生物光伏(biophotovoltaics，BPV)，又稱(chēng)光合微生物燃料電池或微生物太陽(yáng)能電池，一般指利用包括藍藻和真核藻類(lèi)在內的放氧光合微生物將光能轉化為電能的生物電化學(xué)系統。廣義上，生物光伏也包括以離體光合元件如類(lèi)囊體、光系統為核心光電轉化元件的生物電化學(xué)系統。在生物光伏(BPV)技術(shù)的研究中，藍藻憑借高效的光合系統成為核心“生物催化劑”，而其光合電子傳遞效率與生理狀態(tài)直接決定BPV的發(fā)電性能。長(cháng)期以來(lái)，如何精準捕捉藍藻光合系統的動(dòng)態(tài)變化、解析電子傳遞路徑的調控機制，一直是BPV研究的核心難題。葉綠素熒光技術(shù)作為一種無(wú)創(chuàng )、實(shí)時(shí)的光合生理分析手段，憑借對光系統(PSII、PSI)功能的高靈敏度，已成為解鎖藍藻BPV電子傳遞奧秘的關(guān)鍵工具。本文結合三篇最新研究成果，系統梳理葉綠素熒光技術(shù)在藍藻BPV研究中的核心應用，揭示其如何從 “熒光信號”中解讀BPV效率優(yōu)化的底層邏輯。
圖1 生物光伏基本原理示意圖
圖片來(lái)源：DOI:10.12211/2096-8280.2023-039
藍藻的光合電子傳遞是BPV光電流產(chǎn)生的源頭——光系統II(PSII)分解水產(chǎn)生電子，經(jīng)PQ庫、細胞色素b6f(Cyt b6f)、質(zhì)體藍素(PC)傳遞至光系統I(PSI)，最終部分電子通過(guò)胞外電子傳遞(EET)流向電極。這一過(guò)程中，光系統效率、電子分配方向、環(huán)境脅迫響應等，均會(huì )直接影響光電流輸出。
圖2 藍藻生物光伏系統電子傳遞示意圖
圖片來(lái)源DOI: https://doi.org/10.1016/j.ese.2024.100519
傳統檢測手段(如電極電流監測)僅能獲取“最終發(fā)電結果”，無(wú)法追溯電子傳遞的“中間過(guò)程”；而葉綠素熒光技術(shù)通過(guò)監測葉綠素分子在光反應中的熒光發(fā)射特性，可實(shí)時(shí)量化光系統功能狀態(tài)，實(shí)現三大核心價(jià)值：
無(wú)創(chuàng )監測：無(wú)需破壞細胞結構，可長(cháng)期追蹤藍藻在BPV運行中的光合生理變化；
精準定位：區分PSII、PSI的功能差異，定位電子傳遞的關(guān)鍵瓶頸(如PQ庫還原態(tài)、PSI受體側限制)；
環(huán)境響應量化：快速評估強光、高溫、介體毒性等對光合系統的影響，為BPV系統抗逆優(yōu)化提供依據。
目前，BPV研究中最常用的葉綠素熒光技術(shù)包括脈沖振幅調制熒光(PAM)、77K低溫葉綠素熒光光譜和DUAL-KLAS-NIR光譜，三者分別聚焦PSII功能、藻膽體能量分配和PSI/PC/Fd氧化還原狀態(tài)，形成互補的分析體系。
在藍藻BPV系統中，光合電子需在多個(gè)“電子匯” 間分配(如卡爾文循環(huán)、Mehler-like反應、EET)，明確EET與其他路徑的競爭關(guān)系，是優(yōu)化電子導向效率的關(guān)鍵——而葉綠素熒光技術(shù)可通過(guò)量化光系統參數，精準定位這一競爭節點(diǎn)。
1. PAM熒光揭示EET與Mehler-like反應的“電子爭奪”
在第一篇研究(Yuan et al., 2025, Environmental Science and Ecotechnology)中，團隊利用MULTI-COLOR-PAM熒光分析鐵氰化物介導的EET對電子傳遞的影響：
通過(guò)測定“狀態(tài)轉換參數(Fm?-Fm?)/Fo”，發(fā)現鐵氰化物(氧化態(tài)介體)會(huì )導致PQ庫更還原——當PQ庫還原時(shí)，藻膽體向PSI分配更多能量(State 2)，PSII熒光強度下降；
結合18O2同位素標記發(fā)現，EET活躍時(shí)(鐵氰化物組)的O2吸收率顯著(zhù)降低(ANOVA, P=0.0088)，而O2吸收主要來(lái)自flv1/flv3介導的Mehler-like 反應(強光下的光保護路徑)；
進(jìn)一步通過(guò)flv突變株驗證：Δflv3、Δflv234突變株的鐵氰化物還原速率比野生型高30%-50%，證明EET與flv1/flv3競爭PSI下游的鐵氧還蛋白電子；
這一過(guò)程中，PAM熒光的“狀態(tài)轉換”信號成為關(guān)鍵指標——它不僅反映PQ庫的氧化還原狀態(tài)，更間接揭示了EET對電子傳遞鏈的重塑：EET通過(guò)提取PSI下游電子，減少了Mehler-like反應的電子消耗，而這一競爭關(guān)系可通過(guò)PSII熒光強度的變化直觀(guān)呈現。
圖3 多激發(fā)波長(cháng)調制葉綠素熒光儀MULTI-COLOR-PAM測定的狀態(tài)轉換。
2. DUAL-KLAS-NIR光譜追蹤PSI/PC/Fd的動(dòng)態(tài)變化
在第二篇研究(Schneider et al., 2025, The Plant Journal)中，團隊利用DUAL-KLAS-NIR光譜(可同時(shí)解析PSI、質(zhì)體藍素PC、鐵氧還蛋白Fd的氧化還原變化)，揭示了藍藻電子傳遞路徑的 “動(dòng)態(tài)切換”：
在碳氧限制條件下(無(wú)O2/CO2)，富糖原細胞(Lush Cells)的PSI還原速率顯著(zhù)加快，且PQ庫高度還原——這是因為糖原降解的呼吸電子經(jīng)呼吸電子傳遞鏈(RETC)還原PQ庫，再傳遞至PSI，形成 “PSI-為中心的EET路徑”；
而貧糖原細胞(Lean Cells)在相同條件下，PSI還原速率無(wú)明顯變化，且添加PSII抑制劑 DCMU后光電流消失，證明其依賴(lài)傳統“PSII→PQ庫→PSI→EET”路徑；
通過(guò)對比PSI氧化/還原曲線(xiàn)發(fā)現，富糖原細胞在強光下PSI再氧化受阻，說(shuō)明電子更多流向EET而非O2(Mehler-like反應)，進(jìn)一步驗證了路徑切換的分子機制；
DUAL-KLAS-NIR光譜的優(yōu)勢在于突破了傳統PAM僅聚焦PSII的局限，實(shí)現了對PSI 及下游電子載體的實(shí)時(shí)監測，為“PSI-為中心的胞外電子傳遞(EET)路徑” 的發(fā)現提供了直接證據。
圖4 Synechocystis的模型光譜。(a-f)分別顯示了lean cells和lush cells在不同培養基條件下PSI、質(zhì)體藍素和鐵氧還蛋白的氧化還原變化。
圖片來(lái)源：DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.17225
藍藻在BPV戶(hù)外應用中常面臨強光、高溫、介體毒性等脅迫，導致光合系統失活、光電流驟降。葉綠素熒光技術(shù)可快速量化脅迫對光系統的損傷程度，為菌株改造和系統設計提供依據。
1. 77K熒光光譜解析介體對藻膽體能量分配的影響
第一篇研究中，團隊利用77K低溫葉綠素熒光光譜(可區分PSII、PSI的熒光發(fā)射峰)，分析鐵氰化物介體對藻膽體能量傳遞的影響：
77K熒光光譜顯示，鐵氰化物和亞鐵氰化物均會(huì )導致藻膽體向PSI傳遞能量的效率提升(FPSI(580)值升高)，說(shuō)明介體無(wú)論氧化態(tài)如何，均會(huì )誘導PQ庫還原，進(jìn)而觸發(fā)狀態(tài)轉換；
但鐵氰化物組(EET活躍)的這一效應比亞鐵氰化物組弱——因為EET會(huì )提取PQ庫下游電子，部分緩解PQ庫的過(guò)度還原，減少PSII效率的下降；
進(jìn)一步發(fā)現，高濃度鐵氰化物(>1mM)會(huì )導致PSII熒光峰(685nm)顯著(zhù)降低，且這一效應與微量氰化物(KCN)相似，提示介體可能釋放CN?損傷PSII，為后續 “介體濃度優(yōu)化” 提供依據。
77K熒光光譜的獨特價(jià)值在于，它能在低溫下凍結能量傳遞過(guò)程，精準量化藻膽體向 PSII/PSI的能量分配比例，從而揭示介體對光合系統的間接影響。
2. PAM 熒光參數量化抗逆菌株的光合優(yōu)勢
在第三篇研究(Yuan et al., 2025, Life)中，團隊通過(guò)DUAL-PAM-100熒光儀測定關(guān)鍵參數，驗證FoF1-ATP合酶突變株HL7942的抗逆優(yōu)勢：
Fv/Fm(PSII最大光轉化效率)：HL7942在2400 μmol photons/m2/s強光下的Fv/Fm為 0.72，顯著(zhù)高于野生型(0.61)，證明其PSII更難被強光損傷；
ETRmax(潛在最大電子傳遞速率)：HL7942的ETRmax比野生型高23%(p=0.0102)，說(shuō)明其電子傳遞能力更強，為EET提供更多電子；
IK(強光耐受參數)：HL7942的IK值是野生型的1.4倍(p=0.0032)，表明其可承受更高光強而不發(fā)生光抑制；
qP(光化學(xué)淬滅)：HL7942的qP值更高(0.85 vs 0.73)，說(shuō)明其更多電子用于光化學(xué)反應(而非非光化學(xué)耗散)，提升了EET的電子利用率。
這些參數不僅從生理層面解釋了HL7942的光電流提升機制(最大提升41%)，更為“抗逆菌株改造”提供了明確的篩選指標——通過(guò)PAM熒光參數可快速評估菌株的光合穩定性，無(wú)需搭建完整BPV系統，大幅提升研究效率。
圖5 HL7942和WT7942細胞的光合生理參數
在BPV研究中，光電流的電子來(lái)源(PSII水分解vs呼吸代謝)和暗電流的本質(zhì)(糖原降解vs殘余光合電子)，是長(cháng)期存在爭議的問(wèn)題。葉綠素熒光技術(shù)可通過(guò)“光-暗切換”和“抑制劑處理”，精準區分不同電子來(lái)源的貢獻。
1. 光-暗熒光響應區分光電流與暗電流的電子來(lái)源
第三篇研究中，團隊通過(guò)光-暗循環(huán)PAM熒光監測，結合電流數據，明確了電子來(lái)源的調控規律：
光期：野生型和HL7942的PSII實(shí)際光轉化效率(Y(II))均與光電流強度正相關(guān)，且添加 DCMU后Y(II)和光電流同步下降，證明光電流主要來(lái)自PSII水分解；
暗期：貧糖原細胞的暗電流僅為0.1 fA/細胞，且PSII熒光無(wú)明顯變化；而富糖原細胞的暗電流達1.1 fA /細胞，同時(shí)伴隨PQ庫還原(狀態(tài)轉換參數升高)，證明暗電流來(lái)自糖原降解的呼吸電子(經(jīng)RETC還原PQ庫)；
進(jìn)一步通過(guò)魚(yú)藤酮(RETC抑制劑)處理發(fā)現，暗期添加魚(yú)藤酮后，PQ 池還原程度下降，暗電流降低30%，直接驗證了呼吸電子對暗電流的貢獻。
2. DCMU處理驗證PSII獨立性路徑
第二篇研究還發(fā)現，在碳氧限制條件下，富糖原細胞添加DCMU后仍能產(chǎn)生光電流(1.3-1.9 fA/細胞)，且DUAL-KLAS-NIR光譜顯示PSI還原速率加快——這一現象通過(guò)PAM熒光得到進(jìn)一步解釋?zhuān)?/span>
DCMU處理后，富糖原細胞的PSII熒光(Fv/Fm)降至0.2，但PSI的循環(huán)電子流(CEF)效率提升(通過(guò)”鼓包”熒光強度量化)；
結合糖原消耗數據(暗期糖原從1.4降至0.4pg/細胞)，證明此時(shí)光電流來(lái)自“糖原→RETC→PQ庫→PSI→EET” 的PSII獨立性路徑，而PSI循環(huán)電子流的增強為這一路徑提供了穩定的電子傳遞效率。
綜合三篇研究，葉綠素熒光技術(shù)已形成覆蓋 “電子路徑解析、脅迫評估、電子來(lái)源驗證” 的完整應用體系，不同技術(shù)的核心功能與應用場(chǎng)景可總結如下：
未來(lái)，隨著(zhù)BPV技術(shù)向“戶(hù)外實(shí)用化”推進(jìn)，葉綠素熒光技術(shù)將進(jìn)一步向 “實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測” 和 “多參數集成” 方向發(fā)展：
原位監測系統集成：將微型PAM熒光傳感器與BPV反應器結合，實(shí)時(shí)監測運行過(guò)程中藍藻光合狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調整光照、溫度等參數，優(yōu)化發(fā)電效率；
多組學(xué)聯(lián)合分析：結合轉錄組、代謝組數據，通過(guò)熒光參數定位關(guān)鍵調控基因(如flv、FoF1-ATP合酶)，加速抗逆高產(chǎn)菌株的篩選；
極端環(huán)境適應性評估：針對沙漠、高原等強光高溫場(chǎng)景，利用熒光技術(shù)建立藍藻光合穩定性的量化標準，指導BPV系統的抗逆設計。
葉綠素熒光技術(shù)的價(jià)值，在于它為藍藻BPV研究提供了一扇“窺探”光合電子傳遞動(dòng)態(tài)的窗口——從最初的“黑箱式”電流監測，到如今能精準定位EET的電子競爭靶點(diǎn)、量化脅迫對光系統的損傷、區分不同電子來(lái)源的貢獻，這一技術(shù)推動(dòng)BPV研究從“現象觀(guān)察”走向“機制解析”。
隨著(zhù)研究的深入，葉綠素熒光技術(shù)可作為BPV效率優(yōu)化的“核心工具”，助力解決“電子導向效率低、環(huán)境適應性差”等關(guān)鍵瓶頸，為藍藻BPV技術(shù)從實(shí)驗室走向戶(hù)外應用，提供堅實(shí)的科學(xué)支撐。
