光强自适应智能藻类/聚合物杂化系统实现高效持续光合产氢

为解决高光强下藻类光合产氢受抑制的难题，哈尔滨工业大学黄鑫团队开发了一种基于聚(N-异丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸丁酯)(PNIPAM-BA)和氧化石墨烯(GO)的光热响应杂化系统。该系统通过动态调节100-2000 μmol photons·m-2·s-1范围内的入射光，保护藻类氢化酶活性，实现25天持续产氢，平均速率达17.53 μmol H2(mg叶绿素)-1·h-1，为户外规模化生物制氢提供了新策略。

　　

论文解读

在能源转型的浪潮中，氢能因其零碳排放特性被视为未来能源的"终极答案"。然而，传统制氢方法如甲烷蒸汽重整和水电解存在高能耗、高成本等问题。藻类光合产氢仅需阳光和水，理论上是最理想的绿色制氢途径，但自然界中高达2000 μmol photons·m^-2·s^-1的太阳光强却成为"拦路虎"——强光不仅加速产氧抑制氢化酶活性，还会引发光抑制直接杀伤藻细胞。这一矛盾使得藻类产氢长期局限于实验室弱光环境（<200 μmol photons·m^-2·s^-1），户外规模化应用举步维艰。

针对这一挑战，哈尔滨工业大学的研究团队在《TRENDS IN Biotechnology》发表突破性成果。他们巧妙融合材料科学与生物技术，设计出由温度敏感聚合物PNIPAM-BA和光热材料GO构成的智能杂化系统。该系统如同给藻细胞装上"智能墨镜"，能动态感知并调节入射光强，首次实现藻类在全太阳光强范围内的持续高效产氢。

研究团队采用分子设计合成（调控PNIPAM-BA的LCST至27.5℃）、光热转换测试（GO的2.3 μm均匀片层结构）、光合活性监测（叶绿素荧光动力学OJIP曲线）等关键技术，结合源自淡水藻种库的蛋白核小球藻（Chlorella pyrenoidosa）进行实验。

光强感知系统的构建
通过精确调控NIPAM与BA单体的投料比（95.8:4.2），团队合成的PNIPAM-BA在27.5℃发生可逆相变：低温时透明（透光率89.71%），高温时 opaque 散射光线。GPC显示其分子量约14000 g/mol，30次升降温循环后仍保持稳定。GO（0.05 mg/ml）作为"光热转换器"，能将光能高效转化为热能触发相变。

藻细胞的光保护机制
在2000 μmol photons·m^-2·s^-1强光下，杂化系统将培养温度稳定控制在35℃以内。CLSM图像显示，对照组藻细胞24小时后几乎全部死亡（仅存微弱叶绿素荧光），而杂化系统保护下的藻细胞存活率>90%。抗氧化酶（SOD、CAT）活性和类胡萝卜素含量保持稳定，qN值显著低于对照组，证实系统有效消散了过剩光能。

持续高效的产氢性能
在25天的实验中，杂化系统在2000 μmol photons·m^-2·s^-1下实现平均产氢速率17.53 μmol H₂(mg叶绿素)^-1·h^-1，是自然条件下的80倍。体外氢化酶活性检测显示，氢化酶活性与产氢速率呈正相关。三次循环实验（共75天）证实系统具有长期稳定性，藻细胞密度从3.08×10⁶ cells/ml增长至1.77×10⁷ cells/ml。

这项研究开创性地解决了高光强下藻类产氢的世界性难题。智能杂化系统的自调节特性使其无需外部供能——冬季GO的 photothermal 效应可节约3.45×10³ kW·h·m^-2·年^-1的加热能耗，夏季PNIPAM-BA的遮光作用可节省0.74×10³ kW·h冷却能耗，年减碳达3.29吨/m²。尽管规模化应用中仍需解决光分布均一性等问题，但该技术为"藻类氢农场"的设想迈出关键一步，对推动全球能源低碳转型具有里程碑意义。