世界各国面临一个严重的挑战问题——怎样取代日益减少的地下化石能源和化学原料。有史以来化石能源和化学原料是可以廉价取得的。利用绿色植物光合作用的科学原理是一种可能的替代来源。光合作用是一种合乎逻辑的选择，因为它是一切生物休戚相关的基础生物过程：光合作用产生了地球的整个生物圈，给我们提供了全部化石能源和唯一的食品来源。但是，由植物材料转变成化石燃料已经历了许多年代，在一个较短的时期内有可能利用光合过程生产可使用的能源吗？有理由相信答案是肯定的。我们认为一种特别有希望的途径是化合生产可作燃料和化学原料的氢。

生物太阳氢的生产指的是利用活的植物组织或植物材料光解水。目前已知只有三种生物方法把水分解成氢和氧：（1）绿藻；（2）蓝绿藻；（3）由分离出的叶绿体、电子传递体和催化剂组成的体系。头两个方法是利用活组织，而最后—个方法是基于活植物材料的无生命体系。

所有这些光生物氢的生产方法都具有一个重要的共同点：它们吸收光子，利用激发能驱动吸能反应，色素分子光合作用吸收电磁谱中可见部分的光，即波长约为400 ～ 700 nm的光。光合作用基本过程的物理机理是，在一个光合反应中心吸收一个量子便在一个光合作用膜上产生一个正电荷和一个负电荷的电荷分离对。光合作用膜的厚度约为7 nm（70 ?）然后通过一系列的生化反应贮存这种静电位能，使得在无光时也能进行生化反应。

用绿藻生产氢

1942年芝加哥大学的H. Gaffron和J. Rubin用单细胞绿藻经过光合作用首先发现了氢的生成。这种藻类是较高等植物光合作用的原型，即使只分解了一个细胞，然而基本上进行了较高等植物的全部光合作用功能。绿藻能够生产氢这一事实还完全是一个生物学上的谜，因为没有明显的组织代谢作用的好处。

在正常植物生长的光合作用中、产生的分子氧被释放到大气中，但氢分子不是这样，而是跟大气中的CO₂化学结合到植物中。CO₂进入植物中的途径被柏克利实验室的M. Calvin所领导的小组首先验证，为此，在1961年被授予诺贝尔化学奖金。氢与CO₂化合成碳水化合物，这是一新植物物质生长的基本结构单元，但在生物太阳氢和氧的生产过程中这是不希望发生的。

把藻放在无CO₂的大气中可以防止新的藻类生长，即要固定CO₂。但是，必须从藻中除去大气氧以便产生分子氢。为了使绿藻释放分子氢（不是以跟CO₂化合的方法收集），绿藻必须合成氢化酶——一种生物催化剂即酶。在20%含氧大气（空气）中既不能合成氢化酶，也不能使其起作用。因此氢的生物太阳生产要在厌氧大气中进行，即最初是在无氧的条件下进行，但是在水分解时，氧是一种副产物跟氢一起产生的，这样要维持氢化酶的功能，就必须使设计的方法能防止光合产生的氧积累太多。

国立橡树岭研究所的藻类研究

在国立橡树岭研究所（ORNL）的化学工艺部，我们使用一种惰性的载气清洗光合生产氢和氧的反应容器，理所当然会选用氮作为这种清洗气体，因为它占地球大气的79%。适当地控制流速，使氢和氧的绝对浓度保持在燃点以下，在分离之前不会有爆炸的危险，可以用膜过滤或化学方法进行氢的分离。

用活的体系工作的一大优点是，这种体系能自行扩展，例如、生物太阳能电池板能用藻的接种体播种，然后自行扩展到生长符合我们的需要为止。重要的是一定不能用高能培养基来繁殖，它们只需要阳光、水、大气CO₂和无机盐。当藻类培养完全成熟时，可以用氮从生物太阳能电池板中清洗出空气，把藻放在氢和氧的生产模具中去。

我们曾经指出过，在厌氧微生物条件下采用绿藻以可见光照射将同时产生氢和氧十六小时以上，在满十六小时时藻还能存活，将它放在正常的大气光合作用循环中就能恢复活力，然后再进行另一个周期的氢和氧的生产。这种体系能够循环使用，到目前为止，我们遇到的主要限制是氢的生产速度，对于实用来说还嫌太低。虽然在目前研究的所有体系都存在着这个问题，但我们认为这个问题通过进一步研究是可以克服的，一个实用的体系必将会出现。

我们对研究前景感到乐观的一个理由是，我们利用这些绿藻对光合单位大小和氢生产的更新时间作了首次测量，这些数据是用原始设计的实验装置获得的，这种装置能够测量用单循环饱和闪光照射绿藻样品产生的绝对氢量。在这些实验中我们使用了氙闪光灯或脉冲可调染料激光器。氢的光合单位大小测量启示我们，氢生产的电子来自光合作用的电子转移链的主流。氢产生的更新时间测量启发我们，氢的光合装置具有较快的固有动力学速率，即使充满阳光也能跟上入射光量子速率。

以蓝绿藻作为氢源

太阳氢生产的第二个方法是利用活的完整的藻类，这是J. Benemann及其同事首次证实的，他们采用了蓝绿藻。绿藻和蓝绿藻之间的差异要比其绿色深浅之间的差别来得大，绿藻接近于较高等的植物，而蓝绿藻更接近于细菌。事实上蓝绿藻也叫青细菌（“青”指的是使蓝绿藻是蓝绿色的特殊色素淀积）。

我们认为，用蓝绿藻生产氢的方法是与绿藻生产氢的方法有很大差别的。一些生产氢的蓝绿藻是多细胞花丝组织，大部分细胞进行光合作用并固定碳。但是有少数细胞在大小和生化功能上有很大差异。这些细胞比较大，叫做异形细胞，通常能固定大气中的氮。因此，惰性气体一定不是氮，而是别的气体如氩。在低浓度氮的情况下，能在异形细胞中产生氢，能在进行光合作用的细胞中产生氧，这样蓝绿藻能同时光合生产氢和氧。

用无生命的体系分解水

现在我们来谈第三个光合分解水的方法。这个方法是一个无生命的体系，它的组分是从植物和细菌中提取的，这种体系的主要成分是叶绿体、氢化酶和铁氧化还原蛋白（一种含铁的植物蛋白，在光合作用生物及部分厌氧细菌中作电子传递体——译注）。叶绿体是一切较高等植物如菠菜中进行光合作用的光化学工厂，能够用专门的生物物理和生物化学程序分离出来。在这种分离状态，再生是不可能的，但叶绿体保留了许多原有的性质。

正如前面所述，氢化酶是释放气态氢所必需的一种特殊的酶，与单细胞藻不同，多细胞植物不能合成其自己的氢化酶，但是氢化酶可从外部来源加入，并能起到与内部合成的氢化酶差不多相同的作用。用无生命的即无细胞的体系工作的一些独特优点之一是，体系的组成能由实验者控制。

在分离出的叶绿体、氢化酶和铁氧化还原蛋白组成的无细胞体系中，叶绿体释放氧，氢化酶催化氢的释放，铁氧化还原蛋白是连接叶绿体和氢化酶的分子梭。1961年在柏克利的加利福尼亚大学的D. I. Arnon及其同事首先证实了可用叶绿体——铁氧化还原蛋白——氢化酶体系生产氢。1973年，J. Benemann及其同事与L. Krampitz从太阳能转换的观点开始研究这种体系。

ORNL用无生命体系生产气体

在ORNL Z. Egan和C. Scott开始从事叶绿体——铁氧化还原蛋白——氢化酶体系的研究工作。他们确定了制备程序和生产氢的各种参数。最近，P. Eubanks和我能够指出，正如用完整藻体系那样，我们能够净化光合生产氢和氧的体系，并测量生成的这两种气体。这些结果是用专门设计和制造的流动装置获得的，这种装置采用了对氧和氢灵敏的敏感元件。我们对这些结果十分关心，因为这些结果支持了这种假设，即叶绿体 - 铁氧化还原蛋白 - 氢化酶体系能够进行真正的光合水分解的功能，这样在设计一个实用的体系时，化学捕氧也许是不必要的，而且，这条途径可能为副产品氧提供经济效益。有趣地注意到，目前所有这三种唯一已知能直接光生物分解水的体系——绿藻；蓝绿藻和叶绿体 - 铁氧化还原蛋白 - 氢化酶体系都能同时生产氢和氧。

[Oak Ridge National Laboratory Review，1980年13卷第3期]