四川大学/南昌大学团队《自然·通讯》:3D打印核心-壳层微生物水凝胶:构建二元共生体系实现高效生物制氢
氢能作为一种清洁、高能量密度的可再生能源，被视为未来能源转型的关键。然而，传统制氢方法如化石燃料重整能耗高、碳排放量大，而电解水制氢目前仍面临能耗较高的挑战。生物制氢，尤其是微藻光合制氢，因其直接利用太阳能、环境友好而备受关注。然而，微藻产氢的核心酶——[FeFe]-氢化酶对氧气极为敏感，而光合作用同时产生的氧气会强烈抑制氢化酶活性。如何在微藻产氢过程中有效去除氧气、维持厌氧环境，是当前生物制氢领域亟待解决的关键问题。为解决这一难题，四川大学杜晓声教授、周加境研究员与南昌大学刘进教授联合研究团队开发了一种具有核心-壳层结构的微生物共生水凝胶系统。该系统通过同轴3D打印技术，将产氢微藻莱茵衣藻封装于水凝胶核心，将耗氧细菌枯草芽孢杆菌封装于水凝胶壳层，构建了空间分隔的二元微生物共生网络。该水凝胶由海藻酸钠、卡拉胶和聚乙二醇二丙烯酸酯复合而成，具备良好的机械性能和生物相容性。核心-壳层结构不仅为两种微生物提供了各自优化的生长微环境，还通过壳层细菌的呼吸作用持续消耗氧气，为核心微藻营造局部厌氧条件，从而激活氢化酶、促进氢气高效生成。该系统可在无液体培养基条件下长期运行，显著提高氢气产率并降低水资源消耗。相关成果以Engineered microbial hydrogels with confined architecture and binary microbes for efficient hydrogen production发表在nature communications上。图1 展示了核心-壳层微生物水凝胶的3D打印构建策略与氢气生成机制。微藻位于核心、细菌位于壳层，壳层细菌通过呼吸作用消耗氧气，为核心微藻营造厌氧环境，激活氢化酶，实现高效产氢。图2 展示了MSN系统的结构表征与微生物活性。荧光成像显示微藻与细菌分别定位于核心与壳层区域，且边界清晰。经过14天无液体培养，微藻叶绿素含量持续上升，细菌GFP荧光在初期增强后趋于稳定，表明两种微生物均保持良好的生长状态。图3 系统评估了MSN的氢气生产能力。当莱茵衣藻与枯草芽孢杆菌比例为1:15时，氢气产量达到1763 ± 98 mL H₂ L⁻¹，是传统悬浮培养体系的78倍。核心-壳层结构显著优于均质混合体系，且MSN可在多次氮气吹扫循环中持续产氢8天。图4 通过转录组学解析了MSN系统增强产氢的分子机制。与悬浮培养和均质体系相比，MSN系统中微藻光合作用相关基因（如psbO、psbP、psbQ）及氢化酶相关基因（HydA1、HydEF、HydG）显著上调，表明核心-壳层空间分隔结构优化了光能利用与电子传递效率，激活了氢化酶表达。本研究成功构建了一种基于3D打印的核心-壳层微生物共生水凝胶系统，实现了微藻与细菌的空间分隔与功能协同。壳层细菌通过呼吸作用持续消耗氧气，为核心微藻营造局部厌氧环境，显著提升氢化酶活性与氢气产率。该系统不仅氢气产量高达1763 mL H₂ L⁻¹，远超传统悬浮培养体系，还可在无液体条件下长期稳定运行，大幅降低水资源消耗。该研究为高效、可持续的生物制氢提供了全新平台，也为微生物-材料共生系统的设计开辟了新思路。
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