由于能源和環(huán)境危機(jī)日益加劇，加強(qiáng)對(duì)太陽能等清潔能源的有效利用與轉(zhuǎn)化成為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要發(fā)展方向之一?；诖?，半人工光合領(lǐng)域應(yīng)運(yùn)而生，該體系結(jié)合了半導(dǎo)體材料對(duì)光能的高效捕獲能力及生物的高選擇催化能力，有效吸收太陽能產(chǎn)生光生電子或還原力以驅(qū)動(dòng)生物體內(nèi)高附加價(jià)值產(chǎn)物的代謝。目前，該體系的構(gòu)建主要依賴于微生物自身礦化或者內(nèi)吞作用，實(shí)現(xiàn)金屬半導(dǎo)體材料如硫化物的沉積及量子點(diǎn)納米材料的吸收。鑒于重金屬離子的毒性和金屬半導(dǎo)體材料的光腐蝕性，以無機(jī)材料/微生物為代表的雜化體系存在環(huán)境隱患的同時(shí)，負(fù)載效率和物質(zhì)代謝能力也受到重金屬離子毒性的限制。
以碳基材料為代表的有機(jī)材料具備較好的生物兼容性，理化性質(zhì)穩(wěn)定，但存在光能捕獲效率較低和光生載流子復(fù)合快的問題。通過碘的摻雜作用，水熱碳具備了常碳基材料優(yōu)勢(shì)，并擁有良好的全光譜吸收和光生電子遷移能力。此外，碘摻雜水熱碳可由一系列碳水化合物前驅(qū)體，如蔗糖、淀粉、稻草和動(dòng)物糞便等水熱合成且無溫室氣體的排放。這些特性使得碘摻雜水熱碳成為低廉高效的微生物伴生光驅(qū)材料。
化能異養(yǎng)微生物大腸桿菌被選為該體系的微生物工廠，一方面由于大腸桿菌成熟的基因操作技術(shù)賦予其產(chǎn)物多樣性的特點(diǎn);另一方面其清晰的代謝通路有助于研究材料微生物界面能量電子遷移的問題，后者是半人工光合領(lǐng)域尚未攻克的難題之一。為克服上述提出的生物礦化和內(nèi)吞作用對(duì)微生物的影響，該研究采用普適便捷的“外掛式”自組裝方式，通過改性微生物表面電荷，使其與帶負(fù)電荷的碘摻雜水熱碳通過靜電吸附快速結(jié)合，在光照下實(shí)現(xiàn)光生電子的有效遷移。該方法突破了納米材料和微生物自身的局限，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求設(shè)計(jì)不同半導(dǎo)體材料和微生物的高效組合體系。自組裝的I-HTCC@E.coli體系產(chǎn)氫效率相比于純大腸桿菌黑暗發(fā)酵體系明顯提高，實(shí)現(xiàn)了非光合微生物大腸桿菌在光照下的高效氫能轉(zhuǎn)化，量子效率高達(dá)9.11%，遠(yuǎn)高于一般光合微生物(< 3%)。
該研究進(jìn)一步分析了光生電子遷移路徑以及對(duì)大腸桿菌產(chǎn)氫代謝的調(diào)控難題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碘摻雜水熱碳的光生電子主要通過直接傳遞和NAD+/NADH介導(dǎo)的間接傳遞作用被微生物利用。遷移到微生物體內(nèi)的光生電子主要通過一種微妙的形式正反饋調(diào)節(jié)大腸桿菌的甲酸產(chǎn)氫途徑和NADH產(chǎn)氫途徑的底物以提高大腸桿菌的氫能轉(zhuǎn)化效率。該體系同樣具備了較好的光穩(wěn)定性和普適性，可應(yīng)用于不同碳基材料，對(duì)大腸桿菌產(chǎn)氫均顯示了不同程度的促進(jìn)作用。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院深圳先進(jìn)院、中科院定量工程生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院的資助。
圖1.樣品表征。（a）碘摻雜水熱碳透射電鏡；（b）PAH 改性后細(xì)胞形貌；（c）碘摻雜水熱碳的x射線衍射和紫外可見光吸收?qǐng)D譜；（d）、（e）碘摻雜水熱碳和大腸桿菌自組裝體系投射電鏡；（f）不同光電流下碘摻雜水熱碳光電流響應(yīng)。
圖2.驅(qū)動(dòng)碘摻雜水熱碳和大腸桿菌自組裝體系產(chǎn)氫的機(jī)理。
