Lá chắn oxy thông minh: Đột phá mới giúp tảo lam sản xuất hydro sạch với hiệu suất cao

Ngày 1/6/2026, Annie Nguyễn

Một nhóm nghiên cứu quốc tế gồm các nhà khoa học từ Đại học Kassel (Đức), Ruhr University Bochum (Đức) và Đại học NOVA Lisbon (Bồ Đào Nha) vừa phát triển thành công một loại polymer thông minh có khả năng "che chắn" tảo lam (cyanobacteria) khỏi tác động phá hủy của oxy, giúp chúng sản xuất hydro liên tục và bền bỉ hơn.

Nghịch lý của tảo lam

Hàng tỷ năm trước, tảo lam đã góp phần định hình sự sống trên Trái Đất nhờ khả năng quang hợp tạo ra oxy. Ngày nay, các nhà khoa học nhìn thấy ở những vi sinh vật nhỏ bé này một tiềm năng to lớn: sản xuất nhiên liệu hydro sạch.

Trong điều kiện yếm khí (thiếu oxy), tảo lam có khả năng chuyển hóa năng lượng ánh sáng, nước và CO₂ thành khí hydro nhờ các enzyme hydrogenase. Đây là một cơ chế sinh học đầy hứa hẹn, bởi nó không phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch, đồng thời sử dụng các enzyme có thể tự tái tạo từ sắt và niken – những nguyên tố phổ biến và rẻ tiền.

Tuy nhiên, tồn tại một nghịch lý: chính quá trình quang hợp – thứ duy trì sự sống của tảo – lại tạo ra oxy. Và oxy là chất ức chế mạnh nhất đối với hydrogenase, khiến enzyme này bị vô hiệu hóa chỉ sau một thời gian ngắn tiếp xúc.

Giải pháp: "Tấm khiên polymer"

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã đưa các tế bào tảo lam vào bên trong một loại polymer oxy hóa khử (redox polymer) được thiết kế đặc biệt, có chứa các nhóm viologen. Khi một điện thế nhỏ được đặt vào, polymer này sẽ chủ động loại bỏ oxy ngay tại khu vực xung quanh tế bào, tạo ra một vùng yếm khí cục bộ.

Nhờ lớp bảo vệ này, các enzyme hydrogenase bên trong tảo lam được "che chắn" khỏi tác động của oxy, cho phép chúng tiếp tục hoạt động sản xuất hydro trong một khoảng thời gian dài hơn đáng kể. Hệ thống cho phép quá trình quang hợp diễn ra đồng thời với sản xuất hydro, điều mà trước đây gần như bất khả thi.

GS. TS. Kirstin Gutekunst từ Đại học Kassel cho biết: “Cách tiếp cận của chúng tôi kết hợp những ưu điểm của tế bào sống – vốn có thể tự sửa chữa – với độ chính xác của hệ thống điện hóa.”

Từ polymer bảo vệ trong pin nhiên liệu đến ứng dụng cho tảo

Nền tảng của phát minh này có nguồn gốc từ nghiên cứu về pin nhiên liệu sinh học. Nhóm khoa học tại Trung tâm Khoa học Điện hóa (CES) thuộc Ruhr University Bochum và Viện Hóa học Chuyển hóa Năng lượng Max Planck ở Mülheim, Đức, trước đó đã phát triển một loại hydrogel redox có khả năng bảo vệ các enzyme hydrogenase nhạy cảm khỏi điều kiện khắc nghiệt trong pin nhiên liệu.

Hydrogel này vừa hoạt động như một bộ đệm redox vừa như một chất loại bỏ oxy, giúp các enzyme hoạt động ổn định trong nhiều tuần liền. Giáo sư Wolfgang Lubitz, Giám đốc Viện Max Planck, nhận định: “Khái niệm hydrogel mở ra khả năng sử dụng nhiều chất xúc tác sinh học và nhân tạo khác trong pin nhiên liệu, ngay cả khi chúng không thể được tăng cường độ ổn định nội tại.”

Từ thành công đó, nhóm nghiên cứu do GS. Gutekunst dẫn đầu đã điều chỉnh công nghệ polymer để áp dụng trực tiếp lên tế bào tảo lam sống, tạo ra một "lá chắn oxy" thu nhỏ ngay trên bề mặt tế bào.

Biến đổi gene: Tăng cường hiệu suất

Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu còn biến đổi gene (genetically modified) của tảo lam để tối ưu hóa quá trình chuyển hóa năng lượng. Họ đã liên kết trực tiếp các enzyme hydrogenase với Photosystem I, một thành phần trung tâm của chuỗi quang hợp.

Những dòng tảo biến đổi này hoạt động ổn định và sản xuất hydro trong thời gian dài hơn đáng kể so với tảo tự nhiên khi được đặt trong cùng hệ thống polymer, mở ra triển vọng phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo thế hệ mới kết hợp giữa sinh học và điện hóa.

Kết luận: Bước tiến gần hơn đến hydro sinh học quy mô lớn

Nghiên cứu này, được đăng tải trên tạp chí Angewandte Chemie International Edition, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực sản xuất hydro sinh học. Bằng cách giải quyết triệt để vấn đề oxy – "gót chân Achilles" của tảo sản xuất hydro – công nghệ polymer thông minh mở ra khả năng phát triển các hệ thống bio-photovoltaic (quang điện sinh học) có thể chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành nhiên liệu hydro một cách hiệu quả và bền vững.

So với các phương pháp sản xuất hydro xanh truyền thống (như điện phân nước), hệ thống sử dụng tảo lam có lợi thế về chi phí tiềm năng và khả năng tự tái tạo, mở ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn cho nền kinh tế hydro trong tương lai.