郭禹曼，洪學明，樊 彬，呂永琴

(北京化工大學 生命科學與技術(shù)學院 北京市生物加工過程重點實驗室 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)，并致力于實現(xiàn)1.5 ℃溫控目標[1]，全球承諾在21世紀中葉左右實現(xiàn)CO2凈零排放目標的國家越來越多。針對此，2020年，我國提出了兩項重要目標，即力爭于2030年前實現(xiàn)“碳達峰”，于2060年前達到“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，其目標是利用光能作為原始驅(qū)動力，將CO2高效還原為氣體、液體燃料[3]或進一步轉(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，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催化和電化學催化兩種方式。與電化學催化相比，光化學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，實現(xiàn)了在多種化學反應中對光能的直接利用。受自然界光合作用的啟發(fā)，研究人員基于無機和有機半導體材料構(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，難以直接應用于工業(yè)化生產(chǎn)。人工化學催化與生物催化的耦合體系集成了二者的優(yōu)點，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，為微生物細胞提供能量和還原力，驅(qū)動高效固碳和產(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計的基本條件和思路，總結(jié)了近年來該領(lǐng)域的突破性進展，并對耦合體系未來的發(fā)展方向進行了展望。

1 光催化原理

半導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(導帶，CB)和能量較低的成鍵軌道集合(價帶，VB)[11]，二者之間的能級區(qū)間通常稱為禁帶。一般來說，導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，導帶底端能級越負，則光激發(fā)高能態(tài)電子的還原能力越強；相對的，價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，價帶頂端能級越正，則光激發(fā)遺留空穴的氧化能力越強[12]。對于一個半導體光催化劑，其發(fā)生催化反應的過程如圖1所示。以還原反應部分為例，半導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，躍遷至能級更負的CB，躍遷后的電子趨于向能量更低處流動。因此，可能會發(fā)生3種情況：①電子與空穴發(fā)生復合，并將多余的能量以光能和熱能等形式釋放到半導體外；②電子被反應體系中的電子介體(M)接收，并進一步被傳遞出去；③電子被半導體材料表面吸附的反應物分子利用，發(fā)生還原反應[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，空穴由水或其他電子供體分子猝滅，發(fā)生氧化反應[14]。在反應的過程中，半導體材料的能級結(jié)構(gòu)和電子-空穴分離能力、CO2分子和反應中間體的吸附情況及副反應等均會對CO2還原的結(jié)果產(chǎn)生重要影響。因此，實現(xiàn)CO2光催化還原要求半導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還原反應能夠發(fā)生的還原電極電位；如VB頂端位置低于析氧反應的電極電勢時，則能夠發(fā)生析氧反應，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，否則將導致材料吸光波長過短，造成對可見光資源的浪費。

常見半導體的禁帶位置及CO2還原標準電極電位(以標準氫電極(SHE)為基準，pH7)，如圖2所示。同時，材料本身應具有良好的電子-空穴分離能力和適當?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相比，材料對CO2還原反應的專一性。除此以外，半導體材料對CO2還原中間體的吸附能力是衡量反應選擇性的重要指標。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還原以及析氫反應的還原電極電位[18]

CO2通過2、4、6和8個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，但其反應歷程也更加復雜[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，析氫反應的歷程簡單、所需電極電位相對較低，具有熱力學和動力學上的雙重優(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位點，進一步提升電子-空穴分離效率，并提高催化劑的長期使用穩(wěn)定性等是設計催化劑時必須考慮的因素。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。

2 生物固碳途徑

目前已驗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)成本限制了其進一步應用。針對此，研究人員利用g-C3N4、卟啉衍生物和晶態(tài)多孔有機骨架材料等光催化材料在體外實現(xiàn)NAD(P)H的高效光催化再生[24]。目前的研究普遍認為，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)生的高能電子促進胞內(nèi)NAD(P)H再生，從而驅(qū)動高效固碳。

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團隊的Yu等[25]設計構(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，在光合有機體中，MCG途徑與CBB循環(huán)耦合，增強了乙酰輔酶A的合成。2016年，Erb團隊的Schwander等[26]構(gòu)建了一種由17種酶組成的代謝網(wǎng)絡——CETCH循環(huán)，并通過酶工程和代謝工程優(yōu)化，實現(xiàn)了無細胞多酶催化的CO2連續(xù)固定。2021年，天津工業(yè)生物所的馬延和團隊的Cai等[27]在無細胞體系中構(gòu)建了由11個核心反應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，最終每克催化劑轉(zhuǎn)化CO2的速率高達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和環(huán)境適應性強的異養(yǎng)微生物中建立固碳循環(huán)，有利于進一步推動固碳生產(chǎn)走向工業(yè)化應用。2016年，Milo團隊的Antonovsky 等[28]結(jié)合代謝重組和實驗室進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團隊的Gassler等[29]在2019年通過添加8個異源基因和缺失3個天然基因，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，改造后的細胞能夠利用CO2為唯一碳源進行自養(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，通過設計分子開關(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胞膜上，半導體材料CdS在細胞表面發(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)化進一步擴展固碳產(chǎn)品的多樣性。

3 光催化-微生物耦合固碳系統(tǒng)的理性設計

盡管通過材料摻雜[31]、負載[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，也很難實現(xiàn)碳碳鍵(C—C)的偶聯(lián)。同時，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、可自我復制及可自我修復等性能，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會優(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中心[34]。葉綠素與半導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制、自我修復和高度選擇性，合成化學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)動力，從而實現(xiàn)較高的量子產(chǎn)率。

例如，將半導體材料結(jié)合在含自養(yǎng)途徑(如CBB循環(huán)、WL途徑)的微生物細胞膜外，當以波長合適的光照射雜合體系時，半導體產(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)運蛋白或細胞分泌的氧化還原介體等[37]轉(zhuǎn)運到細胞內(nèi)部，為細胞提供還原力，從而增強固碳代謝(圖4(a))。此外，將尺寸足夠小的半導體材料(如，量子點[38]、納米金[39]等)導入細胞內(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))。這種設計策略規(guī)避了電子跨膜運輸緩慢的動力學阻礙，同時減少了運輸過程的能量消耗[39]，并且在一定程度上可以避免細胞分裂過程中半導體材料從細胞表面脫落的情況。然而迄今為止，固碳菌從半導體中直接攝取電子的機制尚不明確。避免電子跨膜運輸限制的另一種策略是采用H2作為電子穿梭載體，當光照射到半導體材料上時，光生電子不被細胞直接利用，而是參與光解水反應生成H2。H2可以通過微生物細胞膜上的氫酶向胞內(nèi)輸送還原力，促進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)的設計策略

因為光照對生命系統(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，半導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，半導體材料附著在微生物膜外，則要求二者緊密結(jié)合，否則會阻斷電子傳遞。如果導入微生物內(nèi)部，則半導體顆粒尺寸應足夠小。第四，考慮到培養(yǎng)基成分的復雜性，半導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展

2015年Yang團隊的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)境下的應用提供了有價值的參考。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90%的法拉第效率，可以持續(xù)運轉(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)域應用[44-46]十分廣泛(圖6)。Yang團隊的Sakimoto等[44]利用一些微生物可以誘導礦物納米顆粒沉積的特點，將CdS納米顆粒沉積在了M.thermoacetica細胞膜上，使M.thermoacetica發(fā)生自光敏化，半胱氨酸同時作為體系的硫源和犧牲劑。在合適的光照條件下，CdS能夠為M.thermoacetica提供光生電子，通過電子產(chǎn)生的還原力增強細菌固定CO2的WL途徑，同時CdS的存在能夠有效減弱細菌受到的光損傷。在低強度模擬日光照射下，總量子產(chǎn)率可以達到2.44%±0.62%?；诖?，Wang等[45]在2019年設計開發(fā)了由Rhodopseudomonaspalustris自沉積CdS固定CO2生產(chǎn)PHB的系統(tǒng)，增強了細菌自有的光合作用。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體系進行了改進，通過TiO2-MnPc與CdS-M.thermoacetica體系的耦合，實現(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)作為一種常見的復合材料設計，有利于改善材料吸光性能，促進電荷分離。除無機半導體異質(zhì)結(jié)外，有機半導體異質(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胞膜直接結(jié)合，極大地促進胞內(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)動力。PFP與PDI以帶正電的銨基基團與帶負電的細菌表面通過靜電作用發(fā)生吸附，同時PFP通過疏水作用插入細胞膜，增強了電子轉(zhuǎn)運。經(jīng)優(yōu)化后，該體系的最終量子產(chǎn)率達1.6%，與植物及藻類全年光合作用的量子產(chǎn)率相當。

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

為進一步提高光催化材料和細胞的界面結(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，得到表面含有細胞親和性基團的光催化劑，其次再利用聚丙烯酰胺鹽酸鹽(PAH)包封酵母細胞，在酵母細胞表面引入正電荷，最后通過光催化材料和酵母細胞的自組裝構(gòu)建生物雜合系統(tǒng)。該團隊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胞膜，促進胞內(nèi)NADP+向NADPH轉(zhuǎn)化，為生產(chǎn)莽草酸的途徑提供還原力，這種設計策略有助于實現(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)運機制仍然尚不明確。

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體材料在胞外產(chǎn)生，并通過特定的電子傳遞路徑進入微生物細胞內(nèi)，增強細胞代謝。因此，半導體材料可以被視為附著在細胞表面的微型電極，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 跨膜電子運輸?shù)膭恿W限制；②電子轉(zhuǎn)運過程中會產(chǎn)生額外耗能；③材料與細胞表面結(jié)合不穩(wěn)定，材料易從膜表面脫落，且在細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體納米顆粒導入細胞內(nèi)部，直接在細胞內(nèi)提供還原力，強化細胞代謝(圖9)。Zhang等[39]在M.thermoacetica細胞中成功導入了Au22(SG)18(SG，谷胱甘肽)，金納米團簇一方面捕獲光能，使產(chǎn)生的光電子通過分布在細胞質(zhì)中的氧化還原介體進入WL途徑，增強CO2的固定效率，提高乙酸產(chǎn)率，另一方面，金納米團簇也作為活性氧抑制劑，使細菌連續(xù)6 d以上保持高CO2固定活力。同時，利用金納米團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，顯著增強了光催化劑與微生物細胞的親和力。

圖9 細胞內(nèi)耦合體系的構(gòu)建

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

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，因此在設計時受到材料尺寸、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等半導體材料在水中直接制得，當使用H2作為電子穿梭載體時，可以有效避免電子接收的動力學限制。這時，光催化半導體材料和細胞分別作為2個獨立的模塊，二者通過電子穿梭載體H2相聯(lián)結(jié)，協(xié)同促進CO2的固定及轉(zhuǎn)化。

RalstoniaeutrophaH16是一種異養(yǎng)好氧菌，同時也可在CO2、H2的條件下進行自養(yǎng)代謝，當碳源充足而其他營養(yǎng)物質(zhì)受限時它可以在胞內(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，細菌利用g-C3N4光解水產(chǎn)生的H2促進了胞內(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。當以果糖為底物時，PHB的產(chǎn)量提高為原來的1.84倍；當以CO2為碳源時，PHB產(chǎn)量增加了1倍。2021年，該團隊采用一鍋法合成了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，PHB的產(chǎn)量提高了4.3倍；當以CO2為碳源時，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)可以實現(xiàn)光驅(qū)動CO2向多種產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，在這類體系中，半導體材料能夠通過光生電子為微生物提供還原力，實現(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胞膜上表達電子傳遞途徑有利于增強電子攝取效率。同時，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胞之間的界面相容性差。如何對光催化材料和微生物細胞進行表面功能化修飾，提高二者的界面相容性是需要解決的關(guān)鍵問題。

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

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

6)當以H2作為電子穿梭載體時，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一步提升電子傳遞效率。

此外，為了實現(xiàn)耦合體系的工程化應用，需詳細評估現(xiàn)有體系規(guī)模化的可能性。在處理工業(yè)廢氣中的CO2時，培養(yǎng)條件比培養(yǎng)基的環(huán)境更為苛刻，需要建立高適應性體系以應對不同的工業(yè)環(huán)境，如從開發(fā)細胞保護手段、采用更穩(wěn)定的材料、對微生物進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。該類體系如果實現(xiàn)工業(yè)化應用，將有助于緩解日益嚴峻的環(huán)境、能源問題，為“碳達峰、碳中和”目標的實現(xiàn)提供一種可行的解決方案。