具有受限结构和双组分微生物的工程微生物水凝胶用于高效制氢

将微小生物转变为清洁燃料制造者

在全球寻求比化石燃料更清洁的替代方案时，氢因燃烧后仅产生水而备受关注。本研究探索了一种利用活微生物并将其置于富水软凝胶中以制造氢气的创新方法。通过将藻类和细菌在微小的3D打印结构中精心排列，研究人员展示了如何在比传统方法用水更少的情况下，从阳光中榨取更多清洁能量。

为什么藻类制氢很重要

如今氢气常由煤或天然气制取，这会产生大量碳排放，或通过电解水获得，这可能耗能巨大。微藻提供了另一条路径：在适当条件下，这些微小植物能利用阳光分解水并释放氢气。然而，驱动其生长的同一过程也会产生氧气，而氧气会迅速抑制负责产氢的关键酶。此前为解决此问题的尝试包括基因工程、高成本化学试剂或使用大量液体的笨重体系，这些方法浪费光能和水，限制了其实验室外的应用价值。

为阳光构建一个活体海绵

研究者设计了一种“活性材料”，类似于装满协同微生物的海绵。通过同轴3D生物打印，他们制造了芯-壳水凝胶纤维：绿色微藻占据内芯，嗜氧或耗氧的细菌分布在外壳。凝胶由食品级且生物相容的成分构成，形成透明、柔性的支架。透明性有助于光线深度穿透，使结构内各处的藻类均能吸收阳光。同时，凝胶仅保持足够的水分以维持生长，使得系统无需浸没在大量液体中也能运行。

让每种微生物发挥其作用

在这种配置中，每种微生物扮演不同角色。藻类利用光分解水并产生用于制氢的电子，但它们也会释放氧气。周围的细菌在自身呼吸过程中消耗这些氧气，从而使凝胶内部保持接近无氧的环境。通过调整藻与菌的比例，团队找到了一种既能高效去除氧气又不会挤占藻类或阻挡光照的排列。这样的空间分离减少了养分竞争，保护藻类免受细菌过度生长的侵扰，并让双方在各自的区域内共同繁荣。

提高氢产量并节约用水

在光照下测试时，打印的水凝胶网络产生的氢气远高于含有相同微生物的常规液体培养。最佳配置达到约1763毫升氢气/升凝胶的产量，约为典型混合液体培养的78倍。芯-壳布局还使得氢气产出在减缓前持续时间更长，因为细菌持续消耗氧气并帮助保护藻类中对氢气生成敏感的生物机制。通过用氮气置换空气即可重新启动系统进行多轮生产，表明该活性结构在多次循环中仍能保持功能。

窥视微生物发电厂内部

为理解为何藻类在此打印环境中表现更佳，团队检查了不同培养体系中哪些基因被激活或抑制。在结构化凝胶内部，藻类显示出与光捕获、能量转换和产氢酶相关基因的更高活性。这表明良好的光分布、定制的营养以及受控的氧气水平共同促使藻类进入有利于产氢的状态。相比之下，与细菌紧密混合在均质凝胶中的藻类会失去绿色并显示较弱的光合作用性能，突显了即便在共享材料中物理分离的重要性。

这对未来绿色能源意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是：以合适的3D方式排列微生物可以显著改变它们的行为以及它们产生有用能量的能力。这项研究表明，精心结构化的活性水凝胶能够在无需基因改造且用水量很少的情况下高效产生氢气。尽管将此类系统规模化至工业水平仍需进一步工程优化，这项工作指向了一个前景：由阳光和微生物驱动的打印活性材料，可能成为更清洁燃料生产和其他可持续技术的组成部分。

引用: Li, X., Long, Q., Jiang, M. et al. Engineered microbial hydrogels with confined architecture and binary microbes for efficient hydrogen production. Nat Commun 17, 4303 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70988-x

关键词: 生物氢, 微藻, 3D生物打印, 活性材料, 可再生能源