拓綠色能源新思路
——記武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院教授張?zhí)?/h1>
2018-08-27 02:03:16□王輝
科學(xué)中國人 2018年14期
□ 王 輝
專家簡介：
張?zhí)?，第十三批國家“千人計劃”青年?xiàng)目入選者，武漢理工大學(xué)全球招聘教授、化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院學(xué)科首席教授。
主要致力于生物電合成技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，在生物電合成，生物燃料電池及開發(fā)新型高效的生物環(huán)境修復(fù)技術(shù)等領(lǐng)域取得了若干創(chuàng)新性研究成果。迄今為止已發(fā)表國際論文30余篇，其中包括Science、Nature Biotechnology、Trends in Biotechnology（Cell子刊）、Energy&Environmental Science等。2018年獲“科學(xué)中國人（2017）年度人物”稱號。
伴隨現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，有限傳統(tǒng)化石能源的大量消費(fèi)已使人類陷入能源枯竭、全球氣候變暖和環(huán)境污染的困境。如何滿足日益增長的能源需求，解決能源消耗帶來的嚴(yán)峻環(huán)境問題，已成為當(dāng)今世界科學(xué)研究的重要課題之一。
在此背景下，利用生物電化學(xué)系統(tǒng)有效降低全球碳排放量，并將其合成為市場價值高的多碳有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品和燃料的能源新技術(shù)，無疑為能源的清潔、可再生利用以及創(chuàng)建健康、可持續(xù)發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境提供了一個新的思路。帶著對新技術(shù)的濃厚興趣，武漢理工大學(xué)教授張?zhí)饛睦碚撆c生產(chǎn)應(yīng)用兩方面對新生物能源技術(shù)進(jìn)行了深入研究，她希望通過自己的努力能將新技術(shù)推向?qū)嶋H的工業(yè)化應(yīng)用，并衍生出一系列具有產(chǎn)業(yè)化意義的生物材料和電極材料，為發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)和中國特色的新型綠色生物能源技術(shù)貢獻(xiàn)自己的一份力量。
結(jié)緣新技術(shù)
能與新型綠色生物能源技術(shù)結(jié)緣，要從張?zhí)鹪趪獾囊恍┙?jīng)歷談起。2007年，在武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院獲得物理化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位后，張?zhí)疬h(yuǎn)赴美國在馬薩諸塞州立大學(xué)微生物系從事博士后研究。在此期間，她開展了主要針對綠色新型生物能源技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用工作，研究如何生物電合成有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品及有機(jī)燃料，并同時開展了針對環(huán)境污染物的生物修復(fù)研究工作。
生物電合成，是一種綠色新型生物能源技術(shù)，即利用生物還原二氧化碳并電合成有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品或有機(jī)燃料。張?zhí)鹚诘腄erek Lovley實(shí)驗(yàn)室作為生物電化學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的世界著名實(shí)驗(yàn)室，是研究綠色新型生物能源技術(shù)的先驅(qū)。正是在這個實(shí)驗(yàn)室，張?zhí)鹗状蜗到y(tǒng)并廣泛研究了以碳布(carbon cloth)、聚酯纖維(polyester)、棉布(cotton)等為基底的導(dǎo)電修飾電極對生物電合成醋酸系統(tǒng)的影響，并取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。
通過研究，她發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物c h i t o s a、c y a n u r i c c h l o r i d e、3-aminopropyltriethoxysilane、polyaniline，納米金屬粒子Au、Pd、Ni，及碳納米管等修飾的導(dǎo)電復(fù)合物電極，能將生物電合成醋酸的產(chǎn)量提高3～7倍的現(xiàn)象。她的這一發(fā)現(xiàn)對于發(fā)展和改良生物電合成系統(tǒng)起到的推動性作用不容小覷。由此形成的兩篇科研論文，已分別發(fā)表在英國皇家化學(xué)協(xié)會影響因子最高期刊Energy&Environmental Science和Phys Chem Chem Phys上。
在針對環(huán)境污染的生物修復(fù)研究工作中，張?zhí)鹨彩斋@了不小的成績。
她首次提出了利用生物電化學(xué)系統(tǒng)加速環(huán)境污染物，如苯、甲苯，萘酚等的完全降解技術(shù)，開創(chuàng)了生物電化學(xué)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的新篇章。科研成果在Environmental Microbiology發(fā)表后，5年內(nèi)引用次數(shù)達(dá)102次。
另外，在利用生物電化學(xué)系統(tǒng)去除海底沉積物中的硫污染物研究中，通過多次實(shí)驗(yàn)，張?zhí)鹱罱K分離出了一支能厭氧氧化硫污染物，同時以電極為電子受體的脫硫單胞菌株Desulfuromonas strain TZ1。該科研成果發(fā)表在Microbiology和Environmental Science & Technology后，受到了冰島電力公司的高度關(guān)注。2013年10月，張?zhí)鹗苎巴摴疽浴袄蒙镫娀瘜W(xué)系統(tǒng)進(jìn)行生物脫硫”為題做了專題報告。
除此之外，張?zhí)疬€首次發(fā)現(xiàn)了異化金屬還原菌株Geobacter metallireducens在常溫下能夠以三價鐵離子或三價鐵氧化物為電子受體，厭氧完全降解有機(jī)污染物苯的現(xiàn)象，并同時分離出了一支能夠厭氧降解芳環(huán)化合物的異化金屬還原菌株Geobacter strain Ben。以此為基礎(chǔ)，她深入研究了G.metallireducens厭氧降解有機(jī)污染物苯的途徑和機(jī)理，首次從分子生物學(xué)角度提出和證明了苯在G.metallireducens中通過苯酚降解成二氧化碳的途徑，并通過基因的敲除找出Geobacter中影響苯降解的關(guān)鍵基因。張?zhí)鸬难芯繛殚_拓純菌株厭氧降解苯的研究新領(lǐng)域做出了積極的貢獻(xiàn)。
“牛刀小試”后的“大展身手”
在美國的“牛刀小試”為張?zhí)鹩瓉砹舜笳股硎值臋C(jī)會，2013年7月，她動身前往丹麥，在那兒開啟了新的職業(yè)生涯，受聘于丹麥科技大學(xué)生物可持續(xù)發(fā)展系的張?zhí)?，帶領(lǐng)著7人組成的科研團(tuán)隊，向新的問題發(fā)起了挑戰(zhàn)。
以生物電合成為研究重點(diǎn)，張?zhí)饚ьI(lǐng)團(tuán)隊在研發(fā)高效新型電極材料、利用基因工程生產(chǎn)市場價值高的有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品及有機(jī)燃料、結(jié)合生物電化學(xué)系統(tǒng)開發(fā)新型生物環(huán)境修復(fù)技術(shù)和有效去除環(huán)境污染物的同時進(jìn)行生物發(fā)電等方面開展了堅持不懈的攻關(guān)與探索。短短4年，團(tuán)隊共發(fā)表國際論文17篇，參與英文書籍編著4部，取得的一系列研究成果更是極具現(xiàn)實(shí)意義。
通過研究，團(tuán)隊證明了通過將二氧化碳固定菌Sporomusa ovata在甲醇底物中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)進(jìn)化，可以加速其還原二氧化碳合成化學(xué)制品的速度的假設(shè)，為該菌株的優(yōu)化及加速其工業(yè)化應(yīng)用提供了有效的策略。科研成果發(fā)表在Scientific Reports后，由于研究意義重大，張?zhí)鹗苎麉⑴c到由Springer出版的英文書籍the lab protocol series Methods in Molecular Biology中“Synthetic Metabolic Pathways Volume editors: Jay D. Keasling and Michael Krogh Jensen”章節(jié)的編著工作中，該著作已于2017年出版。
此外，在張?zhí)鸬膸ьI(lǐng)下團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氨基化石墨烯修飾的碳布陰極是有工業(yè)化應(yīng)用前景的微生物電合成電極材料，可以促進(jìn)高度結(jié)構(gòu)化的生物膜形成這一現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)將顯著提高微生物電合成醋酸的產(chǎn)量。另外，首次借助基因工程，團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)了由金摻雜的石墨烯和單壁碳納米管的平面透明混合/n型硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)可提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率至8.8%的現(xiàn)象。科研成果發(fā)表在Electrochimica Acta上。
由于張?zhí)疬B續(xù)8年從分子生物學(xué)角度對厭氧異化金屬還原菌株Geobacter metallireducens降解芳環(huán)化合物的深入研究及貢獻(xiàn)。在利用先進(jìn)生物電化學(xué)技術(shù)產(chǎn)生生物能領(lǐng)域的前沿性做出的探索及在生物轉(zhuǎn)化二氧化碳成有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品和燃料領(lǐng)域的創(chuàng)新研究工作，2015年11月，她被邀請在Science上發(fā)表前言展望，探討關(guān)于利用人工生物無機(jī)光合作用合成生物燃料的研究前景、應(yīng)用及對人類社會的影響，并于2016年3月受邀在Nature Biotechnology上發(fā)表評論，慶祝其建刊20周年。
荊棘密布 一如既往
在美國馬薩諸塞州立大學(xué)著名教授k Derek y Lovley領(lǐng)導(dǎo)的微生物電合成能源物質(zhì)和微生物燃料電池國際頂尖實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該領(lǐng)域科研工作的5年半時間里，在丹麥科技大學(xué)帶領(lǐng)7人科研團(tuán)隊繼續(xù)本領(lǐng)域科研攻關(guān)的過程中，張?zhí)鸩粌H在國際生物電化學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了一定的影響力，而且還與學(xué)術(shù)及工業(yè)界的專家學(xué)者建立了良好的合作關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，回國后在明確的工作設(shè)想和研究目標(biāo)的指引下，張?zhí)鸬墓ぷ饕秧樌归_。
2017年9月30日，作為武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院學(xué)科首席教授，張?zhí)鹗苎趪H著名學(xué)術(shù)雜志Cell旗下子刊Trends in Biotechnology以“Extracellular Electron Uptake: Among Autotrophs and Mediated by Surfaces”為題發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)探討了自養(yǎng)微生物和固態(tài)電子供體（如鋼鐵和電極）之間的相互作用，及其在自然界中一些重要生物過程如微生物腐蝕，和生物可持續(xù)生產(chǎn)技術(shù)如生物電合成中的重要性。
張?zhí)鹫J(rèn)為這方面的深入研究有利于制定更有效的方案來解決自然界中廣泛存在的微生物腐蝕問題，提高微生物電合成效率以及改進(jìn)依賴于微生物種間電子傳遞的厭氧發(fā)酵技術(shù)。雖然在前期的研究中，張?zhí)鹨勋@得了一些新發(fā)現(xiàn)，但她覺得目前關(guān)于自養(yǎng)微生物和固態(tài)電子供體之間的細(xì)胞外電子攝取機(jī)制表征仍不完整，基于細(xì)胞外電子攝取過程的生物技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段，因此其具有很大的開發(fā)潛力，而張?zhí)鹨炎龊昧藴?zhǔn)備。
科研無坦途，縱然前方荊棘密布，對科研懷抱熱情，張?zhí)鹑詫⒁蝗缂韧?/p>
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□ 王 輝
專家簡介：
張?zhí)?，第十三批國家“千人計劃”青年?xiàng)目入選者，武漢理工大學(xué)全球招聘教授、化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院學(xué)科首席教授。
主要致力于生物電合成技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，在生物電合成，生物燃料電池及開發(fā)新型高效的生物環(huán)境修復(fù)技術(shù)等領(lǐng)域取得了若干創(chuàng)新性研究成果。迄今為止已發(fā)表國際論文30余篇，其中包括Science、Nature Biotechnology、Trends in Biotechnology（Cell子刊）、Energy&Environmental Science等。2018年獲“科學(xué)中國人（2017）年度人物”稱號。
伴隨現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，有限傳統(tǒng)化石能源的大量消費(fèi)已使人類陷入能源枯竭、全球氣候變暖和環(huán)境污染的困境。如何滿足日益增長的能源需求，解決能源消耗帶來的嚴(yán)峻環(huán)境問題，已成為當(dāng)今世界科學(xué)研究的重要課題之一。
在此背景下，利用生物電化學(xué)系統(tǒng)有效降低全球碳排放量，并將其合成為市場價值高的多碳有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品和燃料的能源新技術(shù)，無疑為能源的清潔、可再生利用以及創(chuàng)建健康、可持續(xù)發(fā)展的社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境提供了一個新的思路。帶著對新技術(shù)的濃厚興趣，武漢理工大學(xué)教授張?zhí)饛睦碚撆c生產(chǎn)應(yīng)用兩方面對新生物能源技術(shù)進(jìn)行了深入研究，她希望通過自己的努力能將新技術(shù)推向?qū)嶋H的工業(yè)化應(yīng)用，并衍生出一系列具有產(chǎn)業(yè)化意義的生物材料和電極材料，為發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)和中國特色的新型綠色生物能源技術(shù)貢獻(xiàn)自己的一份力量。
結(jié)緣新技術(shù)
能與新型綠色生物能源技術(shù)結(jié)緣，要從張?zhí)鹪趪獾囊恍┙?jīng)歷談起。2007年，在武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院獲得物理化學(xué)專業(yè)博士學(xué)位后，張?zhí)疬h(yuǎn)赴美國在馬薩諸塞州立大學(xué)微生物系從事博士后研究。在此期間，她開展了主要針對綠色新型生物能源技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用工作，研究如何生物電合成有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品及有機(jī)燃料，并同時開展了針對環(huán)境污染物的生物修復(fù)研究工作。
生物電合成，是一種綠色新型生物能源技術(shù)，即利用生物還原二氧化碳并電合成有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品或有機(jī)燃料。張?zhí)鹚诘腄erek Lovley實(shí)驗(yàn)室作為生物電化學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域的世界著名實(shí)驗(yàn)室，是研究綠色新型生物能源技術(shù)的先驅(qū)。正是在這個實(shí)驗(yàn)室，張?zhí)鹗状蜗到y(tǒng)并廣泛研究了以碳布(carbon cloth)、聚酯纖維(polyester)、棉布(cotton)等為基底的導(dǎo)電修飾電極對生物電合成醋酸系統(tǒng)的影響，并取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。
通過研究，她發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電聚合物c h i t o s a、c y a n u r i c c h l o r i d e、3-aminopropyltriethoxysilane、polyaniline，納米金屬粒子Au、Pd、Ni，及碳納米管等修飾的導(dǎo)電復(fù)合物電極，能將生物電合成醋酸的產(chǎn)量提高3～7倍的現(xiàn)象。她的這一發(fā)現(xiàn)對于發(fā)展和改良生物電合成系統(tǒng)起到的推動性作用不容小覷。由此形成的兩篇科研論文，已分別發(fā)表在英國皇家化學(xué)協(xié)會影響因子最高期刊Energy&Environmental Science和Phys Chem Chem Phys上。
在針對環(huán)境污染的生物修復(fù)研究工作中，張?zhí)鹨彩斋@了不小的成績。
她首次提出了利用生物電化學(xué)系統(tǒng)加速環(huán)境污染物，如苯、甲苯，萘酚等的完全降解技術(shù)，開創(chuàng)了生物電化學(xué)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的新篇章。科研成果在Environmental Microbiology發(fā)表后，5年內(nèi)引用次數(shù)達(dá)102次。
另外，在利用生物電化學(xué)系統(tǒng)去除海底沉積物中的硫污染物研究中，通過多次實(shí)驗(yàn)，張?zhí)鹱罱K分離出了一支能厭氧氧化硫污染物，同時以電極為電子受體的脫硫單胞菌株Desulfuromonas strain TZ1。該科研成果發(fā)表在Microbiology和Environmental Science & Technology后，受到了冰島電力公司的高度關(guān)注。2013年10月，張?zhí)鹗苎巴摴疽浴袄蒙镫娀瘜W(xué)系統(tǒng)進(jìn)行生物脫硫”為題做了專題報告。
除此之外，張?zhí)疬€首次發(fā)現(xiàn)了異化金屬還原菌株Geobacter metallireducens在常溫下能夠以三價鐵離子或三價鐵氧化物為電子受體，厭氧完全降解有機(jī)污染物苯的現(xiàn)象，并同時分離出了一支能夠厭氧降解芳環(huán)化合物的異化金屬還原菌株Geobacter strain Ben。以此為基礎(chǔ)，她深入研究了G.metallireducens厭氧降解有機(jī)污染物苯的途徑和機(jī)理，首次從分子生物學(xué)角度提出和證明了苯在G.metallireducens中通過苯酚降解成二氧化碳的途徑，并通過基因的敲除找出Geobacter中影響苯降解的關(guān)鍵基因。張?zhí)鸬难芯繛殚_拓純菌株厭氧降解苯的研究新領(lǐng)域做出了積極的貢獻(xiàn)。
“牛刀小試”后的“大展身手”
在美國的“牛刀小試”為張?zhí)鹩瓉砹舜笳股硎值臋C(jī)會，2013年7月，她動身前往丹麥，在那兒開啟了新的職業(yè)生涯，受聘于丹麥科技大學(xué)生物可持續(xù)發(fā)展系的張?zhí)?，帶領(lǐng)著7人組成的科研團(tuán)隊，向新的問題發(fā)起了挑戰(zhàn)。
以生物電合成為研究重點(diǎn)，張?zhí)饚ьI(lǐng)團(tuán)隊在研發(fā)高效新型電極材料、利用基因工程生產(chǎn)市場價值高的有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品及有機(jī)燃料、結(jié)合生物電化學(xué)系統(tǒng)開發(fā)新型生物環(huán)境修復(fù)技術(shù)和有效去除環(huán)境污染物的同時進(jìn)行生物發(fā)電等方面開展了堅持不懈的攻關(guān)與探索。短短4年，團(tuán)隊共發(fā)表國際論文17篇，參與英文書籍編著4部，取得的一系列研究成果更是極具現(xiàn)實(shí)意義。
通過研究，團(tuán)隊證明了通過將二氧化碳固定菌Sporomusa ovata在甲醇底物中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)進(jìn)化，可以加速其還原二氧化碳合成化學(xué)制品的速度的假設(shè)，為該菌株的優(yōu)化及加速其工業(yè)化應(yīng)用提供了有效的策略。科研成果發(fā)表在Scientific Reports后，由于研究意義重大，張?zhí)鹗苎麉⑴c到由Springer出版的英文書籍the lab protocol series Methods in Molecular Biology中“Synthetic Metabolic Pathways Volume editors: Jay D. Keasling and Michael Krogh Jensen”章節(jié)的編著工作中，該著作已于2017年出版。
此外，在張?zhí)鸬膸ьI(lǐng)下團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氨基化石墨烯修飾的碳布陰極是有工業(yè)化應(yīng)用前景的微生物電合成電極材料，可以促進(jìn)高度結(jié)構(gòu)化的生物膜形成這一現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)將顯著提高微生物電合成醋酸的產(chǎn)量。另外，首次借助基因工程，團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)了由金摻雜的石墨烯和單壁碳納米管的平面透明混合/n型硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)可提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率至8.8%的現(xiàn)象。科研成果發(fā)表在Electrochimica Acta上。
由于張?zhí)疬B續(xù)8年從分子生物學(xué)角度對厭氧異化金屬還原菌株Geobacter metallireducens降解芳環(huán)化合物的深入研究及貢獻(xiàn)。在利用先進(jìn)生物電化學(xué)技術(shù)產(chǎn)生生物能領(lǐng)域的前沿性做出的探索及在生物轉(zhuǎn)化二氧化碳成有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品和燃料領(lǐng)域的創(chuàng)新研究工作，2015年11月，她被邀請在Science上發(fā)表前言展望，探討關(guān)于利用人工生物無機(jī)光合作用合成生物燃料的研究前景、應(yīng)用及對人類社會的影響，并于2016年3月受邀在Nature Biotechnology上發(fā)表評論，慶祝其建刊20周年。
荊棘密布 一如既往
在美國馬薩諸塞州立大學(xué)著名教授k Derek y Lovley領(lǐng)導(dǎo)的微生物電合成能源物質(zhì)和微生物燃料電池國際頂尖實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行該領(lǐng)域科研工作的5年半時間里，在丹麥科技大學(xué)帶領(lǐng)7人科研團(tuán)隊繼續(xù)本領(lǐng)域科研攻關(guān)的過程中，張?zhí)鸩粌H在國際生物電化學(xué)系統(tǒng)領(lǐng)域獲得了一定的影響力，而且還與學(xué)術(shù)及工業(yè)界的專家學(xué)者建立了良好的合作關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，回國后在明確的工作設(shè)想和研究目標(biāo)的指引下，張?zhí)鸬墓ぷ饕秧樌归_。
2017年9月30日，作為武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院學(xué)科首席教授，張?zhí)鹗苎趪H著名學(xué)術(shù)雜志Cell旗下子刊Trends in Biotechnology以“Extracellular Electron Uptake: Among Autotrophs and Mediated by Surfaces”為題發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)探討了自養(yǎng)微生物和固態(tài)電子供體（如鋼鐵和電極）之間的相互作用，及其在自然界中一些重要生物過程如微生物腐蝕，和生物可持續(xù)生產(chǎn)技術(shù)如生物電合成中的重要性。
張?zhí)鹫J(rèn)為這方面的深入研究有利于制定更有效的方案來解決自然界中廣泛存在的微生物腐蝕問題，提高微生物電合成效率以及改進(jìn)依賴于微生物種間電子傳遞的厭氧發(fā)酵技術(shù)。雖然在前期的研究中，張?zhí)鹨勋@得了一些新發(fā)現(xiàn)，但她覺得目前關(guān)于自養(yǎng)微生物和固態(tài)電子供體之間的細(xì)胞外電子攝取機(jī)制表征仍不完整，基于細(xì)胞外電子攝取過程的生物技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段，因此其具有很大的開發(fā)潛力，而張?zhí)鹨炎龊昧藴?zhǔn)備。
科研無坦途，縱然前方荊棘密布，對科研懷抱熱情，張?zhí)鹑詫⒁蝗缂韧?/p>
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