微藻，包括蓝藻和绿藻，代表了生产生物质和高价值产品的最重要的生物系统。据估计，微藻每年可固定约900亿吨二氧化碳，占全球净光合固碳量的40%以上。

随着全球变暖的加剧和我国双重减碳目标的提出，微藻光合作用的作用越来越受到重视。因此，利用微藻光合能量是实现碳峰值和碳中和的能量转换的一种有前途的方法。

然而，光合转化效率是微藻生物燃料生产的主要限制。一般来说，只有约4%~8%的光能能够以生物质的形式转化为化学能(理论最大值为9%)。因此，用于生物燃料的微藻生产不能满足人类的能源需求。

基因工程和代谢工程可用于提高微藻生产光合转化效率，但这些方法操作复杂、成本高、适用范围窄。

自然界中，生物体通过生物矿化可以形成结构复杂、生物性能优异的有机-无机复合材料，如骨骼、牙齿、贝壳等。这些生物材料具有从纳米尺度到宏观尺度的高度有序的层次结构，可以为生物体提供机械支撑、保护、运动和信号传感等功能。

在自然生物矿化现象的背景下，人造细胞-材料混合物越来越受到绿色化学和工程活生物材料的关注。为了开发微藻的光合能量，科学家们受到启发，将自然界的光合生物与合成材料结合起来，从而赋予生物新的特性。

南昌大学熊伟教授和浙江大学唐瑞康教授将人工生成的生物形态定义为微藻-材料杂化物(MMH)，其主要基于微尺度相互作用，如化学键或非共价相互作用。他们的研究发表在《国家科学评论》杂志上。

近十年来，科学家们探索了三种构建MMH的材料方法：(i)细胞固定化，(ii)单细胞脱壳，(iii)多细胞聚集。

材料通过分子间力、共价键或配位键与微藻结合，干扰微藻与细胞外环境之间的物质和能量交换。微藻-材料界面通过三个主要途径影响光合电子传递链：(i)材料阻碍光能进入光系统产生光合电子，(ii)细胞外电子进入细胞并参与光合电子传递，(iii)提取电子从细胞的内表面。图片来源：中国科学出版社

MMHs已经取得了相当大的成就，包括CO2固定、H2生产、生物电化学能量转换和生物医学治疗。由此可见，MMH的生物调节正在成为一个新兴领域。

MMH的核心问题是微藻与物质的相互作用。微藻与物质相互作用有两个层面的意义：一是材料诱导构建微藻-材料杂化体，二是材料赋予微藻功能的改善。

从MMH的构建来看，其化学机制是微藻与材料通过分子间作用力、共价键或配位键结合形成生物-非生物界面，材料通过干扰微藻之间的物质和能量传递来影响微藻功能。微藻和细胞外环境。

无机材料主要通过配位键和分子间力与微藻细胞结合，有机材料主要通过共价键和分子间力与微藻细胞结合。除了MMH结构外，混合结构中微藻与材料的相互作用是最关键的问题。

基于前期研究，研究人员提出了两种物质赋予微藻功能改善的机制。一是微藻-物质电子转移;另一个是材料诱导的细胞微环境转变。

目前，MMHs用于光合能量转换的主要限制是能量转换效率低，这使得碳中和的实际应用变得困难。此外，微藻培养成本较高，缺乏适合微藻大规模工程化的材料技术也是其实际应用的重要限制因素。提高能量转换效率是未来基础研究的总体目标。

MMH提供了促进半生物杂交研究的机会，同时激发了对生物-非生物界面操纵的研究。该领域的研究不仅可以促进化学和材料在生物科学中的应用，而且可以为生物和环境科学提供新的视角。此外，这个研究领域可能会催生一门新学科，可以命名为材料生物学。

一旦光合能量转化效率被突破，MMHs可以极大地促进光合CO2固定和H2生产的应用。最后，有充分的理由相信微藻-材料混合物的应用将极大地有助于实现碳中和。

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