非晶态零价铁-细菌生物杂化体中加速的界面电子转移，用于实现稳定的光发酵产氢

《Nano Energy》：Accelerated Interfacial Electron Transfer in Amorphous Zero-Valent Iron-Bacteria Biohybrids for Robust Photo-Fermentative Hydrogen Production

本研究将光合细菌Rhodobacter capsulatus SB1003与无定形零价铁（AZVI）结合，通过其 amorhpous结构促进界面电子转移，提高NADH和ATP水平，使产氢量增加36.95%，系统稳定运行三个月，为可持续太阳能制氢提供新策略。

　　

Jieling Ren|Qiao Chang|Qiushi Jiang|Minmin Wang|Xintong Gao|Yanjing Li|Wen Cao|Jiyan Lu|Liejin Guo

中国西安交通大学多相流电力工程国家重点实验室，中国西安西宁西路710049

摘要

微生物-无机生物混合系统代表了光驱动氢生产领域的一项变革性前沿技术。然而，其效率从根本上受到复杂生物-非生物界面电子传输缓慢的限制。在此，我们通过将光合细菌Rhodobacter capsulatus SB1003与非晶态零价铁（AZVI）耦合，开发出一种高性能的生物混合系统。与晶体形式的AZVI相比，非晶态结构促进了定向的界面电子流动，显著提高了细胞内的NADH和ATP水平，从而使氢产量增加了36.95%。机制研究表明，AZVI的强膜亲和性诱导了细胞内外电子穿梭网络的自我组装。这种结构最大限度地减少了能量损失，提高了电子利用效率。值得注意的是，AZVI的天然铁磁性使其能够快速磁恢复并具有优异的长期稳定性。该生物混合系统在三个月的运行期间保持了稳定的氢产量。总体而言，这项工作为构建稳健的生物混合系统提供了一种可扩展且可回收的策略，为可持续的太阳能到燃料的转化提供了新的范例。

引言

氢（H₂）因其高能量密度和无碳燃烧特性而被广泛视为一种有前景的清洁能源[1]、[2]。在各种生产途径中，紫色非硫细菌（PNSB）的光发酵氢生产是一种可持续的方法，因为它能在常温条件下直接将太阳能和有机物转化为H₂[3]。然而，自然光发酵氢生产的太阳能到氢的转化效率仍受到细胞内外电子流动缓慢以及微生物代谢网络中还原剂（如NADH）有限可用性的限制[4]、[5]。

为了克服这些代谢瓶颈，构建微生物-材料生物混合体成为一种有前景的策略，通过外源电子增强微生物代谢[6]、[7]、[8]、[9]。硫化镉和二氧化钛等半导体材料在这些系统中得到了广泛研究[10]、[11]、[12]。然而，它们的性能常常受到光腐蚀、光生载流子快速复合以及潜在生物毒性的影响，这些因素限制了电子向细胞内代谢途径的有效传递，进而限制了氢产量的进一步提高[13]、[14]。此外，这些材料的回收和再生难度对其大规模、经济有效的应用构成了重大挑战[15]。因此，开发兼具高效电子传输和高回收性的功能性材料仍然是光发酵生物混合系统的关键挑战。

在各种材料中，基于铁的材料由于在微生物能量代谢中作为必需辅因子的作用，在促进光合细菌产氢方面展现了独特的优势[16]、[17]。特别是非晶态零价铁（AZVI）由于其长程无序结构和丰富的原子缺陷，具有不同于晶体材料的独特电子传输特性[18]。这种结构特征使AZVI具有更低的电子释放能量障碍和更低的界面电荷传输阻力，从而比其晶体形式纳米零价铁（NZVI）[19]、[20]实现了更连续和稳定的电子输出。这种连续的电子供应方式更符合微生物电子传输链和细胞内能量代谢的需求。然而，目前尚不清楚AZVI是否能够调节界面电子隧穿，以及这种调节如何影响光合细菌的细胞内能量代谢。

在此，我们通过将Rhodobacter capsulatus SB1003与AZVI耦合（图1a），构建了一个光发酵生物混合系统，并系统评估了其氢生产性能和动力学。我们采用了光谱学、电化学和代谢组学分析方法，阐明了AZVI在促进细胞外电子传输和增强细胞内还原剂积累中的关键作用。此外，还研究了细胞外聚合物物质在电子传输网络中的作用。利用AZVI的磁响应性，我们通过循环操作和老化实验评估了其可回收性、可重复使用性和长期结构稳定性。这项工作证实了AZVI作为高效且可回收的电子供体的潜力，为开发稳定和可持续的生物混合系统奠定了基础。

章节摘录

化学物质

本研究中使用的所有化学试剂均来自Sinopharm Chemical Reagents Co., Ltd。所有试剂均为分析级，使用前无需进一步纯化。所有溶液均使用电阻为18.25 MΩ·cm（25 °C）的超纯水配制。

细菌培养

Rhodobacter capsulatus SB1003是一种成熟的光发酵氢生产模型菌株[21]。SB1003单菌落首先在改进的Sistrom培养基（MedA）[22]、[23]中预培养，然后

SB1003@AZVI生物混合系统的构建与表征

为了构建高效的氢生产生物混合系统，我们通过系统表征验证了AZVI的非晶态结构及其出色的电子供体和传输能力。通过在液相还原过程中引入EDA，破坏了铁晶体的成核和生长，从而抑制了长程有序性，形成了非晶态结构。相应的合成策略如图S1所示。

结论

本研究成功构建并系统研究了通过将Rhodobacter capsulatus SB1003与AZVI耦合的光发酵生物混合系统。AZVI的非晶态结构增强了光电子生成和界面电子传输，有效激活了细胞能量代谢，实现了高产量的氢生产（2556.33 mL·L^-1）。AZVI还通过缓解发酵酸化、维持氧化还原平衡等方式，起到了微环境调节器的作用

CRediT作者贡献声明

Liejin Guo：资金获取。Jieling Ren：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据管理。Qiushi Jiang：方法论、正式分析。Qiao Chang：正式分析、数据管理。Minmin Wang：方法论。Yanjing Li：数据管理。Xintong Gao：数据管理。Jiyan Lu：数据管理。Wen Cao：监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金基础科学中心有序能量转换项目（项目编号52488201）的支持。