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觀海局

近日，廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院、海洋生物地球化學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴民漢教授團(tuán)隊(duì)在利用金屬有機(jī)框架（Metal-Organic Frameworks, MOF）強(qiáng)化微藻光合固碳領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Self-assembled metal organic frameworks enhance carbon fixation in Spirulina”為題，發(fā)表于Communications Materials.

研究背景

人為CO?的大量排放是引發(fā)當(dāng)前氣候危機(jī)的主要誘因，開發(fā)可規(guī)?；腃O?去除技術(shù)已成當(dāng)務(wù)之急，其中強(qiáng)化微藻光合作用是一條極具潛力的路徑。本研究提出了一種靶向CO?去除的創(chuàng)新策略：采用混合配體法合成具有水穩(wěn)定性的伯胺功能化金屬有機(jī)框架材料（ZIF-8-NH?），并將其直接組裝于一類典型微藻——鈍頂螺旋藻（Spirulina platensis）表面。

鑒于ZIF-8-NH?優(yōu)異的CO?吸附能力，其在微藻表面的原位自組裝能夠構(gòu)建富碳微環(huán)境，促進(jìn)微藻從水體中捕獲CO?并用于光合作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水環(huán)境中CO?的高效去除。

研究結(jié)果

1. 微藻-金屬有機(jī)框架復(fù)合體系構(gòu)建

光譜學(xué)表征、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及掃描電鏡分析證實(shí)（圖1），ZIF-8-NH?表面的伯胺官能團(tuán)能與微藻膜蛋白形成氫鍵。這種特異性相互作用確保了金屬有機(jī)框架材料在微藻表面的穩(wěn)定自組裝，成功構(gòu)建了“微藻@金屬有機(jī)框架”復(fù)合體系。

圖1.不同放大倍數(shù)下ZIF-8-NH2在鈍頂螺旋藻表面自組裝的掃描電子顯微鏡圖像、金屬有機(jī)框架與微藻的自組裝機(jī)制示意圖、以及金屬有機(jī)框架ZIF-8-NH2對(duì)鈍頂螺旋藻吸收CO2作用的機(jī)制圖

1. 金屬框架對(duì)微藻固碳性能的提升

研究進(jìn)一步量化了該組裝體系對(duì)微藻生長(zhǎng)的促進(jìn)作用：

1) 生物量顯著增長(zhǎng)（圖2）：在無(wú)碳培養(yǎng)基中，修飾后的螺旋藻（S. platensis@ZIF-8-NH?）的最大細(xì)胞干重較未修飾組提升了149%（培養(yǎng)第六天，在MOF投加濃度為50ppm條件下的最大細(xì)胞干重與空白相比）。

2) 固碳效率突破（圖3）：在無(wú)外源碳酸氫鈉添加的貧碳培養(yǎng)環(huán)境中，修飾后螺旋藻的CO?生物固定速率較對(duì)照組提升了93%。這一結(jié)果顯示該材料能有效緩解無(wú)機(jī)碳限制對(duì)微藻生長(zhǎng)的影響。

圖2.不同培養(yǎng)基中鈍頂螺旋藻的細(xì)胞干重及680 nm處吸光度（OD680）隨培養(yǎng)時(shí)間的變化。其中(a)和(b)分別為無(wú)碳培養(yǎng)的鈍頂螺旋藻的細(xì)胞干重及OD680，(c)和(d)分別對(duì)應(yīng)有碳培養(yǎng)的鈍頂螺旋藻的細(xì)胞干重及OD680，圖例為不同的MOF投加濃度

圖3.傳統(tǒng)（T）和改良（I）Zarrouk培養(yǎng)基中鈍頂螺旋藻（S. platensis）及修飾螺旋藻（S. platensis@ZIF-8-NH2）最大比生長(zhǎng)速率（μmax）與最大CO2生物固定速率（RCO2max）

本研究通過(guò)構(gòu)建“微藻@金屬有機(jī)框架”仿生組裝體系，解析了其自組裝的機(jī)理，證實(shí)了該界面工程策略對(duì)微藻光合固碳效率的顯著提升作用。上述結(jié)果不僅開辟了新型人工二氧化碳濃縮路徑，也為海洋碳移除及碳封存技術(shù)的創(chuàng)新提供了新方案。該技術(shù)在大規(guī)模微藻培養(yǎng)設(shè)施中具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景，有望推動(dòng)水生生態(tài)系統(tǒng)固碳向高效化、集約化與智能化方向發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)

該論文第一作者為廈門大學(xué)2023級(jí)博士生榮悅，通訊作者為戴民漢教授，合作作者包括姜源教授和林昕副教授等。

論文來(lái)源及鏈接

Rong, Y., Chen, J., Zhang, M., Wu, T., Jiang, Y., Lin, X. and Dai, M.*, 2025. Self-assembled metal organic frameworks enhance carbon fixation in Spirulina. Communication Material 6, 259 (2025).

https://doi.org/10.1038/s43246-025-00991-0

供稿｜戴民漢課題組

編輯｜朱佳 蘇穎

排版｜陳蕾

審核｜羅亞威 萬(wàn)顯會(huì) 游偉偉 陳向柳

來(lái)源：廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院

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