关于管状孔隙生物炭如何影响污泥厌氧消化过程的见解：性能与作用机制

《Bioresource Technology》：Insights to how tubular pore biochar affects anaerobic digestion of waste activated sludge: Performances and mechanisms

光电子驱动代谢调控显著提升太阳能制氢效率，构建ZnIn2S4-S. oneidensis MR-1生物混合系统，通过光生电子传递促进丙酮酸向乙酸转化，增强ATP和NADH水平，实现4.8倍产氢增益。

　　

王雪萌|李浩宇|王凯莉|张志轩|曹宇欣|马雅莲|陈蓉

中国西安建筑科技大学环境与市政工程学院，教育部西北水资源、环境与生态重点实验室，西安 710055

摘要

可持续的氢气生产对全球能源转型至关重要。将半导体与电活性细菌结合的光合生物杂化系统（PBSs）代表了一种有前景的太阳能驱动策略。然而，光生电子对微生物碳代谢的影响尚不明确，而碳代谢又控制着能量和氧化还原平衡，这限制了PBSs的发展。在这里，我们通过将Shewanella oneidensis MR-1与ZnIn₂S₄整合，构建了一个生物杂化系统。该系统显著提高了氢气产量，其产量分别是原始ZnIn₂S₄和细菌系统的2.2倍和4.8倍。PBS系统氢气产量的提高主要归因于两个因素：具有良好光电特性的生物相容性ZnIn₂S₄有助于高效地将光生电子传递到细菌细胞内；这些引入的电子进一步促进了丙酮酸向乙酸的转化，从而提升了ATP的合成并增加了细胞内NADH的积累。ATP和NADH的增加不仅满足了细胞生长的能量需求，还为氢化酶活性提供了生理环境。本研究为光电子驱动的代谢调节提供了基础见解，并为高效设计太阳能到氢气的转化系统奠定了框架。

引言

全球能源转型迫切需要可持续氢气生产方面的创新（Evro等人，2024年；Kourougianni等人，2024年；Sadeq等人，2024年）。随着化石燃料的枯竭和气候影响的加剧，氢气的碳中性燃烧特性使其成为关键的清洁能源载体（Betts等人，2023年；Chu和Majumdar，2012年）。然而，传统的氢气生产方法（如蒸汽甲烷重整和水电解）仍受到高碳排放、能源效率低下以及对稀缺催化剂依赖的困扰（Anwar和Li，2023年；Nnabuife等人，2022年；Sebbahi等人，2024年）。这些限制激发了对光合生物杂化系统（PBSs）的兴趣，这些系统将光敏半导体与微生物结合，将太阳能和有机底物转化为氢气（Okoro等人，2023年；Shi等人，2022年）。在PBSs中，微生物起着关键作用，因为它们是半导体催化剂产生的光电子的受体。自基于Clostridium butyricum的PBS首次设计以来（Krasnovsky和Nikandrov，1987年），许多发酵细菌（尤其是Escherichia coli）引起了广泛的研究兴趣。这些微生物主要通过糖酵解途径并借助甲酸脱氢酶的活性产生氢气（Wang等人，2017年）。然而，使用这类发酵细菌设计的PBSs面临一个根本性问题：它们缺乏从半导体直接获取细胞外电子的天然途径。有效的电子转移通常需要广泛的基因工程来表达外源电子转移模块或使用人工介质，这使系统设计和稳定性变得复杂（Honda等人，2025年；Li等人，2024年；Yang等人，2024年）。相比之下，基于具有天然细胞外电子转移（EET）能力的电活性微生物（特别是Shewanella oneidensis MR-1）构建的PBSs有效解决了这一问题。这种细菌利用导电纳米线、嵌入膜的Mtr（金属还原）复合物和黄素电子穿梭机制，直接与细胞外材料（从金属氧化物到合成半导体）进行电子交换（Bretschger等人，2007年；Heidelberg等人，2002年；Marsili等人，2008年；Myers和Nealson，1990年；von Canstein等人，2008年）。利用这一特性，研究人员使用量子点、硫化镉纳米颗粒和石墨烯-半导体杂化物开发了先进的PBSs，实现了更好的界面接触和电子转移（Edwards等人，2023年；Han等人，2022年；Li等人，2025年；Luo等人，2021年；Shen等人，2020年；Wang等人，2025年）。此外，许多先前的研究通过基因工程方法将过表达的氢化酶引入S. oneidensis MR-1，进一步提高了混合系统的氢气生产效率（Tu等人，2024年；Xu等人，2025年）。尽管基于光合生物杂化系统（PBSs）的氢气生产研究取得了进展，但目前对Shewanella基PBSs的机制理解往往将光电子的利用简化为直接激活周质氢化酶（Han等人，2022年；Shen等人，2020年），而忽略了光电子摄取对细胞内代谢的影响。这种狭隘的关注留下了两个未解决的问题：（i）本质上非特异性的光电子如何在细胞内重新分配并影响碳代谢网络（Rowe等人，2017年）；（ii）这种光电子介导的代谢调节如何与底物的分解代谢相互作用，共同调节细胞氧化还原状态和能量供应，从而决定氢气生产能力（Meshulam-Simon等人，2007年；Tang等人，2007年）。尽管研究表明发酵微生物的代谢电子会影响其氢气生产活性（Li等人，2023年），但目前关于S. oneidensis在PBS领域的研究主要集中在细胞内氧化还原池和氢气生成过程中的应激反应（Wang等人，2025年；Wang等人，2023年），但缺乏对光电子驱动的代谢调节作为生物杂化氢气生产间接但关键驱动因素的系统研究。这一空白限制了通过代谢工程策略合理优化和调节PBS氢气生产性能的可能性。

本研究旨在构建一个高效且环境友好的太阳能驱动氢气生产生物杂化系统。为此，我们选择了毒性低、化学稳定性好（Wang等人，2021年；Wu等人，2023年）且适合生物过程的带隙宽度合适的金属硫化物光催化剂ZnIn₂S₄（Shi等人，2022年；Zhang等人，2024年），并将其与Shewanella oneidensis MR-1结合。通过量化光氢气产率和产量来评估这种ZnIn₂S₄-S. oneidensis MR-1系统的性能。此外，我们还研究了传递到细胞内的光电子如何调节碳代谢，包括分析关键细胞内代谢物以及量化能量（ATP）和还原当量（NADH）池以追踪代谢变化。最后，我们提出了将细胞外电子摄取与细胞内代谢调节及氢气产量增加联系起来的机制。本研究为高效设计太阳能到氢气的转化系统提供了基础见解和实用框架。

部分内容

ZnIn₂S₄材料的制备

ZnIn₂S₄的制备遵循了已报道的方法，并进行了轻微修改（Gou等人，2006年）。具体来说，将ZnSO₄·7H₂O（1.43克）、InCl₃·4H₂O（2.816克）、硫代乙酰胺（TAA，3.06克）和聚乙二醇（PEG-4000，0.5克）溶解在80毫升无水乙醇中，持续磁力搅拌直至形成均匀溶液。随后将溶液转移到100毫升特氟龙内衬的不锈钢高压釜中，在160°C下进行16小时的水热处理。

ZnIn₂S₄和光合生物杂化系统（PBSs）的特性

ZnIn₂S₄按照先前的方法合成，并与S. oneidensis MR-1结合，形成用于研究它们结合状态和电子转移特性的生物杂化系统（Gou等人，2006年）。能量色散光谱（EDS）用于确定合成材料的元素组成，其光谱显示了S、In和Zn的特征峰（图S2A）。X射线光电子能谱（XPS）分析证实了Zn、In的存在

结论

本研究将光敏材料ZnIn₂S₄与电活性细菌Shewanella oneidensis MR-1结合，构建了一个高效的光合生物杂化系统用于氢气生产，并研究了光生电子对细菌碳代谢的影响。在优化条件下，该系统的氢气生产性能显著提高，产量分别是纯ZnIn₂S₄和纯细菌系统的2.2倍和4.8倍

CRediT作者贡献声明

王雪萌：撰写——初稿、可视化、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念化。李浩宇：可视化、方法论、研究。王凯莉：方法论、研究。张志轩：可视化、方法论。曹宇欣：方法论、研究。马雅莲：研究。陈蓉：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52300063）的资助，我们感谢西安建筑科技大学仪器分析中心的Jiao'e Dang女士在扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析方面提供的帮助。