光合作用与新能源开发论文.doc

研究生课程考试（小论文）课程名称： 分子细胞生物学 课程编号： 论文题目: 光合作用与新能源开发 研究生姓名: (签名) 学 号: 论文评语:成 绩: 任课教师: 评阅日期: 光合作用与新能源开发【摘要】能源，是人类赖以生存和发展的基础。然而，随着社会的不断发展，全球的能耗在不断的增加，化石能源的大量使用带来了一系列环境和生态问题。太阳能具有储量巨大、无地域限制、清洁无污染等优势，因而成为新能源开发研究的重点。光合作用是自然界物质循环和能量获取的重要环节，具有多项优势，成为全球能源问题的希望和未来。现阶段人类利用光合作用产能已有了一定的进展，本文对现阶段已取得的进展进行了综述、点评，并对未来利用光合作用开发新能源的趋势进行了展望和分析。【关键词】光合作用 ；新能源 1引言能源，是人类赖以生存和发展的基础。然而，随着社会的不断发展，全球的能耗在不断的增加，根据预测，到2050年，世界能源的需求量将达到2000年的两倍1。化石能源的大量使用带来了一系列环境和生态问题，CO2的大量排放已导致严重的温室效应，并引起全球性的气候变化2,同时化石燃料正在日益枯竭。在此情况下，开发新能源刻不容缓。作为可持续发展的关键部分，清洁新能源的开发已引起各国政府的重视。目前人类使用的能源最终都来自太阳( 核能除外) ，相比其他新能源( 水能、风能、核能等) ，太阳能具有储量巨大、无地域限制、清洁无污染等优势，因而成为新能源开发研究的重点1。目前太阳能利用主要有光热转换、光电转换和光化转换三种方式3: （1） 光热转换早已深入到日常生活中，如热水器、温室、太阳灶和高温炉等，但转换后的热能难以有效运输; (2) 光电转换最为方便实用，它可将太阳能转换成通用的电能，方便储存、运输和使用，但其转换效率仍待提高; (3) 光化转换包含光合作用、光电化学作用、光敏化学作用和光分解反应。其中光合作用是自然界物质循环和能量获取的重要环节，经过数十亿年的演变4，光合作用系统都具有非常优良的结构功能特性和较高的能量转化效率5。自然界光合作用的场所是植物、藻类和某些细菌，它们能在可见光的照射下，将CO2和H2O( 对细菌来说是H2S 和H2O) 转化为有机物，并释放出O2( 细菌释放H2) 。氧光合作用的总反应式5:6 H2O + 6 CO2 C6H12O6 + 6 O2对绿色植物来说，光合作用可分为光反应和暗反应两个阶段: 光反应在叶绿体类囊体膜上进行，光照是其必要条件; 暗反应主要在叶绿体基质中进行，是一系列酶促反应，单纯的暗反应无需光照6。地球上的绿色植物每年要化合1500 亿吨的碳（来自二氧化碳）和250 亿吨的氢（来自水），并释放出4000 亿吨的氧。它们用简单的二氧化碳和水的分子合成碳水化合物、脂肪和蛋白质。这种合成需要输入能量，而这些能量就是从无穷无尽的阳光那里获得的。绿色植物把阳光的能量转变成复杂化合物的化学能，而这些化学能可以养活所有的生命，构成了地球上生命繁荣的基础7。因此，利用光合作用产能成为全球能源问题的希望和未来。2 现阶段人类利用光合作用产能进展2.1 预计利用藻类的光合作用替代燃料成为未来新能源据介绍, 水藻是自然界最常见的生物, 只要有个水坑, 有阳光, 他们就能迅速繁殖。但是, 这种泛滥也给人们带来了麻烦, 生物学家们受此启发, 于是开始努力寻找用水藻开发生物能源的办法。水藻是由简单的水生有机体组成的, 它们通过光合作用储存光能, 产生植物油。而植物油可以被转化成“ 生物柴油” , 这样就可以为任何柴油发动机提供动力。8位于美国德克萨斯州的Valcent Products公司实现工业化养殖海藻, 利用海藻生产生物燃料。美国国家工程院院士、中国水产科学研究院学术顾问王兆凯近日也提出从藻类中提取生物柴油作能源使用。据悉, 藻类能源最近在能源行业里备受追捧, 除其自身含油量高以外, 对于生长环境及水源不受限制也是一大优点, 避免了占用良好的土地资源和清洁的水资源。同时, 这种单细胞有机体只需要阳光、水和二氧化碳就能生长。经过处理的藻类可以榨出藻油, 藻油除了可做食用油, 也能在改良的柴油机上直接使用藻油还能替代石油精炼出汽油、柴油、航空燃料和民用燃料油, 并能精炼出塑料和溶剂等化合物。美国新罕布什尔州立大学早在2004年的报告中就指出,3000 万英亩沙漠中生长的藻类转换为藻类燃料可满足美国所有的运输用燃料需求, 而这块面积仅占全美种植农作物和养殖牲畜土地面积的百分之三。142.2 法开发出利用植物光和作用的新型燃料电池据报道，法国国家科研中心的研究人员利用植物光合作用产生的物质开发出一种新型生态电池。这一研究成果为开发生态新能源提供了思路。据介绍，绿色植物的叶绿素在光的照射下会把二氧化碳和水合成有机物质和氧气， 这种新型生态电池就是利用光合作用的产物开发出来的。研究人员通过仙人掌进行了相关实验， 结果发现，一旦仙人掌发生光合作用， 生态电池就会产生电流。研究人员认为，这个实验不但能即时观测到植物的光合作用， 还提供了开发生态新能源的可能。92.3 转基因能源物质育种技术能源植物所固定的碳含量远高于采收自然植被和在工业、农业废料中回收的量，所以能源植物的种植才备受关注13。换句话说，利用转基因技术增强植物的光合作用，使其有机产物增加，以获得较多的生物质能。2.4 人工光合作用研究进展2.4.1 韩利用纳米技术成功研发人工光合作用技术据韩国联合通讯社报道， 韩国科学技术院（KAIST）新材料工程学系教授朴赞范（音译）率领的科研小组宣称，他们利用纳米材料成功地研发了人工光合作用技术。研究人员仿效自然界的光合作用，利用纳米大小的光感应材料将光能转换成电能，由此产生氧化还原酶反应。简而言之，这是一种利用光能生成精密化学物质的技术。102.4.2 英研究揭示出光合作用关键膜蛋白伦敦帝国理工学院和医学院的一位生物化学家巴伯和斯德哥尔摩大学的一位化学家安德森说, 在新近的研究揭示出使植物和细菌能利用太阳能的关键膜蛋白质的结构的基础上, 光合作用可能会成为“ 第一种其结构、功能和调节机制在原子级上都严格如物理化学术语描述的、复杂的生物系统” 。尤其是, 这些科学家通报了证明“获取光的色素蛋白质”的结构这一研究成果, 他们说这一进展最终可能使人工光合作用成为可能。这种获取光的色素蛋白质使光合生物具备利用全部太阳光谱并在没有光的地方生长的优势。借助一种叫做电子结晶学的新技米, 科学家们能观察获取光的叶绿素a/b蛋白质复合休又称（LHC11）的结构11。2.4.3 模拟自然光合系统PS-及无机半导体光催化体系催化理论及制备方法取得较大进展两个领域中人工光合作用取得了较大进展12：（1）模拟自然光合系统PS-设计合成超分子领域，研究者已经制备了一系列结构和功能接近PS-的光催化系统，但是其自我修复能力、电子转移速率和光催化效率均未达到自然光合作用系统的水平，还需要进一步探索和改进。模拟氢化酶方面存在更大的问题，相比光合作用研究者对氢化酶的关注较晚，研究和表征手段的局限性导致氢化酶的制氢原理至今尚未完全明晰，还需要结合理论计算和人工模拟在今后的研究中进一步探索。12（2）无机半导体光催化体系的催化理论及制备方法相对成熟，已经设计并制备出一些催化效率较高的体系。但是高效率的体系往往需要用到贵金属，导致体系成本较高，如何用廉价催化剂制备高效光催化系统是一大问题。另外可见光的利用率也没有达到自然光合系统的水平。123 用光合作用产能研究未来趋势及展望光合作用，利用水和二氧化碳，在光照条件下反应生成有机物和水，需要叶绿素、色素分子、NADPH、ATP、各种酶等物质的参与，然而这些物质在反应中都是循环利用的，也就是说理论上来说光合作用利用光能产生ATP和有机物，只消耗了二氧化碳和水，而有机物的氧化放能又会产生二氧化碳和水，因此仅仅利用了光能既产生了我们所需要的能量。而就上述现阶段人类利用光合作用产能的发展和技术，各有着不同的方向和前景。3.1 利用藻类开发能源是当前最可行开发技术首先，在藻类的培养上，可操作性很强。藻类的繁殖条件要求很低，是自然界最常见的生物，且储量很大，因此在藻类的大量培养上所需的成本不高，甚至可以采取大自然中现有藻类。目前全球有相当多的水体中出现藻类泛滥，产生赤潮、水华等水体污染现象。若能够开发藻类来产生我们所需的能源，还能部分解决全球水体中的污染状况。除了索取原料较方便之外，从藻类中榨出油来的步骤也相对较容易实现，因此利用藻类来开发能源是当前最可行的可发技术。藻类的产能量是巨大的，太平洋西北国家实验室的Mark Wigmosta和同事今年递交了一个报告，报告根据目前的技术使用了相当保守的假设和估算，仍然得出每年理论上能够获得的脂质体藻类总量应该在2.16亿吨，可见藻类所代表的生物燃料原料完全可以和陆地上生产的生物燃料原料相媲美，甚至前景还更好15。但其也存在很大的局限性，例如现阶段藻类的处理成本还较高，处理一公斤水藻的成本是5欧元，显然并不划算8，寻找方法降低处理藻类的成本，成为现阶段藻类产能的研究方向。3.2 利用植物光合作用制造燃料电池是未来能源长期发展的重要补充人类的许多使用产品都离不开电池，电池在人类的生活中起到了相当重要的作用。因此可以预见在未来，能源研究的市场上也少不了对电池能源的研究和开发。目前利用光合作用制造燃料电池在此领域已有了一些突破，并且会继续发展。对于不同于主要能源的电池能源，会成为未来新能源开发长期发展的重要分支。3.3 转基因能源物质育种技术的发展前景非常有限虽然利用转基因技术培育转基因能源物质的技术相对比较可行，但是此技术的发展前景非常有限。现阶段需要考虑和开发的新能源要是能够适应全球的能量需求的，利用转基因产生的能源物质虽然能够产生较一般植物更多的有机物，但是其产量终究是很有限的。就算此技术已经很成熟，并且培养了大面积的能源植物，其产量还是难以符合全球能源的需求量，因此转基因能源物质育种技术只能作为中短期过渡性新能源开发技术。3.4 人工光合作用将成为开发新能源的主流路线和最终目标最终开发的可以替代石油燃料的新能源应该是能够大量产生的、环保的、较廉价的。对于这三个最基本的方面来说，人工光合作用较其它技术来说更具有优势性。其发展的最终目标是在体外能够模拟生物体内的光合作用，并且产生大量的能源物质。这一技术如果能够发展起来，人类便能很好地利用太阳能来获得我们所需要的能量。但是毫无疑问就目前的状况来看，离这项技术的最终目标差距还甚远，但在各方面也都有一些突破。首先要利用光合作用，就要首先对生物体内的光合作用有一个很全面详细的了解。这个了解可以从藻类入手。众所周知，高等植物的光合作用都要在叶绿体内进行，这与我们研究人工光合作用就有着很大的差距，而藻类则不同，它们进行的是非叶绿体内的光合作用，换句话说，光合作用不是一定要在叶绿体内才能进行，因此这就离我们的研究目标进了一步。蓝藻就是一个很好的选择，研究表明，蓝藻的光合色素主要是叶绿素a，并且具有藻蓝素，藻红素等辅助色素，能够吸收光能，专递给叶绿素a16。其他的内容都与高等植物体内的光合作用相似，都具有2个光反应系统，以二氧化碳为碳源，以水为氢源16。同时蓝藻的结构和体内的物质较简单，容易将其分开。那么，将蓝藻的光合作用过程研究得当，各个物质一一解决，在体外模拟蓝藻的光合作用，前景相当客观。另外还可借鉴细菌的光合作用。光合细菌也不含有叶绿体，但具有发达的光合模，光合色素是细菌叶绿素和类胡萝卜素，都能吸收和传递光能，用于进行光合作用16。更可观的是，光合细菌是利用H2S和水释放氢气产生有机物。氢气同样也是一个很有发展潜力的清洁能源，通过研究光合细菌的光合作用，人类或可在未来找到光解水的方法。对于微生物的光合作用研究之后，另一个难关便是原料的收集。其中最主要的就是“叶绿素”。目前常用的方法是从绿色植物中提取叶绿素。但据相关人员预测，未来有望通过转基因基础来产生叶绿素17。更令人担心的是，叶绿素同通常很不稳定，在植物体外易分解，这是进行体外光合作用研究的一大难题。但是在这方面，研究已有突破，“护绿技术”17已能够防止叶绿素的分解。如何产生和保存光合作用过程中需要的物质，将是未来这项研究的关键，若能够完全模拟蓝藻体内的光合作用，那么这些制备毕的物质将可以重复利用，不用面临消耗，因此其潜力巨大。4 结语当前人类面临着全球变暖、化石燃料日渐枯竭的问题，光合作用以取之不尽的太阳能为能量来源，是一种具有重要意义的能源转换方式。光合作用每年为我们的地球提供2200亿吨的生物量，是全人类所需能量的10倍，因此利用光合作用开发新能源的趋势越来越明显。在这个领域中，人来在未来所走的路线应该以利用藻类光合作用获取能源作为短期目标，以研究转基因能源物质为辅助，以发展光合作用电池为长期能源发展的重要分支，以研究人工光合作用为长期发展道路和最终目标，虽然这些研究成果离实际的应用还有一段距离，但如果真的能够大规模地仿生利用太阳能，那么一直以来广受关注的能源问题将不再困扰人类。【参考文献】1 Nault R M Basic Research Needs for Solar Energy Utilization，(2005-04-18).2011-01-242 王明哲( Wang M Z) 现代商贸工业( Modern Business TradeIndustry) ，2010，24: 33343 Baxter J，Bian Z，Chen G，Danielson D，Dresselhaus M S，Fedorov A G，FisherT S，Jones C W，Maginn E，Kortshagen U，Manthiram A，Nozik A，Rolison D R，Sands T，Shi L，ShollhD，Wu Y Y Energy Environ Sci ，2009，2: 5595884 Kasting J F Science，2001，293: 8198205 武维华( Wu W H) 植物生理学( Plant Physiology) 北京: 科学出版社( Beijing: Science Press) ，2008. 1301626 李杰芬( Li J F) 生物学通报( Bulletin of Biology) ，1980，2:21227 王春华， 叶绿素与新能源开发， 科技创新，2006,018 聂林誉，水藻有望成为未来的生物新能源，科技信息（Science and technology Information）,2008,第5卷，第5-6期（总第26-27期）9 聂尊誉，法开发出利用植物光合作用的新型生态电池，科技信息（Science and technology 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