一、氧氣困局：生物制氫的致命短板

生物光解制氫的核心在于利用微藻的光合作用分解水產(chǎn)生氫氣。萊茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）因含有高效氫化酶，成為理想的產(chǎn)氫載體。然而，光合作用伴隨產(chǎn)生的氧氣會不可逆地抑制氫化酶活性 —— 如同工廠生產(chǎn)的 “副產(chǎn)品” 反過來關(guān)停生產(chǎn)線，導(dǎo)致傳統(tǒng)單藻系統(tǒng)產(chǎn)氫效率極低，這一 “氧氣抑制效應(yīng)” 長期成為生物制氫的 “阿喀琉斯之踵”。

二、破局之道：細(xì)菌化身氧氣 “清道夫”

科學(xué)家從污水處理系統(tǒng)中獲得靈感，構(gòu)建了藻菌共生體系，通過功能分工破解困局：

萊茵衣藻：利用光能進(jìn)行光合作用，生成氧氣與有機物，為系統(tǒng)提供物質(zhì)基礎(chǔ)；

活性污泥細(xì)菌：扮演 “氧氣清道夫” 角色，通過呼吸作用快速消耗氧氣，當(dāng)氧濃度降至閾值以下時，萊茵衣藻的氫化酶被激活，啟動高效產(chǎn)氫進(jìn)程。
此外，細(xì)菌可利用藻代謝產(chǎn)物或外加碳源（如葡萄糖）生長，將部分碳轉(zhuǎn)化為乙酸等中間產(chǎn)物，形成物質(zhì)循環(huán)。

三、黃金配比：1.5:1 的協(xié)同效應(yīng)密碼

研究表明，藻菌體積比是影響產(chǎn)氫效率的關(guān)鍵變量。通過測試 1:1 至 1:3 的不同配比，發(fā)現(xiàn) 1 份萊茵衣藻搭配 1.5 份活性污泥細(xì)菌（v/v）時，系統(tǒng)展現(xiàn)出最優(yōu)性能：

產(chǎn)氫量突破：6 天培養(yǎng)期內(nèi)，產(chǎn)氫量達(dá) 1162 毫升 / 升培養(yǎng)液，較單一菌群體系提升 30% 以上；

氧氣清除效率：細(xì)菌將體系氧濃度維持在 153.2 毫升 / 升以下，為氫化酶激活創(chuàng)造適宜環(huán)境；

氣體組分動態(tài)：培養(yǎng)初期氫氣占比 25%-46%，隨反應(yīng)推進(jìn)氫氣純度逐步提升至主導(dǎo)地位。

四、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)：pH 與碳循環(huán)的平衡藝術(shù)

維持系統(tǒng)長效運行需精準(zhǔn)調(diào)控環(huán)境因子：

pH 閾值控制：細(xì)菌代謝產(chǎn)生的乙酸會導(dǎo)致培養(yǎng)液酸化，當(dāng) pH＜4 時產(chǎn)氫完全停滯，需通過緩沖體系維持 pH＞4；

碳源高效轉(zhuǎn)化：以 10 克 / 升葡萄糖為碳源，6 天后總有機碳（TOC）從 4.3 克 / 升降至 3.1 克 / 升，碳源轉(zhuǎn)化為生物量、氫氣與二氧化碳。研究證實，氫氣產(chǎn)量與細(xì)菌耗氧量、乙酸積累速率呈顯著正相關(guān)，三者構(gòu)成動態(tài)平衡體系。

五、雙重價值：超越氫能的環(huán)境效益

該技術(shù)的創(chuàng)新價值不僅限于產(chǎn)氫效率提升：

菌群協(xié)同優(yōu)勢：活性污泥中復(fù)雜菌群的氧氣清除能力與環(huán)境適應(yīng)性，顯著優(yōu)于單一菌種體系；

碳減排潛力：光能驅(qū)動的生物轉(zhuǎn)化過程，避免化石能源消耗，理論上可實現(xiàn) “零碳排” 制氫；

廢水資源化：活性污泥細(xì)菌可直接利用工農(nóng)業(yè)廢水中的有機污染物作為碳源，同步實現(xiàn) “治污 – 產(chǎn)氫” 雙重目標(biāo)；

碳循環(huán)閉環(huán)：系統(tǒng)產(chǎn)生的二氧化碳可被微藻重新吸收，形成更完整的碳循環(huán)體系。

六、產(chǎn)業(yè)化征程：從實驗室到工程化的跨越

盡管實驗室成果令人振奮，大規(guī)模應(yīng)用仍需突破多重挑戰(zhàn)：

工藝優(yōu)化：需攻克開放反應(yīng)器中藻菌比例、光照、溫度的精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)；

成本控制：降低反應(yīng)器建造、氫氣分離純化的能耗與費用；

效率提升：通過基因工程改造萊茵衣藻（如增強耐氧氫化酶活性）或優(yōu)化菌群結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升產(chǎn)氫效能；

系統(tǒng)集成：探索與廢水處理廠、太陽能設(shè)施的耦合方案，構(gòu)建 “光能 – 生物 – 氫能” 轉(zhuǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈。

結(jié)語

萊茵衣藻與活性污泥細(xì)菌的 “黃金組合”，以自然演化的智慧破解了生物制氫的核心瓶頸。1.5:1 的配比不僅創(chuàng)造了產(chǎn)氫記錄，更揭示了微生物協(xié)同代謝的高效機制。這項技術(shù)將清潔能源生產(chǎn)與環(huán)境治理深度融合，為構(gòu)建 “碳中和” 社會提供了極具潛力的生物解決方案。隨著技術(shù)迭代，這些微小生命體或?qū)⒊蔀槲磥砭G色能源體系的核心 “生物引擎”，推動人類向可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)大步邁進(jìn)。

阿根廷圣達(dá)菲羅薩里奧國立大學(xué) Mariana Martín課題組

磷酸烯醇丙酮酸羧激酶 （PEPCK） 催化草酰乙酸 （OAA） 脫羧和磷酸化的可逆反應(yīng)生成磷酸烯醇丙酮酸 （PEP） 和 CO₂主要在綠藻中起糖異生作用。我們在萊茵衣藻中發(fā)現(xiàn)了兩種PEPCK亞型，并克隆、純化和表征了這兩種酶。ChlrePEPCK1 作為脫羧酶比 ChlrePEPCK2 更具活性。ChlrePEPCK1 是六聚體，其活性受檸檬酸鹽、苯丙氨酸和蘋果酸鹽的影響，而 ChlrePEPCK2 是單體的，受檸檬酸鹽、苯丙氨酸和谷氨酰胺的調(diào)節(jié)。我們假設(shè)發(fā)現(xiàn)的兩種 PEPCK 亞型起源于基因的選擇性剪接或酶的調(diào)節(jié)蛋白水解。這兩種亞型的存在將是精細(xì)調(diào)節(jié)PEPCKs生物活性的機制的一部分。 

原文鏈接：Two phosphoenolpyruvate carboxykinases with differing biochemical properties in Chlamydomonas reinhardtii

新食品原料應(yīng)用范圍拓展

2024 年 11 月 20 日，據(jù)相關(guān)消息，某集團(tuán)全資子公司申報的 “萊茵衣藻（白藻）” 經(jīng)國家衛(wèi)生健康委員會審查，認(rèn)定其與 2022 年第 2 號公告的萊茵衣藻實質(zhì)等同，正式更名為 “萊茵衣藻”，這意味著萊茵衣藻的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，開始進(jìn)入人造魚、蝦以及植物奶等市場，為食品行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的選擇.

科研突破助力醫(yī)藥領(lǐng)域發(fā)展

同樣在 11 月 20 日，中科院水生所龍歡組在 bio-protocol 期刊在線發(fā)表了從萊茵衣藻中純化溶酶體相關(guān)器官的方法文章。萊茵衣藻作為一種單細(xì)胞綠藻，是淡水環(huán)境中的常見生物，其簡單的結(jié)構(gòu)和易于培養(yǎng)的特性使其成為生物學(xué)研究的重要模式生物，在遺傳學(xué)、分子生物學(xué)、光合作用等多個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。此次研究成功從衣藻中純化出溶酶體相關(guān)器官，并保持了葉綠體結(jié)構(gòu)的完整性，這一成果對于深入研究細(xì)胞內(nèi)金屬離子的儲存和穩(wěn)態(tài)維持機制具有重要意義，為相關(guān)疾病的治療和藥物研發(fā)提供了理論基礎(chǔ).

新食品原料應(yīng)用范圍拓展

2024 年 11 月 20 日，據(jù)相關(guān)消息，某集團(tuán)全資子公司申報的 “萊茵衣藻（白藻）” 經(jīng)國家衛(wèi)生健康委員會審查，認(rèn)定其與 2022 年第 2 號公告的萊茵衣藻實質(zhì)等同，正式更名為 “萊茵衣藻”，這意味著萊茵衣藻的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步擴(kuò)展，開始進(jìn)入人造魚、蝦以及植物奶等市場，為食品行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新的選擇.

印度海得拉巴大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院植物科學(xué)系 Rajagopal Subramanyam課題組

自養(yǎng)生物暴露在高光照強度下會嚴(yán)重影響其光合作用性能。如果再加上不可預(yù)測的氣候變化，這些影響的致命性就會加劇。在這方面，我們的研究重點是以萊茵衣藻為模型系統(tǒng)，研究 2% 聚乙二醇（PEG）誘導(dǎo)的溫和滲透脅迫與高光照條件的緩解效應(yīng)。在不同光照強度的低 PEG 誘導(dǎo)的滲透脅迫下培養(yǎng)細(xì)胞，并通過生化和生物物理方法分析細(xì)胞的反應(yīng)。值得注意的是，與未經(jīng) PEG 處理的細(xì)胞相比，在較低 PEG 濃度下生長的細(xì)胞在強光下表現(xiàn)出更優(yōu)越的生長性能、更高的生物量和更強的光合效率。令人驚訝的是，它們的非光化學(xué)淬滅（NPQ）水平更低，這表明在 PEG 生長的樣品中存在一種獨特的光保護(hù)機制。圓二色性分析表明，在 PEG 生長的樣品中，即使在強光下，超級復(fù)合物的宏觀組織也很少受到破壞。藍(lán)色原生聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)一步證實了這一點，發(fā)現(xiàn)色素-蛋白質(zhì)相互作用具有更高的穩(wěn)定性。免疫印跡分析表明，PEG 生長細(xì)胞與非 PEG 生長細(xì)胞的核心反應(yīng)中心蛋白差異極小。值得注意的是，這種保護(hù)機制在細(xì)胞壁缺陷突變體 CC503 中不存在。我們認(rèn)為，觀察到的部分光保護(hù)作用是由于 PEG 屏蔽了細(xì)胞壁。這一結(jié)果為在受光照強度波動影響的自然環(huán)境條件下提高藻類生物量生產(chǎn)帶來了希望。

原文鏈接：Mild osmotic stress offers photoprotection in Chlamydomonas reinhardtii under high light

西湖大學(xué)?閆湞課題組

葉綠體中的蛋白質(zhì)輸入馬達(dá)通過驅(qū)動前體蛋白易位到葉綠體中，在生物合成和穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮關(guān)鍵作用。已知Ycf2-FtsHi復(fù)合體是陸地植物的葉綠體蛋白輸入馬達(dá)，但其在光合生物進(jìn)化上的保守、特化和分子機制在很大程度上尚未得到探索。本研究從萊茵衣藻中分離并確定了天然Ycf2-FtsHi復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了一個含有綠藻特異性組分的19個亞基組成的復(fù)合體。傾斜的異六聚體AAA+ATP酶馬達(dá)模塊可能促進(jìn)前體蛋白從葉綠體內(nèi)膜復(fù)合體上的易位子轉(zhuǎn)移。體外實驗證實前體蛋白能夠與Ycf2-FtsHi相互作用并增強ATP酶活性。葉綠體TOC-TIC超復(fù)合體整合Ycf2-FtsHi和易位子的結(jié)構(gòu)深刻揭示了前體蛋白易位過程中的物理相互作用和功能。通過對比陸地植物，本研究為理解葉綠體蛋白輸入馬達(dá)的組裝、功能、進(jìn)化保守和多樣性建立了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

原文鏈接：Conservation and specialization of the Ycf2-FtsHi chloroplast protein import motor in green algae.

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 李燦課題組

甲酸鹽作為一種綠色能源，可以利用CO₂生產(chǎn)，作為生物轉(zhuǎn)化的碳源，受到越來越多的關(guān)注。微藻具有利用捕獲的光能促進(jìn)甲酸同化的天然優(yōu)勢。然而，天然轉(zhuǎn)化效率低和對電子傳遞鏈的抑制作用阻礙了其應(yīng)用的發(fā)展。本研究以萊茵衣藻 21 gr為模型，提出了一種提高甲酸鹽生物量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量的途徑，并通過同位素標(biāo)記實驗得出甲酸鹽在光合生物中的存在途徑與氨基酸有關(guān)。通過增強葉綠體甘油醛-3-磷酸脫氫酶（cGAPDH）的表達(dá)，以及在甲酸鹽達(dá)常規(guī)致死劑量的條件下進(jìn)行適應(yīng)性實驗室進(jìn)化（ALE），生物量和蛋白質(zhì)產(chǎn)量分別比野生型提高了34%和55%。其光合活性的變化表明，細(xì)胞能量和還原力的平衡是微藻實現(xiàn)高甲酸生產(chǎn)力的必要條件。通過進(jìn)一步的蛋白質(zhì)組學(xué)研究，確定6-磷酸葡萄糖酸脫氫酶（6-PGD）為甲酸和氮共同化的關(guān)鍵酶。

原文及鏈接：Photosynthetic cultivation ofChlamydomonas reinhardtii with formate as a novel carbon source to the protein production

中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所 曹旭鵬課題組

微藻光合自養(yǎng)生產(chǎn)受到碳能和光能有效供給的限制，生產(chǎn)效率低于理論值。以甲醇為代表的C1化合物已通過人工光合作用工業(yè)化生產(chǎn)，太陽能效率超過10%，但人工產(chǎn)物的復(fù)雜性較弱。在這里，基于葉綠體工廠的建設(shè)，綠色微藻萊茵衣藻CC137c被改造用于甲酸的生物轉(zhuǎn)化以用于生物質(zhì)生產(chǎn)。通過篩選葉綠體轉(zhuǎn)運肽的最佳組合，cabII-1 cTP1融合甲酸脫氫酶對甲酸的轉(zhuǎn)化表現(xiàn)出顯著增強，并且在維持光反應(yīng)活性方面表現(xiàn)更好。這項工作提供了一種通過人工-自然混合光合作用從太陽能和二氧化碳中獲取生物產(chǎn)物的新方法，其效率可能高于自然界。

原文鏈接：Chlamydomonas reinhardtii chloroplast factory construction for formate bioconversion

香港城市大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院 王文雄 & 楊能課題組

低生物量生產(chǎn)率和長期光合效率極大地限制了微藻生物燃料的生產(chǎn)。在此，提出了一種基于具有聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)特性的生物相容性胞外聚合物(EPS)探針來選擇具有高光合能力的高生長、抗逆性藻株的新策略。具體來說，合成了AIE活性EPS探針，用于在不同藻類生長階段原位長期監(jiān)測EPS生產(chǎn)力。通過結(jié)合基于AIE的熒光技術(shù)，藻類細(xì)胞根據(jù)其葉綠素和EPS信號分為四個不同的種群。對分選的藻類細(xì)胞的機制研究表明，它們具有顯著的抗逆性，并且細(xì)胞分裂、生物聚合物生產(chǎn)和光合作用相關(guān)基因表達(dá)水平高。分選和傳代培養(yǎng)的藻類細(xì)胞始終表現(xiàn)出相對較高的生長率和光合能力，導(dǎo)致藻類生物量產(chǎn)量、葉綠素和脂質(zhì)增加（1.2至1.8倍）。這項研究可能開辟促進(jìn)基于微藻的生物燃料生產(chǎn)的新策略。

原文鏈接：Bioprospecting of Chlamydomonas reinhardtii for boosting biofuel-related products production based on novel aggregation-induced emission active extracellular polymeric substances nanoprobe

維羅納大學(xué)生物技術(shù)系?Matteo?Ballottari課題組鈣(Ca²⁺)依賴信號在植物和動物細(xì)胞對不同環(huán)境刺激的反應(yīng)中起著很重要的作用。在綠藻模式生物萊茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)中，Ca²⁺信號在脅迫反應(yīng)、光合作用和鞭毛功能等不同生理過程中起著至關(guān)重要的作用。最近的報道確定了Ca²⁺信號機制在特定亞細(xì)胞區(qū)室水平的潛在成分，并報道了響應(yīng)環(huán)境刺激的胞質(zhì)Ca²⁺濃度的體內(nèi)成像。C. reinhardtii中這些Ca²⁺相關(guān)機制和蛋白質(zhì)的表征為微藻如何感知和響應(yīng)環(huán)境刺激提供了相關(guān)知識，同時也為這種Ca²⁺信號機制如何進(jìn)化提供了信息。在這里，我們回顧了目前關(guān)于C. reinhardtii中Ca²⁺信號產(chǎn)生、形成和解碼的細(xì)胞機制的知識，概述了參與其不同亞細(xì)胞區(qū)室Ca²⁺信號傳導(dǎo)的已知和可能的分子參與者。還討論了最近開發(fā)的用于測量活的C. reinhardtii細(xì)胞中時間分辨率Ca²⁺信號的先進(jìn)工具包，建議它們?nèi)绾胃倪M(jìn)Ca²⁺信號在微藻對環(huán)境刺激的細(xì)胞反應(yīng)中作用的研究。

原文鏈接：Chlamydomonas reinhardtii cellular compartments and their contribution to intracellular calcium signalling

https://doi.org/10.1093/jxb/erab212

萊茵衣藻是一種單細(xì)胞綠藻，別看它體型微小，卻有著豐富的營養(yǎng)成分。其蛋白質(zhì)含量極高，可高達(dá) 50% – 60%，且這些蛋白質(zhì)含有人體所需的多種必需氨基酸，其氨基酸組成較為平衡，這意味著它們能夠為人體提供優(yōu)質(zhì)的蛋白來源，對于維持身體的正常生理功能、修復(fù)組織和促進(jìn)生長發(fā)育有著關(guān)鍵作用。無論是對于素食者，還是需要補充蛋白質(zhì)的健身人群，萊茵衣藻都不失為一種理想的選擇。

除了蛋白質(zhì)，萊茵衣藻富含多種維生素。其中包括維生素 A、維生素 C、維生素 E 等抗氧化維生素。維生素 A 對于維護(hù)視力健康至關(guān)重要，能夠預(yù)防夜盲癥和干眼癥等眼部問題；維生素 C 則是增強免疫力的 “小能手”，它可以促進(jìn)白細(xì)胞的生成和活性，幫助身體抵御病原體的侵襲，同時還具有抗氧化作用，減少自由基對細(xì)胞的損害；維生素 E 同樣是強大的抗氧化劑，能夠保護(hù)細(xì)胞膜免受氧化損傷，延緩細(xì)胞衰老過程。

在礦物質(zhì)方面，萊茵衣藻也不遜色。它含有鈣、鐵、鋅、鎂等多種礦物質(zhì)。鈣是構(gòu)成骨骼和牙齒的主要成分，對于維持骨骼強度和密度起著核心作用，尤其對于兒童和老年人的骨骼健康意義重大；鐵是血紅蛋白的重要組成部分，負(fù)責(zé)氧氣在體內(nèi)的運輸，缺鐵可能導(dǎo)致貧血，適量攝入萊茵衣藻有助于預(yù)防缺鐵性貧血；鋅參與人體多種酶的合成和活性調(diào)節(jié)，對免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的正常運作不可或缺；鎂對于心血管健康有益，可調(diào)節(jié)心臟節(jié)律和肌肉收縮。

更值得一提的是，萊茵衣藻中還含有獨特的生物活性成分，如葉黃素和 Omega – 3 脂肪酸等。葉黃素是一種類胡蘿卜素，在視網(wǎng)膜黃斑區(qū)域高度富集，能夠過濾有害藍(lán)光，預(yù)防視網(wǎng)膜病變和老年性黃斑變性等眼部疾病。Omega – 3 脂肪酸包括 EPA 和 DHA，它們對心血管系統(tǒng)有著積極的影響，可降低血脂、減少動脈粥樣硬化的風(fēng)險，同時對大腦發(fā)育和神經(jīng)系統(tǒng)功能的維護(hù)也有重要作用，有助于提高記憶力和認(rèn)知能力。

從健康功效來看，萊茵衣藻在抗氧化、抗炎和調(diào)節(jié)腸道菌群等方面也展現(xiàn)出潛力。其豐富的抗氧化成分可以清除體內(nèi)過多的自由基，自由基就像身體里的 “小惡魔”，會破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能，引發(fā)一系列慢性疾病，如癌癥、心血管疾病和糖尿病等。通過抗氧化作用，萊茵衣藻能夠幫助身體維持細(xì)胞的健康狀態(tài)。此外，萊茵衣藻還具有一定的抗炎特性，慢性炎癥是許多疾病的根源，而它能夠抑制炎癥因子的產(chǎn)生，減輕炎癥反應(yīng)。在腸道健康方面，研究發(fā)現(xiàn)萊茵衣藻可能有助于調(diào)節(jié)腸道菌群的平衡，促進(jìn)有益菌的生長，抑制有害菌的繁殖，為腸道健康營造良好的環(huán)境，進(jìn)而對整體健康產(chǎn)生積極影響。

總之，萊茵衣藻以其豐富的營養(yǎng)價值和多樣化的健康功效，成為了現(xiàn)代健康食品領(lǐng)域的新寵。隨著科學(xué)研究的不斷深入，相信它將在提升人類健康水平的道路上發(fā)揮更為重要的作用，為我們的健康生活帶來更多的驚喜。