细胞，从而在肿瘤治疗中起到促进作用。

图5 微藻-材料复合促进生物化学能转化

微藻-材料相互作用的化学机制

微藻-材料相互作用有两个层面的含义，一是材料诱导构建微藻-材料复合体，二是材料对微藻功能的改进。从构建微藻-材料复合体的角度来看，其化学机制是微藻通过分子间作用力、共价键或配位键与材料结合形成生物-非生物界面，材料通过干扰微藻与胞外环境之间的物质和能量传递来影响微藻的功能。除了微藻-材料复合体的结构外，复合体结构中微藻-材料的相互作用是最关键的问题。基于以上研究，我们提出了材料改进微藻功能的两种机制：一是微藻与材料间的电子传递，二是材料诱导的细胞微环境转变。

图6 微藻-材料相互作用的化学机制

问题与挑战

目前，蓝藻和绿藻是用于构建微藻-材料复合体的最主要的两个微藻门类。然而，还有许多其他门类的微藻有待研究。除了微藻本身的特性外，合适的材料策略是影响微藻-材料复合体功能的最关键因素。在微藻细胞表面原位形成仿生材料是构建微藻-材料复合体的主要途径，但仍存在许多有待解决的问题：（1）离心操作对细胞造成的损伤不可避免；（2）细胞表面的精细材料结构尚未实现；（3）循环利用性有待改进；（4）微藻-材料复合体的寿命有限。

结论与展望

微藻-材料复合体的研究已经进行了十多年，其目的是为了在能源、环境和医学等领域的应用中增强复合体的生物功能。微藻与材料的复合已经在CO₂固定、H₂生产、生物电化学能量转换和生物医学治疗等方面取得了重要进展。这些研究强调了材料对微藻的改造作用，凸显了材料在生物进化中的重要意义，为材料在生物学中的应用提供了创新的思路。从某种意义上说，微藻-材料复合技术是一种利用材料技术实现人工生物进化的策略。随着技术的进步和应用的开发，微藻-材料复合体将会在实现碳中和的进程中发挥更大的作用。此外，这一研究领域还有望催生一门新的学科，即材料生物学。

参考文献

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通讯作者介绍

熊威，南昌大学化学化工学院特聘教授。2006-2010年在青岛科技大学高分子科学与工程学院获得学士学位；2010-2016年在浙江大学化学系获得博士学位。同年进入南京大学物理学院博士后流动站开展博士后研究。2020年6月至今任南昌大学特聘教授，硕士生导师。长期致力于微藻-材料复合体的构建与应用研究，已在Nat. Sci. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Environ. Sci. Tchnol.等国内外重要学术期刊上发表多篇论文，授权发明专利2项并转让。

唐睿康，浙江大学化学系教授（求是特聘）、中国青年科技奖获得者、国家杰出青年科学基金获得者、国家万人计划科技创新领军人才。1991-1995年就读南京大学基础学科教学强化部、获学士学位；1995-1998年为南京大学化学化工学院研究生、获博士学位；1998-2001年在纽约州立大学布法罗分校从事博士后研究；2001-2005年任纽约州立大学布法罗分校化学系研究助理教授；2005年2月到浙江大学化学系工作至今，2021年1月起担任浙江大学实验室与设备管理处处长。围绕生物矿化开展材料合成和材料调控生物等前沿基础研究，突出多学科交叉融合并取得了原创性突破，在Nature、Science、Nat. Sci. Rev.、PNAS、Nat. Commun.、Sci. Adv.、JACS、Agnew. Chem. Int. Ed.及Adv. Mater.等学术刊物上发表论文200余篇，成果多次被国家自然科学基金委、美国化学会、英国皇家化学会和欧洲化学会等组织作为年度进展及研究亮点。这些研究不仅为生物矿化及化学材料开辟新的研究领域，还进一步推进化学、材料和生物等学科之间的相互交叉融合。