Mikroalgen, darunter Cyanobakterien und Grünalgen, stellen die wichtigsten biologischen Systeme zur Herstellung von Biomasse und hochwertigen Produkten dar. Schätzungen zufolge können Mikroalgen etwa 90 Milliarden Tonnen Kohlendioxid pro Jahr binden, was mehr als 40 % der globalen Netto-Photosynthese-Kohlenstofffixierung ausmacht.
Mit der Verschärfung der globalen Erwärmung und dem Vorschlag von Chinas doppelten Kohlenstoffreduktionszielen erhält die Rolle der Mikroalgen-Photosynthese immer mehr Aufmerksamkeit. Daher ist die Nutzung der photosynthetischen Energie von Mikroalgen ein vielversprechender Ansatz für die Energiewende für Kohlenstoffspitzen und Neutralität.
Allerdings ist die Effizienz der photosynthetischen Umwandlung eine wesentliche Einschränkung bei der Produktion von Mikroalgen-Biokraftstoffen. Im Allgemeinen können nur etwa 4–8 % der Lichtenergie in chemische Energie in Form von Biomasse umgewandelt werden (das theoretische Maximum liegt bei 9 %). Daher kann die Mikroalgenproduktion für Biokraftstoffe den menschlichen Energiebedarf nicht decken.
Gentechnik und Stoffwechseltechnik können eingesetzt werden, um die Effizienz der photosynthetischen Umwandlung der Mikroalgenproduktion zu verbessern. Diese Methoden erfordern jedoch eine komplizierte Bedienung und hohe Kosten bei begrenztem Anwendungsbereich.
In der Natur können Organismen durch Biomineralisierung organisch-anorganische Verbundmaterialien mit komplexen Strukturen und hervorragenden biologischen Eigenschaften bilden, wie zum Beispiel Knochen, Zähne und Muscheln. Diese Biomaterialien haben eine hochgeordnete hierarchische Struktur von der Nanoskala bis zur Makroskala, die Organismen Funktionen wie mechanische Unterstützung, Schutz, Bewegung und Signalerkennung bieten kann.
Vor dem Hintergrund des natürlichen Biomineralisationsphänomens hat der künstliche Zell-Material-Hybrid in der grünen Chemie und technisch hergestellten lebenden Biomaterialien zunehmend Interesse geweckt. Um die photosynthetische Energie der Mikroalgen zu nutzen, wurden Wissenschaftler dazu inspiriert, die photosynthetischen Organismen der Natur mit synthetischen Materialien zu verbinden, um den Organismen neue Eigenschaften zu verleihen.
Professor Wei Xiong von der Nanchang University (NCU) und Professor Ruikang Tang von der Zhejiang University (ZJU) haben den künstlich erzeugten Biomorph als Mikroalgen-Material-Hybrid (MMH) definiert, der hauptsächlich auf mikroskaligen Wechselwirkungen wie chemischen Bindungen oder nichtkovalenten Wechselwirkungen basiert. Ihre Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch National Science Review.
Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler drei Materialansätze zur Konstruktion von MMH untersucht: (i) Zellimmobilisierung, (ii) einzellige Schalenbildung, (iii) mehrzellige Aggregation.
MMHs haben beträchtliche Erfolge erzielt, darunter CO2-Fixierung, H2-Produktion, bioelektrochemische Energieumwandlung und biomedizinische Therapie. Daraus folgt, dass MMH für die biologische Regulierung zu einem aufstrebenden Gebiet wird.
Das Kernproblem von MMH ist die Mikroalgen-Material-Interaktion. Es gibt zwei Bedeutungsebenen in der Mikroalgen-Material-Interaktion; Das eine ist der materialinduzierte Aufbau eines Mikroalgen-Material-Hybrids und das andere ist die materialbedingte Verbesserung der Mikroalgenfunktion.
Aus Sicht der Konstruktion von MMH besteht der chemische Mechanismus darin, dass Mikroalgen durch intermolekulare Kräfte, kovalente Bindungen oder koordinierte Bindungen mit dem Material verbunden werden, um die biotisch-abiotische Grenzfläche zu bilden, und die Materialien beeinflussen die Mikroalgenfunktionen, indem sie den Materie- und Energietransfer zwischen ihnen stören Mikroalgen und die extrazelluläre Umgebung.
Anorganische Materialien verbinden sich mit Mikroalgenzellen hauptsächlich durch Koordinationsbindungen und intermolekulare Kräfte, während organische Materialien sich mit Mikroalgenzellen hauptsächlich durch kovalente Bindungen und intermolekulare Kräfte verbinden. Neben der MMH-Konstruktion ist die Wechselwirkung zwischen Mikroalgen und Material in der Hybridstruktur das kritischste Problem.
Basierend auf den bisherigen Studien schlagen die Forscher zwei Mechanismen zur materialbedingten Verbesserung der Mikroalgenfunktion vor. Einer davon ist der Elektronentransfer zwischen Mikroalgen und Material; Das andere ist die materialinduzierte Transformation der Zellmikroumgebung.
Die größte Einschränkung von MMHs für die photosynthetische Energieumwandlung ist derzeit die geringe Energieumwandlungseffizienz, die die praktische Anwendung im Bereich der CO2-Neutralität erschwert. Darüber hinaus sind die hohen Kosten der Mikroalgenkultur und der Mangel an Materialtechnologie, die für die großtechnische Entwicklung von Mikroalgen geeignet ist, ebenfalls wichtige limitierende Faktoren für die praktische Anwendung. Zukünftig ist die Verbesserung der Energieumwandlungseffizienz das allgemeine Ziel der Grundlagenforschung.
MMH bietet Möglichkeiten zur Förderung der Semi-Biohybrid-Forschung und regt gleichzeitig die Untersuchung der Manipulation biotisch-abiotischer Grenzflächen an. Forschung in diesem Bereich kann nicht nur die Anwendung von Chemie und Material in den Biowissenschaften fördern, sondern auch neue Perspektiven für die Bio- und Umweltwissenschaften eröffnen. Darüber hinaus könnte dieses Forschungsgebiet eine neue Disziplin hervorbringen, die den Namen Materialbiologie tragen könnte.
Sobald die Effizienz der photosynthetischen Energieumwandlung durchbrochen ist, können MMHs die Anwendungen der photosynthetischen CO2-Fixierung und H2-Produktion erheblich fördern. Schließlich gibt es genügend Gründe zu der Annahme, dass der Einsatz eines Mikroalgen-Material-Hybrids einen großen Beitrag zur Erreichung der CO2-Neutralität leisten wird.
Mehr Informationen:
Wei Xiong et al, Mikroalgen-Material-Hybrid für eine verbesserte photosynthetische Energieumwandlung: ein vielversprechender Weg zur CO2-Neutralität, National Science Review (2023). DOI: 10.1093/nsr/nwad200