通过太阳能解耦生物混合光合系统实现超越自然合成
学术背景
光合微生物能够通过将太阳能转化为化学能，直接将二氧化碳（CO₂）转化为高附加值的长链化学品，这为CO₂封存与可持续发展提供了极具前景的路径。然而，光合反应中产生的关键还原力——还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）——主要用于支持微生物在黑暗环境中的生存，而非用于生物合成。这一限制严重制约了光合微生物在实际应用中的潜力。为了解决这一问题，研究者们提出了一种太阳能解耦的生物混合策略，通过将持久性光催化剂与光合微生物结合，实现光反应与暗反应的解耦，从而在无光照条件下持续利用CO₂并进行长链化学品的生物合成。
论文来源
这篇论文由Na Chen、Jing Xi、Tianpei He等作者共同撰写，来自武汉大学人民医院、湖南大学、上海交通大学等机构。论文于2025年4月10日发表在Chem期刊上，题为《Beyond Natural Synthesis via Solar-Decoupled Biohybrid Photosynthetic System》。通讯作者为Lilei Yu、Yun Zhang和Quan Yuan。
研究流程与结果
1. 研究设计
研究团队提出了一种太阳能解耦的生物混合策略，通过将持久性光催化剂与光合微生物（如Rhodopseudomonas palustris）结合，实现光反应与暗反应的解耦。持久性光催化剂能够在光照期间收集并储存光生电荷，并在无光照期间缓慢释放，从而为微生物提供持续的还原力。
2. 光催化剂的设计与优化
研究团队采用Zn1.2Ga1.6Ge0.2O4（ZGG0）作为持久性光催化剂，并通过镍（Ni）掺杂进行缺陷工程，以提高其光能储存效率。通过密度泛函理论（DFT）计算和实验验证，研究者发现Ni掺杂能够优化催化剂的电子结构，缩小带隙，并增加氧空位（Vo）和锗空位（VGe）的数量，从而显著提高光催化剂的储氢效率。
3. 生物混合系统的构建
研究者将优化后的ZGG0:Ni光催化剂与R. palustris结合，构建了太阳能解耦的生物混合系统。实验表明，光催化剂在光照期间能够将太阳能转化为还原氢（H₂）和光生电子，并在黑暗条件下缓慢释放这些还原力，从而驱动微生物的NADPH再生和生物合成过程。
4. 实验结果
- 光催化效率：ZGG0:Ni光催化剂的表观光转化效率（APCE）达到8.30%，显著高于未使用光催化剂的对照组（4.36%）。
- NADPH再生：在黑暗条件下，光催化剂储存的还原力能够显著提高微生物的NADPH再生效率，最终达到36.30%。
- CO₂固定与生物合成：生物混合系统的CO₂固定率和番茄红素（lycopene）产量分别达到3.17 mM/g DCW/h和8.80 mg/L，显著高于对照组。
5. 分子机制分析
通过转录组学和代谢组学分析，研究者发现光催化剂显著上调了与电子传递、光合作用、CBB循环（Calvin-Benson-Bassham cycle）以及氢酶相关的基因表达，从而提高了微生物的代谢活性。
结论与意义
该研究通过构建太阳能解耦的生物混合系统，成功实现了在无光照条件下持续利用CO₂并进行高效生物合成的目标。这一策略不仅显著提高了光合微生物的光能利用效率，还为可持续能源存储和利用提供了新的思路。此外，该研究还展示了生物混合系统在工业应用中的潜力，例如与火力发电厂结合，实现CO₂的捕获与利用。
研究亮点
- 创新策略：提出了一种太阳能解耦的生物混合策略，通过将持久性光催化剂与光合微生物结合，实现了光反应与暗反应的解耦。
- 高效光催化剂：通过缺陷工程和Ni掺杂，显著提高了光催化剂的储氢效率和光能转化效率。
- 广泛适用性：该策略不仅适用于R. palustris，还可应用于其他光合微生物，如Synechocystis，展示了其广泛的适用性。
- 工业应用潜力：该研究为CO₂的捕获与利用提供了新的技术路径，具有重要的工业应用价值。
其他有价值的信息
研究者还通过生命周期评估（LCA）验证了生物混合系统在环境和经济方面的优势，表明其能够显著减少温室气体排放和能源消耗，同时降低生产成本。此外，研究团队还探索了该系统在极端环境（如太空）中的应用潜力，进一步拓展了其应用场景。
这篇研究通过创新的生物混合策略，为可持续能源利用和CO₂封存提供了新的技术路径，具有重要的科学价值和实际应用意义。