光合作用與新能源常文瑞中國科學(xué)院生物物理研究所生物大分子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1.能源的現(xiàn)狀與思考2.光合作用的貢獻(xiàn)與啟示3.光合作用在未來能源產(chǎn)業(yè)中的地位能源形勢(shì)與思考能源形勢(shì)與思考

發(fā)展新型可再生清潔能源勢(shì)在必行!已探明世界石油資源儲(chǔ)量為12777億桶。按照日均消費(fèi)量為1.19億桶大約可以使用68.7年。世界煤炭總可采儲(chǔ)量大約為10010億噸，按當(dāng)前的消費(fèi)水平大約可以持續(xù)使用190年。世界天然氣探明儲(chǔ)量大約為6040萬億立方英尺，儲(chǔ)采比大約為66.7年世界化石能源的總儲(chǔ)量按當(dāng)前消費(fèi)水平將只夠使用100-200年!世界能源消耗趨勢(shì)Internationalenergyoutlook,2010到2050年，世界的能源需求將達(dá)到目前的2倍。傳統(tǒng)化石能源（煤炭、石油和天然氣等）已在人類長期、連續(xù)甚至過度的開發(fā)中，正一步步走向枯竭的邊緣。人類面臨的另一個(gè)嚴(yán)重問題是伴隨產(chǎn)生的大氣中的CO2濃度的災(zāi)難性升高:

生物圈每年能夠再循環(huán)CO240-70億噸，而目前世界每年產(chǎn)生的CO2大約為250億噸，到2030年將至少

達(dá)到320億噸(絕大部分來自于發(fā)電站和運(yùn)輸燃料)。

歐洲“利用太陽能生產(chǎn)清潔燃料”的一份白皮書與能源消耗相關(guān)的CO2排放Internationalenergyoutlook,2010000IPCC警告說:

無論怎樣強(qiáng)調(diào)昂貴的能量資源被耗盡和空氣中CO2濃度災(zāi)難性升高所帶來的慘重的綜合效應(yīng)都不過分。IPCC（IntergovernmentalPanelonClimateChange，氣候變化的政府間協(xié)商組）的模擬清晰的顯示了問題的嚴(yán)重性：模擬預(yù)測在CO2排放量減少后，空氣中CO2的濃度仍將持續(xù)增長100~300年，然后才會(huì)穩(wěn)定下來，同時(shí)地表的空氣溫度將持續(xù)的緩慢增長100年或更多。熱膨脹和冰層融化將使得海平面在未來的幾個(gè)世紀(jì)中持續(xù)上漲。改自ClimateChange2007：SummaryforPolicymakers,IntergovernmentalPanelonClimateChange(IPCC).

據(jù)IPCC估計(jì)，21世紀(jì)地球表面溫度將升高

1.1to6.4

°C海平面上升時(shí)全球范圍內(nèi)受影響的區(qū)域http:///東南亞地區(qū)受海平面上升影響的區(qū)域我國東部沿海地區(qū)（紅色區(qū)域）將受影響http:///我國人均化石能源占有量不到世界平均水平的一半，人均石油占有量不到世界平均的10%，人均天然氣占有不到世界平均水平的5%。中國將是世界上能源需求量增長最快的國家之一，我國能源消耗量將在10年之后超過美國。此外，我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，對(duì)于CO2的排放壓力更大，因此中國對(duì)可再生清潔能源的需求尤為迫切。中國的生存和發(fā)展需要足夠的能源支撐引自：Internationalenergyoutlook,2010中國煤炭消耗趨勢(shì)中，美，印三國能源消耗占全世界的比重BrookhavenScienceAssociatesU.S.DepartmentofEnergyWhoarethemajorusers?ArtificialnightsskybrightnessfromtheDefenseMeteorologicalSatelliteProgram(TheU.S.has4.6%oftheworld’spopulation,produces16.8%oftheworld’senergy,andconsumes23.4%oftheworld’senergy)發(fā)展新型可再生清潔能源勢(shì)在必行!解決能源問題的根本出路太陽能在眾多可再生能源中太陽能是最重要的基本能源太陽能核能水能風(fēng)能海洋能地?zé)崮苌锬?生物質(zhì)能)

氫能

太陽能的能量

太陽向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為3.8×1023kW的輻射值，其中20億分之一到達(dá)地球大氣層。到達(dá)地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，19%被大氣層吸收，其余的到達(dá)地球表面，其功率為80萬億kW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于燃燒500萬噸煤釋放的熱量。每小時(shí)到達(dá)地球表面（包括大氣，陸地和海洋）的太陽能比人類2002年全世界全年所使用的能量還多，一天到達(dá)地表的太陽能相當(dāng)于地球上所有非再生能源（煤炭，石油，天然氣，鈾礦）的兩倍。

http:///wiki/Solar_power#Energy_from_the_Sun

什么是太陽能?

太陽能是最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、潮汐能等都來自太陽能。太陽能是太陽內(nèi)部進(jìn)行的核聚變而產(chǎn)生的巨大能量。太陽內(nèi)部的這種核聚變反應(yīng)可以維持很長時(shí)間，據(jù)估計(jì)約有幾十億至幾百億年，相對(duì)于人類的有限生存時(shí)間而言，太陽能可以說是取之不盡、用之不竭、清潔、廉價(jià)的理想能源。

2020205021001%24%64%

JRC(歐洲聯(lián)合研究中心)2004預(yù)測國際社會(huì)上提出了要用“太陽燃料”逐漸取代傳統(tǒng)的“化石燃料”，將太陽能轉(zhuǎn)化成人類可以直接利用的清潔能源。太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中比例:光合作用是利用太陽能最好的榜樣

如何利用太陽能?

(太陽能光伏、太陽熱能…)光合作用的貢獻(xiàn)和啟示光合作用的貢獻(xiàn)

地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1730億噸，蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10-20倍光合作用提供并維持大氣中氧氣的穩(wěn)定,它的直接產(chǎn)品是人類和一切生命物質(zhì)賴以生存和繁衍的基礎(chǔ)(作為食物和用品的蛋白質(zhì)、糖類、紡織品、橡膠等)

光合作用可以固定空氣中的CO2從而成為緩解溫室效應(yīng)的重要因素。光合作用不只是傳統(tǒng)能源(煤、石油、天然氣)的源頭,

也是開發(fā)新的清潔能源的重要方向

(如產(chǎn)生氫氣和乙醇等)(生物光伏(電池)發(fā)電)光合作用為何能做出如此重大的貢獻(xiàn)?光合作用的研究歷史光合作用的發(fā)現(xiàn)以及光合作用必需的要素（光照、水、二氧化碳）－從17世紀(jì)初開始光合作用最初的描述及定位:英國化學(xué)家普利斯特利提出植物可以“凈化”空氣(1771)葉綠素的純化以及結(jié)構(gòu)測定（1915）首次在教科書中使用“光合作用”一詞(1897)葉綠素、類胡蘿卜素、葉黃素、維生素B2、B12等的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及合成等的研究（1930、1937、1938、1965）Calvin循環(huán)（1961）化學(xué)滲透假說：氧化磷酸化和光合磷酸化（1978）第一個(gè)膜蛋白——光合細(xì)菌反應(yīng)中心的X射線晶體結(jié)構(gòu)（1988）電子傳遞理論（1992）ATP合成的酶促機(jī)制（1997）20世紀(jì)末期依賴一系列光合系統(tǒng)中蛋白復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)解析與功能討論，包括光合細(xì)菌的反應(yīng)中心、捕光天線復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，高等植物捕光天線、PSI的晶體結(jié)構(gòu)，細(xì)胞色素b6f的晶體結(jié)構(gòu)等光合作用的重要啟示能否變成現(xiàn)實(shí)?

PaulD.

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(1915,Chemistry):Chlorophyllpurificationandstructure,

carotenoids,etc.光合作用機(jī)理研究--光合作用研究領(lǐng)域的NobelPrizes隨著人們對(duì)光合作用了解的越來越多,人們對(duì)光合作用的興趣和期望也越來越多,特別是近年來的倍受重視的能源和環(huán)境問題,又使人們將更多的期待投向光合作用，希望光合作用能為人類作出更多的貢獻(xiàn),這就要搞清楚光合作用是如何工作的?它的神密機(jī)制成為倍受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。光合作用神密機(jī)制的探索Artist’srenditionofaleaf(bottom),thylakoidswithinachloroplast(middle),andaphotosysteminthylakoids(top).(Reference:

Wim

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Marchissue,165.)PhotosyntheticMembraneProteins光合作用機(jī)制光反應(yīng)和暗反應(yīng)暗反應(yīng)光反應(yīng)H2O+[光能]O2+4e+4H+CO2+ATP+NADPH碳水化合物水裂解制氫電荷分離光伏電池改變固碳途徑，直接生產(chǎn)生物燃料圖改自：Nield,J.(1997)Ph.D.Thesis,UniversityofLondon.UK.人工模擬捕光天線光合作用的啟示光合系統(tǒng)高效的捕光天線系統(tǒng)能以接近百分之百的效率進(jìn)行能量的傳遞及轉(zhuǎn)換，人類是否可以模擬這種機(jī)制開發(fā)制造更加高效環(huán)保的吸收和利用太陽能的人造系統(tǒng)？能否利用或模擬光系統(tǒng)I或II產(chǎn)生電荷分離釋放電子的機(jī)制制造生物光伏電池來直接發(fā)電？能否利用現(xiàn)代遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和合成生物學(xué)手段，改變?cè)瓉淼墓烫纪緩?，直接生產(chǎn)能源產(chǎn)品（生物柴油、脂肪烴等）？能否利用或模擬放氧復(fù)合物在常溫常壓下把水裂解而制氧和制氫呢？……光合作用的重要啟示能否變成現(xiàn)實(shí)?光合作用的重要啟示能否變成現(xiàn)實(shí)?

決定了光合作用在未來能源產(chǎn)業(yè)中的地位3.光合作用在未來能源產(chǎn)業(yè)中的地位光合作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)：

光合作用的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究結(jié)晶模型構(gòu)建與修正衍射數(shù)據(jù)收集同步輻射光源相角求解電子密度圖光合生物原核真核高等植物藻類紫色非硫細(xì)菌紫色硫細(xì)菌綠色非硫細(xì)菌多細(xì)胞絲狀綠色細(xì)菌蘭細(xì)菌Prochlorophytes非放氧光合生物放氧光合生物紫細(xì)菌的光合系統(tǒng)示意圖引自：Roszak,A.W.etal.(2003)Science,

302,1969-1972.

紫細(xì)菌的光合反應(yīng)中心三維結(jié)構(gòu)R.viridis

RCR.sphaeroids

RCMsubunitLsubunitHsubunitCytsubunit電子傳遞鏈輔因子Deisenhoferetal.

(1985)Nature,

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etal.(1987)P.N.A.S.USA,84,6438-6442.cytoplasmperiplasm紫細(xì)菌的光合系統(tǒng)示意圖圖引自：http:///Research/psu/psu_model.htmlMcDermottetal.

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2.0?Deisenhoferetal.

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etal.(2003)4.8?紫細(xì)菌的捕光復(fù)合物L(fēng)H2的三維結(jié)構(gòu)

亞基

亞基

B800BchlaB850BchlaRG(carotenoid)McDermottetal.

(1995)

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374,517-521.Papizetal.(2003)J.Mol.Biol.,326,1523-1538.periplasmcytoplasm紫細(xì)菌的RC-LH1核心復(fù)合物4.8?的晶體結(jié)構(gòu)Topviewfromthecytoplasm

亞基

亞基

B880W亞基

SideViewperiplasmcytoplasmRoszak,A.W.etal.(2003)Science,

302,1969-1972.

藻類的光合系統(tǒng)示意圖圖修改自：Kurisu,G.,Zhang,H.,Smith,J.L.&Cramer,W.A.(2003)Science302,1009-1014.lumenstromaPCAPCPER-PC,2.4?JiangT.etal,2001,BiophysicalJ.C-PC,2.2?WangXQ.etal,2001,ActaDAPC,2.2?LiuJY,etal1999,JBC.R-PE,2.8?ChangWR,etal,2001,JMB.R-PE,1.9?JiangT,etal1999,Proteins藍(lán)細(xì)菌的光合系統(tǒng)示意圖圖來自：Kurisu,G.,Zhang,H.,Smith,J.L.&Cramer,W.A.(2003)Science302,1009-1014.Jordanetal.

Nature(2001)2.5?Zouni

etal.nature(2001)KamiyaandShenPNAS(2003)Ferreiraetal.Science(2004)Lolletal.Nature(2005)3.8?,3.7?,3.5?,3.0?Kurisu

etal.

Science(2003)3.0?lumenstroma藍(lán)細(xì)菌的光系統(tǒng)I三維結(jié)構(gòu)示意圖PsaAPsaBstromalumenJordanetal.(2001)Nature,

411,909-917.

藍(lán)細(xì)菌的細(xì)胞色素b6f三維結(jié)構(gòu)示意圖ISPCytb6SubunitIVCytfPetG,-L,-M,-N引自：Kurisu

etal.(2003)Science,302,1009-1014.Cyanobacterial

photosystemII

at2.9-?resolution

PDBID:3BZ1,3BZ2,Guskovetal.(2009)Nat.Struct.Mol.Biol.Mn4Cacluster

3.0?Nature43815Dec.(2004)3.5?Science303,1831–-183(2004).高等植物的光合作用系統(tǒng)圖引自：Nield,J.(1997)Ph.D.Thesis,UniversityofLondon.UK.Nature(2003)4.4A(2003)3.4A(2007)(豌豆)???MajorLHC-II（Lhcb1+2+3）2.72?菠菜LHCII晶體結(jié)構(gòu)（2004,nature）MovieAnIcosahedralProteoliposomeVesicleALHC-IITrimerMovie人工光合作用:利用生物、化學(xué)或物理的手段，模擬光合作用的過程將光解水產(chǎn)生的電子和質(zhì)子轉(zhuǎn)化成直接可以利用的能源1、模擬捕光吸收太陽能，固定太陽能（產(chǎn)電）2、模擬放氧復(fù)合體的放氧功能（產(chǎn)生質(zhì)子）3、模擬氫酶的放氫功能（產(chǎn)生氫氣）模擬光合作用的探索美國科學(xué)家利用光系統(tǒng)I構(gòu)建的太陽能電池光能轉(zhuǎn)換率12%,壽命21天Dasetal,NanoLett.(2004)利用太陽能發(fā)電生物光伏電池日本科學(xué)家利用光系統(tǒng)II構(gòu)建的太陽能電池TerasakietalThinsolidfilms(2008)在對(duì)于光合膜蛋白的分子改造方面取得了一定的成績，比如，研究了Loop區(qū)的功能，發(fā)現(xiàn)捕光天線在Loop區(qū)的結(jié)構(gòu)對(duì)于其功能的調(diào)節(jié)起非常重要的作用，同時(shí)，我們用分子改造的方法，提高了捕光天線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能穩(wěn)定性。生物光伏材料的優(yōu)勢(shì)開路電壓（V）最大的理論效率（太陽能）在最大效率時(shí)的電流光能轉(zhuǎn)換效率電荷分離的量子效率晶硅電池~0.6V<25%~4015-20%~55%現(xiàn)有有機(jī)光伏電池1-2V?≤32-3%10-30%光合膜蛋白>20V>40%<4-100%藍(lán)細(xì)菌：新一代生物液體燃料、生物基化學(xué)品的光合微生物合成體系。Kaneko,T.,etal.DNARes.3,109-136(1996)集胞藻是第一個(gè)被測序的光合生物Angermayr,S.A.,etal.

CurrentOpinioninBiotechnology

20,1-7(2009)綜述了藍(lán)細(xì)菌作為生物燃料合成體系的優(yōu)勢(shì)Atsumi,S.,etal.NatureBiotechnology

27，1177-1180（2009）基因工程藍(lán)細(xì)菌合成異丁醛Lindberg,P.,etal.MetabolicEngineering

12,70-79(2010).基因工程藍(lán)細(xì)菌合成異戊二烯Dexter,J.,etal.Energy&EnvironmentalScience

2,857-864(2009).基因工程藍(lán)細(xì)菌合成乙醇基于光合作用生物產(chǎn)油的探索脂肪烴生物液體燃料：新型優(yōu)質(zhì)生物液體燃料的發(fā)展趨勢(shì)長鏈脂肪烴長鏈脂肪醇脂肪酸乙酯Schirmer,A.,etal.Science329,559-562(2010)基因工程大腸桿菌合成脂肪烴Steen,E.J,etal.Nature

463,559-562(2010)基因工程大腸桿菌合成脂肪醇與脂肪酸乙酯原核微藻高光效生長速度快遺傳操作體系相對(duì)成熟適于大通量的基因工程改造生物乙醇存在的問題，如：能量密度低；容易揮發(fā)；易溶于水所導(dǎo)致的發(fā)酵過程中對(duì)微生物毒性的增加、蒸餾分離過程中除去水相的成本很高與運(yùn)輸過程中對(duì)管道的腐蝕等。國際上模擬光合作用的太陽能開發(fā)項(xiàng)目嚴(yán)峻的能源和環(huán)境形勢(shì)、光合作用機(jī)理研究的進(jìn)展、相關(guān)應(yīng)用研究的探索、各學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步促使各發(fā)達(dá)國家政府紛紛做出啟動(dòng)“人工葉片/人工光合作用”工程的選擇和決策

歐盟（瑞典）“人工光合作用聯(lián)盟”

美國“人工光合作用聯(lián)合中心”歐洲“人工葉片”計(jì)劃澳大利亞“人工光合作用網(wǎng)絡(luò)”

HarnessingSolarEnergyforthe

ProductionofCleanFuels"SolarEnergyConversion“internationalmeetingfromMay10-13,2006,inRegensburg,sponsoredbytheEuropeanScienceFoundation(ESF)ForewordTheEuropeanUnionanditsmemberstatesarebeingurgedbyleadingscientiststomakeamajormultimillionEurocommitmenttosolardrivenproductionofenvironmentallycleanelectricity,hydrogenandotherfuels,astheonlysustainablelong-termsolutionforglobalenergyneeds.Themostpromisingroutestoeventualfull-scalecommercialsolarenergyconversiondirectlyintofuelswereidentifiedatarecentinternationalmeetinginRegensburg,sponsoredbytheEuropeanScienceFoundation(ESF).AninterdisciplinarytaskforcewasestablishedatthismeetingtomakethecaseforsubstantialinvestmentsinthesetechnologiestoEUandnationalgovernmentdecisionmakers.Thisreportsummarizestheoutcomeofthismeeting.

由歐洲科學(xué)基金資助的“太陽能轉(zhuǎn)換”國際會(huì)議于2006年3月在德國Regensburg召開。與會(huì)的39位科學(xué)家共同簽屬了一份長達(dá)59頁的文件，題目就是“利用太陽能生產(chǎn)清潔燃料”UltimatelythishydrogenpowersalllifeonEarth.Themainwasteproductofphotosynthesisisoxygen.Togetherwithfuels,thiswasteproductisusedtodrivecyclicprocessesthatsustainlifeonEarthinarenewablemanner.Inrecentyearsstructuralbiologyhasprovidedprofoundinsightintothestructureandoperationalmechanismsofthemolecularmachineryofthephotosyntheticapparatus.Thissetsthestageforatechnologypushinthecomingyears.

近些年來結(jié)構(gòu)生物學(xué)提供了對(duì)光合作用器件的分子機(jī)器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)作的機(jī)制的深刻了解,現(xiàn)在應(yīng)進(jìn)入由技術(shù)推動(dòng)的階段。

提出了從基礎(chǔ)研究到商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用的研究計(jì)劃和預(yù)計(jì)時(shí)間表：

5年內(nèi)構(gòu)建出有寬泛的吸收波長范圍的天線

10年內(nèi)能夠修復(fù)光損傷的天線,能夠組裝天線到合適的尺寸,

并與電荷分離單元共組裝

10年內(nèi)闡明清楚PSII裂解水的催化機(jī)制,闡明蛋白骨架在質(zhì)子傳遞的定向……10年內(nèi)在宿主基質(zhì)中獲得人工燃料生產(chǎn)器官

20年內(nèi)完成有催化活性的單元大規(guī)模自組裝成為納米器件

15到20年內(nèi)連接催化單元，并整合到太陽能－燃料的轉(zhuǎn)化器件上

10年內(nèi)可展示在千瓦量級(jí)（kW）的可運(yùn)行的原型，大規(guī)模的示范系統(tǒng)(100MW）可能在20年內(nèi)完成

第一個(gè)商業(yè)化的系統(tǒng)（0.5~2GW）可能在30年內(nèi)實(shí)現(xiàn)?！?.歐洲“人工葉片”計(jì)劃目標(biāo)：模擬光合作用，生產(chǎn)新型能源，確定了15個(gè)先導(dǎo)研究方向參加單位：德國等多個(gè)歐盟國家周期：30～40年后獲得可以大規(guī)模并商業(yè)化的將太陽能直接轉(zhuǎn)化為燃料的解決方案（起始2008.1）歐盟（瑞典）“人工光合作用聯(lián)盟”目標(biāo)：研究模擬光合作用的體系，包括化學(xué)，物理和生物過程。經(jīng)費(fèi)：從1994年至今持續(xù)不斷。參加單位：由瑞典Lund,Stockholm和Uppsala三個(gè)大學(xué)牽頭，涉及眾多歐洲地區(qū)相關(guān)的科學(xué)家。http://www.fotomol.uu.se/Forskning/Biomimetics/consortium/index.shtm

美國“人工光合作用聯(lián)合中心