清潔能源的未來，可能藏在一滴綠水之中！微藻，尤其是“明星藻種”萊茵衣藻，能利用陽光和水生產(chǎn)純凈的氫氣燃料，過程綠色環(huán)保。但如何讓這些小小的“生物工廠”高效運轉(zhuǎn)？光，是關(guān)鍵開關(guān)！最新研究發(fā)現(xiàn)，不同顏色、強(qiáng)度和時長的光線，能像魔法棒一樣，顯著影響微藻的生長、光合作用效率，最終決定氫氣的產(chǎn)量。

　　伊朗德黑蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊進(jìn)行了一項系統(tǒng)研究，探索了白光、黃光、芒果光（推測為特定波長的混合光）、綠光、紅光、粉光六種LED光色，在四種光強(qiáng)（60, 120, 180, 240μEm^?2s^?1）和兩種光暗循環(huán)（12h明/12h暗和16h明/8h暗）下，對萊茵衣藻在混合營養(yǎng)條件下產(chǎn)氫、生長和光合系統(tǒng)的影響。文章“Enhancing biohydrogen production and biomass accumulation in Chlamydomonas reinhardtii under different light spectra and intensities”發(fā)表在International Journal of Hydrogen Energy雜志上。

　　研究發(fā)現(xiàn)，生物量之王：芒果光。在180μEm^?2s^?1強(qiáng)度下，芒果光培養(yǎng)的藻細(xì)胞干重達(dá)到1029 mgL^-1（表1），光密度（OD750）最高達(dá)1.69，顯著優(yōu)于其他光。

表1 不同光照強(qiáng)度和光譜條件下萊茵衣藻的總?cè)~綠素含量及生物量

圖1 3×60μEm^?2s^?1光照強(qiáng)度及12-12 (A)和8-16(B)的光暗周期對萊茵衣藻光密度的影響

　　產(chǎn)氫冠軍：白光。在所有光強(qiáng)下，白光都表現(xiàn)出最高的產(chǎn)氫速率。在最優(yōu)的180μEm^?2s^?1強(qiáng)度下，其最高產(chǎn)氫速率達(dá)到1.7867 mL H?L^-1hr^-1，總產(chǎn)氫量也最高（圖3）。

圖3不同光照強(qiáng)度對氫氣生成速率的影響

　　光照強(qiáng)度是雙刃劍：光強(qiáng)提升到180μEm^?2s^?1普遍促進(jìn)生長和產(chǎn)氫，但進(jìn)一步增加到240μEm^?2s^?1則多數(shù)情況下導(dǎo)致下降，表明存在光抑制。

表4 光照強(qiáng)度和光譜對最大生產(chǎn)時間和氫氣生產(chǎn)的滯后期的影響

　　連續(xù)光照更優(yōu)：相比12:12或16:8的光暗循環(huán)，連續(xù)光照（180μEm^?2s^?1）下的總產(chǎn)氫量最高（平均36.59 mL），比光暗循環(huán)高出約20%。頻繁的光暗切換可能誘導(dǎo)活性氧（ROS）產(chǎn)生，消耗能量用于修復(fù)而非產(chǎn)氫。

圖4 3×60μEm^?2s^?1的光照強(qiáng)度及12-12（A）和8-16（B）的光暗周期對氫氣生成速率的影響

表5 光/暗周期和光譜對氫氣總產(chǎn)量、最大生產(chǎn)時間以及氫氣生產(chǎn)滯后期的影響

　　本研究中，英國Hansatech公司的新一代脈沖調(diào)制式熒光儀FMS-300扮演了至關(guān)重要的角色。它像一位精密的“光合作用心電圖儀”，實時監(jiān)測了微藻光系統(tǒng)II（PSII）核心的“健康”和效率，指標(biāo)是最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）。這個數(shù)值越高（接近0.8是健康狀態(tài)），說明PSII捕獲光能并轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的效率越高。

　　產(chǎn)氫啟動時的效率差異：紅白領(lǐng)先。在產(chǎn)氫階段開始時（180μEm^?2s^?1強(qiáng)度下），紅光和白光下的Fv/Fm最高，分別達(dá)到0.2891和0.272。這暗示在產(chǎn)氫初期，紅光和白光更有利于PSII保持較高的基礎(chǔ)活性。

　　產(chǎn)氫過程中的效率崩塌：粉光“透支”最嚴(yán)重。驚人的發(fā)現(xiàn)是：無論何種光色或光暗循環(huán)，在產(chǎn)氫過程結(jié)束時，F(xiàn)v/Fm都出現(xiàn)了災(zāi)難性的下降！下降幅度在0.74-0.84之間。粉光下的崩塌最為劇烈，效率下降約0.865（意味著效率損失了驚人的86.5%）。

表2在不同光照強(qiáng)度和顏色下，PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）在不同培養(yǎng)階段的變化

表3 在不同的光照/黑暗周期和不同顏色的光照下，PSII最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）在整個培養(yǎng)期的變化

圖2在連續(xù)光照強(qiáng)度下比較總氫氣產(chǎn)量水平，并在光/暗（小時）循環(huán)中確定連續(xù)光照強(qiáng)度的最佳結(jié)果

　　原因解析（基于FMS-300數(shù)據(jù)推測）：粉光通常包含紅光和藍(lán)光成分。紅光易被葉綠素b吸收，藍(lán)光易被葉綠素a吸收。這種雙波段高效吸收可能過度刺激了PSII和PSI兩個光系統(tǒng)，導(dǎo)致其在初期“超負(fù)荷”工作（表現(xiàn)為初期產(chǎn)氫啟動相關(guān)），但隨后因能量過剩或損傷修復(fù)跟不上而“崩潰”，效率急劇下降。這解釋了粉光初期表現(xiàn)尚可但后期崩盤的現(xiàn)象。

　　對比不同光暗循環(huán)（12:12和16:8）下的FMS-300數(shù)據(jù)（表3），結(jié)果顯示：改變光暗循環(huán)對Fv/Fm的變化沒有產(chǎn)生顯著影響。這表明，導(dǎo)致Fv/Fm在產(chǎn)氫過程中大幅下降的核心驅(qū)動因素并非光暗節(jié)奏本身，而是產(chǎn)氫過程（尤其是厭氧環(huán)境）對光合系統(tǒng)的內(nèi)在壓力。無論光照是否間斷，進(jìn)入產(chǎn)氫階段后，PSII都承受巨大負(fù)擔(dān)。FM-S300數(shù)據(jù)展示了高效生物產(chǎn)氫的“代價”——對光合系統(tǒng)核心PSII造成了巨大壓力，導(dǎo)致其效率嚴(yán)重受損。這解釋了為何產(chǎn)氫過程難以長時間維持高峰。

　　本研究通過系統(tǒng)調(diào)控光環(huán)境，并結(jié)合FMS-300脈沖調(diào)制式熒光儀的精確定量分析，繪制了一幅萊茵衣藻在混合營養(yǎng)條件下產(chǎn)氫的“光響應(yīng)圖譜”。這為理解生物制氫的瓶頸和尋找解決方案（如選育耐逆藻種、優(yōu)化反應(yīng)條件、開發(fā)保護(hù)策略）提供了不可或缺的生理指標(biāo)和洞察力。未來，結(jié)合基因工程改造（如縮短捕光天線）、更智能的光生物反應(yīng)器設(shè)計以及多因素（營養(yǎng)、溫度、CO?）協(xié)同優(yōu)化，基于微藻的綠色生物制氫技術(shù)有望迎來新的突破。