人工光合作用研究進展＊

梁旭華，杜亦博，李文浩

（1.商洛學院生物醫(yī)藥與食品工程學院，陜西商洛726000；2.陜西省商洛中學，陜西商洛726000）

人工光合作用研究進展＊

梁旭華1，杜亦博2，李文浩1

（1.商洛學院生物醫(yī)藥與食品工程學院，陜西商洛726000；2.陜西省商洛中學，陜西商洛726000）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人類的不斷進步，能源需求量日趨增加，地球儲存的能源已日趨枯竭，同時，大量化石能源的使用也帶來了嚴重的環(huán)境問題。世界各國在解決能源危機問題上不斷探索，其中，人工光合作用以其高效轉(zhuǎn)換太陽能、清潔無污染、產(chǎn)生穩(wěn)定的生物能源等諸多優(yōu)勢引起世界各國的高度重視。從自然光合作用的角度出發(fā)，綜述了國內(nèi)外人工光合作用的最新研究進展，并分析了當前研究中存在的問題，評述了人工光合作用的發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

太陽能；人工光合作用；葉綠體；人工光催化

當今社會面臨著日益嚴重的能源危機，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，而大量使用化石能源也帶來了嚴重的環(huán)境與氣候問題。發(fā)展可再生的新型清潔能源是增加能源供給、保護生態(tài)環(huán)境、促進可持續(xù)發(fā)展的重要措施，也是解決問題最根本的途徑，具有重要的戰(zhàn)略意義。在眾多的可再生能源中，太陽能是最重要的基本能源，人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽能。太陽能的利用將會為目前能源短缺和非再生能源消耗所引發(fā)的環(huán)境問題提供一個絕佳的解決途徑。光合作用是自然界中固定太陽能最有效的過程，模擬光合作用將成為利用太陽能生產(chǎn)清潔能源的一個重要方向。

早在20世紀80年代就有研究者提出了人工光合作用的概念[1]，它是模擬自然界的光合作用過程，利用光能分解水制造氫氣，或固定CO2制造有機物。與自然界光合作用相比，人工光合作用具有以下特點才能大規(guī)模用于工業(yè)生產(chǎn)，即相當或更高的光催化效率、低成本、長壽命、系統(tǒng)相對穩(wěn)定、低維護需求、不受時間和空間的約束[2]。本文將從自然界的光合作用過程出發(fā)，簡要介紹人工光合作用體系的最新研究進展，并據(jù)此討論下一步的研究方向。

1 自然光合作用

自然光合作用主要是指高等植物利用葉綠素等光合色素，某些細菌利用其細胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水（細菌為硫化氫和水）轉(zhuǎn)化為儲存著能量的有機物，并釋放出氧氣（細菌釋放氫氣）的生化過程。

從過程上講，光合作用分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)2個階段，光反應(yīng)是在葉綠體類囊體膜上發(fā)生的一系列反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，光能使綠色生物的葉綠素產(chǎn)生高能電子，將光能轉(zhuǎn)變成電能；然后電子通過葉綠體類囊體膜中的電子傳遞鏈間的移動傳遞，將H+從葉綠體基質(zhì)傳遞到類囊體腔，建立電化學質(zhì)子梯度，用于ATP的合成；最后，高能電子被NADP+接受，使其被還原成NADPH。暗反應(yīng)過程是在葉綠體基質(zhì)上進行的，植物通過氣孔將CO2由外界吸入細胞內(nèi)，通過自由擴散進入葉綠體。葉綠體中含有C5，能起到將CO2固定成為C3的作用。C3再與NADPH、ATP提供的能量和酶反應(yīng)，生成糖類和H2O，并還原出C5，被還原出的C5繼續(xù)參與暗反應(yīng)。

2 人工模擬光合作用研究

光合作用吸收、轉(zhuǎn)換能量的過程為相關(guān)工作提供了利用太陽能來產(chǎn)生新能源的思路。世界各國對人工光合作用的探索和研究已經(jīng)進行多年，并取得了相當大的成效。在分析光合作用機理、研究光合作用重要功能結(jié)構(gòu)及其化學組成、模擬光合作用產(chǎn)生新能源的探索上，目前人工光合作用系統(tǒng)主要有以下3種。

2.1 光合生命體-材料復(fù)合體系

光合生物體內(nèi)都具有完善的光合作用系統(tǒng)，它能有效利用太陽光制造有機物儲存能量，只是它們本身的生長繁殖需要消耗大量能量。如果能將光合細胞和葉綠體提取出來，或妥善培養(yǎng)藍藻和光合細菌，使之既能不斷地進行光合作用，又不必耗費很多能量和養(yǎng)分，便可構(gòu)成一個人工光合作用系統(tǒng)。Baolian Su研究小組采用溶膠-凝膠法將藍藻細胞封裝到多孔二氧化硅基體中，制成新型生物反應(yīng)器，取得了較好的光合作用效果[3]。此外，該研究小組還從菠菜葉片中提取出葉綠體，并進一步得到具有生命活性的類囊體，使其分散在多孔二氧化硅凝膠中。實驗證明，多孔硅膠封裝的離體類囊體生命活性可延長至數(shù)周，且在此期間能高效進行光合作用，分解水分子制造氧氣[4]。將活體光合細胞或組織組裝到材料內(nèi)部的工作，開創(chuàng)了綠色生命化學科技新技術(shù)，對于設(shè)計新型能源和環(huán)境功能材料具有很大的啟發(fā)和指導(dǎo)意義[5]。下一步的工作需要集中嘗試，并確定生物相容性最優(yōu)良的包埋材料，并優(yōu)化組裝過程和培養(yǎng)條件，以提高離體組織和細胞的生命活性，延長其離體存活壽命，并提高其光合作用效率。另外，隨著基因技術(shù)的發(fā)展，還可以人工改變光合細菌的基因，從眾多變種中選擇出高產(chǎn)能變種，以用于人工光合作用系統(tǒng)的設(shè)計。

2.2 模擬自然光合作用系統(tǒng)PSII合成有機超級分子

綠色植物的光合作用是由PSII、Cytb6/f復(fù)合體和ATP酶復(fù)合體等蛋白復(fù)合體協(xié)作完成的，在深入理解光合作用機理的基礎(chǔ)上，眾多研究者試圖利用化學方法合成結(jié)構(gòu)和功能類似于PSII的有機分子簇，分子簇中的各個分子之間用化學鍵連接，并分別承擔不同的作用，協(xié)同完成光催化反應(yīng)。陶敏莉等[6]以卟啉類化合物為光敏劑，引入不同性質(zhì)的連接基團分別設(shè)計、合成了14種新型卟啉-蒽醌模型化合物，9種新型卟啉-噁二唑模型化合物和11種新型卟啉-氨基酸化合物來模擬自然界的光合作用，并在實驗中研究其分子內(nèi)電子、能量的傳遞情況。研究發(fā)現(xiàn)，蒽醌類化合物是良好的二維電子受體。

用超級分子來模擬PSII的工作原理，人工設(shè)計結(jié)構(gòu)和功能最接近自然光合作用的化學結(jié)構(gòu)，是制備人工光合作用體系的一種思路。但是，設(shè)計出的超級分子更多地承擔了光捕獲器的作用，用于吸收太陽光激發(fā)出的電子，并實現(xiàn)高效的電子傳遞。在此要特別注意，直接光解水或制造有機物的效率還比較低，需要不斷嘗試，并尋找能夠高效協(xié)同工作的電子給體-光敏體-電子受體組合。

2.3 人工光催化體系

利用有機物來模擬光合作用的反應(yīng)體系較為復(fù)雜，并且還需要添加催化劑和電子受體等消耗性物質(zhì)，物質(zhì)原料的合成也非常煩瑣，金屬化合物的合成還可能對環(huán)境造成污染，其化學性質(zhì)也不穩(wěn)定。因此，以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的人工光合作用成為研究的熱點。它基于本田藤島效應(yīng)，是由Fujishima和Honda等發(fā)現(xiàn)的，基本原理是將TiO2單晶電極與Pt電極相連放入水中，在太陽光的照射下，水能被分解[7]。

美國科學家丹尼爾·諾切拉在第241屆美國化學學會的年會上宣布了其新成果——人造樹葉[8]，他使用不太昂貴的鎳鉬鋅化合物取代鉑催化劑，這樣既降低了制造成本，也加大了催化效率。該人工樹葉可將水光解為H2和O2，然后將二者注入燃料電池中用來發(fā)電，其效率大約是自然光合作用的10倍。而在最新的研究中又有了重大突破，原料水不再局限于純凈水，日常飲用水，甚至廢水、污水也都可進行水的光解反應(yīng)。

3 人工光合作用的前景

對人工光合作用的研究非常重要，它在解決當今能源危機方面發(fā)揮了很大的作用，是解決當前資源與環(huán)境問題的非常可行的解決方案之一。作為一種新型的利用太陽能的方法，目前許多國家都投入了大量的人力、物力、財力對其進行深入的研究，相信在不久的將來，人工作用將比自然光合作用更加完善，可以定向生產(chǎn)對人類有用的碳水化合物，并且大量固定CO2，或者光解水產(chǎn)生氫能、電能或其他能源。這樣做，不僅能解決能源危機，還能解決溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等環(huán)境問題，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

［1］Meyer T.J.Chemical approaches to artificial photosynthesis［J］.Acc.Chem.Res.，1989（22）：163-170.

［2］李曉慧，范同祥.人工光合作用［J］.化學進展，2011，23（9）：1841-1853.

［3］Rooke J C，Léonard A，Su B L.Thylakoids entrapped within porous silica gel：towards living matter able to convert energy［J］.J.Mater.Chem.，2008（18）：1333-1341.

［4］Meunier C F，Cutsem P V，Kwonac Y U，et al.Targeting photobioreactors：Immobilisation of cyanobacteria within porous silica gel using biocompatible methods［J］.J.Mater.Chem.，2009（19）：1535-1542.

［5］Rooke J C，Meunier C，Léonard A，et al.Design of photochemical materials for carbohydrate production via the immobilisation of whole plant cells into a porous silica matrix［J］.PureAppl.Chem.，2008（80）：2345-2376.

［6］陶敏莉.以卟啉為光敏體PSⅡ模型化合物的設(shè)計合成與光電性能研究［D］.天津：天津大學，2007.

［7］楊來俠，任秀斌，劉旭.人工光合作用研究現(xiàn)狀［J］.西安科技大學學報，2014，34（1）：1-5.

［8］閆金定.原始創(chuàng)新需要恰當土壤［J］.發(fā)明與創(chuàng)新，2011（10）：15.

Q945.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.070

2095－6835（2017）18－0070－02

梁旭華，男，講師，博士，主要從事納米新材料研究方面的工作。

〔編輯：白潔〕

商洛市科技計劃項目（SK2015-36）；陜西省“春筍計劃”課題研究項目（2016—2017年度）