人工光合作用研究进展＊

梁旭华，杜亦博，李文浩

（1.商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000；2.陕西省商洛中学，陕西商洛726000）

人工光合作用研究进展＊

梁旭华1，杜亦博2，李文浩1

（1.商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000；2.陕西省商洛中学，陕西商洛726000）

随着社会经济的发展和人类的不断进步，能源需求量日趋增加，地球储存的能源已日趋枯竭，同时，大量化石能源的使用也带来了严重的环境问题。世界各国在解决能源危机问题上不断探索，其中，人工光合作用以其高效转换太阳能、清洁无污染、产生稳定的生物能源等诸多优势引起世界各国的高度重视。从自然光合作用的角度出发，综述了国内外人工光合作用的最新研究进展，并分析了当前研究中存在的问题，评述了人工光合作用的发展趋势和应用前景。

太阳能；人工光合作用；叶绿体；人工光催化

当今社会面临着日益严重的能源危机，随着社会的发展和能源的不断消耗，地球储存的能源已日趋枯竭，而大量使用化石能源也带来了严重的环境与气候问题。发展可再生的新型清洁能源是增加能源供给、保护生态环境、促进可持续发展的重要措施，也是解决问题最根本的途径，具有重要的战略意义。在众多的可再生能源中，太阳能是最重要的基本能源，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳能。太阳能的利用将会为目前能源短缺和非再生能源消耗所引发的环境问题提供一个绝佳的解决途径。光合作用是自然界中固定太阳能最有效的过程，模拟光合作用将成为利用太阳能生产清洁能源的一个重要方向。

早在20世纪80年代就有研究者提出了人工光合作用的概念[1]，它是模拟自然界的光合作用过程，利用光能分解水制造氢气，或固定CO2制造有机物。与自然界光合作用相比，人工光合作用具有以下特点才能大规模用于工业生产，即相当或更高的光催化效率、低成本、长寿命、系统相对稳定、低维护需求、不受时间和空间的约束[2]。本文将从自然界的光合作用过程出发，简要介绍人工光合作用体系的最新研究进展，并据此讨论下一步的研究方向。

1 自然光合作用

自然光合作用主要是指高等植物利用叶绿素等光合色素，某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为储存着能量的有机物，并释放出氧气（细菌释放氢气）的生化过程。

从过程上讲，光合作用分为光反应和暗反应2个阶段，光反应是在叶绿体类囊体膜上发生的一系列反应。在反应过程中，光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子，将光能转变成电能；然后电子通过叶绿体类囊体膜中的电子传递链间的移动传递，将H+从叶绿体基质传递到类囊体腔，建立电化学质子梯度，用于ATP的合成；最后，高能电子被NADP+接受，使其被还原成NADPH。暗反应过程是在叶绿体基质上进行的，植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内，通过自由扩散进入叶绿体。叶绿体中含有C5，能起到将CO2固定成为C3的作用。C3再与NADPH、ATP提供的能量和酶反应，生成糖类和H2O，并还原出C5，被还原出的C5继续参与暗反应。

2 人工模拟光合作用研究

光合作用吸收、转换能量的过程为相关工作提供了利用太阳能来产生新能源的思路。世界各国对人工光合作用的探索和研究已经进行多年，并取得了相当大的成效。在分析光合作用机理、研究光合作用重要功能结构及其化学组成、模拟光合作用产生新能源的探索上，目前人工光合作用系统主要有以下3种。

2.1 光合生命体-材料复合体系

光合生物体内都具有完善的光合作用系统，它能有效利用太阳光制造有机物储存能量，只是它们本身的生长繁殖需要消耗大量能量。如果能将光合细胞和叶绿体提取出来，或妥善培养蓝藻和光合细菌，使之既能不断地进行光合作用，又不必耗费很多能量和养分，便可构成一个人工光合作用系统。Baolian Su研究小组采用溶胶-凝胶法将蓝藻细胞封装到多孔二氧化硅基体中，制成新型生物反应器，取得了较好的光合作用效果[3]。此外，该研究小组还从菠菜叶片中提取出叶绿体，并进一步得到具有生命活性的类囊体，使其分散在多孔二氧化硅凝胶中。实验证明，多孔硅胶封装的离体类囊体生命活性可延长至数周，且在此期间能高效进行光合作用，分解水分子制造氧气[4]。将活体光合细胞或组织组装到材料内部的工作，开创了绿色生命化学科技新技术，对于设计新型能源和环境功能材料具有很大的启发和指导意义[5]。下一步的工作需要集中尝试，并确定生物相容性最优良的包埋材料，并优化组装过程和培养条件，以提高离体组织和细胞的生命活性，延长其离体存活寿命，并提高其光合作用效率。另外，随着基因技术的发展，还可以人工改变光合细菌的基因，从众多变种中选择出高产能变种，以用于人工光合作用系统的设计。

2.2 模拟自然光合作用系统PSII合成有机超级分子

绿色植物的光合作用是由PSII、Cytb6/f复合体和ATP酶复合体等蛋白复合体协作完成的，在深入理解光合作用机理的基础上，众多研究者试图利用化学方法合成结构和功能类似于PSII的有机分子簇，分子簇中的各个分子之间用化学键连接，并分别承担不同的作用，协同完成光催化反应。陶敏莉等[6]以卟啉类化合物为光敏剂，引入不同性质的连接基团分别设计、合成了14种新型卟啉-蒽醌模型化合物，9种新型卟啉-噁二唑模型化合物和11种新型卟啉-氨基酸化合物来模拟自然界的光合作用，并在实验中研究其分子内电子、能量的传递情况。研究发现，蒽醌类化合物是良好的二维电子受体。

用超级分子来模拟PSII的工作原理，人工设计结构和功能最接近自然光合作用的化学结构，是制备人工光合作用体系的一种思路。但是，设计出的超级分子更多地承担了光捕获器的作用，用于吸收太阳光激发出的电子，并实现高效的电子传递。在此要特别注意，直接光解水或制造有机物的效率还比较低，需要不断尝试，并寻找能够高效协同工作的电子给体-光敏体-电子受体组合。

2.3 人工光催化体系

利用有机物来模拟光合作用的反应体系较为复杂，并且还需要添加催化剂和电子受体等消耗性物质，物质原料的合成也非常烦琐，金属化合物的合成还可能对环境造成污染，其化学性质也不稳定。因此，以半导体材料为基础的人工光合作用成为研究的热点。它基于本田藤岛效应，是由Fujishima和Honda等发现的，基本原理是将TiO2单晶电极与Pt电极相连放入水中，在太阳光的照射下，水能被分解[7]。

美国科学家丹尼尔·诺切拉在第241届美国化学学会的年会上宣布了其新成果——人造树叶[8]，他使用不太昂贵的镍钼锌化合物取代铂催化剂，这样既降低了制造成本，也加大了催化效率。该人工树叶可将水光解为H2和O2，然后将二者注入燃料电池中用来发电，其效率大约是自然光合作用的10倍。而在最新的研究中又有了重大突破，原料水不再局限于纯净水，日常饮用水，甚至废水、污水也都可进行水的光解反应。

3 人工光合作用的前景

对人工光合作用的研究非常重要，它在解决当今能源危机方面发挥了很大的作用，是解决当前资源与环境问题的非常可行的解决方案之一。作为一种新型的利用太阳能的方法，目前许多国家都投入了大量的人力、物力、财力对其进行深入的研究，相信在不久的将来，人工作用将比自然光合作用更加完善，可以定向生产对人类有用的碳水化合物，并且大量固定CO2，或者光解水产生氢能、电能或其他能源。这样做，不仅能解决能源危机，还能解决温室效应、臭氧层破坏等环境问题，具有非常广阔的应用前景。

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

［2］李晓慧，范同祥.人工光合作用［J］.化学进展，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.以卟啉为光敏体PSⅡ模型化合物的设计合成与光电性能研究［D］.天津：天津大学，2007.

［7］杨来侠，任秀斌，刘旭.人工光合作用研究现状［J］.西安科技大学学报，2014，34（1）：1-5.

［8］闫金定.原始创新需要恰当土壤［J］.发明与创新，2011（10）：15.

Q945.11

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.070

2095－6835（2017）18－0070－02

梁旭华，男，讲师，博士，主要从事纳米新材料研究方面的工作。

〔编辑：白洁〕

商洛市科技计划项目（SK2015-36）；陕西省“春笋计划”课题研究项目（2016—2017年度）