《Journal of Bioscience and Bioengineering》：Utilization of biocatalysts in an artificial photosynthesis system: A biotechnological approach towards sustainable development
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人工光合作用与生物光电池整合提升太阳能转化效率，生物催化剂（如藻类、蓝细菌）通过基因工程和类胡萝卜素强化优化性能，结合机器学习与物联网实现高效调控，应用于生物精炼厂、制氢及可持续能源生产。
哈希塔·什林吉（Harshita Shringi）| 雷辛·瓦尔格塞（Ressin Varghese）| 安德鲁斯·尼玛拉·格蕾丝（Andrews Nirmala Grace）| 西瓦·拉玛莫尔蒂（Siva Ramamoorthy）
印度泰米尔纳德邦韦洛尔（Vellore）韦洛尔理工学院（Vellore Institute of Technology）生物科学与技术学院，邮编632014
更高效、更可持续地利用太阳能仍然是推动可再生、基于生物的生产系统发展的关键挑战。人工光合作用通常通过使用催化系统和半导体组件来模仿自然光合作用，从而捕获光并将水（H2O）和二氧化碳（CO2）转化为富含能量的燃料（如氢气H2或碳氢化合物）；而生物光伏技术则利用活体生物或生物成分（如光系统、叶绿体、微藻或细菌）与电极结合，实现太阳能到电能的转换。这篇综述文章探讨了人工光合作用与生物光伏技术整合的新方法，讨论了它们的结合如何增强和优化太阳能向化学能及电能的转换过程。文章强调了生物催化剂（如微藻、蓝细菌和细菌）在这些混合系统中的重要作用，并讨论了提高生物催化剂效率的先进策略，包括基因工程、增强类胡萝卜素生物合成以改善光保护能力和能量传递效率，以及利用机器学习和物联网技术优化微生物性能。此外，还概述了人工光合作用系统和生物光伏技术的潜在应用领域，包括生物炼制、生物氢生产、化学合成以及可持续的生物燃料和食品生产。
部分摘录
人工光合作用（AP）和生物光伏（BPV）系统
人工光合作用（AP）旨在模仿自然光合作用过程，利用二氧化碳、水和阳光来生产可储存或运输的化学品或燃料。换句话说，AP是一个总称，指的是通过人工光源或经过基因改造以模拟自然光合作用的微生物，将水（H2O）或氮气（N2）转化为富含能量的化学品。然而，有机染料、化学催化剂等材料在长期使用过程中容易发生降解和性能下降。
生物催化剂：概述与优化策略
现有的催化剂存在一些缺点，例如对环境造成污染、对生物体具有毒性，以及化学催化剂可能带来严重危害。因此，人们转向了细菌、蓝细菌等生物催化剂，这些生物催化剂能够高效捕获阳光并将二氧化碳转化为有价值的产物（如燃料和化学品），同时消耗更少的能量并减少碳足迹（参考文献30,31）。表1列出了不同生物催化剂的生产效率。
生物炼制
生物炼制与人工光合作用（AP）的结合在于利用城市和农业废弃物中的生物质作为原料，生产可再生燃料和增值化学品。第三代生物炼制技术利用人工光合作用（AP）将二氧化碳转化为有价值的化学品和燃料，并结合光伏辅助的微生物电合成和全细胞光生物混合系统这两种太阳能-生物电化学过程，来捕获可再生能源并转化二氧化碳为能源。
局限性与讨论
本文讨论了人工光合作用（AP）与生物光伏（BPV）的整合，以及为改进和增强系统而对生物催化剂进行的各种改良。尽管技术取得了进展，但人工光合作用-生物光伏系统在可扩展性和稳定性方面仍面临挑战。系统的可扩展性和稳定性取决于生物自修复能力与非生物界面结构之间的平衡。从实验室规模原型向实际应用过渡时，电极的表面积是一个主要问题。
结论与未来展望
随着人口的增长，对燃料和食品等关键资源的需求也在增加。高效利用太阳能为解决这些挑战提供了可持续的方案。人工光合作用（AP）通过模仿自然界将水和二氧化碳转化为富含能量的产品（如氢气）的能力，为利用太阳能生产清洁能源提供了有前景的途径。未来，通过发现新的、更优的结构材料、采用天然成分制成的低成本设计以及创新技术，人工光合作用技术将进一步发展。
作者贡献声明
哈希塔·什林吉（Harshita Shringi）：负责撰写初稿和可视化内容。雷辛·瓦尔格塞（Ressin Varghese）：负责撰写、审稿和编辑工作，以及可视化内容的制作。安德鲁斯·尼玛拉·格蕾丝（Andrews Nirmala Grace）：负责撰写、审稿和编辑工作。西瓦·拉玛莫尔蒂（Siva Ramamoorthy）：负责撰写、审稿和编辑工作，可视化内容的制作，以及项目的总体指导与概念构思。
致谢
作者感谢韦洛尔理工学院的管理层在完成本手稿过程中给予的道德支持和鼓励。本研究未获得任何公共机构、商业机构或非营利组织的资助。作者声明在论文发表过程中不存在利益冲突。
