自然·通讯 | 四川大学杜晓声/周加境/南昌大学刘进团队开发核壳微生物水凝胶，实现高效生物制氢

面对全球能源需求增长与气候变化的双重压力，开发可持续清洁能源技术已成为当务之急。氢能因其能量密度高、零碳排放等优势，被视为未来能源转型的关键。利用微藻光合作用制氢是一种理想途径，但微藻光合作用的副产物氧气会强烈抑制氢化酶的活性，导致制氢效率难以提升。传统解决方法或涉及复杂的基因改造存在生物安全风险，或面临成本高昂、光穿透受限、传质效率低等瓶颈，亟需新的突破性思路。

2026年3月23日，四川大学杜晓声、周加境与南昌大学刘进联合团队在《自然·通讯》（Nature Communications）发表题为“Engineered microbial hydrogels with confined architecture and binary microbes for efficient hydrogen production”的研究成果。该研究通过同轴3D打印技术构建了具有核壳限域结构的微生物水凝胶系统，实现了微藻与耗氧细菌的空间分区共培养，显著提升了光合制氢效率。

研究团队利用海藻酸钠、卡拉胶和聚乙二醇二丙烯酸酯制备了核壳结构水凝胶，通过同轴3D打印将产氢微藻莱茵衣藻封装在核心区域，将表达绿色荧光蛋白的耗氧菌枯草芽孢杆菌封装在壳层区域。打印后的水凝胶经过钙离子交联和紫外光固化，形成了结构稳定、力学性能优良的微生物共生网络。该材料可承受超过50%的压缩应变和30%的拉伸应变，压缩强度达94千帕，具备良好的机械稳定性。荧光成像显示，两种微生物在14天培养期内始终被限制在各自区域，清晰的界面边界证实了空间限域策略的有效性。

在产氢性能验证中，研究人员采用三氧化钨作为可视化氢敏材料，光照48小时后粉末由黄绿色变为蓝灰色，确证了氢气生成。通过优化莱茵衣藻与枯草芽孢杆菌的比例，当细胞数量比为1:15时，氢气产量达到1763 ± 98毫升每升水凝胶，比不含细菌的纯微藻水凝胶提高了89.0%。溶解氧监测结果表明，壳层中的枯草芽孢杆菌通过呼吸作用持续消耗微藻光合作用产生的氧气，成功营造了维持氢化酶活性的局部厌氧环境。该系统的产氢效率是传统悬浮共培养体系的78倍。

研究团队进一步比较了核壳结构与均质混合结构的性能差异。结果显示，均质水凝胶中微藻与细菌共培养4天后即出现黄化现象，叶绿素含量显著下降，而核壳结构的微藻则保持旺盛生长。第8天时核壳结构的叶绿素含量达到29.8 ± 1.8毫克每升，是均质结构的2.2倍，氢气产量也大幅领先。这一优势源于空间分区避免了细菌对微藻的直接抑制，同时核壳设计为两种微生物分别提供了适配的微环境，缓解了营养竞争问题。

通过转录组分析，研究团队揭示了产氢效率提升的分子机制。与悬浮培养和均质共培养相比，核壳结构中的微藻光合作用相关通路显著富集，光系统Ⅱ和光系统Ⅰ的结构蛋白及外源性蛋白基因表达均上调。编码铁氧还蛋白、细胞色素b6/f复合体和ATP合酶的基因表达增强，优化了电子传递链效率。尤其关键的是，氢化酶成熟蛋白编码基因HydEF和HydG分别上调1.79倍和2.10倍，催化亚基编码基因HydA1上调1.16倍，证实了核壳微环境对氢化酶表达的促进作用。

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