熊 威 馮建勇 馬為民 趙 勁 李朝升 鄒志剛＊，，，5

(1南京大學物理學院，固體微結構物理國家重點實驗室，人工微結構科學與技術協(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南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院，南京 210093)

(3上海師范大學生命科學學院，上海 200234)

(4南京大學化學化工學院，配位化學國家重點實驗室，南京 210023)

(5南京大學物理學院，江蘇省納米技術重點實驗室，南京 210093)

0 引 言

能源和環(huán)境危機已成為全球性的問題，而目前很多環(huán)境問題，恰是由于對化石能源的不合理利用造成的，因此應對能源與環(huán)境危機的關鍵在于如何解決能源問題。開發(fā)和利用清潔可再生能源作為應對能源和環(huán)境問題的重要解決方案已在全球范圍內達成共識，而太陽能作為一種理想的可再生能源，實現(xiàn)太陽能到化學能的高效轉換一直是科學家們追求的目標[1-8]。自然界可以通過光合作用儲存太陽能，在這個過程中利用太陽光將水和二氧化碳轉變?yōu)樘妓衔锖脱鯕?。利用人造材料模擬自然光合作用也能實現(xiàn)太陽能-化學能的轉化，但是人工光合作用系統(tǒng)目前主要以氫氣的形式將太陽能儲存下來[2，6，8]，尚不能通過二氧化碳固定實現(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)具有更強的可設計性和更大的太陽光波長利用范圍，但是自然光合系統(tǒng)具有更強的催化選擇性。因此，近年來一些研究人員開始嘗試通過人工光合系統(tǒng)的功能組分(光吸收層，光電極)與自然的催化體系協(xié)同復合來實現(xiàn)太陽能到化學能的轉化，為實現(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，這種新的太陽能-化學能轉化模式通常被稱為半人工光合作用。

在詳細介紹半人工光合作用前，首先需要介紹一下光合作用。光合作用按時間先后順序主要分為3個物理化學過程：光能捕獲，電荷產生與分離，催化反應。在自然光合作用中，光系統(tǒng)I(PSI)和光系統(tǒng)II(PSII)通過葉綠素捕獲光能并將電子泵至激發(fā)態(tài)，在PSII的錳鈣氧化團簇上形成空穴發(fā)生水氧化反應[10]。而處于激發(fā)態(tài)的電子傳遞到光系統(tǒng)PSI后，與PSI端的空穴結合，PSI上的激發(fā)態(tài)電子則參與后續(xù)的暗反應過程，這就是所謂的 “Z型機制(Z-scheme)”[11]。在理想條件下，這些過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%的標準太陽光強度下就會達到光飽和，更強的光照會導致生物光損傷[12-13]，并且光損傷的修復也要消耗能量，同時降低太陽能-生物質的轉化效率。自然光合作用的催化反應是在多個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、氮氣、水等小分子選擇性的合成大分子產物。但是自然光合作用的生物質轉化效率一般不超過6%(農作物在1%～2%，大多數(shù)植物為0.1%)[14]，因為自然界的光合生物優(yōu)先進行光合生長而不是進行高能代謝產物的合成。最近興起的合成生物學手段為提高生物質轉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，仿生無機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，光捕獲過程始于半導體材料的光吸收。這些半導體材料不僅可以實現(xiàn)寬太陽光譜吸收，還可以設計成疊層配置以實現(xiàn)太陽光譜的分段互補吸收，而植物的葉綠素僅能選擇性捕獲太陽光譜中的部分光，并且太陽光的強度相對于催化中心是過飽和的[24]。此外，這些半導體材料通過摻雜和異質結等手段可以實現(xiàn)高效的電荷分離，以及導電層的電荷傳輸。相比于自然光合系統(tǒng)，人工光合系統(tǒng)構成更加簡易，更易于以模塊化方式進行替換和改進。實際上，利用H2O和CO2產生燃料的人工光合實驗裝置已經實現(xiàn)了遠高于普通光合生物的太陽能轉化效率(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體材料，而且這些半導體材料在電解質溶液中長時間工作容易被分解或腐蝕，也沒有自修復機制來緩解該問題，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)的快速進展以及未來的前景，研究人員仍在努力探索和開發(fā)高效且價格合理的催化劑，以選擇性地生成各種復雜的碳基和氮基化合物。另一方面，通過穩(wěn)定反應中間體[30-33]和控制界面反應物濃度[34-35]來模擬酶的工程策略已顯現(xiàn)出一定的前景，但尚未實現(xiàn)高效率和高選擇性的基于CO2的CC偶聯(lián)還原反應。此外，雖然人工光合體系已經可以模擬自然光合作用的Z-scheme，但是幾乎不能復制自然光合作用中跨膜pH梯度的產生或維持以驅動三磷酸腺苷(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)(催化反應選擇性高)和人工光合系統(tǒng)(光吸收效率高)各自的優(yōu)勢，旨在實現(xiàn)2個系統(tǒng)的優(yōu)勢互補。在此背景下產生了以無機材料-酶復合和無機材料-微生物復合的形式來構建的2類半人工光合系統(tǒng)，每種系統(tǒng)都具有其自身的優(yōu)勢和局限性。一方面，酶是人工催化劑設計的靈感來源；當酶與光電極或光吸收劑復合時，它們可以接近100%的選擇性高速轉換電荷，催化在動力學上難以實現(xiàn)的一系列簡單產物合成[37]。然而，分離酶的大量純化過程(導致低可擴展性)及其固有的不穩(wěn)定性(特別是在離體環(huán)境中)使得它們在太陽能轉換中缺乏可持續(xù)的商業(yè)應用價值。另一方面，無機材料-微生物復合系統(tǒng)可以利用無機合成材料作為光吸收劑，微生物細胞作為“催化劑”，引導光能或電能通過微生物的代謝途徑產生多種人工光合系統(tǒng)或材料-酶復合系統(tǒng)無法合成的復雜產物。酶和微生物的本質區(qū)別在于酶是蛋白質大分子，而微生物是生命體。本文主要介紹基于無機材料-微生物復合的半人工光合作用體系。這類體系中的無機材料主要以光催化材料為主，微生物主要以藍藻和少數(shù)具有特殊代謝功能的細菌為主，無機材料以納米顆?；蛘吖怆姌O的形式與微生物細胞結合，并通過材料-細胞的界面電子傳遞，調控微生物細胞的代謝產物合成。此外，借助合成生物學手段可以進一步實現(xiàn)材料-細胞復合光合系統(tǒng)產物生成的多樣性與選擇性。除了這些優(yōu)點之外，微生物的自我復制特性賦予材料-細胞復合光合體系潛在的應用前景。雖然材料-細胞復合體系具有材料-酶復合體系不具備的優(yōu)勢[38]，但是它們目前還是一個相對未知的系統(tǒng)。與材料-酶復合光合體系一樣，材料-細胞復合光合體系的太陽光譜利用率 (相比于非光合細胞)通常也很高，這主要是與半人工光合體系的光吸收由半導體組件處理有關。盡管有上述諸多優(yōu)勢，材料與細胞之間的界面電荷轉移是阻礙無機材料-微生物復合光合體系商業(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開展多年，但是任何一種途徑都不能實現(xiàn)理想的太陽能-化學能轉換和存儲。在過去的10年里，半人工光合作用已經發(fā)展成為一個新興的、涉及多學科的研究方向。其中，基于無機材料-酶復合的半人工光合體系是最早發(fā)展起來的，國內外都有課題組開展相關工作；而基于無機材料-微生物復合的半人工光合體系的研究是最近幾年才逐漸興起，美國目前處于領先地位。雖然國外在基于微生物的半人工光合作用領域已有多篇相關綜述報道，但是國內對于這個領域的研究尚處于萌芽階段[40-43]。因此，本文主要針對基于微生物的半人工光合作用的最新進展，進行系統(tǒng)的歸納和總結，并分析主要的問題，展望未來這個領域的發(fā)展趨勢，希望能為國內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 基于無機材料-微生物復合的半人工水氧化

在光合作用過程中，水氧化生成氧氣的反應是第一步化學反應。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，這使其成為生產太陽能燃料的最合適基質[44]。因此，理解水氧化反應的機制進而提高其效率對于實現(xiàn)高度功能化以及高效率的自然/人工光合作用是至關重要的。PSII是自然界中唯一能夠氧化水的酶，它同時也能有效地吸收光，分離光激發(fā)的電荷并將它們引導至所需的終點。實際上，這種酶負責所有大氣中的氧氣產生。該功能使PSII成為探究水氧化反應機理的理想模型系統(tǒng)(圖2a)，因為在人工光合系統(tǒng)中每一步反應的效率都是要追求極致的。但是PSII對光非常敏感，每隔約15 min在體內修復一次，所以基于PSII的電極也具有類似的運行壽命[45]。目前，除了與電極復合構成基于PSII的半人工光陽極之外，PSII也可以和光催化劑復合，實現(xiàn)半人工全水分解[46]。但是由于PSII存在提取過程繁瑣，離體穩(wěn)定性差和光吸收限制等問題，基于PSII的半人工光合作用系統(tǒng)更適合用來做模型研究，而不適合商業(yè)化應用[40]。

絕大多數(shù)用來做研究的PSII都取自于藍藻，而科學家們在研究中卻發(fā)現(xiàn)一些藍藻表面具有 “納米導線”可以將細胞內光合作用產生的電子傳遞到細胞表面。利用其電荷傳輸特性，將光合藍藻貼在電極上培養(yǎng)繁殖可以實現(xiàn)自我維持的水氧化 (圖2b)[47-48]。Erwin Reisner課題組將藍藻連接到與其細胞尺寸匹配的大孔隙度(大于10 μm)反蛋白石結構氧化銦錫(IO-ITO)電極上，已經可以實現(xiàn)光陽極電流持續(xù)5d以上并且PSII轉換次數(shù)超過20 000(光照條件：1 mW·cm-2，λ=685 nm)[47]。 有趣的是，該系統(tǒng)的性能隨著時間的推移而增加，可能是藍藻細胞與電極的連接狀態(tài)越來越好的緣故。但是藍藻基半人工光陽極的光電流密度(小于 15 μA·cm-2)仍遠低于 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)伏安測試對比還顯示光誘導的氧化還原波可能與一種傳遞電荷的擴散介質有關，但目前學術界對此還存在爭議。此外，Hasan等利用電極-PSII復合體系研究的策略，將藍藻和氧化還原聚合物同時固定在光電極表面，在44 mW·cm-2的光強照射下分別獲得了8.6 μA·cm-2的直接光電流和48.2 μA·cm-2的介導光電流，但是可能會犧牲體系的壽命[49]。

雖然上述改進策略顯示出一定的前景，并且藍藻基電極的壽命(數(shù)周至數(shù)月)[50]超過PSII基光陽極(數(shù)分鐘)[45]和人工合成的光陽極(數(shù)小時至數(shù)天)[51]，但是這種半人工光陽極的光電流輸出仍須增加至少幾個數(shù)量級才能在電力或太陽能燃料發(fā)電方面具有經濟競爭力[48]。目前，基于無機材料-葉綠體復合的生物光電系統(tǒng)，利用光陽極氧氣生成和陰極氧氣還原的催化環(huán)路，可以實現(xiàn)高達500 μA·cm-2的介導光電流[52]。因為藍藻與葉綠體在生物進化上具有同源性，并且具有相似的結構和功能，所以使用藍藻基半人工光陽極也有望實現(xiàn)500 μA·cm-2的光電流輸出，但是該設計策略目前尚未在基于藍藻的半人工光合系統(tǒng)中實現(xiàn)，這可能與用來構建該體系的藍藻特性有關。藍藻自身形成胞外電子的能力是構建該體系的基礎。提高半人工光陽極的界面電荷轉移率是將光電流密度提高到實用水平的關鍵。目前，已經在共聚焦熒光顯微鏡[53]，電化學阻抗譜[54]，表面增強拉曼/紅外光譜[55-56]和納米電極[57-58]等一些檢測平臺上建立起許多技術，可以為半人工光陽極的界面電荷轉移過程提供豐富的機理信息。例如，光譜檢測擴散介質的分泌或膜結合細胞色素中的氧化還原變化，可以揭示它們在細胞-電極的電荷轉移機制中的作用[40]。藍藻基半人工光陽極的另一個挑戰(zhàn)是有效地引導通過細胞產生的電子僅流向水氧化途徑，而不是流向生物質積累和代謝副反應的途徑。通過仔細選擇培養(yǎng)條件，或者使用特定的代謝化學抑制劑，甚至通過基因工程的手段，例如將藍藻光合機構中的氨基酸替換，從而提高光化學量子產率和水氧化催化率[59]，都有可能實現(xiàn)有效的電子傳遞路徑調控。

基于無機材料-微生物復合的半人工水氧化反應，目前主要就是依靠藍藻基半人工光陽極來實現(xiàn)，基本原理是藍藻細胞內的PSII發(fā)生水氧化反應時產生的電子流到細胞膜上，然后通過所謂的“納米導線”傳遞到電極表面，最后在外電路中形成電流。相比于PSII基半人工光陽極，藍藻基半人工光陽極具有更高的穩(wěn)定性、持久性以及更簡便的制備過程，但是效率和光電流是它的劣勢。就目前來看，基于電極-藍藻復合的半人工水氧化離實際應用還很遙遠。藍藻細胞自身的光合作用效率，以及藍藻細胞與電極界面的電荷轉移效率是未來優(yōu)化和改進藍藻基半人工光陽極的關鍵。當然，其它一些化學反應動力學因素也是很重要的方面。其中，藍藻細胞自身的光合作用效率可以通過合成生物學的手段和仿生無機納米材料來改進[15，18，20]，而藍藻細胞與電極界面的電荷轉移效率則可以通過對接觸界面的調控來改善。此外，該體系可以為研究細胞向無機半導體材料表面的電荷轉移提供支持。

圖2 (a)IO-ITO|PSII半人工光陽極示意圖[40]；(b)IO-ITO|藍藻半人工光陽極示意圖[40]；(c)IO-ITO|PSII半人工光陽極在無外生介質和斷續(xù)光照射下的多電位階躍計時電流曲線[47]；(d)IO-ITO|藍藻半人工光陽極在無外加導電介質和斷續(xù)光照射下的多電位階躍計時電流曲線[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 基于無機材料-微生物復合的半人工光合還原

自然光合作用包含光反應和暗反應2個階段，在光反應階段主要是水氧化和電子傳遞，而在暗反應階段主要是以二氧化碳還原為核心的卡爾文循環(huán)。光反應為暗反應提供電子和能量來源，所以暗反應對于整個系統(tǒng)來說是還原反應。在半人工光合作用中，還原反應比水氧化反應具有更復雜的形式和更多變的產物，是整個體系的終端反應，也是半人工光合作用領域研究的焦點。目前，已經開發(fā)了基于無機材料-酶復合和無機材料-微生物復合的半人工光合還原系統(tǒng)，研究半人工光合還原系統(tǒng)的目標主要是理解和改進光合產氫、固碳和固氮的反應過程?；跓o機材料-PSI復合的半人工光合還原系統(tǒng)是最早開始研究的[60-62]，目的是實現(xiàn)半人工光合產氫。隨著氫酶提取和保存技術的進步，又出現(xiàn)了基于無機材料-氫化酶復合的半人工光合體系[63-68]。在此基礎之上，將氫化酶換成二氧化碳還原酶或者固氮酶，也實現(xiàn)了半人工光合固碳和固氮[69-73]。但是基于無機材料-酶復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程十分繁瑣；二是離體后穩(wěn)定性和持久性差等問題；三是材料與酶的復合可能影響酶的催化活性，而單一酶的催化就難以實現(xiàn)復雜產物的合成。因此，科學家們開始尋求具有相關還原反應代謝途徑的微生物細胞與人工合成的無機半導體材料結合，構建基于無機材料-微生物復合的半人工光合還原系統(tǒng)。目前基于無機材料-微生物復合的半人工光合還原主要可以通過光催化劑-微生物復合體系和電極-微生物體系來實現(xiàn)。

2.1 光催化劑-微生物復合體系

在最初的光催化劑-微生物復合的半人工光合體系研究中，楊培東課題組利用熱醋穆爾氏菌(M.thermoacetica)的自我防御機制，將有生物毒性的鎘離子(Cd2+)在細胞培養(yǎng)的過程中沉積到細菌細胞表面形成硫化鎘(CdS)納米顆粒(圖3a)[74]。在光照的條件下，來自CdS的光生電子穿過細胞膜通過Wood-Ljundahl途徑成功地參與二氧化碳轉化為乙酸的反應 (圖3b)， 量子產率高達85%(光照條件：435～485 nm，5×1013photon·cm-2LED)[74]。 受到先前量子點酶研究工作的啟發(fā)，楊培東課題組采用泵浦探針瞬態(tài)吸收光譜對該系統(tǒng)的機理進行研究[75]。通過建立CO2光化學固定效率和瞬態(tài)吸收動力學的相關性與M.thermoacetica氫化酶表達量的函數(shù)關系，在不同時間尺度上證明直接的電荷轉移途徑依賴于顯性的雙氫化酶介導。為了消除對犧牲劑的依賴性，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體系中共懸浮，也實現(xiàn)了CO2的固定，但是乙酸產率不高[76]。未來需要用無毒的光吸收劑替代CdS，通過選擇透過性膜或區(qū)室化來防止氧氣和活性氧物質傷害微生物，以及改善該系統(tǒng)在高太陽光強下的工作效率[45]。為了降低光催化材料與細菌細胞結合后產生的毒性，楊培東課題組在之前工作的基礎上，將具有生物相容性的金納米團簇引入M.thermoacetica細胞內部(圖3c)[77]，依然起到CdS的光催化作用，并且在產生光生電子的同時具有抑制活性氧自由基產生的功能(圖3d)，從而使得二氧化碳固定反應可以維持至少4 d。但是這個體系依然存在壽命問題，當細胞分裂形成新的細胞時，很難保證納米金團簇還在細胞中。以上的研究說明，當微生物體系確定時，光催化劑的選擇和設計對于整個半人工光合體系的性能有至關重要的影響。在選擇和設計光催化劑時，一是要根據(jù)微生物細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胞表面結合或者進入細胞內部。

通過以上的研究工作，可以總結出光催化劑-微生物復合的半人工光合作用的基本原理是光催化劑產生的光生電子被微生物利用，參與微生物的代謝反應，從而選擇性合成某種代謝產物。因此，除了材料的選擇和設計，微生物本身的性質對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，并且可以認為是決定性因素。最近興起的合成生物學手段就是一種改造生物體的有效途徑。趙勁課題組通過合成生物學手段構建了一種能在膜上表達重金屬螯合蛋白PbrR和在細胞內部表達[NiFe]氫化酶的大腸桿菌，然后在大腸桿菌表面利用PbrR結合鎘離子，形成CdS納米顆粒，最后通過仿生硅礦包裹，實現(xiàn)了大腸桿菌的聚集，并誘導了大腸桿菌聚集體在有氧條件下的光合產氫(圖4)[78]。這項工作利用合成生物學方法與納米技術，實現(xiàn)了對生物體的定向改造，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，可以通過基因工程改造建立起一系列生物催化反應途徑，但是使用無機光催化納米材料與細菌結合，容易對細胞產生毒害作用，限制了催化反應效率。最近，Guo等使用簡單的多酚化學將磷化銦納米顆粒與轉基因的酵母細胞(Saccharomyces cerevisiae Δzwf1)表面復合，以生成一種生物無機雜化體[79]。當白光照射在利用太陽能的酵母細胞上時，它們會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程中分解的輔助因子，因此它可以再次參與合成，從而促進莽草酸的生物合成[79]。該研究首次將光催化劑與微生物結合用于非能源物質的合成，拓展了半人工光合作用的應用領域，也為生物制造提供了新思路。

圖3 (a)硫化鎘-熱醋穆爾氏菌復合體及其自光敏化太陽能轉化[74]；(b)硫化鎘-熱醋穆爾氏菌復合體中太陽能-化學能轉化的可能途徑[74]；(c)金納米團簇在熱醋穆爾氏菌內部復合及其自光敏化太陽能轉化[77]；(d)熱醋穆爾氏菌-納米金復合體中太陽能-化學能轉化的可能途徑[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 表面展示的生物復合技術誘導空氣環(huán)境中的光驅動產氫[78]Fig.4 Proposed surface-display biohybrid approach to light-driven hydrogen production in air[78]

2.2 電極-微生物復合體系

與基于光催化劑-微生物復合的半人工光合還原體系相比，基于電極-微生物復合的半人工光合還原體系具有更好的可調性和更強的應用前景，并且對電極的修飾與改造比對微生物細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池和半導體-電極界面的基礎研究中獲得的理解和經驗[80]。楊培東課題組首先研究了希瓦氏菌(Shewanella oneidensis MR-1)在硅納米線陣列上的識別[81]，并且用氯化鈉誘導了細菌在納米線上的自組裝[82]。隨著基于材料-酶復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，基于電極-微生物的半人工光合體系應運而生。這種系統(tǒng)的獨特能力是通過微生物細胞內部代謝途徑引導電極表面產生的還原物種(電子，氧化還原介質，氫氣)轉化為復雜的CO2和N2衍生產物[83]。根據(jù)還原物種的形式，這個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胞是緊密結合的，還原物種的形式為電子，電極產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胞的分散液中，并不和細胞界面連接，還原物種的形式為氫氣或其他氧化還原介質，電極產生的電子先被用來產生氫氣或者被氧化還原介質利用，然后再被微生物利用。因此，基于電極-微生物復合的半人工光合作用的基本原理可歸納為電極表面產生的還原物種進入微生物細胞，參與其內部代謝途徑，轉化為復雜的代謝產物。

對于集成式系統(tǒng)，實現(xiàn)電子在電極和細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于提高電流密度就顯得十分重要。楊培東課題組在國際上率先用硅納米線陣列做光陰極與厭氧細菌Spormusa ovata(S.ovata)的細胞復合，二氧化鈦納米陣列作為光陽極，可以將CO2選擇性地還原為CH3COOH(圖5)[84]，并且法拉第效率達到90%。這種表面具有納米線陣列的光陰極由于其獨特的幾何結構，將O2從其固定厭氧細菌的納米線通道中排除，從而使整個系統(tǒng)可以在大氣條件下工作，并在100 mW·cm-2的光照強度下，與TiO2光陽極配對時，以0.3 mA·cm-2的光電流密度驅動無輔助介質的CO2還原。微生物“催化劑”的自我復制性質使得操作壽命為200 h，并且通過基因工程改造使大腸桿菌將CH3COOH進一步升級為一系列更復雜的化學產物。

圖5 硅納米線陣列電極-S.aovata細菌集成式復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課題組通過將硅基“人造葉”(陰極)[85]和 InP-TiO2(陽極)[86]串聯(lián)插入真氧產堿菌(Ralstonia eutropha)的細胞培養(yǎng)液中，在陰極產生氫氣，通過細菌的氫氣代謝過程還原CO2產生丁醇和甲烷(圖6)。但是這樣的體系中，由于陽極會產生氧氣，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的過程中腐蝕并釋放出對微生物有毒害的金屬離子。為了改進這個系統(tǒng)，Nocera課題組又開發(fā)了不會在溶液中產生顯著活性氧物質或浸出金屬離子的Co-P陰極-CoPi陽極催化體系[87]，這是半人工系統(tǒng)向商業(yè)化應用邁出的有希望的一步。該電化學系統(tǒng)與Ge-GaAs-GaInP2三結光伏電池作為模型光伏電源和真氧產堿菌相結合，直接利用H2作為能量和還原物種輸入，實現(xiàn)了持續(xù)5 d的太陽能驅動的CO2還原，并且太陽能-化學能轉化效率可達到6%[87-88]。上述Co-PCoPi系統(tǒng)進一步用于自養(yǎng)黃色桿菌(Xanthobacter autotrophicus)可以驅動N2向NH3的電化學固定[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性支架是使N2固定系統(tǒng)壽命延長的簡便策略[90]。

圖6 基于真氧產堿細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]

雖然目前的研究進展是有應用前景的，但關鍵的限制是基于微生物的半人工光合系統(tǒng)的體積產品產率，而目前最優(yōu)的系統(tǒng)能達到CH3COO-的產率為～1.3 g·L-1·d-1。為了使反應器和產物分離成本最低，擴大規(guī)模必需要提高產量。但是電化學池占用空間大，細胞與電極的低效連接以及單個物種持續(xù)生長的要求是基于微生物的半人工光合系統(tǒng)推向商業(yè)化應用的關鍵障礙。對微生物電合成等類似體系的研究已經表明電荷轉移模式(直接、間接或兩者兼有)是應變，環(huán)境，電極和時間依賴性的[91-93]。因此，首先需要深入理解界面化學和能量轉移，然后通過代謝工程增加產品生成速率和化學多樣性，最后將環(huán)境耐受性擴展到無污染的實驗室之外的大規(guī)模培養(yǎng)條件。例如，如果半導體-電極界面處的能量轉移通過H2發(fā)生，則可以通過使膜結合的氫化酶密度最大化來實現(xiàn)增加微生物H2吸收和產物產率[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和其他細胞行為的變化，以及如何有效地利用它對提高產率也是很重要的。同時降低催化反應過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)模應用過程中需要克服和解決的問題。

3 無機材料-微生物界面

基于無機材料-微生物復合的半人工光合作用的基本原理是微生物光合作用產生的電子與人工合成的無機材料相互作用形成電流，或者無機材料在光照下產生的還原物種被微生物利用參與代謝反應。核心目標是無機材料與微生物催化體系的優(yōu)勢互補，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-微生物的界面對于未來提高微生物基半人工光合系統(tǒng)的太陽能-化學能轉化效率至關重要。在材料-微生物的界面相互作用中，有2個基礎性問題：(1)材料與微生物之間的能量和電荷轉移問題 (圖7)；(2)材料與微生物的相容性問題(圖7)[41]。

圖7 太陽能-化學能轉化中的材料-微生物界面示意圖[41]Fig.7 Schematic of materials-microorganism interfaces in solar-to-chemical conversion[41]

目前實現(xiàn)材料與微生物之間的電子轉移主要有2種模式：直接轉移和介導轉移[41]。直接轉移模式主要對應于光催化劑-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來傳遞電子，但是需要材料與微生物的緊密結合，這種模式對于材料-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。而介導轉移模式主要對應于分散式的電極-微生物半人工光合體系，利用可溶性的氧化還原穿梭電對將電極-溶液界面處產生的電子轉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，也可以產生ATP供生物催化反應使用。目前的介導轉移系統(tǒng)可采用產氫電催化劑與H2氧化、CO2還原或N2還原細菌串聯(lián)配對[87，89，91]，利用 H2作為還原物種，實現(xiàn)半人工光合還原。這些簡易的系統(tǒng)具有高達～10%的太陽能-生物質能轉化效率[87]，比典型的植物太陽能-生物質能轉化效率高一個數(shù)量級[95]。其它的氧化還原電對介質，例如甲酸鹽[96-97]，紫羅堿和吩嗪[98]，也有一定的應用前景，但是它們對微生物的毒害性可能較大。單純從電子轉移效率來分析，直接轉移模式比介導轉移模式更有優(yōu)勢，因為氧化還原穿梭電對在傳遞電子的過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于彼此的相容性是很大的考驗，細胞的生物活性以及無機光催化劑的活性都可能受到影響。此外，無機光催化劑的選擇，電極的形貌結構和表面修飾都會對材料-微生物界面電子轉移產生重要影響，這3個方面也是目前改進和優(yōu)化系統(tǒng)的主要關注點。

考慮到無機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相容性之間找到平衡點，一直以來都是這個領域的熱點與難點。首先，材料的結構和形貌會影響其與微生物的結合進而影響微生物的活性。如將電極表面功能化或者納米化會有利于微生物細胞在電極表面的吸附生長，而且二者接觸面積的增大也會增加電流密度[99-100]。其次，任何一種含金屬元素的催化劑在溶液中使用時，都不可避免的溶解產生金屬離子，而絕大多數(shù)的金屬離子對于微生物來說都是有毒性的。當微生物自身的活性下降后，內部的生物催化反應活性也可能受到影響，從而使整個系統(tǒng)的性能下降。但也有微生物對金屬離子的響應是積極的，比如有些微生物本身就具備對某些重金屬離子的抵抗作用[101-102]，將此類金屬元素以單質或者化合物的形式沉積在表面，能夠促進材料-微生物的功能協(xié)同。此外，無機半導體材料在發(fā)生催化反應時，時常伴隨著活性氧、活性氯和活性氮自由基[41]，它們會對微生物細胞的活性產生毒害，因此需要在材料選擇和設計時盡量避免此類情況的發(fā)生，并同時研究微生物對這些自由基活性種的響應機制。為了保護微生物，除了在無機半導體材料端做改進，通過化學和材料的手段對微生物細胞進行表面改進也是常用的方法，例如二氧化硅單細胞包裹微生物[18，103]，水凝膠包裹[104]，金屬有機框架材料包裹[105]等。

4 研究總結與展望

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

微生物基的半人工光合系統(tǒng)中的一個核心問題就是材料-生物的界面相互作用，關鍵是能量與電荷在材料與微生物界面處的轉移。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，也會對材料性質產生影響。這種相互作用直接影響電荷在界面處的轉移，因此提高界面電荷轉移速率對提高微生物基半人工光合體系的太陽能-化學能轉化效率至關重要。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、微生物細胞與材料的結合形式，因此改進二者相互作用可以從3個方面入手：

（?。ξ⑸锉旧磉M行改造。在微生物改造方面，合成生物學具有越來越重要的作用[15-17]。雖然合成生物學一直致力于增強細胞的體內功能 (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要解決的關鍵領域。為此，應用合成生物學的工具可以從頭設計具有精細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從電極到工程代謝循環(huán)的高強度電荷通量。除了合成生物手段，通過仿生無機納米材料對微生物進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物和氨等。如何進一步發(fā)揮生物體酶促反應的專一性、得到結構更復雜和具有更高價值的產物是未來探索的一個重要方向，這方面需要基于對相關微生物代謝途徑和分子機制的理解，結合化學與材料的手段構建合適的半人工光合體系。

（ⅲ） 改變材料-微生物的復合形式。 未來的機遇還在于將合成材料與生物系統(tǒng)整合在一起，以產生能量轉換和催化循環(huán)的新途徑[42]。不同的復合形式會產生不同的材料-微生物相互作用，而不同的相互作用對微生物的代謝活動可能產生不同的影響。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是探索材料-微生物復合形式的重要基礎。

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的一個體系，它的出現(xiàn)是自然光合作用和人工光合作用研究進展到一定階段而產生的，未來的發(fā)展不僅取決于兩個領域的研究水平和和認知程度，更取決于二者的融合程度。雖然基于無機材料-微生物復合的半人工光合作用目前尚處于概念驗證階段，但是過去5年的研究已經為基于無機材料-微生物的半人工光合作用未來的發(fā)展奠定了堅實的基礎，未來這個領域在現(xiàn)有的基礎上還有進一步完善和認識的空間。特別是微生物基的半人工光合體系可以作為模型體系來探索一些在純自然光合作用或純人工光合作用中無法用實驗研究的問題，在新的微生物體系、材料體系與結構、材料-微生物結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)化應用的過程中，目標產物與生物催化體系的分離也是需要解決的問題。

表1 基于無機材料-微生物復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：感謝中南大學材料科學與工程學院博士研究生傅虹瑋，不萊梅大學計算材料科學中心博士研究生范國政，南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院博士研究生黃輝庭的幫助。特別感謝加州大學洛杉磯分?；瘜W與生物化學系助理教授劉翀博士以及西安交通大學能源與動力工程學院副教授蘇進展博士提供相關圖片。