利用藻類生產氫氣

從原則上說，利用電解水分子的原理，人們可以獲得無窮無盡的氫氣。然而，這一電解過程所消耗的能量，比後來能夠贏回來的還要多。但也許活生生的大自然，可能還是為氫氣能源事業，提供了一條從生態角度而言較有意義的途徑。這條途徑，很可能將和綠藻有關。

這一希望，也得到了波昂大學植物所以哈珀為首的生物學家們最新科研成果的支持。他們利用不同的技巧，促使綠藻在光照的作用下，生成了人們夢寐以求的氫氣，而且產量可觀。

早在大約60年前，人們就首次觀察到綠藻可以生成氫氣的現象。但長期以來，人們一直把這一現象，只當作是生物界的一項奇聞來看，並沒有予以任何重視。一般來說，為了讓植物細胞能夠生成氫氣，人們必須把這些細胞，與光和氧氣隔絕一陣子。在這樣的條件下，植物細胞內部一種可生成氫氣的酶，也就是氫化酶，便會被激活。假如此時，人們再把這些綠藻，置入陽光下的話，氫氣生產便會開始，但它只會延續幾秒鐘，最多幾分鐘的時間，便告結束。從經濟角度而言，如此低的氫氣產量，是沒有什麼意義的。

現在，人們已經可以刺激藻類，明顯地提高其生產能力了。德國波昂的生物學家所獲得的科研成果，也為此做出了很大貢獻。就像所有綠色植物一樣，綠藻也具備兩套光合系統，它們是由類似於胡蘿蔔素和葉綠素這樣的分子組成的。這些分子的特長，是收集和利用陽光。

這些光合系統，也可以被看成是某種由光照帶動的電子傳送帶。植物細胞可以利用這些電子，合成能量豐富的化合物。就是氫氣的生產過程，也和光合作用時所傳送的電子數量有關。氫化酶，這個綠藻在進化發展過程中，所保留下來的殘遺，就是利用電子，分別把兩個、兩個的質子，轉化成一個個的氫分子。

然而，處於整條光合作用鏈第一節點上的光合系統，受到陽光輻照時所生產的，並不僅僅是電子。由於水分子，同時也被分解，所以，它也會生產出氧分子。恰恰這一效應，卻是一個障礙，假如綠藻細胞應當起到氫氣工廠的作用的話，因為氧氣可以消除氫化酶的活性，使其處於癱瘓狀態。

這也是綠藻為什麼在過去的實驗中，只能在很短的時間內，提供氫氣的原因所在。一旦由於光合作用而產生的氧氣，達到了一定的濃度之後，氫化酶，便停止了它們的工作。

多年前，科學家們就已經成功地利用一種抑制劑，有針對性地阻止了負責生成氧氣的那個光合系統，繼續工作。只不過，這樣一來，這個系統，也就不再生成電子了，使得處於無氧狀態下的綠藻，不得不轉換它們的新陳代謝機制。它們開始降解其自身儲藏的物質，比如澱粉和蛋白質。

這樣的降解過程，同樣也會生成電子。隨後，這些電子又被另一個、不受抑制劑影響的光合系統，在陽光輻照的作用下，輸送到高一級的能量上。這樣一來，氫化酶便可以利用這些「高能」電子，轉換釋放出人們所希求的氫分子。

與此相比，最近才開發出來的另一種方法，就顯得更為巧妙。這種方法的關鍵之處，在於去硫。假如給盛放在封閉式，也就是不流通的容器中的綠藻，供給不含硫的營養液的話，那麼，即使這些綠藻受到陽光的輻照，它們所生成的氧氣，也會越來越少，其產量可以逐步降到正常水準的十分之一。

與此同時，在所謂的細胞呼吸過程中，物質新陳代謝所需的氧氣量，卻不會減少。因此，營養液中的氧氣含量，便會很快降低，氫化酶的活性，也就會相應地增強。也就是說，在缺硫的情況下，綠藻自己所選擇的新陳代謝之路，其結果，恰恰是光照帶動的氫氣生產。

不過，最晚七天之後，這些氫氣生產者的生產能力，便會明顯下降。這時，必須要讓它們歇息一下，重新進行正常的光合作用，再次積蓄澱粉和蛋白質，恢復體力。通過提高營養液的硫含量，便可以很容易地達到這一步。從某種意義上來說，硫元素，在此起著控制器的作用。人們可以依靠它，隨意控制綠藻，要麼生產氧氣，要麼生產氫氣。

從純計算的角度而言，一平方米面積的綠藻液，在德國的照仗跫攏刻煒梢蘊峁?/FONT>20克的氫氣。理論上來說，大規模的設備，完全可能生產出數量可觀的氫氣，用於能源供應。然而，實際情況，和這個理論生產力的實現，還相隔甚遠。

用波昂學者哈珀的話來說，就是目前還存在三個「生物障礙」。首先，至今在實驗室裡培養出來的綠藻，在進行電子輸送時，頂多只利用了其光合能力的20％。此外，綠藻也進化發展出一種保護機制，當陽光輻照過強時，保護自己不受影響。這一保護機制，同樣也降低了綠藻的氫氣生產能力。第三個障礙，是這些綠藻，不能連續作業，而是不斷需要長達兩天的休息時間，以「恢復體力」。

此間，波昂的學者進一步研究了氫氣生產的關鍵性單元，也就是氫化酶，它有多種亞種。科學家們成功地從不同的綠藻中，分離出氫化酶基因。現在，德國學者在一項由日本能源部資助的國際項目中，嘗試把藻類的光合作用系統以及氫化酶，塗到人造膜上。

但波昂大學的哈珀卻以為，直接利用藻類，更為簡單。生物學家們已經把氫化酶基因，和一個控制元，嫁接在一起。後者的作用，是提高讀氫化酶遺傳訊息的次數。帶有這種基因構造的藻類，和它們的天然同類相比，氫氣產量，提高了兩到三倍。目前，波昂的生物學家正在和美國加州的一家新興公司一起合作，檢驗藻類是否適合於用來進行氫氣的大規模工業化生產。假如檢驗結果表明，這只是一個不可實現的幻想的話，那麼科學家們至今的努力，也並不是徒勞的。他們的科研成果，今天，就已經豐富了生物學的基礎研究。