微藻不仅是地球上古老而又广泛存在的光合作用生物，同时也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—50倍。
如今，对微藻光合作用能量的利用有了新途径。近日，南昌大学化学化工学院特聘教授熊威联合浙江大学化学系唐睿康教授在《国家科学评论》上首次提出了“微藻—材料复合体”的概念，系统地梳理了这一复合体的构建方法及其在能源、环境和健康领域的应用，阐释了微藻—材料复合的化学机制。
材料与微藻结合有助于实现碳中和
当前，全球正面临着碳减排和资源短缺的双重压力，而微藻又被视为极具潜力的新型微生物光合平台，具有将太阳能和二氧化碳直接转化为各种生物基产品的潜力，该生产模式被称为光驱固碳合成技术，可以同时起到固碳减排和绿色合成的效果，是有望助力“双碳”目标实现的新型生物制造技术路线。
“据估算，微藻每年可固定二氧化碳约900亿吨，以微藻为代表的海洋浮游植物年固碳量占全球净光合固碳的40%以上。”8月14日，熊威在接受科技日报记者采访时说，然而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。”上海师范大学生命科学学院马为民教授认为，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。
据了解，微藻—材料复合体的研究已经进行了十多年，其目的是在能源、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二氧化碳固定、氢气生产、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。
两种机制让微藻功能得到改进
“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。”熊威说，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，为提高微藻光合固碳能力开辟了新的道路。随后研究团队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。通过材料诱导微藻聚集，还能促使微藻在固碳的同时产生氢气。
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，光合作用产生的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。”熊威说。
“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进行改进。”熊威解释道，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。”熊威说。
据了解，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种类。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—材料复合体功能的关键因素。
熊威说，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，但该途径仍存在许多有待解决的问题。“离心操作对细胞造成的损伤不可避免，细胞表面的精细材料结构尚未实现，微藻—材料复合体的循环利用性有待改进，微藻—材料复合体的寿命有限……这些问题都要逐一去解决。”熊威说。
熊威认为，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。
