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
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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,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］
[2]
。
［3］
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: （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非常优良的结构功能特性和较高的能量转化效率
［5］
［4］
，光合作用系统都具有
。
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，
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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。
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
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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。
2.2 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。
2.3 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
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[9]
[14]
。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。
[10]
2.4.2 英研究揭示出光合作用关键膜蛋白
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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-Ⅱ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-
Ⅱ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-Ⅱ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。
3 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
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