微藻仿生硅矿化及其应用

摘要

能源危机和环境破坏是已成为当今人类发展所面临的两大全球性问题。进入工业化社会以来，人类对化石能源的使用，在给人类社会带来巨大发展的同时，也给地球带来了严峻的环境问题。随着化石能源的不断消耗殆尽和日益严峻的环境污染，开发和利用可再生能源，改善能源结构，已成为全球可持续发展战略的重要组成部分。生物燃料是目前唯一能大规模替代化石燃料的清洁可再生能源产品，而微藻又被认为是最有前景的生物燃料的原料之一，其作用已越来越引起人们的广泛关注和重视。微藻在提供生物能源的同时，可以固定二氧化碳，减少温室气体，但微藻的大量繁殖也会给环境带来破坏和污染，比如水华的爆发。微藻的利用与防治，根本在于微藻的性质，如何对微藻进行改性，对于微藻的利用与防治有着重要的意义。
　　在生物进化的过程中，生命体渐渐学会通过生物矿化形成具有复杂层级结构的有机-无机复合材料，并利用这些材料的性质去实现各种不同功能，以适应不同的生存环境。例如硅藻利用硅矿化形成具有精细纳米结构的二氧化硅外壳，这个精致的二氧化硅外壳不仅可以为硅藻提供机械保护功能，还能提供光子晶体的功能，提高光合效率。生物矿化就是生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。受到生物矿化现象的启发，近年来，通过仿生矿化的手段改造生命体逐渐成为一个的研究方向，因此，我们设想通过仿生矿化的手段实现对微藻细胞的改性，并探索了功能化改性在微藻利用与防治中的应用。全文共分五章:
　　第一章绪论是对微藻和仿生矿化的背景及本论文的研究线路进行概述。首先简单介绍了微藻的种类，然后对微藻生物能源和微藻与环境的相互作用进行了重点叙述，并归纳了现有的微藻改性策略;随后引入仿生矿化的策略，先从生物矿化的形式、生物矿物的种类和生物矿化的调控策略三个方面介绍了生物矿化，然后介绍仿生矿化的基本原理，接下来归纳总结了仿生矿化在生命体改造中的相关应用;最后提出了本论文的研究思路和目标。
　　第二章中我们利用蓝藻细胞为模型体系探索细胞表面的仿生矿化对光合作用的影响。我们通过层层自组装并结合仿生硅矿化的手段对蓝藻细胞进行了二氧化硅壳化修饰，研究了二氧化硅矿物壳对蓝藻光合活性的影响，并重点关注了二氧化硅外壳对蓝藻细胞缓解强光胁迫的作用。实验结果显示拥有二氧化硅外壳的蓝藻细胞在强光下体现出更强的光合作用能力，从而有助于生物质的积累，对生物能源的利用有重要的意义。
　　第三章中我们将研究对象变成了绿藻，研究目标变成了促进绿藻的光合产氢。我们选择商业化的小球藻为实验对象，通过仿生硅矿化诱导了小球藻的聚集，并通过适当的聚集，实现了小球藻细胞在空间上的放氧和产氢的功能分化，从而实现了小球藻聚集体在有氧条件下可持续的光合产氢。该研究第一次实现了在自然的有氧条件下的可持续光合产氢，为生物光合产氢的研究和微藻生物能源的制造提供了全新的思路，并且这种基于化学-材料的策略也有望拓展到诱导其它微生物的功能转变。
　　第四章中我们将研究对象又换回了蓝藻，但研究目标变成了控制蓝藻的增殖。我们选择太湖蓝藻爆发时的优势种——微囊藻为实验对象，受到自然界中硅藻的启发，借鉴仿生硅矿化的策略，利用带胺基的阳离子聚电解质和二氧化硅纳米颗粒，实现细胞与二氧化硅纳米颗粒的快速复合，微囊藻细胞与二氧化硅复合后迅速变为聚集态，并能在短时间内完全沉降到水底。沉降到水底的微囊藻细胞，不仅光合生长受到抑制，而且几乎停止释放藻毒素。该研究为预防水华提供了一种安全有效、成本低廉的策略。
　　第五章我们对本论文的研究做了简要的归纳和总结，不仅讨论了如何通过材料技术的改进来深化和提高目前的研究，还明确展示了仿生矿化策略在细胞尤其是微藻细胞的功能改性方面的巨大前景。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 微藻的利用与防治

1．2．1 微藻

1．2．2 微藻生物能源

1．2．3 微藻与环境的相互作用

1．2．4 微藻改性的现有策略

1．3 仿生矿化

1．3．1 生物矿化

1．3．2 仿生矿化的调控机制

1．3．3 仿生矿化中的有机基质

1．4 生命物质的仿生矿化改造

1．4．1 细胞表面的仿生矿化

1．4．2 病毒的表面矿化

1．4．3 蛋白质的矿化改造

1．5 本论文的研究思路和目标

第二章 仿生硅矿化缓解光胁迫

2．1 前言

2．2 材料与方法

2．2．1 仪器

2．2．2 试剂

2．2．3 BG-11培养基的配制

2．2．4 蓝藻细胞的培养

2．2．5 蓝藻细胞的表面矿化

2．2．6 矿化后蓝藻细胞的表征

2．2．7 蓝藻细胞紫外可见光谱分析

2．2．8 光胁迫处理

2．2．9 光合系统Ⅱ活性的检测

2．2．10 叶绿素含量的测定

2．2．11 蓝藻放氧活性与呼吸速率测定

2．3 结果与讨论

2．3．1 蓝藻细胞的表面硅矿化

2．3．2 蓝藻的光合色素表征

2．3．3 二氧化硅外壳的光学性质

2．3．4 二氧化硅外壳对蓝藻强光胁迫的保护

2．4 结论

第三章 仿生硅矿化诱导小球藻光合产氢

3．1 前言

3．2 材料与方法

3．2．1 仪器

3．2．2 试剂

3．2．3 TAP培养基配方

3．2．4 小球藻细胞的培养

3．2．5 小球藻的仿生矿化和细胞聚集

3．2．6 小球藻聚集体的表征

3．2．7 在大气环境中氢气的检测

3．2．8 氢气和氧气的检测

3．2．9 叶绿素含量的测定

3．2．10 氢酶活性的测定

3．2．11 光合系统Ⅱ活性的检测

3．2．12 微电极测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 仿生硅矿化诱导小球藻细胞聚集

3．3．2 聚集的小球藻在自然的有氧条件下产氢

3．3．3 小球藻聚集体的可持续光合产氢

3．3．4 小球藻细胞聚集产生的空间分化

3．3．5 小球藻聚集体光合产氢的尺寸效应

3．4 结论

第四章 二氧化硅抑制蓝藻水华

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 仪器

4．2．2 试剂

4．2．3 BG-11培养基的配制

4．2．4 蓝藻细胞的培养

4．2．5 蓝藻细胞的仿生硅化

4．2．6 硅化蓝藻聚集体的表征

4．2．7 叶绿素含量的测定

4．2．8 光合系统Ⅱ活性的检测

4．2．9 微囊藻毒素含量的测定

4．2．10 氧气浓度的测定

4．3 结果与讨论

4．3．1 仿生硅化诱导蓝藻细胞的聚集和沉降

4．3．2 沉降对光合生长的影响

4．3．3 沉降对藻液中氧气浓度的影响

4．3．4 沉降对藻毒素释放的影响

4．3．5 低温黑暗对微囊藻聚集体的影响

4．3．6 强光照对微囊藻聚集体的影响

4．4 结论

第五章 结论与展望

参考文献

作者简介以及在攻读博士期间的主要科研成果