光能驱动与微生物代谢耦合的光电催化-微生物生物杂化系统高效合成琥珀酸

《Nature Communications》：Photoelectrocatalytic-microbial biohybrid for succinic acid synthesis

传统琥珀酸生产能耗高且不环保。本研究构建了一种NiO@PAA@NHS/Au@ Actinobacillus succinogenes光电催化-微生物生物杂化系统。该系统在-0.3 V vs. RHE和模拟太阳光照下，实现了1.9 mA cm-2的光电流密度、67%的CO2转化效率和1.41 ± 0.04 g L-1h-1cm-2的琥珀酸产率，为规模化、碳中和的化学品生产提供了有效策略。

　　

琥珀酸是一种重要的平台化学品，广泛应用于聚合物、食品和制药工业。然而，其传统化学生产过程高度依赖化石资源，不仅能耗巨大，还会产生大量环境不友好的副产物。面对日益严峻的能源与环境挑战，发展可持续、绿色低碳的生物制造路线成为必然趋势。利用微生物细胞工厂，以可再生资源甚至温室气体二氧化碳（CO₂）为原料合成化学品，是实现碳中和目标的理想路径之一。其中，产琥珀酸放线杆菌（Actinobacillus succinogenes）因其能够高效固定CO₂并转化生成琥珀酸而备受关注。但这条看似光明的生物合成之路并非坦途。微生物细胞内部的电子传递效率常常成为限制其代谢活性和产物合成速率的“卡脖子”环节。细胞内有限的还原力（如NADH）供应，就像一条狭窄的“电力”通道，无法满足高速生产琥珀酸所需的巨大“电流”。如何为这些微生物“充电”，打通电子传递的“任督二脉”，成为提升其生产力的关键科学问题。

为了解决上述瓶颈，研究人员将目光投向了太阳能与生物技术的交叉前沿。他们设想，能否构建一个系统，直接利用取之不尽的太阳能，通过光电催化过程产生还原力，并精准地输送给微生物，从而驱动其高效合成目标化学品？这个构想催生了一项创新性的研究。研究团队发展了一种光电催化-微生物生物杂化系统，成功将太阳能直接转化为琥珀酸，相关成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

为了构建这一高效的系统，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，通过适应性实验室进化（Adaptive Laboratory Evolution），利用金纳米颗粒（Au nanoparticles）对产琥珀酸放线杆菌进行改造，建立起了一条增强的细胞内电荷转移通路。其次，采用层层自组装技术，制备了一种NiO@PAA@NHS复合光电极，该电极由氧化镍（NiO）纳米片基底、聚丙烯酸（Poly acrylic acid, PAA）水凝胶涂层以及接枝的N-羟基琥珀酰亚胺（N-Hydroxysuccinimide, NHS）活性基团构成。最后，将进化后的菌株固定在该光电极上，构建成最终的NiO@PAA@NHS/Au@ Actinobacillus succinogenes生物杂化系统，并在模拟太阳光照和特定外加电位下进行性能评估。

光电极材料的设计、制备与表征

研究人员成功合成并表征了层状的NiO纳米片，并将其作为光电阴极的基础材料。通过在NiO表面依次修饰PAA水凝胶和NHS，制备了NiO@PAA@NHS复合电极。表征结果表明，该结构有效地提高了电极的比表面积和生物相容性，其表面的NHS基团能够与微生物细胞壁上的氨基发生共价结合，从而实现微生物的稳固固定。

微生物的适应性进化与电子传递增强

为了解决Actinobacillus succinogenes自身电子传递能力有限的问题，研究团队利用金纳米颗粒（AuNPs）作为电子中介体，对菌株进行了适应性实验室进化。进化后的菌株展现出了显著增强的胞外电子摄取和利用能力。电化学分析证实，金纳米颗粒成功整合到了菌体的细胞膜或周质空间中，形成了一条高效的“纳米导线”网络，极大地促进了从电极到菌体内代谢网络的电子流。

生物杂化系统的构建与光电催化性能

将进化后的Actinobacillus succinogenes菌体通过共价键固定到NiO@PAA@NHS光电极上，构建了完整的生物杂化系统。在模拟太阳光照和-0.3 V （相对于可逆氢电极，RHE）的偏压下，该系统表现出优异的光电化学活性，光电流密度达到1.9 mA cm^-2。更重要的是，该系统能够高效地将CO₂还原并转化为琥珀酸，CO₂的转化效率高达67%。

琥珀酸合成性能与系统稳定性

性能测试结果显示，该生物杂化系统的琥珀酸合成速率达到1.41 ± 0.04 g L^-1h^-1cm^-2，这一产率显著高于传统的微生物发酵或已报道的多数生物电化学系统。此外，系统在长时间的运行测试中保持了良好的稳定性，表明这种光电-生物杂化界面具有坚固耐用的特点。

本研究成功构建并验证了一种高效、稳定的光电催化-微生物生物杂化系统。该系统通过材料科学与合成生物学的巧妙结合，创新性地利用金纳米颗粒增强微生物的胞内电子传递，并采用功能化的层状光电极实现微生物的高效固定与界面电子传输。在太阳能驱动下，该系统实现了CO₂到琥珀酸的高效、高选择性转化。这项工作的意义在于，它不仅仅展示了一种特定化学品的高效合成路径，更重要的是提出并实践了一种普适性的策略：通过理性设计光电材料与微生物的界面，并将合成生物学工具用于改造微生物的电子代谢途径，从而将太阳能直接与复杂的微生物代谢网络耦合。这为开发新一代太阳能驱动的、碳中和的生物制造平台提供了全新的思路和技术蓝图，有望变革传统高耗能、高排放的化学工业模式，对推动可持续发展和实现“双碳”目标具有重要的科学与应用价值。