对一种新型生物能源发光苔藓的研究

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1 荧光供体的寻找

荧光供体需要一种不耗电的光能供给体系,并且可以与植物体结合,形成稳定的能量循环体系。

1.1 荧光粉

1.1.1 荧光粉发光原理。荧光粉是一种将外部提供的能量(太阳能)转变为光能的材料。荧光粉的化学成分有LaPO4、Ce3+、Tb3+等。目前,实际用于照明用途的荧光粉大部分是粉末状的,以汞原子发出的紫外线(主峰波长253.7 nm)为激发源的光致发光荧光粉,就是利用氧化物晶体中孤立离子的电子式跃迁来发光的[3]。

1.1.2 荧光粉的潜在弊端。一般荧光粉的光持续时间较短,必须进行连续性的充光。而较为高档的荧光粉虽然可延长光照时间,但是其具有较强的辐射性,对人有危害。

1.1.3 荧光粉的市场现状。近几年,在呼吁无汞化的大环境下,荧光灯成为关注的焦点。荧光灯是一种价廉、高效的照明光源,如果尽可能地减少汞用量,将汞使用量的削减目标明确化,一般认为可以暂时继续在荧光灯内使用汞。但是若要求最终完全无汞化,目前是难以达到的。与此同时,由于大多数荧光粉的发光中心采用稀土族元素,而随着原料出产国家的政策调整,这类材料的价格正在逐渐上涨,需要控制其使用量。因此,开发出新型的节能光源迫在眉睫。

1.2 荧光生物供体——萤火虫

1.2.1 发光系统具有生理活性。萤火虫身体上发光的部分是光带和尾灯。其中,尾灯的亮度极易受萤火虫情绪的影响,给予其略微的刺激,就会使光源消失;光带所提供的光源较为稳定,且不受外界因素影响。将一个雌性萤火虫的光带切下部分,发现仍然发光,浸泡在水中也能发光,但是在煮沸过的水中放置时光消失,可见这类光的发出也必须以空气为助燃剂[4],综上所述,萤火虫的荧光现象具有生理活性。

1.2.2 萤火虫的发光原理。生物荧光是自然界的奇特现象,是生物体发光器官内一系列化学反应结果,即在ATP、Mg2+、氧气(O2)和荧光酶(1uciferase)存在时,底物转变成中间产物腺苷酸荧光素(adenylluciferin),中间产物进而被氧化成氧化荧光素(adenytoxyluciferin),同时产生生物荧光[5]。因此,整个荧光过程的关键是荧光酶,倘若在一个生物体中植入荧光酶基因,即可实现荧光现象的转移。

1.2.3 生物荧光的优点及荧光酶的使用现状。生物荧光是冷光,对生物体无损害且可用光度计(1uminometer)直接检测。因此,生物荧光作为重要的实验工具正被很多领域开发和利用。根据荧光反应对ATP的依赖性,荧光酶已成为测量、分析ATP的有效工具。荧光酶基因具有易检测、敏感及对人体无毒等优点,从功能上讲是氧化酶。

已知生物的荧光反应都需要O2和过氧化中间产物,发光甲虫(萤火虫)的荧光酶是分子量大约为60 kD的蛋白单体[6-7],由荧光酶基因(1uciferase gene)编码。目前,已有10多种发光甲虫的荧光酶基因被克隆与测序。几种荧光酶基因的结构与功能已有详细报道[8-10]。由此可见,国内外关于提取荧光酶基因已经有了较为成熟的技术支持。

总之,分析市面上传统的荧光粉所存在的弊端,选择萤火虫的荧光酶基因作为荧光供体,不仅有较为成熟的理论基础,更有较好的发展前景。

2 荧光受体的选择

首先需要选择一种植物作为载体,该植物可以有序且高效地进行光合作用,同时对光源的选择度不是很高,而且要耐潮湿与黑暗,同时要有生长周期短、繁殖速度快的一系列优点。从植物类群的角度来分析,其中蕨类、种子植物过于高级,生长周期长,对土壤的要求度高,不符合要求;藻类植物过于低级,极易受外来环境影响,况且多数生长于水中,也不符合要求;苔藓或许就是最适宜转入荧光基因的受体。

2.1 苔藓的生理特性

苔藓植物是体型微小、构造特殊、分布广泛和适应性强的植物类群、是植物界最低等的高等植物。植物无花、无种子,是植物界从水生向陆生的过渡类型,是现存陆生植物中重要的类群之一,隶属于高等植物中孢子植物。苔藓植物生长周期短,光饱和点底,可快速繁殖,采取附着式生长方式,对环境变化的反应较敏感,是一类良好的生物指示植物[11]。

2.2 荧光受体——苔藓的优势分析

苔藓生长周期短,繁殖速度快,可以迅速产生大量种群,使得荧光体系快速完善。另外,其光饱和点低,对阳光的要求量不高,可以用于洞穴采矿,同时荧光也能满足其光合作用对光的需求。苔藓植物具有附着式生长方式,可以使洞穴或地下的采光面积增大,并且增加光照空间的维度。孢子繁殖后代,孢子寄生在配子体上生长,其播种方式简便、高效,可以与营养液结合实现喷洒式的种植方式。由于苔藓植物对环境变化反映较为敏感[12],因而可以检测地下开采时泄漏的有毒气体,从而防止可燃性气体引发的矿难。苔藓植物的光合作用进程会释放氧气,可为地下开采创造充足的氧气空间。

荧光基因与苔藓的结合

3.1 荧光融合的技术支持

据报道[13-14],在国外已经拥有荧光基因转入植物体的先例。因此,目前已存在荧光基因与植物的融合技术。

3.2 光苔发光的原理

光苔利用荧光作用与光合作用的相互补给,互惠互利,保证在暗环境下的生命体征。前期外界环境提供少量能量保证苔藓植株生长完全,到达一定时期,荧光作用即可产生,利用荧光现象产生的光源作光合作用光反应的激发剂,从而光解水,产生氧气和大量的ATP和NADP+,进入暗反应阶段,最终二氧化碳被固定在有机物中[15]。有机物通过呼吸作用,产生的ATP进入到荧光体系,底物在荧光酶和氧气存在的条件下转变成中间产物腺苷酸荧光素,中间产物进而被氧化成氧化荧光素,同时产生生物荧光既能供给环境照明,又能进入植物光合作用的体系,达到循环目的(图1)。

4 光苔在城市生活中的应用——光苔灯

植物进行光合作用时,对某一特定波段的光存在吸收峰而光苔灯的第一层玻璃就具有调节弧度的装置[16],使让内层苔藓吸收最大亮的光进行光合作用。在光苔灯的最外层,有第二种玻璃,其仿造夜视镜的微光发达技术,使产生的光源可以被放大,从而产生的光源可以被放大[16],由此即可产生明亮的视觉效果,最终达到一种循环体系的节能灯。

目前,科学家可以通过调节生态膜的光谱段吸收使植物增产,而这种玻璃也可以运用到光苔灯中,使苔藓植物在极小的环境下最大程度地利用光能,最终达到放出较强光的效果。光苔灯是具有持久几乎零能耗特点的供光装置,白天可以充分蓄光,夜晚可以充分释放光能,既环保又节能。

5 光苔在地下煤矿开采方面的应用研究

在大型地下开采或探险工作中,没有稳定电能供给装置,光苔可作为一种“自产自销”的循环型灯泡,避免长距离输电带来的危险,在地下开采中往往会存在有毒或易燃气体,苔藓植物由于有一层细胞的叶组织,可以提前检测[12]有毒气体的有无,光苔释放的是冷光,避免大量能量以热能形式散失后引起易燃气体爆炸,光苔也产生氧气,供工作人员使用。对于工作区域较大的地方。这种近似涂料的光苔植物可附着在岩石墙壁表面,与周围环境融合,出现“自然光”现象