微藻仿生硅礦化及其應(yīng)用.pdf

1、能源危機(jī)和環(huán)境破壞是已成為當(dāng)今人類(lèi)發(fā)展所面臨的兩大全球性問(wèn)題。進(jìn)入工業(yè)化社會(huì)以來(lái)，人類(lèi)對(duì)化石能源的使用，在給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)巨大發(fā)展的同時(shí)，也給地球帶來(lái)了嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題。隨著化石能源的不斷消耗殆盡和日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染，開(kāi)發(fā)和利用可再生能源，改善能源結(jié)構(gòu)，已成為全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。生物燃料是目前唯一能大規(guī)模替代化石燃料的清潔可再生能源產(chǎn)品，而微藻又被認(rèn)為是最有前景的生物燃料的原料之一，其作用已越來(lái)越引起人們的廣泛關(guān)注和重視。微藻

2、在提供生物能源的同時(shí)，可以固定二氧化碳，減少溫室氣體，但微藻的大量繁殖也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)破壞和污染，比如水華的爆發(fā)。微藻的利用與防治，根本在于微藻的性質(zhì)，如何對(duì)微藻進(jìn)行改性，對(duì)于微藻的利用與防治有著重要的意義。
　　在生物進(jìn)化的過(guò)程中，生命體漸漸學(xué)會(huì)通過(guò)生物礦化形成具有復(fù)雜層級(jí)結(jié)構(gòu)的有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料，并利用這些材料的性質(zhì)去實(shí)現(xiàn)各種不同功能，以適應(yīng)不同的生存環(huán)境。例如硅藻利用硅礦化形成具有精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的二氧化硅外殼，這個(gè)精致的二氧化硅

3、外殼不僅可以為硅藻提供機(jī)械保護(hù)功能，還能提供光子晶體的功能，提高光合效率。生物礦化就是生物體通過(guò)生物大分子的調(diào)控生成無(wú)機(jī)礦物的過(guò)程。受到生物礦化現(xiàn)象的啟發(fā)，近年來(lái)，通過(guò)仿生礦化的手段改造生命體逐漸成為一個(gè)的研究方向，因此，我們?cè)O(shè)想通過(guò)仿生礦化的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)微藻細(xì)胞的改性，并探索了功能化改性在微藻利用與防治中的應(yīng)用。全文共分五章:
　　第一章緒論是對(duì)微藻和仿生礦化的背景及本論文的研究線(xiàn)路進(jìn)行概述。首先簡(jiǎn)單介紹了微藻的種類(lèi)，然后對(duì)微藻生

4、物能源和微藻與環(huán)境的相互作用進(jìn)行了重點(diǎn)敘述，并歸納了現(xiàn)有的微藻改性策略;隨后引入仿生礦化的策略，先從生物礦化的形式、生物礦物的種類(lèi)和生物礦化的調(diào)控策略三個(gè)方面介紹了生物礦化，然后介紹仿生礦化的基本原理，接下來(lái)歸納總結(jié)了仿生礦化在生命體改造中的相關(guān)應(yīng)用;最后提出了本論文的研究思路和目標(biāo)。
　　第二章中我們利用藍(lán)藻細(xì)胞為模型體系探索細(xì)胞表面的仿生礦化對(duì)光合作用的影響。我們通過(guò)層層自組裝并結(jié)合仿生硅礦化的手段對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞進(jìn)行了二氧化硅殼化

5、修飾，研究了二氧化硅礦物殼對(duì)藍(lán)藻光合活性的影響，并重點(diǎn)關(guān)注了二氧化硅外殼對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞緩解強(qiáng)光脅迫的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示擁有二氧化硅外殼的藍(lán)藻細(xì)胞在強(qiáng)光下體現(xiàn)出更強(qiáng)的光合作用能力，從而有助于生物質(zhì)的積累，對(duì)生物能源的利用有重要的意義。
　　第三章中我們將研究對(duì)象變成了綠藻，研究目標(biāo)變成了促進(jìn)綠藻的光合產(chǎn)氫。我們選擇商業(yè)化的小球藻為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)仿生硅礦化誘導(dǎo)了小球藻的聚集，并通過(guò)適當(dāng)?shù)木奂?，?shí)現(xiàn)了小球藻細(xì)胞在空間上的放氧和產(chǎn)氫的功能分化

6、，從而實(shí)現(xiàn)了小球藻聚集體在有氧條件下可持續(xù)的光合產(chǎn)氫。該研究第一次實(shí)現(xiàn)了在自然的有氧條件下的可持續(xù)光合產(chǎn)氫，為生物光合產(chǎn)氫的研究和微藻生物能源的制造提供了全新的思路，并且這種基于化學(xué)-材料的策略也有望拓展到誘導(dǎo)其它微生物的功能轉(zhuǎn)變。
　　第四章中我們將研究對(duì)象又換回了藍(lán)藻，但研究目標(biāo)變成了控制藍(lán)藻的增殖。我們選擇太湖藍(lán)藻爆發(fā)時(shí)的優(yōu)勢(shì)種——微囊藻為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，受到自然界中硅藻的啟發(fā)，借鑒仿生硅礦化的策略，利用帶胺基的陽(yáng)離子聚電解質(zhì)和二