产氢绿藻的光调控运动模式可以改善光生物反应器的设计

拜罗伊特大学和哥廷根马克斯·普朗克动力学与自组织研究所的研究人员研究了单细胞产氢绿藻在不同光强下的运动模式。他们的发现将有助于优化这些微生物在生物技术应用中的使用，例如可再生能源的生产

该团队已在PNAS上发表了研究结果

光合微生物利用光作为能源，并作为活体微型工厂，在将阳光转化为化学能的同时生产氧气和储存碳。除了作为碳汇的生态作用外，这些微生物对于气候中性行业的可持续技术应用也至关重要

例如，它们用于所谓的光生物反应器，以选择性地生产用于可再生生物燃料的化合物和用于燃料电池的氢气。然而，环境条件会影响单个微生物的运动，进而影响整个群落的运动。更好地理解这些运动模式将有助于改进高效光生物反应器的设计

单细胞绿藻衣藻等光合微生物是真正的适应大师。在没有光和氧气的情况下，这种藻类的新陈代谢会切换到一种节能模式，在这种模式下，分子氢会作为副产品产生

光的强度直接调节单个细胞的运动：光强度越强，细胞在水中移动得越快；光线越弱，他们游得越慢。这揭示了光强度和游泳速度之间的直接相关性

然而，到目前为止，个体运动对整个单细胞生物群体的集体游泳行为的影响尚不清楚

拜罗伊特大学实验物理V主席Oliver Bäumchen教授领导的研究人员研究了单个衣藻细胞的运动及其对所谓的衣藻悬浮液的影响——一种在水环境中游动的微生物群落

他们的研究表明，在高光强度下，衣藻细胞更有可能在水面附近发现，而不是在较低的深度

Bäumchen解释说：“这种行为是由于微生物倾向于逆重力移动。在自然水体中，这提供了一种进化优势，因为表面的单细胞生物比更深处的单细胞生物体更容易获得光线。”

此外，研究小组发现，随着光合活性的降低，以及单个细胞的运动能力的降低，整个细胞群落中都会出现定向电流。这种集体运动表现为规则的三维流动模式，其中流速和细胞分布直接受光强度控制

Bäumchen说：“这些电流是在光照和缺氧同时存在的极其不利的条件下产生的，可能有助于微生物群体扩大对其自然栖息地的探索，以寻找更好的条件。” More information: Alexandros A. Fragkopoulos et al, Metabolic activity controls the emergence of coherent flows in microbial suspensions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2413340122

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences