生物光伏(biophotovoltaics，BPV)，又稱光合微生物燃料電池或微生物太陽能電池，一般指利用包括藍(lán)藻和真核藻類在內(nèi)的放氧光合微生物將光能轉(zhuǎn)化為電能的生物電化學(xué)系統(tǒng)。廣義上，生物光伏也包括以離體光合元件如類囊體、光系統(tǒng)為核心光電轉(zhuǎn)化元件的生物電化學(xué)系統(tǒng)。在生物光伏(BPV)技術(shù)的研究中，藍(lán)藻憑借高效的光合系統(tǒng)成為核心“生物催化劑”，而其光合電子傳遞效率與生理狀態(tài)直接決定BPV的發(fā)電性能。長期以來，如何精準(zhǔn)捕捉藍(lán)藻光合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化、解析電子傳遞路徑的調(diào)控機(jī)制，一直是BPV研究的核心難題。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)作為一種無創(chuàng)、實(shí)時(shí)的光合生理分析手段，憑借對(duì)光系統(tǒng)(PSII、PSI)功能的高靈敏度，已成為解鎖藍(lán)藻BPV電子傳遞奧秘的關(guān)鍵工具。本文結(jié)合三篇最新研究成果，系統(tǒng)梳理葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)在藍(lán)藻BPV研究中的核心應(yīng)用，揭示其如何從 “熒光信號(hào)”中解讀BPV效率優(yōu)化的底層邏輯。
圖1 生物光伏基本原理示意圖
圖片來源：DOI:10.12211/2096-8280.2023-039
藍(lán)藻的光合電子傳遞是BPV光電流產(chǎn)生的源頭——光系統(tǒng)II(PSII)分解水產(chǎn)生電子，經(jīng)PQ庫、細(xì)胞色素b6f(Cyt b6f)、質(zhì)體藍(lán)素(PC)傳遞至光系統(tǒng)I(PSI)，最終部分電子通過胞外電子傳遞(EET)流向電極。這一過程中，光系統(tǒng)效率、電子分配方向、環(huán)境脅迫響應(yīng)等，均會(huì)直接影響光電流輸出。
圖2 藍(lán)藻生物光伏系統(tǒng)電子傳遞示意圖
圖片來源DOI: https://doi.org/10.1016/j.ese.2024.100519
傳統(tǒng)檢測(cè)手段(如電極電流監(jiān)測(cè))僅能獲取“最終發(fā)電結(jié)果”，無法追溯電子傳遞的“中間過程”；而葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)通過監(jiān)測(cè)葉綠素分子在光反應(yīng)中的熒光發(fā)射特性，可實(shí)時(shí)量化光系統(tǒng)功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)三大核心價(jià)值：
無創(chuàng)監(jiān)測(cè)：無需破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，可長期追蹤藍(lán)藻在BPV運(yùn)行中的光合生理變化；
精準(zhǔn)定位：區(qū)分PSII、PSI的功能差異，定位電子傳遞的關(guān)鍵瓶頸(如PQ庫還原態(tài)、PSI受體側(cè)限制)；
環(huán)境響應(yīng)量化：快速評(píng)估強(qiáng)光、高溫、介體毒性等對(duì)光合系統(tǒng)的影響，為BPV系統(tǒng)抗逆優(yōu)化提供依據(jù)。
目前，BPV研究中最常用的葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)包括脈沖振幅調(diào)制熒光(PAM)、77K低溫葉綠素?zé)晒夤庾V和DUAL-KLAS-NIR光譜，三者分別聚焦PSII功能、藻膽體能量分配和PSI/PC/Fd氧化還原狀態(tài)，形成互補(bǔ)的分析體系。
在藍(lán)藻BPV系統(tǒng)中，光合電子需在多個(gè)“電子匯” 間分配(如卡爾文循環(huán)、Mehler-like反應(yīng)、EET)，明確EET與其他路徑的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，是優(yōu)化電子導(dǎo)向效率的關(guān)鍵——而葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可通過量化光系統(tǒng)參數(shù)，精準(zhǔn)定位這一競(jìng)爭(zhēng)節(jié)點(diǎn)。
1. PAM熒光揭示EET與Mehler-like反應(yīng)的“電子爭(zhēng)奪”
在第一篇研究(Yuan et al., 2025, Environmental Science and Ecotechnology)中，團(tuán)隊(duì)利用MULTI-COLOR-PAM熒光分析鐵氰化物介導(dǎo)的EET對(duì)電子傳遞的影響：
通過測(cè)定“狀態(tài)轉(zhuǎn)換參數(shù)(Fm?-Fm?)/Fo”，發(fā)現(xiàn)鐵氰化物(氧化態(tài)介體)會(huì)導(dǎo)致PQ庫更還原——當(dāng)PQ庫還原時(shí)，藻膽體向PSI分配更多能量(State 2)，PSII熒光強(qiáng)度下降；
結(jié)合18O2同位素標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，EET活躍時(shí)(鐵氰化物組)的O2吸收率顯著降低(ANOVA, P=0.0088)，而O2吸收主要來自flv1/flv3介導(dǎo)的Mehler-like 反應(yīng)(強(qiáng)光下的光保護(hù)路徑)；
進(jìn)一步通過flv突變株驗(yàn)證：Δflv3、Δflv234突變株的鐵氰化物還原速率比野生型高30%-50%，證明EET與flv1/flv3競(jìng)爭(zhēng)PSI下游的鐵氧還蛋白電子；
這一過程中，PAM熒光的“狀態(tài)轉(zhuǎn)換”信號(hào)成為關(guān)鍵指標(biāo)——它不僅反映PQ庫的氧化還原狀態(tài)，更間接揭示了EET對(duì)電子傳遞鏈的重塑：EET通過提取PSI下游電子，減少了Mehler-like反應(yīng)的電子消耗，而這一競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系可通過PSII熒光強(qiáng)度的變化直觀呈現(xiàn)。
圖3 多激發(fā)波長調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨xMULTI-COLOR-PAM測(cè)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
2. DUAL-KLAS-NIR光譜追蹤PSI/PC/Fd的動(dòng)態(tài)變化
在第二篇研究(Schneider et al., 2025, The Plant Journal)中，團(tuán)隊(duì)利用DUAL-KLAS-NIR光譜(可同時(shí)解析PSI、質(zhì)體藍(lán)素PC、鐵氧還蛋白Fd的氧化還原變化)，揭示了藍(lán)藻電子傳遞路徑的 “動(dòng)態(tài)切換”：
在碳氧限制條件下(無O2/CO2)，富糖原細(xì)胞(Lush Cells)的PSI還原速率顯著加快，且PQ庫高度還原——這是因?yàn)樘窃到獾暮粑娮咏?jīng)呼吸電子傳遞鏈(RETC)還原PQ庫，再傳遞至PSI，形成 “PSI-為中心的EET路徑”；
而貧糖原細(xì)胞(Lean Cells)在相同條件下，PSI還原速率無明顯變化，且添加PSII抑制劑 DCMU后光電流消失，證明其依賴傳統(tǒng)“PSII→PQ庫→PSI→EET”路徑；
通過對(duì)比PSI氧化/還原曲線發(fā)現(xiàn)，富糖原細(xì)胞在強(qiáng)光下PSI再氧化受阻，說明電子更多流向EET而非O2(Mehler-like反應(yīng))，進(jìn)一步驗(yàn)證了路徑切換的分子機(jī)制；
DUAL-KLAS-NIR光譜的優(yōu)勢(shì)在于突破了傳統(tǒng)PAM僅聚焦PSII的局限，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PSI 及下游電子載體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為“PSI-為中心的胞外電子傳遞(EET)路徑” 的發(fā)現(xiàn)提供了直接證據(jù)。
圖4 Synechocystis的模型光譜。(a-f)分別顯示了lean cells和lush cells在不同培養(yǎng)基條件下PSI、質(zhì)體藍(lán)素和鐵氧還蛋白的氧化還原變化。
圖片來源：DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.17225
藍(lán)藻在BPV戶外應(yīng)用中常面臨強(qiáng)光、高溫、介體毒性等脅迫，導(dǎo)致光合系統(tǒng)失活、光電流驟降。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可快速量化脅迫對(duì)光系統(tǒng)的損傷程度，為菌株改造和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1. 77K熒光光譜解析介體對(duì)藻膽體能量分配的影響
第一篇研究中，團(tuán)隊(duì)利用77K低溫葉綠素?zé)晒夤庾V(可區(qū)分PSII、PSI的熒光發(fā)射峰)，分析鐵氰化物介體對(duì)藻膽體能量傳遞的影響：
77K熒光光譜顯示，鐵氰化物和亞鐵氰化物均會(huì)導(dǎo)致藻膽體向PSI傳遞能量的效率提升(FPSI(580)值升高)，說明介體無論氧化態(tài)如何，均會(huì)誘導(dǎo)PQ庫還原，進(jìn)而觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換；
但鐵氰化物組(EET活躍)的這一效應(yīng)比亞鐵氰化物組弱——因?yàn)镋ET會(huì)提取PQ庫下游電子，部分緩解PQ庫的過度還原，減少PSII效率的下降；
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，高濃度鐵氰化物(>1mM)會(huì)導(dǎo)致PSII熒光峰(685nm)顯著降低，且這一效應(yīng)與微量氰化物(KCN)相似，提示介體可能釋放CN?損傷PSII，為后續(xù) “介體濃度優(yōu)化” 提供依據(jù)。
77K熒光光譜的獨(dú)特價(jià)值在于，它能在低溫下凍結(jié)能量傳遞過程，精準(zhǔn)量化藻膽體向 PSII/PSI的能量分配比例，從而揭示介體對(duì)光合系統(tǒng)的間接影響。
2. PAM 熒光參數(shù)量化抗逆菌株的光合優(yōu)勢(shì)
在第三篇研究(Yuan et al., 2025, Life)中，團(tuán)隊(duì)通過DUAL-PAM-100熒光儀測(cè)定關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證FoF1-ATP合酶突變株HL7942的抗逆優(yōu)勢(shì)：
Fv/Fm(PSII最大光轉(zhuǎn)化效率)：HL7942在2400 μmol photons/m2/s強(qiáng)光下的Fv/Fm為 0.72，顯著高于野生型(0.61)，證明其PSII更難被強(qiáng)光損傷；
ETRmax(潛在最大電子傳遞速率)：HL7942的ETRmax比野生型高23%(p=0.0102)，說明其電子傳遞能力更強(qiáng)，為EET提供更多電子；
IK(強(qiáng)光耐受參數(shù))：HL7942的IK值是野生型的1.4倍(p=0.0032)，表明其可承受更高光強(qiáng)而不發(fā)生光抑制；
qP(光化學(xué)淬滅)：HL7942的qP值更高(0.85 vs 0.73)，說明其更多電子用于光化學(xué)反應(yīng)(而非非光化學(xué)耗散)，提升了EET的電子利用率。
這些參數(shù)不僅從生理層面解釋了HL7942的光電流提升機(jī)制(最大提升41%)，更為“抗逆菌株改造”提供了明確的篩選指標(biāo)——通過PAM熒光參數(shù)可快速評(píng)估菌株的光合穩(wěn)定性，無需搭建完整BPV系統(tǒng)，大幅提升研究效率。
圖5 HL7942和WT7942細(xì)胞的光合生理參數(shù)
在BPV研究中，光電流的電子來源(PSII水分解vs呼吸代謝)和暗電流的本質(zhì)(糖原降解vs殘余光合電子)，是長期存在爭(zhēng)議的問題。葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可通過“光-暗切換”和“抑制劑處理”，精準(zhǔn)區(qū)分不同電子來源的貢獻(xiàn)。
1. 光-暗熒光響應(yīng)區(qū)分光電流與暗電流的電子來源
第三篇研究中，團(tuán)隊(duì)通過光-暗循環(huán)PAM熒光監(jiān)測(cè)，結(jié)合電流數(shù)據(jù)，明確了電子來源的調(diào)控規(guī)律：
光期：野生型和HL7942的PSII實(shí)際光轉(zhuǎn)化效率(Y(II))均與光電流強(qiáng)度正相關(guān)，且添加 DCMU后Y(II)和光電流同步下降，證明光電流主要來自PSII水分解；
暗期：貧糖原細(xì)胞的暗電流僅為0.1 fA/細(xì)胞，且PSII熒光無明顯變化；而富糖原細(xì)胞的暗電流達(dá)1.1 fA /細(xì)胞，同時(shí)伴隨PQ庫還原(狀態(tài)轉(zhuǎn)換參數(shù)升高)，證明暗電流來自糖原降解的呼吸電子(經(jīng)RETC還原PQ庫)；
進(jìn)一步通過魚藤酮(RETC抑制劑)處理發(fā)現(xiàn)，暗期添加魚藤酮后，PQ 池還原程度下降，暗電流降低30%，直接驗(yàn)證了呼吸電子對(duì)暗電流的貢獻(xiàn)。
2. DCMU處理驗(yàn)證PSII獨(dú)立性路徑
第二篇研究還發(fā)現(xiàn)，在碳氧限制條件下，富糖原細(xì)胞添加DCMU后仍能產(chǎn)生光電流(1.3-1.9 fA/細(xì)胞)，且DUAL-KLAS-NIR光譜顯示PSI還原速率加快——這一現(xiàn)象通過PAM熒光得到進(jìn)一步解釋：
DCMU處理后，富糖原細(xì)胞的PSII熒光(Fv/Fm)降至0.2，但PSI的循環(huán)電子流(CEF)效率提升(通過”鼓包”熒光強(qiáng)度量化)；
結(jié)合糖原消耗數(shù)據(jù)(暗期糖原從1.4降至0.4pg/細(xì)胞)，證明此時(shí)光電流來自“糖原→RETC→PQ庫→PSI→EET” 的PSII獨(dú)立性路徑，而PSI循環(huán)電子流的增強(qiáng)為這一路徑提供了穩(wěn)定的電子傳遞效率。
綜合三篇研究，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)已形成覆蓋 “電子路徑解析、脅迫評(píng)估、電子來源驗(yàn)證” 的完整應(yīng)用體系，不同技術(shù)的核心功能與應(yīng)用場(chǎng)景可總結(jié)如下：
未來，隨著BPV技術(shù)向“戶外實(shí)用化”推進(jìn)，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)將進(jìn)一步向 “實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)” 和 “多參數(shù)集成” 方向發(fā)展：
原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成：將微型PAM熒光傳感器與BPV反應(yīng)器結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行過程中藍(lán)藻光合狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整光照、溫度等參數(shù)，優(yōu)化發(fā)電效率；
多組學(xué)聯(lián)合分析：結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組數(shù)據(jù)，通過熒光參數(shù)定位關(guān)鍵調(diào)控基因(如flv、FoF1-ATP合酶)，加速抗逆高產(chǎn)菌株的篩選；
極端環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估：針對(duì)沙漠、高原等強(qiáng)光高溫場(chǎng)景，利用熒光技術(shù)建立藍(lán)藻光合穩(wěn)定性的量化標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)BPV系統(tǒng)的抗逆設(shè)計(jì)。
葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)的價(jià)值，在于它為藍(lán)藻BPV研究提供了一扇“窺探”光合電子傳遞動(dòng)態(tài)的窗口——從最初的“黑箱式”電流監(jiān)測(cè)，到如今能精準(zhǔn)定位EET的電子競(jìng)爭(zhēng)靶點(diǎn)、量化脅迫對(duì)光系統(tǒng)的損傷、區(qū)分不同電子來源的貢獻(xiàn)，這一技術(shù)推動(dòng)BPV研究從“現(xiàn)象觀察”走向“機(jī)制解析”。
隨著研究的深入，葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)可作為BPV效率優(yōu)化的“核心工具”，助力解決“電子導(dǎo)向效率低、環(huán)境適應(yīng)性差”等關(guān)鍵瓶頸，為藍(lán)藻BPV技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向戶外應(yīng)用，提供堅(jiān)實(shí)的科學(xué)支撐。
