自然·通訊 | 四川大學杜曉聲/周加境/南昌大學劉進團隊開發核殼微生物水凝膠，實現高效生物制氫

面對全球能源需求增長與氣候變化的雙重壓力，開發可持續清潔能源技術已成為當務之急。氫能因其能量密度高、零碳排放等優勢，被視為未來能源轉型的關鍵。利用微藻光合作用制氫是一種理想途徑，但微藻光合作用的副產物氧氣會強烈抑制氫化酶的活性，導致制氫效率難以提升。傳統解決方法或涉及復雜的基因改造存在生物安全風險，或面臨成本高昂、光穿透受限、傳質效率低等瓶頸，亟需新的突破性思路。

2026年3月23日，四川大學杜曉聲、周加境與南昌大學劉進聯合團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）發表題為“Engineered microbial hydrogels with confined architecture and binary microbes for efficient hydrogen production”的研究成果。該研究通過同軸3D打印技術構建了具有核殼限域結構的微生物水凝膠系統，實現了微藻與耗氧細菌的空間分區共培養，顯著提升了光合制氫效率。

研究團隊利用海藻酸鈉、卡拉膠和聚乙二醇二丙烯酸酯制備了核殼結構水凝膠，通過同軸3D打印將產氫微藻萊茵衣藻封裝在核心區域，將表達綠色熒光蛋白的耗氧菌枯草芽孢桿菌封裝在殼層區域。打印后的水凝膠經過鈣離子交聯和紫外光固化，形成了結構穩定、力學性能優良的微生物共生網絡。該材料可承受超過50%的壓縮應變和30%的拉伸應變，壓縮強度達94千帕，具備良好的機械穩定性。熒光成像顯示，兩種微生物在14天培養期內始終被限制在各自區域，清晰的界面邊界證實了空間限域策略的有效性。

在產氫性能驗證中，研究人員采用三氧化鎢作為可視化氫敏材料，光照48小時后粉末由黃綠色變為藍灰色，確證了氫氣生成。通過優化萊茵衣藻與枯草芽孢桿菌的比例，當細胞數量比為1:15時，氫氣產量達到1763 ± 98毫升每升水凝膠，比不含細菌的純微藻水凝膠提高了89.0%。溶解氧監測結果表明，殼層中的枯草芽孢桿菌通過呼吸作用持續消耗微藻光合作用產生的氧氣，成功營造了維持氫化酶活性的局部厭氧環境。該系統的產氫效率是傳統懸浮共培養體系的78倍。

研究團隊進一步比較了核殼結構與均質混合結構的性能差異。結果顯示，均質水凝膠中微藻與細菌共培養4天后即出現黃化現象，葉綠素含量顯著下降，而核殼結構的微藻則保持旺盛生長。第8天時核殼結構的葉綠素含量達到29.8 ± 1.8毫克每升，是均質結構的2.2倍，氫氣產量也大幅領先。這一優勢源于空間分區避免了細菌對微藻的直接抑制，同時核殼設計為兩種微生物分別提供了適配的微環境，緩解了營養競爭問題。

通過轉錄組分析，研究團隊揭示了產氫效率提升的分子機制。與懸浮培養和均質共培養相比，核殼結構中的微藻光合作用相關通路顯著富集，光系統Ⅱ和光系統Ⅰ的結構蛋白及外源性蛋白基因表達均上調。編碼鐵氧還蛋白、細胞色素b6/f復合體和ATP合酶的基因表達增強，優化了電子傳遞鏈效率。尤其關鍵的是，氫化酶成熟蛋白編碼基因HydEF和HydG分別上調1.79倍和2.10倍，催化亞基編碼基因HydA1上調1.16倍，證實了核殼微環境對氫化酶表達的促進作用。

READING

BioPeers

歡迎關注本公眾號，所有內容歡迎點贊，推薦??，評論，轉發~

如有錯誤、遺漏、侵權或商務合作請私信小編~~

歡迎大家投稿課題組 研究進展 、招聘及招生宣傳~

所有文章只為科普、科研服務，無商業目的~