張 甜，王君婷，許夢(mèng)瑩

(1.武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院,武漢 430070;2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430070)

近年來(lái)隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，塑料制品的需求量與日俱增，2014年全球塑料年產(chǎn)量已超過(guò)3億噸[1].而化學(xué)合成塑料的自然降解耗時(shí)長(zhǎng)、難度大.不恰當(dāng)?shù)胤贌?、堆積或傾倒廢棄塑料帶來(lái)的空氣、土壤和水污染問(wèn)題日益嚴(yán)重.同時(shí)，化學(xué)合成塑料的原料大多來(lái)自不可再生的化石能源.根據(jù)有關(guān)報(bào)道，2018年全球一次能源消費(fèi)增長(zhǎng)率為2.9%，碳排放量增長(zhǎng)了2.0%，是近7年來(lái)最快增速[2].CO2等溫室氣體的大量排放也在一定程度上導(dǎo)致了全球氣候變暖.日益窘迫的環(huán)境污染與能源枯竭問(wèn)題正受到全世界的關(guān)注，迫使人們不斷尋求可持續(xù)發(fā)展的生物可降解塑料來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料.

聚β-羥基丁酸酯，簡(jiǎn)稱(chēng)PHB，是一種線性高分子聚合物，作為一種儲(chǔ)能物質(zhì)廣泛存在于微生物中[3].由于結(jié)構(gòu)的高度立體規(guī)整性，PHB具有較高的結(jié)晶度(65%～75%)，具有與聚丙烯相似的力學(xué)性能[4].此外，PHB還因其良好的生物相容性和可降解性，在眾多領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用，特別是作為生物可降解塑料成為了研究關(guān)注的熱點(diǎn).目前，PHB主要通過(guò)微生物發(fā)酵合成[5-7].自然界中可用于生產(chǎn)PHB的菌株種類(lèi)繁多，其中發(fā)酵水平較高且研究最多的菌株是真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌Ralstoniaeutropha，(又名Alcaligeneseutrophus、Cupriauidusnecator)[8].它是一種兼性化能無(wú)機(jī)自養(yǎng)型革蘭氏陰性菌，既能通過(guò)ED途徑(Entner-Doudoroff Pathway)利用果糖、葡萄糖酸以及其他有機(jī)酸等多種有機(jī)物異養(yǎng)生長(zhǎng)，也能通過(guò)卡爾文循環(huán)(Calvin-Benson-Bassham，CBB)利用O2、CO2、H2等自養(yǎng)生長(zhǎng)[9].

利用不可再生的化石能源生產(chǎn)合成塑料在一定程度上加劇了能源緊張局勢(shì)，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)白色污染問(wèn)題.太陽(yáng)能作為一種可再生清潔能源，分布廣泛，獲取方便.因此，利用廉價(jià)的太陽(yáng)光能通過(guò)光合作用將CO2還原為可降解材料為從根本上解決這些問(wèn)題提供了一條有效途徑.自然界中生物體主要通過(guò)光合作用將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能.與自然光合作用相比，包括高效光催化劑、固態(tài)光伏裝置和光電化學(xué)電池在內(nèi)的人工光合系統(tǒng)具有更高的光吸收效率[10].但利用人工光合系統(tǒng)一般合成的是一些小分子化合物，如一氧化碳[11]、甲烷[12]、甲醇[13]、甲酸[14]等.而生物系統(tǒng)因具有具備高特異性、自我復(fù)制與修復(fù)等優(yōu)良特性的生物酶則可以合成大量具有高附加值的高分子化合物[15].因此，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)人工光合系統(tǒng)與生物的雜化光合體系是一條具有良好發(fā)展前景的化合物合成路徑.近年來(lái)，不少研究嘗試?yán)蒙镫s化光合系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)生物可降解材料PHB.主要包括光催化劑協(xié)同微生物雜化光合系統(tǒng)和微生物電合成(microbial electrosynthesis，MES)系統(tǒng).前者將具有良好生物相容性的光催化劑與特定微生物相結(jié)合，因不涉及電極、光伏電池及電解槽等設(shè)備，故其成本也相對(duì)較低；后者以CO2為底物，利用微生物實(shí)現(xiàn)了電能到化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)化，且具有較高的化學(xué)品生產(chǎn)特異性.其外加電源可由太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能、水能等清潔能源驅(qū)動(dòng)，來(lái)源廣泛且可再生.將太陽(yáng)光能收集裝置與MES系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，既提高了生物固碳效率，又實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)光能和電能的存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化[16].本文主要綜述了利用該系統(tǒng)生產(chǎn)PHB的最新研究進(jìn)展，以及存在的問(wèn)題和發(fā)展方向.

1 光催化劑協(xié)同微生物雜化光合體系

該生物雜化光合體系由光催化劑與微生物組成，選用的光催化劑具有較高的光吸收效率，微生物在系統(tǒng)中是一種具有高選擇性的“生物催化劑”.其作用原理為光催化劑接收大于或等于其禁帶寬度的入射光子的能量后，其價(jià)帶(valence band，VB)電子躍遷至導(dǎo)帶(conduction band，CB)并通過(guò)某種機(jī)制直接或間接地轉(zhuǎn)變?yōu)樯镞€原當(dāng)量(reducing equivalents，Red)，這些還原當(dāng)量可以促進(jìn)微生物代謝合成許多人工光合系統(tǒng)無(wú)法合成的復(fù)雜化合物[17].可用于生物雜化光合體系吸收太陽(yáng)能的非生物系統(tǒng)還包括光伏電池與電解槽耦合的人工光合系統(tǒng)以及光電化學(xué)電池等.與之相比，該生物雜化光合體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在實(shí)際應(yīng)用中可能更具成本優(yōu)勢(shì).

光催化劑參與的生物雜化光合作用是一個(gè)新興的，多學(xué)科交叉的研究方向.在該領(lǐng)域最先發(fā)展起來(lái)的是光催化劑—酶雜化光合體系.起初，科學(xué)家的研究重點(diǎn)在于利用光催化劑—酶雜化光合體系產(chǎn)氫、進(jìn)行人工固碳或固氮.例如，將無(wú)機(jī)材料與光系統(tǒng)Ι(PSΙ)或氫化酶相耦合可實(shí)現(xiàn)人工產(chǎn)氫[18-19]；在此基礎(chǔ)上，將氫化酶換成甲酸脫氫酶(FDH)、甲醛脫氫酶(FaldH)和醇脫氫酶等則可以進(jìn)一步生產(chǎn)甲酸、甲醇等小分子化學(xué)品[20-21].但該體系同時(shí)也存在著酶的提取與保存困難、光催化劑與酶的結(jié)合可能會(huì)降低酶活性、產(chǎn)物簡(jiǎn)單，不能合成高附加值的長(zhǎng)碳鏈分子化合物等問(wèn)題[22].后來(lái)，科學(xué)家將具有特定代謝途徑的微生物與光催化劑結(jié)合構(gòu)建了光催化劑-微生物雜化光合體系.系統(tǒng)發(fā)展之初，楊培東課題組率先利用熱醋穆?tīng)柺暇?Moorellathermoacetica)與CdS結(jié)合構(gòu)建了M.thermoacetica—CdS生物雜化光合體系，用以固定CO2生產(chǎn)乙酸[16].后來(lái)逐漸有科研工作者利用該生物雜化光合體系生產(chǎn)PHB.Wang等[23]構(gòu)建了一個(gè)由沼澤紅假單胞菌Rhodopseudomonaspalustris(ACCC 10649)和CdS納米粒子組成的生物雜化光合體系來(lái)還原CO2合成PHB和類(lèi)胡蘿卜素.R.palustris是一種廣泛分布于自然界中的厭氧菌，具有多種新陳代謝方式，可通過(guò)光合自養(yǎng)、光合異養(yǎng)、化學(xué)自養(yǎng)、化學(xué)異養(yǎng)等四種代謝模式進(jìn)行生長(zhǎng).在Cd2+存在的條件下，R.palustris細(xì)胞內(nèi)的半胱氨酸脫硫酶會(huì)催化半胱氨酸釋放S2-至培養(yǎng)基中.隨后S2-與Cd2+結(jié)合生成CdS包覆在細(xì)胞表面.通過(guò)這種方法形成的CdS與R.palustris細(xì)胞緊密結(jié)合，能有效提高體系細(xì)菌密度和PHB、類(lèi)胡蘿卜素的產(chǎn)量，且其作用效果與CdS納米粒子的含量成正相關(guān).同時(shí)，實(shí)驗(yàn)預(yù)先通過(guò)化學(xué)方法合成CdS，然后將其與天然R.palustris混合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其并不能有效提高最終的細(xì)胞密度，效果遠(yuǎn)不如Cd2+與S2-在R.palustris細(xì)胞表面原位組裝形成的CdS—R.palustris生物雜化光合體系.由此可見(jiàn)，半導(dǎo)體-細(xì)胞界面是電子高效傳遞的關(guān)鍵.實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究了CdS—R.palustris生物雜化光合體系促進(jìn)CO2還原的潛在作用機(jī)制(圖1).在光照條件下，CdS納米粒子受光激發(fā)產(chǎn)生光生電子，促進(jìn)還原當(dāng)量和ATP的形成，形成的還原當(dāng)量和ATP隨即參與細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的CBB循環(huán)合成甘油醛3-磷酸，隨后通過(guò)胞內(nèi)代謝途徑合成類(lèi)胡蘿卜素和PHB.最終，R.palustris的固體生物量、類(lèi)胡蘿卜素和PHB產(chǎn)量分別提高到了148%、122%和147%.

圖1 CdS協(xié)同R. palustris生物雜化光合體系產(chǎn)PHBFig.1 PHB production by hybrid photosynthetic system coupled with CdS and R. palustris

最近，本課題組也開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)PHB的新型生物雜化光合體系(圖2).該體系由石墨相氮化碳(g-C3N4)和真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌(Ralstoniaeutropha)組成[24].g-C3N4是一種非金屬半導(dǎo)體聚合物，具有合適的禁帶寬度(2.7 eV).與金屬基光催化劑相比，其合成成本低、生物相容性好、化學(xué)和熱穩(wěn)定性高、且具有較高的比表面積[25].R.eutropha是目前最為常見(jiàn)的產(chǎn)PHB菌種，在營(yíng)養(yǎng)均衡的條件下，菌株P(guān)HB積累量不及細(xì)胞干重的3%，而在碳源充足的條件下，適當(dāng)限制氮源或磷源，可明顯提高菌株P(guān)HB產(chǎn)量[26].g-C3N4受光激發(fā)產(chǎn)生的光生電子促進(jìn)了還原當(dāng)量的生成，進(jìn)而促進(jìn)R.eutropha體內(nèi)NADPH的再生，NADPH不僅可以直接促進(jìn)乙酰乙酰輔酶A向PHB的轉(zhuǎn)化.同時(shí)，NADPH也可能參與胞內(nèi)固定CO2的CBB循環(huán)，合成乙酰輔酶A.隨后，乙酰輔酶A依次經(jīng)β-酮硫解酶(PhaA)、乙酰乙酰輔酶A還原酶(PhaB)和PHB合成酶(PhaC)催化，最終生成PHB[24].研究結(jié)果顯示，生物雜化光合體系中PHB產(chǎn)量是單獨(dú)R.eutropha產(chǎn)量的1.2倍，向混合體系中加入電子供體三乙醇胺(TEOA)后可將PHB產(chǎn)量提高至1.4倍.并且實(shí)驗(yàn)檢測(cè)到參與合成PHB的電子只有一小部分來(lái)自于g-C3N4光催化產(chǎn)生的H2.據(jù)此，猜測(cè)g-C3N4與細(xì)菌之間的電子傳遞可能并非以H2為傳遞介質(zhì).為了探究g-C3N4光催化促進(jìn)R.eutropha產(chǎn)PHB的原因，課題組進(jìn)一步構(gòu)建了g-C3N4—Catalase體系，并將其與R.eutropha結(jié)合，與單獨(dú)培養(yǎng)R.eutropha相比，在異養(yǎng)和自養(yǎng)的條件下，菌株的PHB產(chǎn)量均提高了約一倍[27].這主要是因?yàn)榛旌象w系中Catalase通過(guò)分解附著在g-C3N4表面的H2O2，釋放被H2O2占據(jù)的催化活性位點(diǎn)，進(jìn)而促進(jìn)H2和O2的生成，而H2和O2都是R.eutropha自養(yǎng)生長(zhǎng)所需要的氣體.實(shí)驗(yàn)還利用電化學(xué)阻抗譜法分析了光生電子的轉(zhuǎn)移過(guò)程，結(jié)果表明g-C3N4與Catalase結(jié)合能有效降低光催化劑與微生物間的電荷轉(zhuǎn)移電阻，進(jìn)而促進(jìn)R.eutropha生產(chǎn)PHB.這在一定程度上解釋了g-C3N4—R.eutropha生物雜化光合體系提高PHB產(chǎn)量的原因.但目前，光生電子從g-C3N4到R.eutropha的轉(zhuǎn)移途徑仍不清晰，還需要更深入的探究.此外，實(shí)驗(yàn)探究了TEOA的濃度、g-C3N4濃度及培養(yǎng)基的初始pH值等實(shí)驗(yàn)條件對(duì)R.eutropha菌株P(guān)HB產(chǎn)量的影響，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化，最終確定其最佳實(shí)驗(yàn)條件分別為：TEOA濃度0.5%，g-C3N4濃度0.5 g·L-1，初始pH值6.8[24].

圖2 g-C3N4協(xié)同R. eutropha生物雜化光合體系產(chǎn)PHBFig.2 PHB production by hybrid photosynthetic system coupled with g-C3N4 and R. eutropha

基于該體系發(fā)展現(xiàn)狀，一方面可通過(guò)材料改性進(jìn)一步提高材料的光催化性能，具體包括：形貌和結(jié)構(gòu)調(diào)控[28-29]、元素?fù)诫s[30-32]、貴金屬沉積[33-34]、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料[35-36]等.另一方面，可通過(guò)基因工程提高產(chǎn)PHB菌株的生產(chǎn)能力、進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)PHB菌株的培養(yǎng)條件等途徑來(lái)提高PHB產(chǎn)量.

2 微生物電合成體系

微生物電合成(microbial electrosynthesis，MES)是近10年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的一種生物電化學(xué)技術(shù).常見(jiàn)的MES系統(tǒng)主要由陽(yáng)極室和陰極室構(gòu)成，兩電極浸入電解質(zhì)溶液中，中間由離子交換膜(ion-exchange membrane，IEM)或鹽橋隔開(kāi).在外源電能輸入的情況下，微生物通過(guò)直接或間接的方式從電極吸收電子還原CO2合成燃料和化學(xué)品[37].MES系統(tǒng)由外部電源驅(qū)動(dòng)，而外部電源可利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電.目前微生物電合成的產(chǎn)品以甲烷[38]、甲酸[39]、乙醇[40]、乙酸[41]、丁酸[42]等低分子化合物為主，商業(yè)價(jià)值不高.除此之外，電極與微生物之間較低的電子傳遞效率也成為了限制該技術(shù)工業(yè)化發(fā)展的瓶頸之一[43].近年來(lái)，越來(lái)越多的科學(xué)家將人工光電轉(zhuǎn)化裝置應(yīng)用于微生物電合成技術(shù)生產(chǎn)包括PHB在內(nèi)的各種化學(xué)品，取得了良好成效.

2.1 光伏電池驅(qū)動(dòng)的微生物電合成

與生物的光合作用相比，太陽(yáng)能光伏電池板具有很高的能量轉(zhuǎn)化效率.目前，太陽(yáng)能光伏電池板光能-電能轉(zhuǎn)化效率約為18%，并且最新研究有望將其提高至40%[44].將光伏電池與MES系統(tǒng)相耦合，能大大提高光能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率，具有很好的能源效益.

Liu等[45]構(gòu)建了一個(gè)多晶硅太陽(yáng)能電池驅(qū)動(dòng)的MES系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)PHB和C3～C5液態(tài)雜醇(圖3).實(shí)驗(yàn)選用菌株同樣為R.eutropha，陽(yáng)極和陰極材料分別為CoPi、Co-P合金.在外接電源的條件下，陽(yáng)極水分解產(chǎn)生H+，e-和O2，電子通過(guò)導(dǎo)線從陽(yáng)極流向陰極，質(zhì)子則通過(guò)電解液遷移到陰極，接著H+被Co-P陰極還原為H2.當(dāng)有連續(xù)CO2鼓入時(shí)，陰極處的R.eutropha捕獲H2產(chǎn)生還原當(dāng)量，用于還原CO2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中陰極Co-P合金電極浸出的Co2+被陽(yáng)極電催化氧化為Co3+重新沉積在CoPi陽(yáng)極上，進(jìn)而使電解液中的Co2+的濃度始終穩(wěn)定保持在較低水平，這極大地降低了金屬離子Co2+對(duì)R.eutropha的毒害作用.同時(shí)，該系統(tǒng)中水分解的過(guò)電位及陰極活性氧含量都得以降低.這就使得該生物雜化光合系統(tǒng)具有較高的能量利用效率和良好的生物相容性.用能量轉(zhuǎn)化效率為18%的太陽(yáng)能電池來(lái)驅(qū)動(dòng)該MES系統(tǒng)生產(chǎn)PHB，其能量利用效率可達(dá)7.6%.

圖3 光伏電池驅(qū)動(dòng)微生物電合成PHBFig.3 PHB production by photovoltaic cell-driven microbial electrosynthesis

光伏電池驅(qū)動(dòng)的MES系統(tǒng)中，光吸收裝置與微生物電合成反應(yīng)器被分隔開(kāi)來(lái)，有效避免了光吸收系統(tǒng)與微生物細(xì)胞的兼容性問(wèn)題.

2.2 微生物光電化學(xué)池驅(qū)動(dòng)的微生物電合成

將光催化材料引入微生物電化學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建微生物光電化學(xué)池用于驅(qū)動(dòng)微生物電合成是實(shí)現(xiàn)光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化的另一種途徑.在該系統(tǒng)中，半導(dǎo)體材料吸收光能促進(jìn)水分解，為陰極反應(yīng)提供還原當(dāng)量.微生物光電化學(xué)池的結(jié)構(gòu)與光電化學(xué)電池相似，均包括光陽(yáng)極或光陰極又或者兩者兼而有之，區(qū)別在于微生物光電化學(xué)池含有微生物細(xì)胞，并將其作為生物催化劑用于還原CO2合成化合物，而光電化學(xué)池則不包含微生物，主要用于產(chǎn)氫儲(chǔ)能[46-50].

利用微生物光電化學(xué)池驅(qū)動(dòng)微生物電合成生產(chǎn)化合物是一個(gè)全新的領(lǐng)域，Liu等[51]首次構(gòu)建了一個(gè)串聯(lián)微生物光電化學(xué)池用以生產(chǎn)PHB(圖4).在該系統(tǒng)中，光陽(yáng)極材料為二氧化鈦納米線，光陰極材料為硅納米線，中間由離子交換膜隔開(kāi)，陰陽(yáng)兩極共同構(gòu)成了一個(gè)光吸收單元.陰極和光陽(yáng)極均置于光照條件下，具有高比表面積的硅納米線陣列吸收光能為厭氧菌Sporomusaovata提供還原當(dāng)量生產(chǎn)乙酸，由此產(chǎn)生的乙酸隨后被經(jīng)過(guò)基因改造的大腸桿菌Escherichiacoli利用來(lái)生產(chǎn)PHB.值得注意的一點(diǎn)是，光電極納米陣列的存在為厭氧菌S.ovata創(chuàng)造了一個(gè)局部厭氧環(huán)境，使得S.ovata在有氧條件下仍然能夠正常生長(zhǎng)并繼續(xù)還原CO2，這一點(diǎn)對(duì)于該系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用具有重要意義.同時(shí)，通過(guò)調(diào)整大腸桿菌基因改造方案，該系統(tǒng)還可以用來(lái)生產(chǎn)更多種類(lèi)的化學(xué)品.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)具有低于200 mV較低的過(guò)電勢(shì)、高達(dá)90%的法拉第效率，長(zhǎng)達(dá)200 h的穩(wěn)定性，產(chǎn)物PHB的目標(biāo)分子產(chǎn)率高達(dá)52%.

圖4 微生物光電化學(xué)池驅(qū)動(dòng)微生物電合成PHBFig.4 PHB production by microbial electrosynthesis driven by microbial photoelectrochemical cell

一方面，微生物光電化學(xué)池驅(qū)動(dòng)的微生物電合成在沒(méi)有外加電源的條件下利用光能還原CO2生產(chǎn)化學(xué)品，降低了電能輸入，具有極高的能源效益，為微生物電合成PHB提供了一條新的途徑.而通過(guò)外加電壓，則可以進(jìn)一步提高光電極光生電子和空穴的分離效率，提高該系統(tǒng)光電催化活性[52-53].同時(shí)，應(yīng)將外加電壓控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，因?yàn)殡妱?shì)過(guò)高會(huì)破壞微生物的細(xì)胞膜，對(duì)其產(chǎn)生不利影響[54]；電勢(shì)過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致電子在電極與微生物之間傳遞緩慢，從而降低化學(xué)品生產(chǎn)速率和產(chǎn)量[55].另一方面，利用微生物光電化學(xué)池生產(chǎn)化合物還處在研究初期，仍然存在生產(chǎn)力及光能到化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率較低等問(wèn)題，如何提高該系統(tǒng)中的光電轉(zhuǎn)化效率以及如何降低系統(tǒng)優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部微生物帶來(lái)的不利影響是科學(xué)家仍需進(jìn)一步探究的課題.

3 總結(jié)與展望

生物雜化光合體系提供了一個(gè)清潔、可持續(xù)、經(jīng)濟(jì)高效的化學(xué)合成平臺(tái).將該體系應(yīng)用于化學(xué)品的合成是近幾年才逐漸發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新興技術(shù)，目前有關(guān)利用生物雜化光合體系生產(chǎn)PHB的研究并不多.文中提到的光催化劑協(xié)同微生物雜化光合體系和MES體系實(shí)現(xiàn)了生物雜化光合體系生產(chǎn)PHB的初步探索，但要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用仍面臨著諸多挑戰(zhàn).

首先，材料與生物間的能量和電荷轉(zhuǎn)移問(wèn)題制約了生物雜化光合體系的進(jìn)一步發(fā)展.材料與微生物間的電子傳遞機(jī)制主要有直接電子傳遞和間接電子傳遞兩種.直接電子傳遞即微生物直接從材料表面獲得電子，間接電子傳遞則通過(guò)電子載體將電子傳遞給微生物細(xì)胞[56].電子載體通常是小的氧化還原介質(zhì)，如H2、甲酸、NH3及Fe2+等[57].光催化劑協(xié)同微生物雜化光合體系以直接電子傳遞為主.Kornienko等[58]利用光譜分析法揭示了Moorellathermoacetica-CdS生物雜化光合體系生產(chǎn)乙酸過(guò)程中的兩種電子轉(zhuǎn)移途徑.第一種電子轉(zhuǎn)移途徑中，CdS受光激發(fā)產(chǎn)生的光電子先被膜結(jié)合的產(chǎn)氫酶吸收用于H2的生成，H2隨后被氧化為細(xì)胞代謝提供還原當(dāng)量；第二種轉(zhuǎn)移途徑中，光電子直接通過(guò)電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入胞內(nèi)參與相關(guān)酶促還原反應(yīng).鑒于電子傳遞涉及反應(yīng)眾多，過(guò)程繁雜，包括R.palustris和R.eutropha在內(nèi)的許多微生物與光催化劑間的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制仍未知，需要科研人員繼續(xù)探索.MES系統(tǒng)中電極材料與微生物間的電子傳遞機(jī)制包括直接和間接電子傳遞兩種.電極與細(xì)胞間的直接電子傳遞一般需要膜結(jié)合的氧化還原蛋白的參與.目前，關(guān)于其電子傳遞機(jī)制的報(bào)道以對(duì)硫還原地桿菌Geobactersulfurreducens和奧奈達(dá)希瓦氏菌ShewanellaoneidensisMR-1的研究最為透徹.G.sulfurreducens和S.oneidensisMR-1均通過(guò)細(xì)胞膜上的色素蛋白實(shí)現(xiàn)雙向電子傳遞.通過(guò)對(duì)雙向電子傳遞過(guò)程中色素蛋白基因表達(dá)水平的對(duì)比分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)電子從G.sulfurreducens到電極和從電極到G.sulfurreducens的傳遞過(guò)程可能是兩條完全不同的路徑[59].與之相反，對(duì)S.oneidensisMR-1的研究則表明，電子從S.oneidensis到電極和從電極到S.oneidensis可能互為逆過(guò)程[60].直接電子傳遞過(guò)程中電極與微生物細(xì)胞緊密接觸，這在一定程度上限制了底物和產(chǎn)物的擴(kuò)散.同時(shí)，電極與細(xì)胞間的電子傳遞效率受限于電極表面積大小，阻礙了其工業(yè)化進(jìn)程.但與間接電子傳遞相比，直接電子傳遞過(guò)程具有較低的過(guò)電勢(shì)，因而可實(shí)現(xiàn)較高的電流效率.包括S.ovata和M.thermoacetica在內(nèi)的大多數(shù)產(chǎn)乙酸菌都能與電極進(jìn)行直接電子轉(zhuǎn)移，電合成過(guò)程電子回收率可達(dá)80%[61].而R.eutropha和E.coli等已建立基因組編輯方法且具有更多樣代謝途徑的細(xì)菌只能通過(guò)電子媒介間接地從陰極吸收電子，電極與微生物細(xì)胞間的電子轉(zhuǎn)移效率較低.針對(duì)這一問(wèn)題，可以通過(guò)酶的加入來(lái)構(gòu)造新的電子轉(zhuǎn)移途徑，進(jìn)而提高微生物細(xì)胞外電子轉(zhuǎn)移效率，提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量.例如，Chen等[62]將甲酸脫氫酶(Formate dehydrogenase，F(xiàn)DH)與中性紅(NR)介導(dǎo)的MES系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建了一種酶輔助的電合成系統(tǒng).在該系統(tǒng)中，中性紅和酶催化產(chǎn)生的甲酸均作為電子載體為細(xì)胞提供還原當(dāng)量，這極大地提高了電極與微生物細(xì)胞間的電子傳遞速度，并且有效降低了微生物電合成系統(tǒng)的過(guò)電勢(shì)，節(jié)約了電能.同時(shí)，研究微生物與光催化材料或電極間的電子轉(zhuǎn)移機(jī)制，也便于科學(xué)家通過(guò)生物工程技術(shù)構(gòu)建新的更高效的電子轉(zhuǎn)移路徑.

另一方面，針對(duì)光催化劑光生電子-空穴對(duì)復(fù)合率高、表面活性位點(diǎn)有限，電極材料金屬離子浸出率高，活性氧含量過(guò)高等問(wèn)題，需要對(duì)現(xiàn)有催化劑進(jìn)行優(yōu)化改性或開(kāi)發(fā)出催化性能更加優(yōu)良、生物相容性更好的新材料.例如，Li等[63]將Ni納米顆粒嵌入N摻雜的碳納米管合成了一種新型電催化劑Ni@N-C，將其用于MES系統(tǒng)作陰極電極材料，可以驅(qū)動(dòng)陰極的析氫反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)R.eutrophaH16還原CO2生產(chǎn)PHB，改性后的材料具有更好的穩(wěn)定性和生物相容性.此外，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)pH，溫度、鹽濃度等對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化.MES系統(tǒng)中，鹽可以增強(qiáng)電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電性，降低溶液電阻，從而減少所需能量.最后，可利用合成生物學(xué)技術(shù)改進(jìn)微生物本身的性質(zhì)進(jìn)而提高生物雜化光合系統(tǒng)的性能和效率、降低生產(chǎn)成本.如，通過(guò)對(duì)微生物進(jìn)行基因工程改造引入新的代謝途徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)利用低成本底物合成所需產(chǎn)物[64-65]；或者通過(guò)調(diào)控微生物代謝途徑中的基因表達(dá)來(lái)提高產(chǎn)量[66-67]；還可以精簡(jiǎn)基因組進(jìn)而改變微生物生長(zhǎng)方式，提高細(xì)胞生長(zhǎng)速率、縮短生產(chǎn)周期等[68].合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展為設(shè)計(jì)和構(gòu)建優(yōu)良PHB生產(chǎn)菌株打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為利用生物雜化光合系統(tǒng)提高特定化學(xué)品產(chǎn)量、生產(chǎn)更多種類(lèi)的化學(xué)品提供了一條具有良好前景的發(fā)展方向.