熊 威 馮建勇 馬為民 趙 勁 李朝升 鄒志剛＊，，，5

(1南京大學(xué)物理學(xué)院，固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，環(huán)境材料與再生能源研究中心，南京 210093)

(2南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，南京 210093)

(3上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，上海 200234)

(4南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，配位化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210023)

(5南京大學(xué)物理學(xué)院，江蘇省納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

0 引 言

能源和環(huán)境危機(jī)已成為全球性的問(wèn)題，而目前很多環(huán)境問(wèn)題，恰是由于對(duì)化石能源的不合理利用造成的，因此應(yīng)對(duì)能源與環(huán)境危機(jī)的關(guān)鍵在于如何解決能源問(wèn)題。開(kāi)發(fā)和利用清潔可再生能源作為應(yīng)對(duì)能源和環(huán)境問(wèn)題的重要解決方案已在全球范圍內(nèi)達(dá)成共識(shí)，而太陽(yáng)能作為一種理想的可再生能源，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)換一直是科學(xué)家們追求的目標(biāo)[1-8]。自然界可以通過(guò)光合作用儲(chǔ)存太陽(yáng)能，在這個(gè)過(guò)程中利用太陽(yáng)光將水和二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔锖脱鯕?。利用人造材料模擬自然光合作用也能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能-化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，但是人工光合作用系統(tǒng)目前主要以氫氣的形式將太陽(yáng)能儲(chǔ)存下來(lái)[2，6，8]，尚不能通過(guò)二氧化碳固定實(shí)現(xiàn)完整的卡爾文循環(huán)[9]。相比于自然光合系統(tǒng)，人工光合系統(tǒng)具有更強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性和更大的太陽(yáng)光波長(zhǎng)利用范圍，但是自然光合系統(tǒng)具有更強(qiáng)的催化選擇性。因此，近年來(lái)一些研究人員開(kāi)始嘗試通過(guò)人工光合系統(tǒng)的功能組分(光吸收層，光電極)與自然的催化體系協(xié)同復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，為實(shí)現(xiàn)自然光合作用與人工光合作用的耦合提供了一種新的策略，這種新的太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化模式通常被稱(chēng)為半人工光合作用。

在詳細(xì)介紹半人工光合作用前，首先需要介紹一下光合作用。光合作用按時(shí)間先后順序主要分為3個(gè)物理化學(xué)過(guò)程：光能捕獲，電荷產(chǎn)生與分離，催化反應(yīng)。在自然光合作用中，光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)通過(guò)葉綠素捕獲光能并將電子泵至激發(fā)態(tài)，在PSII的錳鈣氧化團(tuán)簇上形成空穴發(fā)生水氧化反應(yīng)[10]。而處于激發(fā)態(tài)的電子傳遞到光系統(tǒng)PSI后，與PSI端的空穴結(jié)合，PSI上的激發(fā)態(tài)電子則參與后續(xù)的暗反應(yīng)過(guò)程，這就是所謂的 “Z型機(jī)制(Z-scheme)”[11]。在理想條件下，這些過(guò)程的電荷分離量子效率接近100%。然而自然光合作用的效率在約20%的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光強(qiáng)度下就會(huì)達(dá)到光飽和，更強(qiáng)的光照會(huì)導(dǎo)致生物光損傷[12-13]，并且光損傷的修復(fù)也要消耗能量，同時(shí)降低太陽(yáng)能-生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率。自然光合作用的催化反應(yīng)是在多個(gè)酶共同參與下的多種代謝途徑的綜合表現(xiàn)，可以利用二氧化碳、氮?dú)?、水等小分子選擇性的合成大分子產(chǎn)物。但是自然光合作用的生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率一般不超過(guò)6%(農(nóng)作物在1%～2%，大多數(shù)植物為0.1%)[14]，因?yàn)樽匀唤绲墓夂仙飪?yōu)先進(jìn)行光合生長(zhǎng)而不是進(jìn)行高能代謝產(chǎn)物的合成。最近興起的合成生物學(xué)手段為提高生物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率提供了一種合理有效的光合生物改造途徑[15-17]。此外，仿生無(wú)機(jī)納米材料也可用于改造光合微生物[18-23]。

在人工光合作用方面，光捕獲過(guò)程始于半導(dǎo)體材料的光吸收。這些半導(dǎo)體材料不僅可以實(shí)現(xiàn)寬太陽(yáng)光譜吸收，還可以設(shè)計(jì)成疊層配置以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光譜的分段互補(bǔ)吸收，而植物的葉綠素僅能選擇性捕獲太陽(yáng)光譜中的部分光，并且太陽(yáng)光的強(qiáng)度相對(duì)于催化中心是過(guò)飽和的[24]。此外，這些半導(dǎo)體材料通過(guò)摻雜和異質(zhì)結(jié)等手段可以實(shí)現(xiàn)高效的電荷分離，以及導(dǎo)電層的電荷傳輸。相比于自然光合系統(tǒng)，人工光合系統(tǒng)構(gòu)成更加簡(jiǎn)易，更易于以模塊化方式進(jìn)行替換和改進(jìn)。實(shí)際上，利用H2O和CO2產(chǎn)生燃料的人工光合實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)高于普通光合生物的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率(大于10%)[25-29]。然而，上述人工光合系統(tǒng)需要使用昂貴的高純度半導(dǎo)體材料，而且這些半導(dǎo)體材料在電解質(zhì)溶液中長(zhǎng)時(shí)間工作容易被分解或腐蝕，也沒(méi)有自修復(fù)機(jī)制來(lái)緩解該問(wèn)題，因此這種人工光合系統(tǒng)尚不具備大規(guī)模使用的可行性?；谀壳叭斯す夂舷到y(tǒng)的快速進(jìn)展以及未來(lái)的前景，研究人員仍在努力探索和開(kāi)發(fā)高效且價(jià)格合理的催化劑，以選擇性地生成各種復(fù)雜的碳基和氮基化合物。另一方面，通過(guò)穩(wěn)定反應(yīng)中間體[30-33]和控制界面反應(yīng)物濃度[34-35]來(lái)模擬酶的工程策略已顯現(xiàn)出一定的前景，但尚未實(shí)現(xiàn)高效率和高選擇性的基于CO2的CC偶聯(lián)還原反應(yīng)。此外，雖然人工光合體系已經(jīng)可以模擬自然光合作用的Z-scheme，但是幾乎不能復(fù)制自然光合作用中跨膜pH梯度的產(chǎn)生或維持以驅(qū)動(dòng)三磷酸腺苷(ATP)的合成(圖 1)[36]。

鑒于上述2種系統(tǒng)的局限性，半人工光合系統(tǒng)尋求整合自然光合系統(tǒng)(催化反應(yīng)選擇性高)和人工光合系統(tǒng)(光吸收效率高)各自的優(yōu)勢(shì)，旨在實(shí)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。在此背景下產(chǎn)生了以無(wú)機(jī)材料-酶復(fù)合和無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的形式來(lái)構(gòu)建的2類(lèi)半人工光合系統(tǒng)，每種系統(tǒng)都具有其自身的優(yōu)勢(shì)和局限性。一方面，酶是人工催化劑設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源；當(dāng)酶與光電極或光吸收劑復(fù)合時(shí)，它們可以接近100%的選擇性高速轉(zhuǎn)換電荷，催化在動(dòng)力學(xué)上難以實(shí)現(xiàn)的一系列簡(jiǎn)單產(chǎn)物合成[37]。然而，分離酶的大量純化過(guò)程(導(dǎo)致低可擴(kuò)展性)及其固有的不穩(wěn)定性(特別是在離體環(huán)境中)使得它們?cè)谔?yáng)能轉(zhuǎn)換中缺乏可持續(xù)的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。另一方面，無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合系統(tǒng)可以利用無(wú)機(jī)合成材料作為光吸收劑，微生物細(xì)胞作為“催化劑”，引導(dǎo)光能或電能通過(guò)微生物的代謝途徑產(chǎn)生多種人工光合系統(tǒng)或材料-酶復(fù)合系統(tǒng)無(wú)法合成的復(fù)雜產(chǎn)物。酶和微生物的本質(zhì)區(qū)別在于酶是蛋白質(zhì)大分子，而微生物是生命體。本文主要介紹基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合作用體系。這類(lèi)體系中的無(wú)機(jī)材料主要以光催化材料為主，微生物主要以藍(lán)藻和少數(shù)具有特殊代謝功能的細(xì)菌為主，無(wú)機(jī)材料以納米顆粒或者光電極的形式與微生物細(xì)胞結(jié)合，并通過(guò)材料-細(xì)胞的界面電子傳遞，調(diào)控微生物細(xì)胞的代謝產(chǎn)物合成。此外，借助合成生物學(xué)手段可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)材料-細(xì)胞復(fù)合光合系統(tǒng)產(chǎn)物生成的多樣性與選擇性。除了這些優(yōu)點(diǎn)之外，微生物的自我復(fù)制特性賦予材料-細(xì)胞復(fù)合光合體系潛在的應(yīng)用前景。雖然材料-細(xì)胞復(fù)合體系具有材料-酶復(fù)合體系不具備的優(yōu)勢(shì)[38]，但是它們目前還是一個(gè)相對(duì)未知的系統(tǒng)。與材料-酶復(fù)合光合體系一樣，材料-細(xì)胞復(fù)合光合體系的太陽(yáng)光譜利用率 (相比于非光合細(xì)胞)通常也很高，這主要是與半人工光合體系的光吸收由半導(dǎo)體組件處理有關(guān)。盡管有上述諸多優(yōu)勢(shì)，材料與細(xì)胞之間的界面電荷轉(zhuǎn)移是阻礙無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合光合體系商業(yè)化前景的最大挑戰(zhàn)之一。此外，電荷在微生物內(nèi)部的傳輸也可能成為特定的代謝途徑合成的障礙[39]。

自然光合作用和人工光合作用的研究都已經(jīng)開(kāi)展多年，但是任何一種途徑都不能實(shí)現(xiàn)理想的太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。在過(guò)去的10年里，半人工光合作用已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)新興的、涉及多學(xué)科的研究方向。其中，基于無(wú)機(jī)材料-酶復(fù)合的半人工光合體系是最早發(fā)展起來(lái)的，國(guó)內(nèi)外都有課題組開(kāi)展相關(guān)工作；而基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合體系的研究是最近幾年才逐漸興起，美國(guó)目前處于領(lǐng)先地位。雖然國(guó)外在基于微生物的半人工光合作用領(lǐng)域已有多篇相關(guān)綜述報(bào)道，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的研究尚處于萌芽階段[40-43]。因此，本文主要針對(duì)基于微生物的半人工光合作用的最新進(jìn)展，進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，并分析主要的問(wèn)題，展望未來(lái)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，希望能為國(guó)內(nèi)的研究人員提供一些啟發(fā)和幫助。

圖1 (a)自然光合作用系統(tǒng)示意圖；(b)人工光合作用系統(tǒng)示意圖[36]Fig.1 (a)Schematic of natural photosynthetic system；(b)Schematic of artificial photosynthetic system[36]

1 基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工水氧化

在光合作用過(guò)程中，水氧化生成氧氣的反應(yīng)是第一步化學(xué)反應(yīng)。水是自然和人工光合作用的最終電子供體，并且水在自然界中大量存在，這使其成為生產(chǎn)太陽(yáng)能燃料的最合適基質(zhì)[44]。因此，理解水氧化反應(yīng)的機(jī)制進(jìn)而提高其效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)高度功能化以及高效率的自然/人工光合作用是至關(guān)重要的。PSII是自然界中唯一能夠氧化水的酶，它同時(shí)也能有效地吸收光，分離光激發(fā)的電荷并將它們引導(dǎo)至所需的終點(diǎn)。實(shí)際上，這種酶負(fù)責(zé)所有大氣中的氧氣產(chǎn)生。該功能使PSII成為探究水氧化反應(yīng)機(jī)理的理想模型系統(tǒng)(圖2a)，因?yàn)樵谌斯す夂舷到y(tǒng)中每一步反應(yīng)的效率都是要追求極致的。但是PSII對(duì)光非常敏感，每隔約15 min在體內(nèi)修復(fù)一次，所以基于PSII的電極也具有類(lèi)似的運(yùn)行壽命[45]。目前，除了與電極復(fù)合構(gòu)成基于PSII的半人工光陽(yáng)極之外，PSII也可以和光催化劑復(fù)合，實(shí)現(xiàn)半人工全水分解[46]。但是由于PSII存在提取過(guò)程繁瑣，離體穩(wěn)定性差和光吸收限制等問(wèn)題，基于PSII的半人工光合作用系統(tǒng)更適合用來(lái)做模型研究，而不適合商業(yè)化應(yīng)用[40]。

絕大多數(shù)用來(lái)做研究的PSII都取自于藍(lán)藻，而科學(xué)家們?cè)谘芯恐袇s發(fā)現(xiàn)一些藍(lán)藻表面具有 “納米導(dǎo)線(xiàn)”可以將細(xì)胞內(nèi)光合作用產(chǎn)生的電子傳遞到細(xì)胞表面。利用其電荷傳輸特性，將光合藍(lán)藻貼在電極上培養(yǎng)繁殖可以實(shí)現(xiàn)自我維持的水氧化 (圖2b)[47-48]。Erwin Reisner課題組將藍(lán)藻連接到與其細(xì)胞尺寸匹配的大孔隙度(大于10 μm)反蛋白石結(jié)構(gòu)氧化銦錫(IO-ITO)電極上，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)光陽(yáng)極電流持續(xù)5d以上并且PSII轉(zhuǎn)換次數(shù)超過(guò)20 000(光照條件：1 mW·cm-2，λ=685 nm)[47]。 有趣的是，該系統(tǒng)的性能隨著時(shí)間的推移而增加，可能是藍(lán)藻細(xì)胞與電極的連接狀態(tài)越來(lái)越好的緣故。但是藍(lán)藻基半人工光陽(yáng)極的光電流密度(小于 15 μA·cm-2)仍遠(yuǎn)低于 PSII基的半人工光合系統(tǒng)(圖2c，d)。在上述研究中，光態(tài)和暗態(tài)下的循環(huán)伏安測(cè)試對(duì)比還顯示光誘導(dǎo)的氧化還原波可能與一種傳遞電荷的擴(kuò)散介質(zhì)有關(guān)，但目前學(xué)術(shù)界對(duì)此還存在爭(zhēng)議。此外，Hasan等利用電極-PSII復(fù)合體系研究的策略，將藍(lán)藻和氧化還原聚合物同時(shí)固定在光電極表面，在44 mW·cm-2的光強(qiáng)照射下分別獲得了8.6 μA·cm-2的直接光電流和48.2 μA·cm-2的介導(dǎo)光電流，但是可能會(huì)犧牲體系的壽命[49]。

雖然上述改進(jìn)策略顯示出一定的前景，并且藍(lán)藻基電極的壽命(數(shù)周至數(shù)月)[50]超過(guò)PSII基光陽(yáng)極(數(shù)分鐘)[45]和人工合成的光陽(yáng)極(數(shù)小時(shí)至數(shù)天)[51]，但是這種半人工光陽(yáng)極的光電流輸出仍須增加至少幾個(gè)數(shù)量級(jí)才能在電力或太陽(yáng)能燃料發(fā)電方面具有經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力[48]。目前，基于無(wú)機(jī)材料-葉綠體復(fù)合的生物光電系統(tǒng)，利用光陽(yáng)極氧氣生成和陰極氧氣還原的催化環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)500 μA·cm-2的介導(dǎo)光電流[52]。因?yàn)樗{(lán)藻與葉綠體在生物進(jìn)化上具有同源性，并且具有相似的結(jié)構(gòu)和功能，所以使用藍(lán)藻基半人工光陽(yáng)極也有望實(shí)現(xiàn)500 μA·cm-2的光電流輸出，但是該設(shè)計(jì)策略目前尚未在基于藍(lán)藻的半人工光合系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這可能與用來(lái)構(gòu)建該體系的藍(lán)藻特性有關(guān)。藍(lán)藻自身形成胞外電子的能力是構(gòu)建該體系的基礎(chǔ)。提高半人工光陽(yáng)極的界面電荷轉(zhuǎn)移率是將光電流密度提高到實(shí)用水平的關(guān)鍵。目前，已經(jīng)在共聚焦熒光顯微鏡[53]，電化學(xué)阻抗譜[54]，表面增強(qiáng)拉曼/紅外光譜[55-56]和納米電極[57-58]等一些檢測(cè)平臺(tái)上建立起許多技術(shù)，可以為半人工光陽(yáng)極的界面電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程提供豐富的機(jī)理信息。例如，光譜檢測(cè)擴(kuò)散介質(zhì)的分泌或膜結(jié)合細(xì)胞色素中的氧化還原變化，可以揭示它們?cè)诩?xì)胞-電極的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制中的作用[40]。藍(lán)藻基半人工光陽(yáng)極的另一個(gè)挑戰(zhàn)是有效地引導(dǎo)通過(guò)細(xì)胞產(chǎn)生的電子僅流向水氧化途徑，而不是流向生物質(zhì)積累和代謝副反應(yīng)的途徑。通過(guò)仔細(xì)選擇培養(yǎng)條件，或者使用特定的代謝化學(xué)抑制劑，甚至通過(guò)基因工程的手段，例如將藍(lán)藻光合機(jī)構(gòu)中的氨基酸替換，從而提高光化學(xué)量子產(chǎn)率和水氧化催化率[59]，都有可能實(shí)現(xiàn)有效的電子傳遞路徑調(diào)控。

基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工水氧化反應(yīng)，目前主要就是依靠藍(lán)藻基半人工光陽(yáng)極來(lái)實(shí)現(xiàn)，基本原理是藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)的PSII發(fā)生水氧化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的電子流到細(xì)胞膜上，然后通過(guò)所謂的“納米導(dǎo)線(xiàn)”傳遞到電極表面，最后在外電路中形成電流。相比于PSII基半人工光陽(yáng)極，藍(lán)藻基半人工光陽(yáng)極具有更高的穩(wěn)定性、持久性以及更簡(jiǎn)便的制備過(guò)程，但是效率和光電流是它的劣勢(shì)。就目前來(lái)看，基于電極-藍(lán)藻復(fù)合的半人工水氧化離實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。藍(lán)藻細(xì)胞自身的光合作用效率，以及藍(lán)藻細(xì)胞與電極界面的電荷轉(zhuǎn)移效率是未來(lái)優(yōu)化和改進(jìn)藍(lán)藻基半人工光陽(yáng)極的關(guān)鍵。當(dāng)然，其它一些化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)因素也是很重要的方面。其中，藍(lán)藻細(xì)胞自身的光合作用效率可以通過(guò)合成生物學(xué)的手段和仿生無(wú)機(jī)納米材料來(lái)改進(jìn)[15，18，20]，而藍(lán)藻細(xì)胞與電極界面的電荷轉(zhuǎn)移效率則可以通過(guò)對(duì)接觸界面的調(diào)控來(lái)改善。此外，該體系可以為研究細(xì)胞向無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料表面的電荷轉(zhuǎn)移提供支持。

圖2 (a)IO-ITO|PSII半人工光陽(yáng)極示意圖[40]；(b)IO-ITO|藍(lán)藻半人工光陽(yáng)極示意圖[40]；(c)IO-ITO|PSII半人工光陽(yáng)極在無(wú)外生介質(zhì)和斷續(xù)光照射下的多電位階躍計(jì)時(shí)電流曲線(xiàn)[47]；(d)IO-ITO|藍(lán)藻半人工光陽(yáng)極在無(wú)外加導(dǎo)電介質(zhì)和斷續(xù)光照射下的多電位階躍計(jì)時(shí)電流曲線(xiàn)[47]Fig.2 (a)Schematic of IO-ITO|PSII semi-artificial photosynthetic electrode[40]；(b)Schematic of IO-ITO|cyanobacterium semi-artificial photosynthetic electrode[40]；(c)Stepped chronoamperometry scans of IO-ITO|PSII in the absence of exogenous mediators(DET)and under chopped light irradiation[47]；(d)Stepped chronoamperometry scans of IO-ITO|cyanobacterium in the absence of exogenous mediators and under chopped light irradiation[47]

2 基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合還原

自然光合作用包含光反應(yīng)和暗反應(yīng)2個(gè)階段，在光反應(yīng)階段主要是水氧化和電子傳遞，而在暗反應(yīng)階段主要是以二氧化碳還原為核心的卡爾文循環(huán)。光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供電子和能量來(lái)源，所以暗反應(yīng)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是還原反應(yīng)。在半人工光合作用中，還原反應(yīng)比水氧化反應(yīng)具有更復(fù)雜的形式和更多變的產(chǎn)物，是整個(gè)體系的終端反應(yīng)，也是半人工光合作用領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于無(wú)機(jī)材料-酶復(fù)合和無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合還原系統(tǒng)，研究半人工光合還原系統(tǒng)的目標(biāo)主要是理解和改進(jìn)光合產(chǎn)氫、固碳和固氮的反應(yīng)過(guò)程。基于無(wú)機(jī)材料-PSI復(fù)合的半人工光合還原系統(tǒng)是最早開(kāi)始研究的[60-62]，目的是實(shí)現(xiàn)半人工光合產(chǎn)氫。隨著氫酶提取和保存技術(shù)的進(jìn)步，又出現(xiàn)了基于無(wú)機(jī)材料-氫化酶復(fù)合的半人工光合體系[63-68]。在此基礎(chǔ)之上，將氫化酶換成二氧化碳還原酶或者固氮酶，也實(shí)現(xiàn)了半人工光合固碳和固氮[69-73]。但是基于無(wú)機(jī)材料-酶復(fù)合的半人工光合系統(tǒng)存在其固有的弊端，一是酶的提取和分離過(guò)程十分繁瑣；二是離體后穩(wěn)定性和持久性差等問(wèn)題；三是材料與酶的復(fù)合可能影響酶的催化活性，而單一酶的催化就難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)物的合成。因此，科學(xué)家們開(kāi)始尋求具有相關(guān)還原反應(yīng)代謝途徑的微生物細(xì)胞與人工合成的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料結(jié)合，構(gòu)建基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合還原系統(tǒng)。目前基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合還原主要可以通過(guò)光催化劑-微生物復(fù)合體系和電極-微生物體系來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 光催化劑-微生物復(fù)合體系

在最初的光催化劑-微生物復(fù)合的半人工光合體系研究中，楊培東課題組利用熱醋穆?tīng)柺暇?M.thermoacetica)的自我防御機(jī)制，將有生物毒性的鎘離子(Cd2+)在細(xì)胞培養(yǎng)的過(guò)程中沉積到細(xì)菌細(xì)胞表面形成硫化鎘(CdS)納米顆粒(圖3a)[74]。在光照的條件下，來(lái)自CdS的光生電子穿過(guò)細(xì)胞膜通過(guò)Wood-Ljundahl途徑成功地參與二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸的反應(yīng) (圖3b)， 量子產(chǎn)率高達(dá)85%(光照條件：435～485 nm，5×1013photon·cm-2LED)[74]。 受到先前量子點(diǎn)酶研究工作的啟發(fā)，楊培東課題組采用泵浦探針?biāo)矐B(tài)吸收光譜對(duì)該系統(tǒng)的機(jī)理進(jìn)行研究[75]。通過(guò)建立CO2光化學(xué)固定效率和瞬態(tài)吸收動(dòng)力學(xué)的相關(guān)性與M.thermoacetica氫化酶表達(dá)量的函數(shù)關(guān)系，在不同時(shí)間尺度上證明直接的電荷轉(zhuǎn)移途徑依賴(lài)于顯性的雙氫化酶介導(dǎo)。為了消除對(duì)犧牲劑的依賴(lài)性，楊培東課題組又將M.thermoacetica-CdS雜化物與二氧化鈦-錳-酞菁水氧化光催化劑在反應(yīng)體系中共懸浮，也實(shí)現(xiàn)了CO2的固定，但是乙酸產(chǎn)率不高[76]。未來(lái)需要用無(wú)毒的光吸收劑替代CdS，通過(guò)選擇透過(guò)性膜或區(qū)室化來(lái)防止氧氣和活性氧物質(zhì)傷害微生物，以及改善該系統(tǒng)在高太陽(yáng)光強(qiáng)下的工作效率[45]。為了降低光催化材料與細(xì)菌細(xì)胞結(jié)合后產(chǎn)生的毒性，楊培東課題組在之前工作的基礎(chǔ)上，將具有生物相容性的金納米團(tuán)簇引入M.thermoacetica細(xì)胞內(nèi)部(圖3c)[77]，依然起到CdS的光催化作用，并且在產(chǎn)生光生電子的同時(shí)具有抑制活性氧自由基產(chǎn)生的功能(圖3d)，從而使得二氧化碳固定反應(yīng)可以維持至少4 d。但是這個(gè)體系依然存在壽命問(wèn)題，當(dāng)細(xì)胞分裂形成新的細(xì)胞時(shí)，很難保證納米金團(tuán)簇還在細(xì)胞中。以上的研究說(shuō)明，當(dāng)微生物體系確定時(shí)，光催化劑的選擇和設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)半人工光合體系的性能有至關(guān)重要的影響。在選擇和設(shè)計(jì)光催化劑時(shí)，一是要根據(jù)微生物細(xì)胞的生理特性選擇生物毒性小的光催化劑，二是所選擇的光催化劑能夠以納米材料的形式在細(xì)胞表面結(jié)合或者進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。

通過(guò)以上的研究工作，可以總結(jié)出光催化劑-微生物復(fù)合的半人工光合作用的基本原理是光催化劑產(chǎn)生的光生電子被微生物利用，參與微生物的代謝反應(yīng)，從而選擇性合成某種代謝產(chǎn)物。因此，除了材料的選擇和設(shè)計(jì)，微生物本身的性質(zhì)對(duì)半人工光合體系的性能和效率的影響也是十分重要的方面，并且可以認(rèn)為是決定性因素。最近興起的合成生物學(xué)手段就是一種改造生物體的有效途徑。趙勁課題組通過(guò)合成生物學(xué)手段構(gòu)建了一種能在膜上表達(dá)重金屬螯合蛋白PbrR和在細(xì)胞內(nèi)部表達(dá)[NiFe]氫化酶的大腸桿菌，然后在大腸桿菌表面利用PbrR結(jié)合鎘離子，形成CdS納米顆粒，最后通過(guò)仿生硅礦包裹，實(shí)現(xiàn)了大腸桿菌的聚集，并誘導(dǎo)了大腸桿菌聚集體在有氧條件下的光合產(chǎn)氫(圖4)[78]。這項(xiàng)工作利用合成生物學(xué)方法與納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物體的定向改造，為生物改造提供了新的思路。利用大腸桿菌的遺傳操作特性，可以通過(guò)基因工程改造建立起一系列生物催化反應(yīng)途徑，但是使用無(wú)機(jī)光催化納米材料與細(xì)菌結(jié)合，容易對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，限制了催化反應(yīng)效率。最近，Guo等使用簡(jiǎn)單的多酚化學(xué)將磷化銦納米顆粒與轉(zhuǎn)基因的酵母細(xì)胞(Saccharomyces cerevisiae Δzwf1)表面復(fù)合，以生成一種生物無(wú)機(jī)雜化體[79]。當(dāng)白光照射在利用太陽(yáng)能的酵母細(xì)胞上時(shí)，它們會(huì)捕獲光生電子并將其用于再生化合物NADPH，這是一種在莽草酸合成過(guò)程中分解的輔助因子，因此它可以再次參與合成，從而促進(jìn)莽草酸的生物合成[79]。該研究首次將光催化劑與微生物結(jié)合用于非能源物質(zhì)的合成，拓展了半人工光合作用的應(yīng)用領(lǐng)域，也為生物制造提供了新思路。

圖3 (a)硫化鎘-熱醋穆?tīng)柺暇鷱?fù)合體及其自光敏化太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化[74]；(b)硫化鎘-熱醋穆?tīng)柺暇鷱?fù)合體中太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化的可能途徑[74]；(c)金納米團(tuán)簇在熱醋穆?tīng)柺暇鷥?nèi)部復(fù)合及其自光敏化太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化[77]；(d)熱醋穆?tīng)柺暇?納米金復(fù)合體中太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化的可能途徑[77]Fig.3 (a)Depiction of the CdS-M.thermoacetica hybrid system and self-photosensitization of it for solar-to-chemical conversion[74]；(b)Possible pathway for solar-to-chemical conversion of the CdS-M.thermoacetica hybrid system[74]；(c)M.thermoacetica photosensitized by intracellular gold nanoclusters for solar-to-chemical conversion[77]；(d)Possible pathway for solar-to-chemical conversion of the M.thermoacetica/AuNC hybrid system[77]

圖4 表面展示的生物復(fù)合技術(shù)誘導(dǎo)空氣環(huán)境中的光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)氫[78]Fig.4 Proposed surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air[78]

2.2 電極-微生物復(fù)合體系

與基于光催化劑-微生物復(fù)合的半人工光合還原體系相比，基于電極-微生物復(fù)合的半人工光合還原體系具有更好的可調(diào)性和更強(qiáng)的應(yīng)用前景，并且對(duì)電極的修飾與改造比對(duì)微生物細(xì)胞表面的材料修飾更加具有操控性。該系統(tǒng)的最初發(fā)展得益于從微生物電合成化學(xué)池和半導(dǎo)體-電極界面的基礎(chǔ)研究中獲得的理解和經(jīng)驗(yàn)[80]。楊培東課題組首先研究了希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)在硅納米線(xiàn)陣列上的識(shí)別[81]，并且用氯化鈉誘導(dǎo)了細(xì)菌在納米線(xiàn)上的自組裝[82]。隨著基于材料-酶復(fù)合的半人工光合作用的研究深入，為了克服基于材料-酶的半人工光合體系的缺點(diǎn)，基于電極-微生物的半人工光合體系應(yīng)運(yùn)而生。這種系統(tǒng)的獨(dú)特能力是通過(guò)微生物細(xì)胞內(nèi)部代謝途徑引導(dǎo)電極表面產(chǎn)生的還原物種(電子，氧化還原介質(zhì)，氫氣)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的CO2和N2衍生產(chǎn)物[83]。根據(jù)還原物種的形式，這個(gè)體系可以分為集成式和分散式。所謂集成式，就是電極與微生物細(xì)胞是緊密結(jié)合的，還原物種的形式為電子，電極產(chǎn)生的電子直接傳遞給微生物參與CO2還原途徑。而在分散式中，電極只是插入在微生物細(xì)胞的分散液中，并不和細(xì)胞界面連接，還原物種的形式為氫氣或其他氧化還原介質(zhì)，電極產(chǎn)生的電子先被用來(lái)產(chǎn)生氫氣或者被氧化還原介質(zhì)利用，然后再被微生物利用。因此，基于電極-微生物復(fù)合的半人工光合作用的基本原理可歸納為電極表面產(chǎn)生的還原物種進(jìn)入微生物細(xì)胞，參與其內(nèi)部代謝途徑，轉(zhuǎn)化為復(fù)雜的代謝產(chǎn)物。

對(duì)于集成式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子在電極和細(xì)胞之間直接的傳遞需要兩者之間具有良好的接觸，因此高比表面積的電極對(duì)于提高電流密度就顯得十分重要。楊培東課題組在國(guó)際上率先用硅納米線(xiàn)陣列做光陰極與厭氧細(xì)菌Spormusa ovata(S.ovata)的細(xì)胞復(fù)合，二氧化鈦納米陣列作為光陽(yáng)極，可以將CO2選擇性地還原為CH3COOH(圖5)[84]，并且法拉第效率達(dá)到90%。這種表面具有納米線(xiàn)陣列的光陰極由于其獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)，將O2從其固定厭氧細(xì)菌的納米線(xiàn)通道中排除，從而使整個(gè)系統(tǒng)可以在大氣條件下工作，并在100 mW·cm-2的光照強(qiáng)度下，與TiO2光陽(yáng)極配對(duì)時(shí)，以0.3 mA·cm-2的光電流密度驅(qū)動(dòng)無(wú)輔助介質(zhì)的CO2還原。微生物“催化劑”的自我復(fù)制性質(zhì)使得操作壽命為200 h，并且通過(guò)基因工程改造使大腸桿菌將CH3COOH進(jìn)一步升級(jí)為一系列更復(fù)雜的化學(xué)產(chǎn)物。

圖5 硅納米線(xiàn)陣列電極-S.aovata細(xì)菌集成式復(fù)合的半人工光合作用系統(tǒng)[84]Fig.5 Integrated hybrid silicon nanowire arrayed electrode-S.aovata semi-artificial photosynthetic system[84]

在分散式的體系中，Daniel G.Nocera課題組通過(guò)將硅基“人造葉”(陰極)[85]和 InP-TiO2(陽(yáng)極)[86]串聯(lián)插入真氧產(chǎn)堿菌(Ralstonia eutropha)的細(xì)胞培養(yǎng)液中，在陰極產(chǎn)生氫氣，通過(guò)細(xì)菌的氫氣代謝過(guò)程還原CO2產(chǎn)生丁醇和甲烷(圖6)。但是這樣的體系中，由于陽(yáng)極會(huì)產(chǎn)生氧氣，所以容易在體系中積累活性氧自由基，并且電極催化劑材料容易在反應(yīng)的過(guò)程中腐蝕并釋放出對(duì)微生物有毒害的金屬離子。為了改進(jìn)這個(gè)系統(tǒng)，Nocera課題組又開(kāi)發(fā)了不會(huì)在溶液中產(chǎn)生顯著活性氧物質(zhì)或浸出金屬離子的Co-P陰極-CoPi陽(yáng)極催化體系[87]，這是半人工系統(tǒng)向商業(yè)化應(yīng)用邁出的有希望的一步。該電化學(xué)系統(tǒng)與Ge-GaAs-GaInP2三結(jié)光伏電池作為模型光伏電源和真氧產(chǎn)堿菌相結(jié)合，直接利用H2作為能量和還原物種輸入，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)5 d的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的CO2還原，并且太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到6%[87-88]。上述Co-PCoPi系統(tǒng)進(jìn)一步用于自養(yǎng)黃色桿菌(Xanthobacter autotrophicus)可以驅(qū)動(dòng)N2向NH3的電化學(xué)固定[89]。這些自養(yǎng)黃色桿菌甚至可以作為肥料直接添加到土壤中，從而避免了產(chǎn)品提取和純化的需要。鑒于固氮酶的氧敏感性，利用微生物作為保護(hù)性支架是使N2固定系統(tǒng)壽命延長(zhǎng)的簡(jiǎn)便策略[90]。

圖6 基于真氧產(chǎn)堿細(xì)菌的分散式半人工光合系統(tǒng)[86]Fig.6 Ralstonia eutropha based distributed semi-artificial photosynthetic system[86]

雖然目前的研究進(jìn)展是有應(yīng)用前景的，但關(guān)鍵的限制是基于微生物的半人工光合系統(tǒng)的體積產(chǎn)品產(chǎn)率，而目前最優(yōu)的系統(tǒng)能達(dá)到CH3COO-的產(chǎn)率為～1.3 g·L-1·d-1。為了使反應(yīng)器和產(chǎn)物分離成本最低，擴(kuò)大規(guī)模必需要提高產(chǎn)量。但是電化學(xué)池占用空間大，細(xì)胞與電極的低效連接以及單個(gè)物種持續(xù)生長(zhǎng)的要求是基于微生物的半人工光合系統(tǒng)推向商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵障礙。對(duì)微生物電合成等類(lèi)似體系的研究已經(jīng)表明電荷轉(zhuǎn)移模式(直接、間接或兩者兼有)是應(yīng)變，環(huán)境，電極和時(shí)間依賴(lài)性的[91-93]。因此，首先需要深入理解界面化學(xué)和能量轉(zhuǎn)移，然后通過(guò)代謝工程增加產(chǎn)品生成速率和化學(xué)多樣性，最后將環(huán)境耐受性擴(kuò)展到無(wú)污染的實(shí)驗(yàn)室之外的大規(guī)模培養(yǎng)條件。例如，如果半導(dǎo)體-電極界面處的能量轉(zhuǎn)移通過(guò)H2發(fā)生，則可以通過(guò)使膜結(jié)合的氫化酶密度最大化來(lái)實(shí)現(xiàn)增加微生物H2吸收和產(chǎn)物產(chǎn)率[75]。最近，劉翀課題組發(fā)現(xiàn)使用生物相容性的全氟化碳納米乳劑作為H2的載體，可以將S.ovata細(xì)菌的二氧化碳還原效率提高190%[94]。此外，電極極化或光照的變化如何引起基因表達(dá)和其他細(xì)胞行為的變化，以及如何有效地利用它對(duì)提高產(chǎn)率也是很重要的。同時(shí)降低催化反應(yīng)過(guò)程中活性氧自由基和金屬離子的積累，也是逐步走向大規(guī)模應(yīng)用過(guò)程中需要克服和解決的問(wèn)題。

3 無(wú)機(jī)材料-微生物界面

基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合作用的基本原理是微生物光合作用產(chǎn)生的電子與人工合成的無(wú)機(jī)材料相互作用形成電流，或者無(wú)機(jī)材料在光照下產(chǎn)生的還原物種被微生物利用參與代謝反應(yīng)。核心目標(biāo)是無(wú)機(jī)材料與微生物催化體系的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，材料與微生物的界面相互作用決定二者間的能量和電荷傳遞，因此深入理解材料-微生物的界面對(duì)于未來(lái)提高微生物基半人工光合系統(tǒng)的太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率至關(guān)重要。在材料-微生物的界面相互作用中，有2個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題：(1)材料與微生物之間的能量和電荷轉(zhuǎn)移問(wèn)題 (圖7)；(2)材料與微生物的相容性問(wèn)題(圖7)[41]。

圖7 太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化中的材料-微生物界面示意圖[41]Fig.7 Schematic of materials-microorganism interfaces in solar-to-chemical conversion[41]

目前實(shí)現(xiàn)材料與微生物之間的電子轉(zhuǎn)移主要有2種模式：直接轉(zhuǎn)移和介導(dǎo)轉(zhuǎn)移[41]。直接轉(zhuǎn)移模式主要對(duì)應(yīng)于光催化劑-微生物和集成式電極-微生物半人工光合體系，不需要外加氧化還原穿梭電對(duì)來(lái)傳遞電子，但是需要材料與微生物的緊密結(jié)合，這種模式對(duì)于材料-微生物的界面通常有特殊的要求，需要材料-微生物具有良好的匹配。而介導(dǎo)轉(zhuǎn)移模式主要對(duì)應(yīng)于分散式的電極-微生物半人工光合體系，利用可溶性的氧化還原穿梭電對(duì)將電極-溶液界面處產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)化為還原物種提供給微生物[38，87，89]。 這些還原物種繼而將 NAD(P)+還原為 NAD(P)H，作為通用的生物電子供體，也可以產(chǎn)生ATP供生物催化反應(yīng)使用。目前的介導(dǎo)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)可采用產(chǎn)氫電催化劑與H2氧化、CO2還原或N2還原細(xì)菌串聯(lián)配對(duì)[87，89，91]，利用 H2作為還原物種，實(shí)現(xiàn)半人工光合還原。這些簡(jiǎn)易的系統(tǒng)具有高達(dá)～10%的太陽(yáng)能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率[87]，比典型的植物太陽(yáng)能-生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化效率高一個(gè)數(shù)量級(jí)[95]。其它的氧化還原電對(duì)介質(zhì)，例如甲酸鹽[96-97]，紫羅堿和吩嗪[98]，也有一定的應(yīng)用前景，但是它們對(duì)微生物的毒害性可能較大。單純從電子轉(zhuǎn)移效率來(lái)分析，直接轉(zhuǎn)移模式比介導(dǎo)轉(zhuǎn)移模式更有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檠趸€原穿梭電對(duì)在傳遞電子的過(guò)程中不可避免存在能量損失，但是材料與微生物的直接接觸對(duì)于彼此的相容性是很大的考驗(yàn)，細(xì)胞的生物活性以及無(wú)機(jī)光催化劑的活性都可能受到影響。此外，無(wú)機(jī)光催化劑的選擇，電極的形貌結(jié)構(gòu)和表面修飾都會(huì)對(duì)材料-微生物界面電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生重要影響，這3個(gè)方面也是目前改進(jìn)和優(yōu)化系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)。

考慮到無(wú)機(jī)材料與微生物直接接觸可能發(fā)生的不利影響，如何在材料的生物相容性和微生物的化學(xué)相容性之間找到平衡點(diǎn)，一直以來(lái)都是這個(gè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。首先，材料的結(jié)構(gòu)和形貌會(huì)影響其與微生物的結(jié)合進(jìn)而影響微生物的活性。如將電極表面功能化或者納米化會(huì)有利于微生物細(xì)胞在電極表面的吸附生長(zhǎng)，而且二者接觸面積的增大也會(huì)增加電流密度[99-100]。其次，任何一種含金屬元素的催化劑在溶液中使用時(shí)，都不可避免的溶解產(chǎn)生金屬離子，而絕大多數(shù)的金屬離子對(duì)于微生物來(lái)說(shuō)都是有毒性的。當(dāng)微生物自身的活性下降后，內(nèi)部的生物催化反應(yīng)活性也可能受到影響，從而使整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。但也有微生物對(duì)金屬離子的響應(yīng)是積極的，比如有些微生物本身就具備對(duì)某些重金屬離子的抵抗作用[101-102]，將此類(lèi)金屬元素以單質(zhì)或者化合物的形式沉積在表面，能夠促進(jìn)材料-微生物的功能協(xié)同。此外，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料在發(fā)生催化反應(yīng)時(shí)，時(shí)常伴隨著活性氧、活性氯和活性氮自由基[41]，它們會(huì)對(duì)微生物細(xì)胞的活性產(chǎn)生毒害，因此需要在材料選擇和設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免此類(lèi)情況的發(fā)生，并同時(shí)研究微生物對(duì)這些自由基活性種的響應(yīng)機(jī)制。為了保護(hù)微生物，除了在無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料端做改進(jìn)，通過(guò)化學(xué)和材料的手段對(duì)微生物細(xì)胞進(jìn)行表面改進(jìn)也是常用的方法，例如二氧化硅單細(xì)胞包裹微生物[18，103]，水凝膠包裹[104]，金屬有機(jī)框架材料包裹[105]等。

4 研究總結(jié)與展望

半人工光合作用研究在近10年取得了迅猛的發(fā)展，初期的焦點(diǎn)主要集中在基于材料-酶復(fù)合的半人工光合作用，除了一些國(guó)外的課題組，國(guó)內(nèi)的李燦院士團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域也做出了有代表性的工作[5，46，106]。而基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合系統(tǒng)研究則是在最近幾年開(kāi)始逐漸開(kāi)展起來(lái)，目前處于領(lǐng)先地位的是美國(guó)的幾個(gè)課題組，以Daniel G.Nocera和楊培東為代表。雖然他們已在這個(gè)領(lǐng)域做出了開(kāi)拓性的工作，并且也在 《科學(xué)》(Science)，《自然》(Nature)子刊以及 《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》(PNAS)上 發(fā) 表 多 篇 論 文[40，74，77，79，85-87，89]， 但 是 這 個(gè) 領(lǐng) 域依然處于剛剛興起的階段[40-43]。最近，國(guó)內(nèi)的麥立強(qiáng)課題組和美國(guó)的田博之課題組也開(kāi)始關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域中材料與生物的界面問(wèn)題[42-43]。表1列出了近5年來(lái)，基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合作用的主要代表性工作。目前能夠通過(guò)無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合體系實(shí)現(xiàn)二氧化碳固定，生成乙酸、乙醇、莽草酸等小分子含碳有機(jī)物，但是效率、規(guī)模和成本尚未達(dá)到商業(yè)化應(yīng)用的水平，因此還有很多科學(xué)和工程問(wèn)題亟待解決。

微生物基的半人工光合系統(tǒng)中的一個(gè)核心問(wèn)題就是材料-生物的界面相互作用，關(guān)鍵是能量與電荷在材料與微生物界面處的轉(zhuǎn)移。材料與微生物的界面相互作用不僅影響微生物自身的性質(zhì)，也會(huì)對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生影響。這種相互作用直接影響電荷在界面處的轉(zhuǎn)移，因此提高界面電荷轉(zhuǎn)移速率對(duì)提高微生物基半人工光合體系的太陽(yáng)能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率至關(guān)重要。由于材料與微生物的界面相互作用主要取決于微生物的表面特性、合成材料的性質(zhì)、微生物細(xì)胞與材料的結(jié)合形式，因此改進(jìn)二者相互作用可以從3個(gè)方面入手：

（?。?duì)微生物本身進(jìn)行改造。在微生物改造方面，合成生物學(xué)具有越來(lái)越重要的作用[15-17]。雖然合成生物學(xué)一直致力于增強(qiáng)細(xì)胞的體內(nèi)功能 (例如合成回路和代謝途徑的發(fā)展)，但生物和非生物組分之間的界面是將來(lái)要解決的關(guān)鍵領(lǐng)域。為此，應(yīng)用合成生物學(xué)的工具可以從頭設(shè)計(jì)具有精細(xì)功能單元的多組分生物系統(tǒng)。該方法原則上可以使微生物適應(yīng)從電極到工程代謝循環(huán)的高強(qiáng)度電荷通量。除了合成生物手段，通過(guò)仿生無(wú)機(jī)納米材料對(duì)微生物進(jìn)行功能化改造也是一種有效的途徑[18-19，22-23]。

（ⅱ）根據(jù)微生物的特性和最終的產(chǎn)物需求選擇合適的材料體系。目前的半人工光合成體系，主要集中在合成小分子含碳有機(jī)物和氨等。如何進(jìn)一步發(fā)揮生物體酶促反應(yīng)的專(zhuān)一性、得到結(jié)構(gòu)更復(fù)雜和具有更高價(jià)值的產(chǎn)物是未來(lái)探索的一個(gè)重要方向，這方面需要基于對(duì)相關(guān)微生物代謝途徑和分子機(jī)制的理解，結(jié)合化學(xué)與材料的手段構(gòu)建合適的半人工光合體系。

（ⅲ） 改變材料-微生物的復(fù)合形式。 未來(lái)的機(jī)遇還在于將合成材料與生物系統(tǒng)整合在一起，以產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換和催化循環(huán)的新途徑[42]。不同的復(fù)合形式會(huì)產(chǎn)生不同的材料-微生物相互作用，而不同的相互作用對(duì)微生物的代謝活動(dòng)可能產(chǎn)生不同的影響。由于材料-微生物的界面是半人工光合體系的核心，因此材料-生物界面的原位表征技術(shù)是探索材料-微生物復(fù)合形式的重要基礎(chǔ)。

總之，半人工光合作用是自然光合作用和人工光合作用交叉互補(bǔ)的一個(gè)體系，它的出現(xiàn)是自然光合作用和人工光合作用研究進(jìn)展到一定階段而產(chǎn)生的，未來(lái)的發(fā)展不僅取決于兩個(gè)領(lǐng)域的研究水平和和認(rèn)知程度，更取決于二者的融合程度。雖然基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合作用目前尚處于概念驗(yàn)證階段，但是過(guò)去5年的研究已經(jīng)為基于無(wú)機(jī)材料-微生物的半人工光合作用未來(lái)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，未來(lái)這個(gè)領(lǐng)域在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上還有進(jìn)一步完善和認(rèn)識(shí)的空間。特別是微生物基的半人工光合體系可以作為模型體系來(lái)探索一些在純自然光合作用或純?nèi)斯す夂献饔弥袩o(wú)法用實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題，在新的微生物體系、材料體系與結(jié)構(gòu)、材料-微生物結(jié)合方式等方面更加具有廣闊的探索前景。此外，在一些特殊環(huán)境條件(例如海洋或太空航行)下，半人工光合系統(tǒng)可能存在更多的應(yīng)用途徑，但必須充分考慮資源管理和材料可回收性。在半人工光合體系邁向商業(yè)化應(yīng)用的過(guò)程中，目標(biāo)產(chǎn)物與生物催化體系的分離也是需要解決的問(wèn)題。

表1 基于無(wú)機(jī)材料-微生物復(fù)合的半人工光合作用系統(tǒng)Table 1 Semi-artificial photosynthetic system based on inorganic-microbe hybrids

致謝：感謝中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士研究生傅虹瑋，不萊梅大學(xué)計(jì)算材料科學(xué)中心博士研究生范國(guó)政，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院博士研究生黃輝庭的幫助。特別感謝加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)與生物化學(xué)系助理教授劉翀博士以及西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院副教授蘇進(jìn)展博士提供相關(guān)圖片。