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1、光合作用与新能源光合作用与新能源常文瑞中国科学院生物物理研究所生物大分子国家重点实验室1.能源的现状与思考能源的现状与思考2.光合作用的贡献与启示光合作用的贡献与启示3.光合作用在未来能源产业中的地位光合作用在未来能源产业中的地位能源形势与思考能源形势与思考能源形势与思考能源形势与思考-发展新型可再生清洁能源势在必行发展新型可再生清洁能源势在必行发展新型可再生清洁能源势在必行发展新型可再生清洁能源势在必行! ! ! ! 已已探探明明世世界界石石油油资资源源储储量量为为1277712777亿亿桶桶。按按照照日日均均消消费费量量为为1.191.19亿亿桶大约可以使用桶大约可以使用68.768.76
2、8.768.7年。年。 世世界界煤煤炭炭总总可可采采储储量量大大约约为为1001010010亿亿吨吨，按按当当前前的的消消费费水水平平大大约约可可以持续使用以持续使用190190190190年。年。 世世界界天天然然气气探探明明储储量量大大约约为为60406040万万亿亿立立方方英英尺尺，储储采采比比大大约约为为66.766.766.766.7年年 世世界界化化石石能能源源的的总总储储量量按按当当前前消消费费水平水平将只够使用将只够使用100-200100-200年年! !世界能源消耗趋势世界能源消耗趋势International energy outlook, 2010到2050年，世界的能
3、源需求将达到目前的2倍。传统化石能源（煤炭、石油和天然气等）已在人类长期、连续甚至过度的开发中，正一步步走向枯竭的边缘。人类面临的另一个严重问题是伴随产生的大气中的人类面临的另一个严重问题是伴随产生的大气中的人类面临的另一个严重问题是伴随产生的大气中的人类面临的另一个严重问题是伴随产生的大气中的COCO2 2浓度的浓度的浓度的浓度的灾难性灾难性灾难性灾难性升高升高升高升高: : 生物圈每年能够再循环生物圈每年能够再循环生物圈每年能够再循环生物圈每年能够再循环COCO2 240-7040-70亿吨，而目前世界每年产生的亿吨，而目前世界每年产生的亿吨，而目前世界每年产生的亿吨，而目前世界每年产生的
4、COCO2 2大约为大约为大约为大约为250250亿吨，到亿吨，到亿吨，到亿吨，到20302030年将至少年将至少年将至少年将至少达到达到达到达到320320亿吨亿吨亿吨亿吨( ( ( (绝大部分来自于发电站和运输燃料绝大部分来自于发电站和运输燃料绝大部分来自于发电站和运输燃料绝大部分来自于发电站和运输燃料) ) ) )。 -欧洲欧洲“ “利用太阳能生产清洁燃料利用太阳能生产清洁燃料” ”的一份白皮书的一份白皮书与能源消耗相关的与能源消耗相关的COCO2 2排放排放International energy outlook, International energy outlook, 20102
5、0100 00 00 0IPCC警告说: 无论怎样强调昂贵的能量资源被耗尽和空气中CO2浓度灾难性升高所带来的惨重的综合效应都不过分。IPCC（ Intergovernmental Panel on Climate Change，气候变化的政府间协商组）的模拟清晰的显示了问题的严重性：模拟预测在CO2排放量减少后，空气中CO2的浓度仍将持续增长100300年，然后才会稳定下来，同时地表的空气温度将持续的缓慢增长100年或更多。热膨胀和冰层融化将使得海平面在未来的几个世纪中持续上涨。改自改自Climate Change 2007Climate Change 2007：Summary for Po
6、licymakers, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC).Summary for Policymakers, Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). 据据IPCCIPCC估计，估计，2121世纪地球表面温度将升高世纪地球表面温度将升高1.1 to 6.4C海平面上升时全球范围内受影响的区域海平面上升时全球范围内受影响的区域http:/东南亚地区受海平面上升影响的区域东南亚地区受海平面上升影响的区域我国东部沿海地区（红我国东部沿海地区（红色区域）将受影响色区域）将受影响ht
7、tp:/我国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%，人均天然气占有不到世界平均水平的5%。中国将是世界上能源需求量增长最快的国家之一，我国能源消耗量将在10年之后超过美国。此外，我国能源结构以煤炭为主，对于CO2的排放压力更大，因此中国对可再生清洁能源的需求尤为迫切。中国中国的生存和发展需要足够的能源支撑的生存和发展需要足够的能源支撑引自：引自：International energy outlook, 2010中国煤炭消耗趋势中国煤炭消耗趋势中，美，印三国能源消耗占全世界的比重中，美，印三国能源消耗占全世界的比重Brookhaven Science As
8、sociates U.S. Department of Energy Brookhaven Science Associates U.S. Department of Energy Who are the major users? Artificial nights sky brightness from the Defense Meteorological Satellite Program (The U.S. has 4.6% of the worlds population, produces 16.8% of the worlds energy, and consumes 23.4%
9、of the worlds energy)发展新型可再生清洁能源势在必行发展新型可再生清洁能源势在必行发展新型可再生清洁能源势在必行发展新型可再生清洁能源势在必行! ! ! ! 解决能源问题的根本出路解决能源问题的根本出路-太阳能太阳能在众多可再生能源中在众多可再生能源中太阳能太阳能是最重要的基本能源是最重要的基本能源太阳能太阳能 核核 能能 水水 能能 风风 能能 海洋能海洋能 地热能地热能 生物能生物能( (生物质能生物质能) ) 氢氢 能能 太阳能的太阳能的太阳能的太阳能的能量能量能量能量 太太阳阳向向宇宇宙宙空空间间发发射射的的辐辐射射功功率率为为3.8103.8102323kWkW的
10、的辐辐射射值值，其其中中2020亿亿分分之之一一到到达达地地球球大大气气层层。到到达达地地球球大大气气层层的的太太阳阳能能，30%30%被被大大气气层层反反射射，19%19%被被大大气气层层吸吸收收，其其余余的的到到达达地地球球表表面面，其其功功率率为为8080万万亿亿kWkW，也也就就是是说说太太阳阳每每秒秒钟钟照照射射到到地地球球上上的的能能量量就就相相当当于于燃燃烧烧500500万万吨吨煤煤释释放放的的热热量量。每每小小时时到到达达地地球球表表面面（包包括括大大气气，陆陆地地和和海海洋洋）的的太太阳阳能能比比人人类类20022002年年全全世世界界全全年年所所使使用用的的能能量量还还多多
11、，一一天天到到达达地地表表的的太太阳能相当于地球上所有非再生能源（煤炭，石油，天然气，铀矿）的两倍。阳能相当于地球上所有非再生能源（煤炭，石油，天然气，铀矿）的两倍。 http:/en.wikipedia.org/wiki/Solar_power#Energy_from_the_Sunhttp:/en.wikipedia.org/wiki/Solar_power#Energy_from_the_Sun 什么是什么是什么是什么是太阳能太阳能太阳能太阳能? ? 太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能等都来自太阳能。太阳能是太阳内部进行潮汐能等都来
12、自太阳能。太阳能是太阳内部进行的核聚变而产生的巨大能量。太阳内部的这种核的核聚变而产生的巨大能量。太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿几十亿至几百亿年至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽、用之不竭、清洁、廉太阳能可以说是取之不尽、用之不竭、清洁、廉价的理想能源。价的理想能源。2020205021002020205021001%24%64%1%24%64%-JRC(-JRC(欧洲联合研究中心欧洲联合研究中心欧洲联合研究中心欧洲联合研究中心)2004)2004预测预测预测预测 国际社
13、会上提出了要用国际社会上提出了要用国际社会上提出了要用国际社会上提出了要用“ “太阳燃料太阳燃料太阳燃料太阳燃料” ”逐渐取代传统的逐渐取代传统的逐渐取代传统的逐渐取代传统的“ “化石化石化石化石燃料燃料燃料燃料” ”，将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。，将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。，将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。，将太阳能转化成人类可以直接利用的清洁能源。 太阳能在未来能源结构中比例太阳能在未来能源结构中比例太阳能在未来能源结构中比例太阳能在未来能源结构中比例: :光合作用光合作用光合作用光合作用是利用太阳能最好的榜样是利用太阳能最好的榜样是利用太阳能最好的
14、榜样是利用太阳能最好的榜样 如何利用太阳能如何利用太阳能?( (太阳能光伏、太阳热能)光合作用的贡献和启示光合作用的贡献和启示光合作用的贡献光合作用的贡献 地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨， 蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍 光合作用提供并维持大气中氧气的稳定,它的直接产品是人类和 一切生命物质赖以生存和繁衍的基础 (作为食物和用品 的蛋白质、糖类、纺织品、橡胶等)光合作用可以固定空气中的CO2从而成为缓解温室效应的重要因素。 光合作用不只是传统能源(煤、石油、天然气)的源头,也是开发新的清洁能源的重要方向 (如产生氢气和乙醇等)(生物光伏(电池)发电)光合作用为何能
15、做出如此重大的贡献?光合作用光合作用的研究历史的研究历史光合作用的发现以及光合作用必需的要素（光照、水、二氧化碳）从17世纪初开始光合作用最初的描述及定位: 英国化学家普利斯特利提出植物可以“净化”空气 (1771)叶绿素的纯化以及结构测定（1915）首次在教科书中使用“光合作用”一词 (1897)叶绿素、类胡萝卜素、叶黄素、维生素B2、B12等的性质、结构以及合成等的研究（1930、1937、1938、1965）Calvin循环（1961）化学渗透假说：氧化磷酸化和光合磷酸化（1978）第一个膜蛋白光合细菌反应中心的X射线晶体结构（1988）电子传递理论（1992）ATP合成的酶促机制（19
16、97）20世纪末期依赖一系列光合系统中蛋白复合体的三维结构解析与功能讨论，包括光合细菌的反应中心、捕光天线复合物的晶体结构，高等植物捕光天线、PSI的晶体结构，细胞色素b6f的晶体结构等光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实? ?PaulD.BoyerandJohnE.Walker(1997,Chemistry):Elucidationofenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP).RudolphMarcus(1992,
17、Chemistry):Electrontransfertheory:includedapplicationtophotosynthesis.HartmutMichel;RobertHuber;andJohannesDeisenhofer(1988,Chemistry):X-raystructureofbacterialreactioncenter.PeterMitchell(1978,Chemistry):Oxidativeandphotosyntheticphosphorylation:chemi-osmotictheoryRobertBurnsWoodward(1965,Chemistry
18、):Totalsynthesisofchlorophyll,vitaminB12,andothernaturalproductsMelvinCalvin(1961,Chemistry):Carbon-dioxideassimilationinphotosynthesisRichardKuhn(1938,Chemistry):carotenoids;vitaminsPaulKarrer(1937,Chemistry):Carotenoidstructure;flavins;vitaminB2HansFischer(1930,Chemistry):Chlorophyllchemistry;hemi
19、nsynthesisRichardMartinWilstatter(1915,Chemistry):Chlorophyllpurificationandstructure,carotenoids,etc.光合作用机理研究光合作用机理研究-光合作用研究领域的光合作用研究领域的Nobel Nobel PrizesPrizes随随着着人人们们对对光光合合作作用用了了解解的的越越来来越越多多, ,人人们们对对光光合合作作用用的的兴兴趣趣和和期期望望也也越越来来越越多多, ,特特别别是是近近年年来来的的倍倍受受重重视视的的能能源源和和环环境境问问题题, ,又又使使人人们们将将更更多多的的期期待待投投向向
20、光光合合作作用用，希希望望光光合合作作用用能能为为人人类类作作出出更更多多的的贡贡献献,这这就就要要搞搞清清楚楚光光合合作作用用是是如如何何工工作作的的? ? 它它的的神神密密机机制制成成为为倍倍受受关关注注的研究热点。的研究热点。光合作用神密机制的探索光合作用神密机制的探索Artistsrenditionofaleaf(bottom),thylakoidswithinachloroplast(middle),andaphotosysteminthylakoids(top).(Reference:WimVermaas(1998)The World & IMarchissue,page158-1
21、65.)Photosynthetic Membrane Proteins光合作用机制光合作用机制-光反应和暗反应光反应和暗反应暗反应暗反应光反应光反应H2O + 光能 O2 + 4e+4H+CO2 + ATP + NADPH 碳水化合物水裂解水裂解制氢制氢电荷分离电荷分离光伏电池光伏电池改变固碳途改变固碳途径，直接生径，直接生产生物燃料产生物燃料图改自：图改自：Nield,J.(1997)Ph.D.Thesis,UniversityofLondon.UK.人工模拟人工模拟捕光天线捕光天线光合作用的启示光合作用的启示 光光光光合合合合系系系系统统统统高高高高效效效效的的的的捕捕捕捕光光光光天天天
22、天线线线线系系系系统统统统能能能能以以以以接接接接近近近近百百百百分分分分之之之之百百百百的的的的效效效效率率率率进进进进行行行行能能能能量量量量的的的的传传传传递递递递及及及及转转转转换换换换，人人人人类类类类是是是是否否否否可可可可以以以以模模模模拟拟拟拟这这这这种种种种机机机机制制制制开开开开发发发发制制制制造造造造更更更更加加加加高高高高效效效效环环环环保保保保的的的的吸吸吸吸收收收收和利用太阳能的人造系统和利用太阳能的人造系统和利用太阳能的人造系统和利用太阳能的人造系统？ 能能能能否否否否利利利利用用用用或或或或模模模模拟拟拟拟光光光光系系系系统统统统I I或或或或II II产产产产
23、生生生生电电电电荷荷荷荷分分分分离离离离释释释释放放放放电电电电子子子子的的的的机机机机制制制制制制制制造造造造生生生生物物物物光光光光伏电池伏电池伏电池伏电池来直接发电？来直接发电？来直接发电？来直接发电？ 能能能能否否否否利利利利用用用用现现现现代代代代遗遗遗遗传传传传学学学学、分分分分子子子子生生生生物物物物学学学学和和和和合合合合成成成成生生生生物物物物学学学学手手手手段段段段，改改改改变变变变原原原原来来来来的的的的固固固固碳途径，直接生产碳途径，直接生产碳途径，直接生产碳途径，直接生产能源产品能源产品能源产品能源产品（生物柴油、脂肪烃等）？（生物柴油、脂肪烃等）？（生物柴油、脂肪烃
24、等）？（生物柴油、脂肪烃等）？ 能否利用或模拟放氧复合物在常温常压下把能否利用或模拟放氧复合物在常温常压下把能否利用或模拟放氧复合物在常温常压下把能否利用或模拟放氧复合物在常温常压下把水裂解水裂解水裂解水裂解而制氧和而制氧和而制氧和而制氧和制氢制氢制氢制氢呢？呢？呢？呢？ 光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实? ?光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实光合作用的重要启示能否变成现实? ?-决定了决定了决定了决定了光合作用在未来能源产业中的地位光合作用在未来能源
25、产业中的地位3.光合作用光合作用 在未来能源产业中的地位在未来能源产业中的地位光合作用机理的认识：光合作用机理的认识：-光合作用的结构生物学研究光合作用的结构生物学研究结构与功能关系研究结构与功能关系研究结晶结晶模型构建模型构建与修正与修正衍衍射射数数据据收收集集同步辐射光源同步辐射光源相角求解相角求解电子密度图电子密度图光合生物光合生物原核原核真核真核高等植物高等植物藻类藻类紫色非硫细菌紫色非硫细菌紫色硫细菌紫色硫细菌绿色非硫细菌绿色非硫细菌多细胞丝状绿色细菌多细胞丝状绿色细菌兰细菌兰细菌Prochlorophytes非放氧光合生物非放氧光合生物放氧光合生物放氧光合生物紫细菌的光合系统示意图
26、紫细菌的光合系统示意图引自：Roszak,A.W.et al. (2003)Science,302,1969-1972. 紫细菌的光合反应中心三维结构紫细菌的光合反应中心三维结构R. viridis RCR. sphaeroids RCMsubunitLsubunitHsubunitCytsubunit电子传递链辅因子Deisenhoferet al.(1985)Nature,318,618-624.Yeateset al.(1987)P.N.A.S. USA,84,6438-6442.cytoplasmperiplasm紫细菌的光合系统示意图紫细菌的光合系统示意图图引自：图引自：http:/
27、McDermottet al.(1995)Papizet al.(2003) 2.0 Deisenhoferet al.(1985)Deisenhoferet al.(1995)2.3 Corecomplex(RC+LH1)Roszaket al.(2003)4.8 紫细菌的捕光复合物紫细菌的捕光复合物LH2LH2的三维结构的三维结构 亚基亚基 亚基亚基B800 BchlaB850 BchlaRG (carotenoid)McDermottet al.(1995)Nature,374,517-521.Papizetal.(2003)J. Mol. Biol.,326,1523-1538.per
28、iplasmcytoplasm紫细菌的紫细菌的RC-LH1RC-LH1核心复合物核心复合物4.84.8的晶体结构的晶体结构Topviewfromthecytoplasm 亚基亚基 亚基亚基B880W 亚基亚基SideViewperiplasmcytoplasmRoszak,A.W.et al. (2003)Science,302,1969-1972. 藻类的光合系统示意图藻类的光合系统示意图图修改自：图修改自：Kurisu,G.,Zhang,H.,Smith,J.L.&Cramer,W.A.(2003)Science 302, 1009-1014.lumenstromaPCAPCPER-PC,
29、2.4JiangT.etal,2001,BiophysicalJ.C-PC,2.2WangXQ.etal,2001,ActaDAPC,2.2LiuJY,etal1999,JBC.R-PE,2.8ChangWR,etal,2001,JMB.R-PE,1.9JiangT,etal1999,Proteins蓝细菌的光合系统示意图蓝细菌的光合系统示意图图来自：图来自：Kurisu,G.,Zhang,H.,Smith,J.L.&Cramer,W.A.(2003)Science 302, 1009-1014.Jordanet al.Nature(2001)2.5 Zouniet al.nature(200
30、1)KamiyaandShenPNAS(2003)Ferreiraet al.Science(2004)Lollet al.Nature(2005)3.8 , 3.7 , 3.5 ,3.0Kurisuet al.Science(2003)3.0 lumenstroma蓝细菌的光系统蓝细菌的光系统I I三维结构示意图三维结构示意图PsaAPsaBstromalumenJordanet al.(2001)Nature,411,909-917.蓝细菌的细胞色素蓝细菌的细胞色素 b b6 6f f三维结构示意图三维结构示意图ISPCyt b6Subunit IVCytfPetG,-L,-M,-N引自：
31、引自：Kurisuet al.(2003)Science,302,1009-1014.Cyanobacterial photosystem II at 2.9- resolutionPDBID:3BZ1,3BZ2,Guskovetal.(2009)Nat.Struct.Mol.Biol.Mn4Cacluster3.0Nature43815Dec.(2004)3.5Science303,1831-183(2004).高等植物的光合作用系统高等植物的光合作用系统图引自：图引自：Nield,J.(1997)Ph.D.Thesis,UniversityofLondon.UK.Nature(2003)4
32、.4A(2003)3.4A(2007)(豌豆豌豆)?Major LHC-II（Lhcb1 + 2 + 3）2.72菠菜菠菜LHCII晶体结构（晶体结构（2004, nature）MovieAnIcosahedralProteoliposomeVesicleA LHC-II TrimerMovie人工光合作用人工光合作用: : 利用生物、化学或物理的手段，模拟光合作用利用生物、化学或物理的手段，模拟光合作用的过程将光解水产生的电子和质子转化成直接可以利用的能源的过程将光解水产生的电子和质子转化成直接可以利用的能源1 1、模拟捕光吸收太阳能，固定太阳能（产电）、模拟捕光吸收太阳能，固定太阳能（产电
33、）2 2、模拟放氧复合体的放氧功能（产生质子）、模拟放氧复合体的放氧功能（产生质子）3 3、模拟氢酶的放氢功能（产生氢气）、模拟氢酶的放氢功能（产生氢气）模拟光合作用的探索模拟光合作用的探索美国科学家利用美国科学家利用光系统光系统I构建的太阳能电池构建的太阳能电池光能转换率光能转换率12%,寿命寿命21天天Das et al, Nano Lett. (2004)利用太阳能发电利用太阳能发电-生物光伏电池生物光伏电池日本科学家利用日本科学家利用光系统光系统II构建的太阳能电池构建的太阳能电池Terasaki et al Thin solid films (2008)在在对对于于光光合合膜膜蛋蛋白
34、白的的分分子子改改造造方方面面取取得得了了一一定定的的成成绩绩，比比如如，研研究究了了Loop区区的的功功能能，发发现现捕捕光光天天线线在在Loop区区的的结结构构对对于于其其功功能能的的调调节节起起非非常常重重要要的的作作用用，同同时时，我我们们用用分分子子改改造造的的方方法法，提提高高了了捕捕光光天天线线的结构稳定性和功能稳定性。的结构稳定性和功能稳定性。生物光伏材料的优势开路开路电压电压 （V V）最大的理最大的理论论效率（太阳效率（太阳能）能）在最大效在最大效率率时时的的电电流流光能光能转换转换效率效率电电荷分离的荷分离的量子效率量子效率晶硅晶硅电电池池 0.6 V 0.6 V 25%
35、 20V 40% 4-100%蓝细菌：新一代生物液体燃料、生物基蓝细菌：新一代生物液体燃料、生物基化学品的光合微生物合成体系。化学品的光合微生物合成体系。Kaneko,T.,et al. DNA Res.3,109-136(1996)集胞藻是第一个被测序集胞藻是第一个被测序的光合生物的光合生物Angermayr,S.A.,et al.Current Opinion in Biotechnology20,1-7(2009)综述了蓝细菌作为生物蓝细菌作为生物燃料合成体系的优势燃料合成体系的优势Atsumi,S.,et al. Nature Biotechnology27，1177-1180（200
36、9）基因工程蓝细菌合成异蓝细菌合成异丁醛丁醛Lindberg,P.,et al. Metabolic Engineering12,70-79(2010).基因工程蓝细菌合成异蓝细菌合成异戊二烯戊二烯Dexter,J.,et al. Energy & Environmental Science2,857-864(2009).基因工程蓝细菌合成乙蓝细菌合成乙醇醇基于光合作用生物产油的探索基于光合作用生物产油的探索脂肪烃生物液体燃料：新型优质生物液体脂肪烃生物液体燃料：新型优质生物液体燃料的发展趋势燃料的发展趋势长链脂肪烃长链脂肪烃长链脂肪醇长链脂肪醇脂肪酸乙酯脂肪酸乙酯Schirmer, A.,
37、et al. Science 329, 559-562 (2010)基因工程大肠杆菌合成脂肪烃脂肪烃Steen, E.J, et al. Nature 463, 559-562 (2010)基因工程大肠杆菌合成脂肪醇脂肪醇与脂肪酸乙酯脂肪酸乙酯原核微藻原核微藻高光效高光效生长速度快生长速度快遗传操作体系相对成熟遗传操作体系相对成熟 适于大通量的基因工程改造适于大通量的基因工程改造生物乙醇存在的问题，如：能量密度低；容易挥发；生物乙醇存在的问题，如：能量密度低；容易挥发；易溶于水所导致的发酵过程中对微生物毒性的增加、易溶于水所导致的发酵过程中对微生物毒性的增加、蒸馏分离过程中除去水相的成本很高与
38、运输过程中蒸馏分离过程中除去水相的成本很高与运输过程中对管道的腐蚀等。对管道的腐蚀等。国际上模拟光合作用的太阳能开发项目国际上模拟光合作用的太阳能开发项目严严峻峻的的能能源源和和环环境境形形势势、光光合合作作用用机机理理研研究究的的进进展展、相相关关应应用用研研究究的的探探索索、各各学学科科和和技技术术领领域域的的进进步步促促使使各各发发达达国国家家政政府府纷纷纷纷做做出启动出启动“人工叶片人工叶片/ /人工光合作用人工光合作用”工程的选择和决策工程的选择和决策 欧盟（瑞典）“人工光合作用联盟” 美国“人工光合作用联合中心” 欧洲“人工叶片”计划 澳大利亚“人工光合作用网络”Harnessin
39、gSolarEnergyforthe ProductionofCleanFuelsSolarEnergyConversion“internationalmeetingfromMay10-13,2006,inRegensburg,sponsoredbytheEuropeanScienceFoundation(ESF)ForewordThe European Union and its member states are being urged by leading scientists to make a major multi million Euro commitment to solar
40、driven production of environmentally clean electricity, hydrogen and other fuels, as the only sustainable long-term solution for global energy needs. The most promising routes to eventual full-scale commercial solar energy conversion directly into fuels were identified at a recent international meet
41、ing in Regensburg, sponsored by the European Science Foundation (ESF). An interdisciplinary task force was established at this meeting to make the case for substantial investments in these technologies to EU and national government decision makers. This report summarizes the outcome of this meeting.
42、 由欧洲科学基金资助的“太阳能转换”国际会议于2006年3月在德国Regensburg召开。与会的39位科学家共同签属了一份长达59页的文件，题目就是“利用太阳能生产清洁燃料”UltimatelythishydrogenpowersalllifeonEarth.Themainwasteproductofphotosynthesisisoxygen.Togetherwithfuels,thiswasteproductisusedtodrivecyclicprocessesthatsustainlifeonEarthinarenewablemanner.Inrecentyearsstructura
43、lbiologyhasprovidedprofoundinsightintothestructureandoperationalmechanismsofthemolecularmachineryofthephotosyntheticapparatus.Thissetsthestageforatechnologypushinthecomingyears.近近些些年年来来结结构构生生物物学学提提供供了了对对光光合合作作用用器器件件的的分分子子机机器器的的结结构构和运作的机制的深刻了解和运作的机制的深刻了解,现在应进入由技术推动的阶段。现在应进入由技术推动的阶段。提出了从基础研究到商业化生产和应用的
44、提出了从基础研究到商业化生产和应用的研究计划和预计时间表：研究计划和预计时间表：5年内构建出有宽泛的吸收波长范围的天线10年内能够修复光损伤的天线,能够组装天线到合适的尺寸,并与电荷分离单元共组装10年内阐明清楚PSII裂解水的催化机制,阐明蛋白骨架在质子传递的定向10年内在宿主基质中获得人工燃料生产器官20年内完成有催化活性的单元大规模自组装成为纳米器件15到20年内连接催化单元，并整合到太阳能燃料的转化器件上10年内可展示在千瓦量级（kW）的可运行的原型，大规模的示范系统(100MW）可能在20年内完成第一个商业化的系统（0.52GW）可能在30年内实现。.欧洲欧洲“人工叶片人工叶片”计划
45、计划目目标标：模模拟拟光光合合作作用用，生生产产新新型型能能源源，确确定定了了1515个先导研究方向个先导研究方向参参加加单单位位：德德国国等等多多个欧盟国家个欧盟国家周周期期：30304040年年后后获获得得可可以以大大规规模模并并商商业业化化的的将将太太阳阳能能直直接接转转化化为为燃燃料料的的解解决决方方案案（起始（起始2008.12008.1）欧盟（瑞典）欧盟（瑞典）“人工光合作用联盟人工光合作用联盟”目目标标：研研究究模模拟拟光光合合作作用用的的体体系系，包包括括化化学，物理和生物过程。学，物理和生物过程。经经费费：从从19941994年年至至今今持续不断。持续不断。参参 加加 单单
46、位位 ： 由由 瑞瑞 典典Lund, Lund, StockholmStockholm和和UppsalaUppsala三三个个大大学学牵牵头头，涉涉及及众众多多欧欧洲洲地地区区相相关的科学家。关的科学家。 美国美国“人工光合作用联合中心人工光合作用联合中心”(JCAP)JCAP)目目标标： 研研发发能能将将太太阳阳能能转转化化为为化化学学燃燃料料的的人人工工系系统统，并并推推广广其商业应用其商业应用经经费费： 1.22 1.22 亿亿美美元元参参加加单单位位： 7 7个个，由由加加州州理理工工学学院院和和美美国国能能源源部部伯伯克克利利实实验验室室联合牵头联合牵头周周期期： 5 5年年，201
47、0.72010.7发布发布引自：http:/solarfuelshub.org/澳大利亚澳大利亚“人工光合作用网络人工光合作用网络”（Australian Artificial Photosynthesis Network） 目目目目标标标标：发发发发展展展展有有有有效效效效的的的的太太太太阳阳阳阳能能能能生生生生物物物物利利利利用用用用技技技技术术术术。20062006年年年年, , 模模模模似似似似植植植植物物物物中中中中的的的的叶叶叶叶绿绿绿绿素素素素, ,制制制制造造造造人人人人工工工工合合合合成成成成的的的的捕捕捕捕光光光光分分分分子子子子。20082008年年年年，模模模模拟拟拟拟
48、锰簇直接利用太阳光来分解水。锰簇直接利用太阳光来分解水。锰簇直接利用太阳光来分解水。锰簇直接利用太阳光来分解水。 主主主主要要要要参参参参加加加加人人人人员员员员：莫莫莫莫纳纳纳纳什什什什大大大大学学学学的的的的利利利利昂昂昂昂 斯斯斯斯皮皮皮皮西西西西亚亚亚亚教教教教授授授授、罗罗罗罗宾宾宾宾 布布布布里里里里姆姆姆姆布布布布来来来来可可可可比比比比先先先先生生生生和和和和安安安安妮妮妮妮特特特特 可可可可罗罗罗罗和和和和澳澳澳澳大大大大利利利利亚亚亚亚联联联联邦邦邦邦科科科科学学学学与与与与工工工工业业业业研研研研究究究究组组组组织织织织（CSIROCSIRO）的的的的格格格格哈哈哈哈德德
49、德德 斯斯斯斯伟伟伟伟格格格格斯斯斯斯以以以以及及及及美美美美国普林斯顿大学的查尔斯国普林斯顿大学的查尔斯国普林斯顿大学的查尔斯国普林斯顿大学的查尔斯 迪斯莫克斯迪斯莫克斯迪斯莫克斯迪斯莫克斯 研研研研究究究究进进进进展展展展：开开发发了了一一个个模模拟拟放放氧氧中中心心的的人人工工体体系系，此此系系统统由由一一层层涂涂层层组组成成，里里面面可可以以注注入入锰锰。锰锰簇簇是是植植物物利利用用水水、二二氧氧化化碳碳和和阳阳光光制制造造碳碳水水化化合合物物和和氧氧气气的的中中心心枢枢纽纽。将将一一层层质质子子导导体体Nafion薄薄膜膜覆覆盖盖在在一一个个电电极极上上形形成成一一层层仅仅几几微微米
50、米厚厚的的聚聚合合体体膜膜，这这层层聚聚合合体体膜膜充充当当锰锰簇簇的的载载体体。锰锰在在正正常常情情况况下下不不溶溶解解于于水水，但但可可以以和和Nafion薄薄膜膜小小孔孔中中的的催催化化剂剂结结合合，形形成成不不易易分分解解的的稳稳定定结结构构，当当水水到到达达此此催催化化剂剂时时，在在阳阳光光的的照照射射下下就就会会发发生生氧氧化化反反应应。该该成成果果还还需需要要进进一一步步改改进进，如如改改进进锰锰催催化化剂剂的的稳稳定定性性和和使使用用寿寿命命，提高催化效率，进行一些工业设计以便大规模利用等。提高催化效率，进行一些工业设计以便大规模利用等。 图引自图引自http:/ 一一. 利用
51、光合作用的基本原理，开发新的清洁能源利用光合作用的基本原理，开发新的清洁能源 (如裂解水制氢、微生物制氢和生物光伏电池等如裂解水制氢、微生物制氢和生物光伏电池等) 已被提到日程已被提到日程; 二二. 利用光合作用获得可商业化应用的清洁能源是一项利用光合作用获得可商业化应用的清洁能源是一项 刚刚起步的复杂而巨大的系统工程刚刚起步的复杂而巨大的系统工程(涉及生物学、生物化学、 结构生物学、光谱学、材料科学及一系列相关理论、方法和技术的支撑)， 可能要再经几十年才能实现。但是，为了在未来能源可能要再经几十年才能实现。但是，为了在未来能源 竞争中的国家和民族利益，在新能源的战略规划中竞争中的国家和民族利益，在新能源的战略规划中 应该有它的重要位置。应该有它的重要位置。光合作用光合作用 在未来能源产业中的地位在未来能源产业中的地位:“在欧洲和某些地区,人们越来越相信:2050年我们的大部分燃料将会从“人工叶片”中获得”-欧洲“利用太阳能生产清洁燃料”的白皮书谢谢谢谢!PSII结构示意图结构示意图反应中心（反应中心（RC）内周天线蛋白内周天线蛋白外周天线蛋白外周天线蛋白放氧复合物放氧复合物
