煤、石油和天然气等化石燃料燃烧通常会释放出SO₂，而NaHSO₃就是SO₂溶解于水后形成的一种衍生物。一般认为，高浓度NaHSO₃处理藻类和作物会显著降低它们的光合作用效率，甚至导致死亡。大约30年前，中国科学院植物生理生态研究所沈允钢院士团队发现低浓度NaHSO₃处理藻类和作物可显著提高它们的光合作用效率。进一步研究发现，这一提高是低浓度NaHSO₃处理藻类和作物导致增加它们围绕光系统I的环式电子传递和优化ATP/NADPH比例的结果。

大约10年前，我院马为民课题组发现中等浓度NaHSO₃处理藻类可诱导持续、高效光合放氢现象（Wang et al., 2010, Int J Hydrogen Energy; Ma et al., 2011, Bioresour Technol）。我们称这一诱导藻类光合放氢的方法为NaHSO₃添加法。进一步研究发现了NaHSO₃添加法移除氧气，激活氢化酶的作用机理（Wei et al., 2017, Plant Cell Physiol）和分步添加NaHSO₃改善光系统II活性，提高光合放氢效率的功能机理（Wei et al., 2018, Front Plant Sci）。然而，迄今为止，NaHSO₃添加法诱导的氢气产量仍不能满足藻类光合制氢的工业化应用。

2020年4月6日，Biotechnology for Biofuels期刊在线发表了我院马为民课题组的研究成果，题为“Mechanistic insights into pH-dependent H₂ photoproduction in bisulfite-treated Chlamydomonas cells”。该研究工作发现pH 8.0是NaHSO₃添加法诱导藻类光合放氢的最优值；每升藻液（大约10毫克叶绿素）在3天内大约释放了105毫升氢气。与pH 7.3（生长培养基的初始pH值）相比，pH 8.0诱导释放的氢气量大约增加了1.75倍。这一结果表明我们又向藻类光合制氢的工业化应用逼近了一步。该研究工作也发现pH 8.0诱导增加的光合放氢量是改善光合放氢电子源（光系统II）活性的结果，但与交替电子库（围绕光系统I的环式电子传递和碳同化）活性无关。进一步研究发现，（1）pH 7.3升高到pH 8.0降低了NaHSO₃ / Na₂SO₃比值；（2）与NaHSO₃相比，Na₂SO₃减弱了对光系统II的损伤。同时，我们发现，类同于NaHSO₃添加法，Na₂SO₃添加也是一种移除氧气，激活氢化酶，诱导藻类持续、高效光合放氢的重要方法。

在功能数据的基础上，本研究提出了一个pH调控NaHSO₃诱导藻类光合放氢的功能机理图（下图）。当NaHSO₃添加到pH 7.3的细胞培养物时，一个高的NaHSO₃ / Na₂SO₃比值严重地抑制了光系统II光解水的活性，导致减少了藻类进行光合放氢的电子源。与此相反，当NaHSO₃添加到pH 8.0的细胞培养物时，一个低的NaHSO₃ / Na₂SO₃比值有助于改善光系统II光解水的活性，为藻类光合放氢提供了一个相对高的电子源。因此，pH通过改变NaHSO₃ / Na₂SO₃比值和光系统II光解水的活性来调控NaHSO₃添加法诱导藻类光合放氢的效率。

我院马为民教授为论文的通讯作者。魏兰珍副研究员和硕士生范保强、易静为论文的共同第一作者。硕士生谢天群和刘坤等也参与了该论文的部分工作。该研究工作得到了国防科技委和上海市科学技术委员会的共同资助。

pH调控NaHSO₃诱导藻类光合放氢机理的模式图

文章链接：

https://biotechnologyforbiofuels.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13068-020-01704-0

（供稿：马为民课题组）