基于光合作用的生物能源——从基础研究到应用

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1、生物物理学报2011年12月第27卷第12期:992-997主编特约·综述/InvitedReviewwww.cjb.org.cnACTABIOPHYSICASINICAVol.27No.12Dec.2011:992-997基于光合作用的生物能源———从基础研究到应用杨春虹1,常文瑞21.中国科学院植物研究所,北京100093;2.中国科学院生物物理研究所,北京100101收稿日期:2011-05-09;接受日期:2011-05-15基金项目:“973”计划项目(2011CBA00904)通讯作者:常文瑞,电话:(010)64888512,E-mail:wrchang@ibp.ac.

2、cn摘要:化石能源的大量消耗,以及由此带来的全球气候和环境问题,推动了以太阳能为基础的新型清洁能源的研究。长期以来,如何有效地捕获太阳能,并将其高效率地转化成人类可以直接利用的能源,一直是太阳能利用中最基础的科学问题,得到了全世界的广泛关注。科学技术的发展史说明,人类从认识自然、模仿自然规律开始,己经创造了许多完全超出自然本来意义的奇迹。比如,从模仿鸟的飞翔行为开始,在不到一个世纪的时间内,人类就发明了飞机。在自然界中,最有效地吸收和固定太阳能的过程是光合作用,经历了35亿年的完善和进化,光合作用已经发展成能够高效吸收和固定太阳能,并将所吸收的太阳能转换成化学能的过程。在这一过程中,

3、常温、常压下就可以利用太阳光能分解H2O,从而产生O2和碳水化合物。正是这一神奇的过程,给予了人类一个非常重要的启示,那就是:我们是否可以模拟光合作用,在常温和常压条件下,将太阳能直接转换成人类可以利用的清洁而又可再生的能源呢?本文主要介绍模拟光合作用解决能源与环境问题的原理,并展望了通过模拟光合作用过程固定太阳能、产生清洁能源的前景。关键词:光合作用;太阳能;新能源中图分类号:Q945.11DOI:10.3724/SP.J.1260.2011.00992能源的现状与思考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,仅按最保守的估计,到2050年,世界的能源需求也将达到目

4、前的2倍[1],但现有的能源系统还远远满足不了可持续发展的需要。即使是按照当前的能源消耗水平继续下去,几十年后,大部分人的基本生活问题(饮食起居等)都将会受到影响。同时,大量地使用化石能源已经带来了严重的环境问题。大气中的CO2浓度持续升高,即便马上采取一切可能的节能减排措施,到2030年,CO的年排放量也将增至320亿吨[2],其中大部分来自发电所需的石油矿物燃料的燃烧2和日益增长的机动车辆的废气排放。能源作为经济稳定和社会发展的必需条件,已日益受到世界各国的高度重视。寻找可再生的清洁能源,无论对发达国家还是发展中国家,都是992杨春虹等:基于光合作用的生物能源———从基础研究到应

5、用主编特约·综述/InvitedReview维持社会可持续发展的前提,是人类社会继续存在和发展的先决条件[3]。事实上,各国政府均有各自未雨绸缪的新能源计划。我国政府最近公布了新的核电、风电和石油存贮基地的建设计划,这无疑是我国能源发展规划的一个重要组成部分,是一项非常及时和正确的决策。而从中长期来看,取之不尽、用之不竭的太阳能应该是最重要和最基本的能源。太阳每天洒向地球表面的能量是当前地球上所有形式储能的总和,而每个小时洒向地球表面的能量就达到了目前地球上一整年所消耗能量的总和。因无穷无尽而又清洁廉价,太阳能成为了人类最理想的能源。这也正是人们将开发新能源的期望主要寄托于利用太阳能

6、之所在。然而,我们不能不承认,与人类已经或计划启动的开发利用太阳能的方案相比,大自然经过长期进化而造就的通过光合作用直接固定太阳能的系统[4],才是利用太阳能的最好生物原型。从上世纪末开始,世界各国对利用光合作用生产清洁能源的探索和实践越来越重视,并对其应用前景越来越充满信心。利用光合作用生产清洁能源的理论基础光合作用是从古到今无所不在地存在于高等植物乃至原核生物中的自然现象,亿万年来,从未间断地利用所吸收的太阳光的能量分解H2O,固定空气中的CO2,并产生O2和碳水化合物。这一过程不仅供给了地球上一切生物生存所需的能量和氧气,同时也赋予了人类宝贵的财富———煤炭、石油和天然气。光合

7、作用是地球上固定太阳能最有效的过程,每年通过光合作用固定的生物质可达2200亿吨,相当于全世界每年能耗的10倍。经过35亿年的进化和发展,光合作用已形成了一整套高效率固定和转化太阳能的机制。光合作用固定太阳能的过程是通过叶绿体的类囊体膜完成的,由叶绿素(Chl)或类胡萝卜素捕获太阳能,并将其转化为固定CO2、合成碳水化合物及O2过程中所需的化学势和生物能。为了高效地吸收和传递能量,在长期的进化过程中,光合器官形成了高效捕获和传递太阳能的能级偶联系统,即所谓

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