郭禹曼，洪學(xué)明，樊 彬，呂永琴

(北京化工大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京市生物加工過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 國家能源生物煉制研發(fā)中心，北京 100029)

《巴黎協(xié)定》規(guī)定，將全球升溫幅度控制在2 ℃內(nèi)，并致力于實(shí)現(xiàn)1.5 ℃溫控目標(biāo)[1]，全球承諾在21世紀(jì)中葉左右實(shí)現(xiàn)CO2凈零排放目標(biāo)的國家越來越多。針對此，2020年，我國提出了兩項(xiàng)重要目標(biāo)，即力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”，于2060年前達(dá)到“碳中和”。然而，現(xiàn)有的方案基本只是依賴能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，例如提高化石能源利用效率和增加清潔能源利用比例等，并不是控制大氣中CO2含量最有效的方式，如能結(jié)合CO2的高效捕集與轉(zhuǎn)化技術(shù)[2]，則可進(jìn)一步減緩大氣中CO2濃度的增長。

人工光合作用作為最具前景的碳中和手段之一，其目標(biāo)是利用光能作為原始驅(qū)動(dòng)力，將CO2高效還原為氣體、液體燃料[3]或進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可降解生物塑料[4]等高附加值的產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)對CO2的清潔、資源化利用。相比于CO2的熱催化轉(zhuǎn)化，人工光合作用能在常溫常壓下發(fā)生反應(yīng)，能量來源更加清潔。隨著光伏發(fā)電等技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)今人工光合作用主要包含光化學(xué)催化和電化學(xué)催化兩種方式。與電化學(xué)催化相比，光化學(xué)催化能夠直接利用一級能源即太陽能，可以更有效地避免能量在多級轉(zhuǎn)化過程中造成的損耗。

自1972年Fujishima等[5]在TiO2電極上發(fā)現(xiàn)了水裂解現(xiàn)象以來，光化學(xué)催化蓬勃發(fā)展，國內(nèi)外研究者開發(fā)了多樣的光催化劑，實(shí)現(xiàn)了在多種化學(xué)反應(yīng)中對光能的直接利用。受自然界光合作用的啟發(fā)，研究人員基于無機(jī)和有機(jī)半導(dǎo)體材料構(gòu)建了多種光催化人工光合體系[6-8]。純?nèi)斯さ墓獯呋w系盡管具有較高的能量效率，然而產(chǎn)物選擇性差，針對CO2的還原反應(yīng)往往只能得到低碳數(shù)的還原產(chǎn)品[9]。自然界中的植物和一些自養(yǎng)微生物能夠通過其固有的固碳途徑吸收CO2，并將CO2高選擇性和特異性地轉(zhuǎn)化為長碳鏈的代謝產(chǎn)物。然而，天然固碳途徑的固碳效率低，難以直接應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。人工化學(xué)催化與生物催化的耦合體系集成了二者的優(yōu)點(diǎn)，在近年來得到了迅速的發(fā)展，其中，光催化-微生物耦合固碳體系通過太陽能激發(fā)人工光催化材料產(chǎn)生高能量電子，為微生物細(xì)胞提供能量和還原力，驅(qū)動(dòng)高效固碳和產(chǎn)物合成。該耦合體系一方面具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率，另一方面也能專一性合成更長碳鏈的產(chǎn)品[10]，有望獲得全新的人工生物固碳體系，革新碳循環(huán)模式。

本文從光催化的原理出發(fā)，探討了光催化-微生物耦合固碳體系設(shè)計(jì)的基本條件和思路，總結(jié)了近年來該領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，并對耦合體系未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 光催化原理

半導(dǎo)體材料的光催化能力來源于晶格中原子軌道的線性重組和分裂，產(chǎn)生能量較高的反鍵軌道集合(導(dǎo)帶，CB)和能量較低的成鍵軌道集合(價(jià)帶，VB)[11]，二者之間的能級區(qū)間通常稱為禁帶。一般來說，導(dǎo)帶底端的能級位置能夠衡量其受光激發(fā)產(chǎn)生電子的還原能力，導(dǎo)帶底端能級越負(fù)，則光激發(fā)高能態(tài)電子的還原能力越強(qiáng)；相對的，價(jià)帶頂端的能級位置能夠衡量其受光激發(fā)遺留空穴的氧化能力，價(jià)帶頂端能級越正，則光激發(fā)遺留空穴的氧化能力越強(qiáng)[12]。對于一個(gè)半導(dǎo)體光催化劑，其發(fā)生催化反應(yīng)的過程如圖1所示。以還原反應(yīng)部分為例，半導(dǎo)體材料受到光的激發(fā)，位于VB頂端能級的電子吸收能量發(fā)生躍遷，躍遷至能級更負(fù)的CB，躍遷后的電子趨于向能量更低處流動(dòng)。因此，可能會(huì)發(fā)生3種情況：①電子與空穴發(fā)生復(fù)合，并將多余的能量以光能和熱能等形式釋放到半導(dǎo)體外；②電子被反應(yīng)體系中的電子介體(M)接收，并進(jìn)一步被傳遞出去；③電子被半導(dǎo)體材料表面吸附的反應(yīng)物分子利用，發(fā)生還原反應(yīng)[13]。

圖1 光催化CO2還原的基本原理

由此可以總結(jié)出完成一次CO2還原反應(yīng)的基本微觀過程：①材料吸收光，產(chǎn)生電子-空穴對；②電子與空穴發(fā)生分離，各自遷移至催化劑的表面；③在催化劑表面，電子被CO2分子利用，發(fā)生還原反應(yīng)，空穴由水或其他電子供體分子猝滅，發(fā)生氧化反應(yīng)[14]。在反應(yīng)的過程中，半導(dǎo)體材料的能級結(jié)構(gòu)和電子-空穴分離能力、CO2分子和反應(yīng)中間體的吸附情況及副反應(yīng)等均會(huì)對CO2還原的結(jié)果產(chǎn)生重要影響。因此，實(shí)現(xiàn)CO2光催化還原要求半導(dǎo)體材料的禁帶位置和寬度合適：即在不考慮能量損失的情況下滿足CB底端位置高于CO2還原反應(yīng)能夠發(fā)生的還原電極電位；如VB頂端位置低于析氧反應(yīng)的電極電勢時(shí)，則能夠發(fā)生析氧反應(yīng)，否則需要添加空穴犧牲劑；整體禁帶寬度以不超過3.20 eV為佳，否則將導(dǎo)致材料吸光波長過短，造成對可見光資源的浪費(fèi)。

常見半導(dǎo)體的禁帶位置及CO2還原標(biāo)準(zhǔn)電極電位(以標(biāo)準(zhǔn)氫電極(SHE)為基準(zhǔn)，pH7)，如圖2所示。同時(shí)，材料本身應(yīng)具有良好的電子-空穴分離能力和適當(dāng)?shù)腃O2吸附能力。電子-空穴分離能力顯示了材料的能量利用效率，對CO2的吸附能力說明與其他競爭反應(yīng)相比，材料對CO2還原反應(yīng)的專一性。除此以外，半導(dǎo)體材料對CO2還原中間體的吸附能力是衡量反應(yīng)選擇性的重要指標(biāo)。如Sabatier原則[15]指出，催化劑對中間體CO的吸附能大小可以作為預(yù)測CO2還原產(chǎn)品的依據(jù)。目前的研究一般都以密度泛函理論(DFT)計(jì)算的結(jié)果作為參考，以獲取催化劑對各步中間體的吸附能大小。

圖2 常見半導(dǎo)體材料的帶隙位置及CO2還原電極電位[16]

表1 CO2還原以及析氫反應(yīng)的還原電極電位[18]

CO2通過2、4、6和8個(gè)電子還原過程可以生成不同的產(chǎn)品，現(xiàn)有的CO2人工催化還原產(chǎn)品通常為經(jīng)歷2電子還原的CO和HCOOH，雖然生成甲醇、甲烷等產(chǎn)品所需的外加電位更低，但其反應(yīng)歷程也更加復(fù)雜[13]。此外，由于碳碳鍵偶聯(lián)的過程需要克服脫附產(chǎn)物在催化劑表面較高的再活化能壘[19]，生產(chǎn)多碳產(chǎn)品仍是當(dāng)今CO2人工催化還原領(lǐng)域面臨的重要困境。相比之下，析氫反應(yīng)的歷程簡單、所需電極電位相對較低，具有熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的雙重優(yōu)勢[20]。

總之，為了有效避免CO2水溶性差、還原能壘高、催化產(chǎn)品單一以及選擇性差等劣勢，精確控制催化劑的吸附和反應(yīng)位點(diǎn)，進(jìn)一步提升電子-空穴分離效率，并提高催化劑的長期使用穩(wěn)定性等是設(shè)計(jì)催化劑時(shí)必須考慮的因素。盡管一些光催化劑對單碳產(chǎn)品的選擇性能夠超過90%[21-22]，但利用人工催化劑專一性生產(chǎn)多碳產(chǎn)品仍然是目前的研究難點(diǎn)。

2 生物固碳途徑

目前已驗(yàn)證的天然固碳途徑有6種，卡爾文循環(huán)即Calvin-Benson-Bassham 循環(huán)(CBB循環(huán)，也稱還原性戊糖磷酸循環(huán))、還原性三羧酸循環(huán)(rTCA循環(huán))、Wood-Ljungdahl 途徑(WL途徑，也稱還原性乙酰輔酶A途徑)、3-羥基丙酸循環(huán)(3-HP循環(huán))、3-羥基丙酸/4-羥基丁酸循環(huán)(3HP/4HB循環(huán))和二羧酸/4-羥基丁酸循環(huán)(DC/4HB循環(huán))。這6種生物固碳途徑涉及了9種不同的關(guān)鍵固碳酶[23]，除3-HP循環(huán)固定1分子CO2需消耗1.67分子的NAD(P)H以外，其他循環(huán)固定1分子CO2均需2分子的NAD(P)H[19]。由此可見，提升天然途徑的固碳效率需要充足的還原力，但NAD(P)H等輔因子的昂貴生產(chǎn)成本限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。針對此，研究人員利用g-C3N4、卟啉衍生物和晶態(tài)多孔有機(jī)骨架材料等光催化材料在體外實(shí)現(xiàn)NAD(P)H的高效光催化再生[24]。目前的研究普遍認(rèn)為，在光催化-微生物耦合體系中，光催化材料通過太陽能激發(fā)產(chǎn)生的高能電子促進(jìn)胞內(nèi)NAD(P)H再生，從而驅(qū)動(dòng)高效固碳。

天然的固碳途徑往往存在核心酶效率低、能量損失大以及嚴(yán)格厭氧等問題，通過基因工程、酶工程等手段對天然固碳循環(huán)進(jìn)行改造或構(gòu)建人工固碳循環(huán)將有助于固碳效率的提升。例如Liao團(tuán)隊(duì)的Yu等[25]設(shè)計(jì)構(gòu)建了蘋果酰輔酶A-甘油酸(MCG)途徑，在該途徑中添加高活性固碳酶Ppc，將乙醇酸轉(zhuǎn)化為乙酰輔酶A以降低光呼吸過程中的碳損失，在光合有機(jī)體中，MCG途徑與CBB循環(huán)耦合，增強(qiáng)了乙酰輔酶A的合成。2016年，Erb團(tuán)隊(duì)的Schwander等[26]構(gòu)建了一種由17種酶組成的代謝網(wǎng)絡(luò)——CETCH循環(huán)，并通過酶工程和代謝工程優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了無細(xì)胞多酶催化的CO2連續(xù)固定。2021年，天津工業(yè)生物所的馬延和團(tuán)隊(duì)的Cai等[27]在無細(xì)胞體系中構(gòu)建了由11個(gè)核心反應(yīng)組成的人工合成淀粉途徑ASAP，該途徑以人工CO2加氫為起始耦合多種酶反應(yīng)，最終每克催化劑轉(zhuǎn)化CO2的速率高達(dá)22 nmol/(min·g)，比玉米中淀粉的合成速率高8.5倍。

通過基因工程手段在代謝活力強(qiáng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的異養(yǎng)微生物中建立固碳循環(huán)，有利于進(jìn)一步推動(dòng)固碳生產(chǎn)走向工業(yè)化應(yīng)用。2016年，Milo團(tuán)隊(duì)的Antonovsky 等[28]結(jié)合代謝重組和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化的手段改造大腸桿菌，通過非天然CBB循環(huán)，該菌株能夠?qū)O2轉(zhuǎn)化為糖和其他生物質(zhì)。Steiger團(tuán)隊(duì)的Gassler等[29]在2019年通過添加8個(gè)異源基因和缺失3個(gè)天然基因，將畢赤酵母的甲醇同化途徑改造為類似CBB循環(huán)的CO2固定途徑，改造后的細(xì)胞能夠利用CO2為唯一碳源進(jìn)行自養(yǎng)生長。2021年Hu等[30]在大腸桿菌中開發(fā)了一種CO2固定系統(tǒng)，結(jié)合CdS納米顆粒與CO2固定途徑構(gòu)建CO2固定模塊，通過設(shè)計(jì)分子開關(guān)與錨定視紫質(zhì)構(gòu)建CO2減排模塊，在光照下將由葡萄糖生產(chǎn)蘋果酸和丁酸的產(chǎn)量提高到了理論值(圖3)。通過將異源金屬蛋白PbrR錨定在大腸桿菌的細(xì)胞膜上，半導(dǎo)體材料CdS在細(xì)胞表面發(fā)生自沉積，由此搭建的CdS光系統(tǒng)成功提高了胞內(nèi)NADH的含量。

PEP—磷酸烯醇式丙酮酸；OAA—草酰乙酸；MAL—蘋果酸；DHAP—磷酸二羥丙酮

與天然固碳微生物相比，在大腸桿菌、酵母等模式工程菌中構(gòu)建固碳途徑往往能夠獲得更高的CO2固定效率[30]，并有望通過固碳新途徑的挖掘優(yōu)化進(jìn)一步擴(kuò)展固碳產(chǎn)品的多樣性。

3 光催化-微生物耦合固碳系統(tǒng)的理性設(shè)計(jì)

盡管通過材料摻雜[31]、負(fù)載[32]和異質(zhì)結(jié)[33]等方法可以有效提升光催化劑的電荷分離效率，但是單純依靠光催化劑跨越CO2還原的能壘仍較為困難，也很難實(shí)現(xiàn)碳碳鍵(C—C)的偶聯(lián)。同時(shí)，與自然界中的光合作用相比，光催化材料不具備天然催化劑的高選擇性、低能耗、可自我復(fù)制及可自我修復(fù)等性能，因此在催化產(chǎn)品的專一性、潛在產(chǎn)品的多樣性和長期催化的穩(wěn)定性上仍有很大的差距。

自然界的光合系統(tǒng)中，在葉綠素分子中存在離域的π鍵共軛結(jié)構(gòu)，其中原子軌道經(jīng)過線性重組得到一組能量較低的π軌道和一組能量較高的π*軌道，電子在分子軌道中填充時(shí)會(huì)優(yōu)先占據(jù)能量更低的π軌道，由此產(chǎn)生HOMO和LUMO能級。處在HOMO能級的電子可以吸收一定能量的光子躍遷至更高的能態(tài)，并將該能量以共振傳遞或激子傳遞的方式遞送至光合作用的反應(yīng)中心[34]。葉綠素與半導(dǎo)體材料吸收光的原理相近，受此啟發(fā)，研究者利用量子產(chǎn)率更高的半導(dǎo)體材料與光合[35]或非光合微生物系統(tǒng)耦合，借助微生物代謝體系的自我復(fù)制、自我修復(fù)和高度選擇性，合成化學(xué)催化難以獲得的多碳產(chǎn)品，并且提升了系統(tǒng)整體的能量利用效率[36]。其中，半導(dǎo)體材料與非光合固碳微生物的耦合系統(tǒng)，可以將光能作為微生物固定CO2的驅(qū)動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)較高的量子產(chǎn)率。

例如，將半導(dǎo)體材料結(jié)合在含自養(yǎng)途徑(如CBB循環(huán)、WL途徑)的微生物細(xì)胞膜外，當(dāng)以波長合適的光照射雜合體系時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)生光激發(fā)電子，該電子可被膜上特定的酶、跨膜電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或細(xì)胞分泌的氧化還原介體等[37]轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)部，為細(xì)胞提供還原力，從而增強(qiáng)固碳代謝(圖4(a))。此外，將尺寸足夠小的半導(dǎo)體材料(如，量子點(diǎn)[38]、納米金[39]等)導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部，其光激發(fā)產(chǎn)生的電子可以直接在胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為還原力(圖4(b))。這種設(shè)計(jì)策略規(guī)避了電子跨膜運(yùn)輸緩慢的動(dòng)力學(xué)阻礙，同時(shí)減少了運(yùn)輸過程的能量消耗[39]，并且在一定程度上可以避免細(xì)胞分裂過程中半導(dǎo)體材料從細(xì)胞表面脫落的情況。然而迄今為止，固碳菌從半導(dǎo)體中直接攝取電子的機(jī)制尚不明確。避免電子跨膜運(yùn)輸限制的另一種策略是采用H2作為電子穿梭載體，當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，光生電子不被細(xì)胞直接利用，而是參與光解水反應(yīng)生成H2。H2可以通過微生物細(xì)胞膜上的氫酶向胞內(nèi)輸送還原力，促進(jìn)CO2的固定(圖4(c))[40]。微生物(如，Moorellathermoacetica和一些梭菌)可利用H2/CO2通過WL途徑產(chǎn)生乙酸[41]，一些具CBB循環(huán)的自養(yǎng)微生物也能夠利用CO2和H2為自身生長提供能源，如Ralstoniaeutropha等[42]。

圖4 光催化-微生物耦合固碳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略

因?yàn)楣庹諏ι到y(tǒng)的損傷以及人工材料固有的生物毒性的存在，所以在構(gòu)建光催化-微生物耦合系統(tǒng)時(shí)，半導(dǎo)體材料的選擇有較高的要求。第一，材料必須能夠被可見光激發(fā)，以避免紫外光對微生物造成損害。第二，材料本身具有較高的生物親和性和相容性。第三，半導(dǎo)體材料附著在微生物膜外，則要求二者緊密結(jié)合，否則會(huì)阻斷電子傳遞。如果導(dǎo)入微生物內(nèi)部，則半導(dǎo)體顆粒尺寸應(yīng)足夠小。第四，考慮到培養(yǎng)基成分的復(fù)雜性，半導(dǎo)體材料必須能夠在此環(huán)境中保持穩(wěn)定的量子產(chǎn)率和光催化性能。另外，體系的組裝成本也是必須考慮的因素。

4 光催化-微生物耦合固碳研究進(jìn)展

2015年Yang團(tuán)隊(duì)的Liu等[43]首次開發(fā)了一種有別于傳統(tǒng)微生物電合系統(tǒng)的光電-微生物耦合體系(圖5)，采用光電極材料替換傳統(tǒng)電極，實(shí)現(xiàn)了對光能更直接的利用：以TiO2作為光陽極捕獲太陽能，通過光陽極上發(fā)生的析氧反應(yīng)向光陰極提供電子和質(zhì)子；利用生物相容性的硅納米線作為光陰極，光陰極向聚集在納米線陣列中的Sporomusaovata提供電子，S.ovata利用WL途徑實(shí)現(xiàn)了CO2的固定。納米線為S.ovata創(chuàng)造局部厭氧環(huán)境，為厭氧菌在有氧環(huán)境下的應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考。該體系具有高能量效率、法拉第效率和長期穩(wěn)定性，在小于200 mV的過電位下能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)90%的法拉第效率，可以持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)200 h。而且產(chǎn)物乙酸可以被基因工程改造的大腸桿菌利用，生產(chǎn)更多高附加值的產(chǎn)品。

圖5 光電-S. ovata系統(tǒng)固定CO2生產(chǎn)乙酸及其他下游產(chǎn)品[43]

CdS是一種優(yōu)異的半導(dǎo)體材料，具有合適的能帶結(jié)構(gòu)，在光催化-微生物耦合固碳領(lǐng)域應(yīng)用[44-46]十分廣泛(圖6)。Yang團(tuán)隊(duì)的Sakimoto等[44]利用一些微生物可以誘導(dǎo)礦物納米顆粒沉積的特點(diǎn)，將CdS納米顆粒沉積在了M.thermoacetica細(xì)胞膜上，使M.thermoacetica發(fā)生自光敏化，半胱氨酸同時(shí)作為體系的硫源和犧牲劑。在合適的光照條件下，CdS能夠?yàn)镸.thermoacetica提供光生電子，通過電子產(chǎn)生的還原力增強(qiáng)細(xì)菌固定CO2的WL途徑，同時(shí)CdS的存在能夠有效減弱細(xì)菌受到的光損傷。在低強(qiáng)度模擬日光照射下，總量子產(chǎn)率可以達(dá)到2.44%±0.62%?；诖?，Wang等[45]在2019年設(shè)計(jì)開發(fā)了由Rhodopseudomonaspalustris自沉積CdS固定CO2生產(chǎn)PHB的系統(tǒng)，增強(qiáng)了細(xì)菌自有的光合作用。Xu等[46]開發(fā)了CdS-Cupriavidusnecator光催化-微生物耦合系統(tǒng)，通過CdS自沉積和人工合成CdS納米棒2種方式增強(qiáng)了PHB的生產(chǎn)。另外，Ye等[47-48]構(gòu)建了CdS-Methanosarcinabarkerit體系，利用光生電子為微生物提供還原力，實(shí)現(xiàn)了甲烷的高效生產(chǎn)。

(a)CdS-M. thermoacetica耦合體系[44]；(b)CdS-R. palustris耦合體系[45]；(c)CdS-C. necator耦合體系[46]

2016年，Sakimoto等[49]對CdS-M.thermoacetica體系進(jìn)行了改進(jìn)，通過TiO2-MnPc與CdS-M.thermoacetica體系的耦合，實(shí)現(xiàn)了胱氨酸到半胱氨酸的循環(huán)再生，有效提升了循環(huán)穩(wěn)定性。

異質(zhì)結(jié)作為一種常見的復(fù)合材料設(shè)計(jì)，有利于改善材料吸光性能，促進(jìn)電荷分離。除無機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)外，有機(jī)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的生物相容性更好，可以通過靜電相互作用與疏水相互作用等與細(xì)胞膜直接結(jié)合，極大地促進(jìn)胞內(nèi)外電子轉(zhuǎn)移。2020年，Gai等[50]首次開發(fā)了一種PFP/PDI-M.thermoacetica耦合系統(tǒng)(圖7)，其中PFP與PDI間的HOMO或LUMO能級之差均大于0.3 eV，能夠提供充足的電子-空穴分離驅(qū)動(dòng)力。PFP與PDI以帶正電的銨基基團(tuán)與帶負(fù)電的細(xì)菌表面通過靜電作用發(fā)生吸附，同時(shí)PFP通過疏水作用插入細(xì)胞膜，增強(qiáng)了電子轉(zhuǎn)運(yùn)。經(jīng)優(yōu)化后，該體系的最終量子產(chǎn)率達(dá)1.6%，與植物及藻類全年光合作用的量子產(chǎn)率相當(dāng)。

圖7 PFP/PDI-M. thermoacetica耦合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(a)以及光激發(fā)電子的傳遞路徑(b)[50]

為進(jìn)一步提高光催化材料和細(xì)胞的界面結(jié)合性，Guo等[51]開發(fā)了一種人工自組裝方法(圖8)。首先使用酚類聚合物包封InP納米顆粒，得到表面含有細(xì)胞親和性基團(tuán)的光催化劑，其次再利用聚丙烯酰胺鹽酸鹽(PAH)包封酵母細(xì)胞，在酵母細(xì)胞表面引入正電荷，最后通過光催化材料和酵母細(xì)胞的自組裝構(gòu)建生物雜合系統(tǒng)。該團(tuán)隊(duì)利用基因工程手段改造酵母中NADPH再生途徑與中心碳代謝途徑，在光照下，InP的光生電子能夠跨越酵母細(xì)胞膜，促進(jìn)胞內(nèi)NADP+向NADPH轉(zhuǎn)化，為生產(chǎn)莽草酸的途徑提供還原力，這種設(shè)計(jì)策略有助于實(shí)現(xiàn)莽草酸生產(chǎn)途徑中的碳通量最大化。在光照條件下，體系在72 h有氧生長后生產(chǎn)(48.5 ± 2.1)mg/L莽草酸，顯著高于對照組。然而，InP與酵母之間的電子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制仍然尚不明確。

圖8 功能化InP納米粒子與基因工程酵母組裝成模塊化光催化-微生物耦合體系[51]

在上述光催化-微生物耦合體系中，光生電子都是由半導(dǎo)體材料在胞外產(chǎn)生，并通過特定的電子傳遞路徑進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)，增強(qiáng)細(xì)胞代謝。因此，半導(dǎo)體材料可以被視為附著在細(xì)胞表面的微型電極，功能是向微生物輸送電子，提供還原力。然而此類體系具有一定的限制：① 跨膜電子運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力學(xué)限制；②電子轉(zhuǎn)運(yùn)過程中會(huì)產(chǎn)生額外耗能；③材料與細(xì)胞表面結(jié)合不穩(wěn)定，材料易從膜表面脫落，且在細(xì)胞分裂后難以重新形成附著體系；④微生物胞外聚合物基質(zhì)的存在導(dǎo)致微生物直接傳遞電子的能力減弱[52]。目前有效的解決方案是將半導(dǎo)體納米顆粒導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部，直接在細(xì)胞內(nèi)提供還原力，強(qiáng)化細(xì)胞代謝(圖9)。Zhang等[39]在M.thermoacetica細(xì)胞中成功導(dǎo)入了Au22(SG)18(SG，谷胱甘肽)，金納米團(tuán)簇一方面捕獲光能，使產(chǎn)生的光電子通過分布在細(xì)胞質(zhì)中的氧化還原介體進(jìn)入WL途徑，增強(qiáng)CO2的固定效率，提高乙酸產(chǎn)率，另一方面，金納米團(tuán)簇也作為活性氧抑制劑，使細(xì)菌連續(xù)6 d以上保持高CO2固定活力。同時(shí)，利用金納米團(tuán)簇具有的高生物相容性和離散能級、尺寸可調(diào)、熒光壽命長、可功能化修飾等特點(diǎn)，顯著增強(qiáng)了光催化劑與微生物細(xì)胞的親和力。

圖9 細(xì)胞內(nèi)耦合體系的構(gòu)建

量子點(diǎn)是一種零維納米材料，可以有效地將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，具有尺寸小、帶隙可調(diào)的性質(zhì)，一般尺寸為1～10 nm，容易被細(xì)胞攝取，可以作為非光合細(xì)菌的胞內(nèi)感光元件。Ding等[38]在量子點(diǎn)外部包裹ZnS層，利用Zn元素與組氨酸和鐵硫簇的化學(xué)親和性，將7種不同的量子點(diǎn)分別導(dǎo)入了Azotobactervinelandii和C.necator細(xì)胞內(nèi)，將這兩種非光合細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯す夂霞?xì)菌，利用CO2、水和N2生產(chǎn)不同的生物燃料和化學(xué)品。通過量子點(diǎn)的光電子流量與酶的催化活性匹配可以增加細(xì)菌的光-化學(xué)品產(chǎn)率，在約為4 L的光催化反應(yīng)器中利用野生型C.necator耦合量子點(diǎn)獲得了克級的PHB產(chǎn)量。通過將半導(dǎo)體納米顆粒導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)建的光催化-微生物耦合系統(tǒng)可有效避免跨膜電子運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力學(xué)限制和電子轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的額外耗能，但目前微生物細(xì)胞對納米顆粒的攝取機(jī)制尚不明確。

由材料到微生物之間的電子傳遞通常需要二者的緊密結(jié)合，因此在設(shè)計(jì)時(shí)受到材料尺寸、界面相容性等的限制。胞外結(jié)合的體系還要求微生物自身具有由氧化還原蛋白質(zhì)組成的貫穿細(xì)胞膜的完整電子傳遞鏈，這對于大部分的固碳菌株來說是無法達(dá)到的。H2作為一種易得的還原性介質(zhì)，可以通過如g-C3N4、CdS等半導(dǎo)體材料在水中直接制得，當(dāng)使用H2作為電子穿梭載體時(shí)，可以有效避免電子接收的動(dòng)力學(xué)限制。這時(shí)，光催化半導(dǎo)體材料和細(xì)胞分別作為2個(gè)獨(dú)立的模塊，二者通過電子穿梭載體H2相聯(lián)結(jié)，協(xié)同促進(jìn)CO2的固定及轉(zhuǎn)化。

RalstoniaeutrophaH16是一種異養(yǎng)好氧菌，同時(shí)也可在CO2、H2的條件下進(jìn)行自養(yǎng)代謝，當(dāng)碳源充足而其他營養(yǎng)物質(zhì)受限時(shí)它可以在胞內(nèi)產(chǎn)生和積累大量的可降解生物塑料——聚3-羥基丁酸酯(PHB)。Xu等[4]在2019年，將g-C3N4與R.eutropha相結(jié)合構(gòu)建光催化體系，細(xì)菌利用g-C3N4光解水產(chǎn)生的H2促進(jìn)了胞內(nèi)NADPH的再生。以果糖為底物在電子犧牲劑TEOA的存在下，PHB的產(chǎn)量增加了1.4倍。隨后，Tremblay等[53]對上述體系進(jìn)行了優(yōu)化，開發(fā)了一種無需額外添加犧牲劑的人工光合系統(tǒng)——g-C3N4-酶-細(xì)菌耦聯(lián)系統(tǒng)(圖10)。該系統(tǒng)通過引入過氧化氫酶(catalase)有效利用光解水過程中產(chǎn)生的H2O2，避免了H2O2對g-C3N4活性的抑制。當(dāng)以果糖為底物時(shí)，PHB的產(chǎn)量提高為原來的1.84倍；當(dāng)以CO2為碳源時(shí)，PHB產(chǎn)量增加了1倍。2021年，該團(tuán)隊(duì)采用一鍋法合成了ZnSe/ZnS異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米粒子，ZnS中缺陷的存在促進(jìn)了電荷分離，使該異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光催化析氫能力比純ZnSe高5.5倍。ZnSe/ZnS-RalstoniaeutrophaH16系統(tǒng)以果糖為底物時(shí)，PHB的產(chǎn)量提高了4.3倍；當(dāng)以CO2為碳源時(shí)，在48 h的生長后，ZnSe/ZnS的存在將PHB的產(chǎn)量由裸菌的(44.32±1.00)mg/L提升至(58.09±1.60)mg/L[54]。

圖10 g-C3N4-過氧化氫酶-R. eutropha光合自養(yǎng)系統(tǒng)促進(jìn)PHB生產(chǎn)[51]

5 總結(jié)與展望

光催化-微生物耦合固碳系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)CO2向多種產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，在這類體系中，半導(dǎo)體材料能夠通過光生電子為微生物提供還原力，實(shí)現(xiàn)甲烷、乙酸、PHB等產(chǎn)品的高效生產(chǎn)。但該體系的研究目前尚處在起步階段，仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。

1)目前的光催化-微生物耦合系統(tǒng)中通常采用的是CdS、AuNCs等常規(guī)光催化材料，開發(fā)一系列新型高生物相容性、高能量轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定性的光催化材料是未來研究的重要方向之一。

2)微生物的電子攝取效率和固碳效率低，造成能量損失。通過基因工程手段在細(xì)胞膜上表達(dá)電子傳遞途徑有利于增強(qiáng)電子攝取效率。同時(shí)，開發(fā)新型高效的固碳途徑以獲取更多高附加值產(chǎn)品是未來的發(fā)展趨勢。

3)光催化材料和微生物細(xì)胞之間的界面相容性差。如何對光催化材料和微生物細(xì)胞進(jìn)行表面功能化修飾，提高二者的界面相容性是需要解決的關(guān)鍵問題。

4)微生物細(xì)胞攝取光催化材料的機(jī)制有待揭示。如在Au22(SG)18-M.thermoacetica系統(tǒng)中，研究人員將納米金團(tuán)簇與M.thermoacetica共培養(yǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)納米金被攝取到胞內(nèi)，然而攝取機(jī)制尚不明確。

5)微生物細(xì)胞的跨膜電子傳遞機(jī)制有待解析。如在InP-酵母系統(tǒng)中，酵母細(xì)胞可能通過細(xì)胞壁吸收由InP產(chǎn)生的光激發(fā)電子，盡管有“電子跳躍”假說，但仍缺乏完整的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

6)當(dāng)以H2作為電子穿梭載體時(shí)，其在培養(yǎng)體系中的低溶解性不利于電子的傳遞，且H2的大量積累會(huì)造成安全隱患。亟待開發(fā)新型可溶性的、無毒無害的電子穿梭載體以進(jìn)一步提升電子傳遞效率。

此外，為了實(shí)現(xiàn)耦合體系的工程化應(yīng)用，需詳細(xì)評估現(xiàn)有體系規(guī)?；目赡苄浴Ｔ谔幚砉I(yè)廢氣中的CO2時(shí)，培養(yǎng)條件比培養(yǎng)基的環(huán)境更為苛刻，需要建立高適應(yīng)性體系以應(yīng)對不同的工業(yè)環(huán)境，如從開發(fā)細(xì)胞保護(hù)手段、采用更穩(wěn)定的材料、對微生物進(jìn)行基因工程改造等方面著手。

總之，光催化-微生物耦合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)CO2的清潔、高效、高選擇性轉(zhuǎn)化，在生物制造和生物能源方面顯示了巨大的潛力。該類體系如果實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，將有助于緩解日益嚴(yán)峻的環(huán)境、能源問題，為“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供一種可行的解決方案。