叶绿素荧光技术在蓝藻生物光伏(BPV)研究中的应用

生物光伏(biophotovoltaics，BPV)，又称光合微生物燃料电池或微生物太阳能电池，一般指利用包括蓝藻和真核藻类在内的放氧光合微生物将光能转化为电能的生物电化学系统。广义上，生物光伏也包括以离体光合元件如类囊体、光系统为核心光电转化元件的生物电化学系统。在生物光伏(BPV)技术的研究中，蓝藻凭借高效的光合系统成为核心“生物催化剂”，而其光合电子传递效率与生理状态直接决定BPV的发电性能。长期以来，如何精准捕捉蓝藻光合系统的动态变化、解析电子传递路径的调控机制，一直是BPV研究的核心难题。叶绿素荧光技术作为一种无创、实时的光合生理分析手段，凭借对光系统(PSII、PSI)功能的高灵敏度，已成为解锁蓝藻BPV电子传递奥秘的关键工具。本文结合三篇最新研究成果，系统梳理叶绿素荧光技术在蓝藻BPV研究中的核心应用，揭示其如何从 “荧光信号”中解读BPV效率优化的底层逻辑。

图1 生物光伏基本原理示意图

图片来源：DOI:10.12211/2096-8280.2023-039

蓝藻的光合电子传递是BPV光电流产生的源头——光系统II(PSII)分解水产生电子，经PQ库、细胞色素b₆f(Cyt b₆f)、质体蓝素(PC)传递至光系统I(PSI)，最终部分电子通过胞外电子传递(EET)流向电极。这一过程中，光系统效率、电子分配方向、环境胁迫响应等，均会直接影响光电流输出。

图2 蓝藻生物光伏系统电子传递示意图

图片来源DOI: https://doi.org/10.1016/j.ese.2024.100519

传统检测手段(如电极电流监测)仅能获取“最终发电结果”，无法追溯电子传递的“中间过程”；而叶绿素荧光技术通过监测叶绿素分子在光反应中的荧光发射特性，可实时量化光系统功能状态，实现三大核心价值：

• 无创监测：无需破坏细胞结构，可长期追踪蓝藻在BPV运行中的光合生理变化；

• 精准定位：区分PSII、PSI的功能差异，定位电子传递的关键瓶颈(如PQ库还原态、PSI受体侧限制)；

• 环境响应量化：快速评估强光、高温、介体毒性等对光合系统的影响，为BPV系统抗逆优化提供依据。

目前，BPV研究中最常用的叶绿素荧光技术包括脉冲振幅调制荧光(PAM)、77K低温叶绿素荧光光谱和DUAL-KLAS-NIR光谱，三者分别聚焦PSII功能、藻胆体能量分配和PSI/PC/Fd氧化还原状态，形成互补的分析体系。

在蓝藻BPV系统中，光合电子需在多个“电子汇” 间分配(如卡尔文循环、Mehler-like反应、EET)，明确EET与其他路径的竞争关系，是优化电子导向效率的关键——而叶绿素荧光技术可通过量化光系统参数，精准定位这一竞争节点。

1. PAM荧光揭示EET与Mehler-like反应的“电子争夺”

在第一篇研究(Yuan et al., 2025, Environmental Science and Ecotechnology)中，团队利用MULTI-COLOR-PAM荧光分析铁氰化物介导的EET对电子传递的影响：

• 通过测定“状态转换参数(Fm?-Fm?)/Fo”，发现铁氰化物(氧化态介体)会导致PQ库更还原——当PQ库还原时，藻胆体向PSI分配更多能量(State 2)，PSII荧光强度下降；

• 结合¹⁸O₂同位素标记发现，EET活跃时(铁氰化物组)的O₂吸收率显著降低(ANOVA, P=0.0088)，而O₂吸收主要来自flv1/flv3介导的Mehler-like 反应(强光下的光保护路径)；

• 进一步通过flv突变株验证：Δflv3、Δflv234突变株的铁氰化物还原速率比野生型高30%-50%，证明EET与flv1/flv3竞争PSI下游的铁氧还蛋白电子；

• 这一过程中，PAM荧光的“状态转换”信号成为关键指标——它不仅反映PQ库的氧化还原状态，更间接揭示了EET对电子传递链的重塑：EET通过提取PSI下游电子，减少了Mehler-like反应的电子消耗，而这一竞争关系可通过PSII荧光强度的变化直观呈现。

图3 多激发波长调制叶绿素荧光仪MULTI-COLOR-PAM测定的状态转换。

2. DUAL-KLAS-NIR光谱追踪PSI/PC/Fd的动态变化

在第二篇研究(Schneider et al., 2025, The Plant Journal)中，团队利用DUAL-KLAS-NIR光谱(可同时解析PSI、质体蓝素PC、铁氧还蛋白Fd的氧化还原变化)，揭示了蓝藻电子传递路径的 “动态切换”：

• 在碳氧限制条件下(无O₂/CO₂)，富糖原细胞(Lush Cells)的PSI还原速率显著加快，且PQ库高度还原——这是因为糖原降解的呼吸电子经呼吸电子传递链(RETC)还原PQ库，再传递至PSI，形成 “PSI-为中心的EET路径”；

• 而贫糖原细胞(Lean Cells)在相同条件下，PSI还原速率无明显变化，且添加PSII抑制剂 DCMU后光电流消失，证明其依赖传统“PSII→PQ库→PSI→EET”路径；

• 通过对比PSI氧化/还原曲线发现，富糖原细胞在强光下PSI再氧化受阻，说明电子更多流向EET而非O₂(Mehler-like反应)，进一步验证了路径切换的分子机制；

• DUAL-KLAS-NIR光谱的优势在于突破了传统PAM仅聚焦PSII的局限，实现了对PSI 及下游电子载体的实时监测，为“PSI-为中心的胞外电子传递(EET)路径” 的发现提供了直接证据。

图4 Synechocystis的模型光谱。(a-f)分别显示了lean cells和lush cells在不同培养基条件下PSI、质体蓝素和铁氧还蛋白的氧化还原变化。

图片来源：DOI: https://doi.org/10.1111/tpj.17225

蓝藻在BPV户外应用中常面临强光、高温、介体毒性等胁迫，导致光合系统失活、光电流骤降。叶绿素荧光技术可快速量化胁迫对光系统的损伤程度，为菌株改造和系统设计提供依据。

1. 77K荧光光谱解析介体对藻胆体能量分配的影响

第一篇研究中，团队利用77K低温叶绿素荧光光谱(可区分PSII、PSI的荧光发射峰)，分析铁氰化物介体对藻胆体能量传递的影响：

• 77K荧光光谱显示，铁氰化物和亚铁氰化物均会导致藻胆体向PSI传递能量的效率提升(FPSI(580)值升高)，说明介体无论氧化态如何，均会诱导PQ库还原，进而触发状态转换；

• 但铁氰化物组(EET活跃)的这一效应比亚铁氰化物组弱——因为EET会提取PQ库下游电子，部分缓解PQ库的过度还原，减少PSII效率的下降；

• 进一步发现，高浓度铁氰化物(>1mM)会导致PSII荧光峰(685nm)显著降低，且这一效应与微量氰化物(KCN)相似，提示介体可能释放CN?损伤PSII，为后续 “介体浓度优化” 提供依据。

77K荧光光谱的独特价值在于，它能在低温下冻结能量传递过程，精准量化藻胆体向 PSII/PSI的能量分配比例，从而揭示介体对光合系统的间接影响。

2. PAM 荧光参数量化抗逆菌株的光合优势

在第三篇研究(Yuan et al., 2025, Life)中，团队通过DUAL-PAM-100荧光仪测定关键参数，验证FoF1-ATP合酶突变株HL7942的抗逆优势：

• Fv/Fm(PSII最大光转化效率)：HL7942在2400 μmol photons/m2/s强光下的Fv/Fm为 0.72，显著高于野生型(0.61)，证明其PSII更难被强光损伤；

• ETRmax(潜在最大电子传递速率)：HL7942的ETRmax比野生型高23%(p=0.0102)，说明其电子传递能力更强，为EET提供更多电子；

• IK(强光耐受参数)：HL7942的IK值是野生型的1.4倍(p=0.0032)，表明其可承受更高光强而不发生光抑制；

• qP(光化学淬灭)：HL7942的qP值更高(0.85 vs 0.73)，说明其更多电子用于光化学反应(而非非光化学耗散)，提升了EET的电子利用率。

这些参数不仅从生理层面解释了HL7942的光电流提升机制(最大提升41%)，更为“抗逆菌株改造”提供了明确的筛选指标——通过PAM荧光参数可快速评估菌株的光合稳定性，无需搭建完整BPV系统，大幅提升研究效率。

图5 HL7942和WT7942细胞的光合生理参数

在BPV研究中，光电流的电子来源(PSII水分解vs呼吸代谢)和暗电流的本质(糖原降解vs残余光合电子)，是长期存在争议的问题。叶绿素荧光技术可通过“光-暗切换”和“抑制剂处理”，精准区分不同电子来源的贡献。

1. 光-暗荧光响应区分光电流与暗电流的电子来源

第三篇研究中，团队通过光-暗循环PAM荧光监测，结合电流数据，明确了电子来源的调控规律：

• 光期：野生型和HL7942的PSII实际光转化效率(Y(II))均与光电流强度正相关，且添加 DCMU后Y(II)和光电流同步下降，证明光电流主要来自PSII水分解；

• 暗期：贫糖原细胞的暗电流仅为0.1 fA/细胞，且PSII荧光无明显变化；而富糖原细胞的暗电流达1.1 fA /细胞，同时伴随PQ库还原(状态转换参数升高)，证明暗电流来自糖原降解的呼吸电子(经RETC还原PQ库)；

• 进一步通过鱼藤酮(RETC抑制剂)处理发现，暗期添加鱼藤酮后，PQ 池还原程度下降，暗电流降低30%，直接验证了呼吸电子对暗电流的贡献。

2. DCMU处理验证PSII独立性路径

第二篇研究还发现，在碳氧限制条件下，富糖原细胞添加DCMU后仍能产生光电流(1.3-1.9 fA/细胞)，且DUAL-KLAS-NIR光谱显示PSI还原速率加快——这一现象通过PAM荧光得到进一步解释：

• DCMU处理后，富糖原细胞的PSII荧光(Fv/Fm)降至0.2，但PSI的循环电子流(CEF)效率提升(通过”鼓包”荧光强度量化)；

• 结合糖原消耗数据(暗期糖原从1.4降至0.4pg/细胞)，证明此时光电流来自“糖原→RETC→PQ库→PSI→EET” 的PSII独立性路径，而PSI循环电子流的增强为这一路径提供了稳定的电子传递效率。

综合三篇研究，叶绿素荧光技术已形成覆盖 “电子路径解析、胁迫评估、电子来源验证” 的完整应用体系，不同技术的核心功能与应用场景可总结如下：

未来，随着BPV技术向“户外实用化”推进，叶绿素荧光技术将进一步向 “实时在线监测” 和 “多参数集成” 方向发展：

• 原位监测系统集成：将微型PAM荧光传感器与BPV反应器结合，实时监测运行过程中蓝藻光合状态，动态调整光照、温度等参数，优化发电效率；

• 多组学联合分析：结合转录组、代谢组数据，通过荧光参数定位关键调控基因(如flv、FoF1-ATP合酶)，加速抗逆高产菌株的筛选；

• 极端环境适应性评估：针对沙漠、高原等强光高温场景，利用荧光技术建立蓝藻光合稳定性的量化标准，指导BPV系统的抗逆设计。

叶绿素荧光技术的价值，在于它为蓝藻BPV研究提供了一扇“窥探”光合电子传递动态的窗口——从最初的“黑箱式”电流监测，到如今能精准定位EET的电子竞争靶点、量化胁迫对光系统的损伤、区分不同电子来源的贡献，这一技术推动BPV研究从“现象观察”走向“机制解析”。

随着研究的深入，叶绿素荧光技术可作为BPV效率优化的“核心工具”，助力解决“电子导向效率低、环境适应性差”等关键瓶颈，为蓝藻BPV技术从实验室走向户外应用，提供坚实的科学支撑。

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