化学修饰单壁碳纳米管用于莱茵衣藻光合产氢及相关机理研究

Chlamydomonas reinhardtii is the most promising biological system for photosynthetic hydrogen production. In traditional strategy, sealed culture could produce hydrogen gas under light when sulfate was removed from the culture medium, and the hygrogenase activity was induced under anaerobic environment. In order to increase the efficiency of hydrogen production, the major methodology was to adjust the expression and/or activity of photosynthesis related proteins in C. reinhardtii, and accelerated electron transfer to hydrogenase. In this proposal, we get rid of this traditional idea, and introduced chemical modified single walled carbon nanotubes (SWCNT) into the chloroplast of C. reinhardtii. We are going to study the transfer pathway of excited electrons which were produced by SWCNT after absorbing solar energy, and the effects of this additional electron source on photosynthetic hydrogen production. We are also going to study the effects of UV, green, and near infrared lights on photosynthesis. The results will provide theoretical guidance for improving light utilization, and also provide stable and rich electrons for hydrogenase after introducing SWCNT into chloroplast, and open new paths for semi-artificial, low cost, and high efficient hydrogen production in C. reinhardtii.

莱茵衣藻是光合产氢领域最具应用前景的生物体系，常规衣藻光合产氢是在密闭、缺硫培养条件下创造无氧环境，诱导氢酶的合成及氢气的产生。为提高产氢效率，目前主要通过生物学方法调整衣藻光合作用相关蛋白的合成和/或活性，加快电子向氢酶传递。本研究摆脱这一传统思路，向莱茵衣藻叶绿体中定向引入经化学修饰的单壁碳纳米管，利用其高效吸收太阳光能并转换激发电子的特点，具体研究单壁碳纳米管产生的电子在衣藻叶绿体中的传递途径、与氢酶活性的关系、以及对光合产氢效率的影响。同时也深入分析天然叶绿体较少吸收的光源（紫外、绿光、近红外）对光合作用的影响机理。研究成果在理论上可以阐明单壁碳纳米管吸收的不同波长光源对光合作用的具体贡献，为提高光能利用率提供理论线索。在应用上将单壁碳纳米管引入叶绿体，为氢酶催化产氢提供稳定而丰富的电子，为利用莱茵衣藻进行半人工低成本高效产氢开辟新的路径。

莱茵衣藻维持稳定光合产氢的前提是在密闭、缺硫培养条件下创造无氧环境，诱导氢酶的表达及其催化氢气的产生。在此前提下，提高氢气产量的核心问题是提高流向氢酶的电子数量。在降低光系统 II 活力以维持低氧环境的常规条件下，增加直接或间接途径中电子数量的潜力是有限的，因此本研究研究运用纳米材料的优良性质为氢酶提供光电子，目的是进一步提高常规条件下的光合产氢效率。在优化莱茵衣藻生长条件和产氢条件的基础上，通过化学修饰将单壁碳纳米管导入莱茵衣藻细胞内，检测了ssDNA/SWCNTs-COOHs的亚细胞分布，特别是其在衣藻叶绿体中的分布状况、测定了ssDNA/SWCNTs-COOHs导入对衣藻光合生理的影响，具体包括对光合电子传递速率和最大光化学效率的影响。在此基础上，引入多壁碳纳米管MWCNTs和氧化石墨烯GO，对比分析不同纳米材料促进衣藻光合产氢的效果。结果表明，三种材料形成的溶液体系具有良好的稳定性，纯度得到显著提高。三种材料均能够进入莱茵衣藻细胞内，但并未在叶绿体定位。缺硫培养条件下，三种材料对衣藻PSII的光化学量子产量和最大电子传递速率均有抑制，导致光合放氧速率持续下降，呼吸耗氧速率提高，有助于诱导衣藻细胞在缺硫密闭条件下加快建立缺氧状态，从而提高其产氢量，这其中GO的上述作用最为显著。综合上述结果，本研究已证明化学修饰单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和氧化石墨烯均能通过抑制PSII活性，显著提高莱茵衣藻在缺硫条件下的光合产氢量，达到常规产氢量的3倍以上，且未对衣藻的生长造成显著影响。这些结果为后续的应用研究奠定了基础。.扩展了研究内容，研究了莱茵衣藻金属离子特别是二价铜离子稳态变化对光合产氢的影响，氢酶不仅在无氧条件下表达并发挥接受电子生成氢气的功能，单纯缺铜也会诱导氢酶表达。合理运用缺氧和缺铜条件，可以有效促进莱茵衣藻的光合产氢。同时开展了金属离子转运蛋白功能的系列研究。以通讯作者发表或已投稿SCI收录论文8篇，中文核心期刊论文1篇，均标注受本基金项目资助。