王博/姜志鋒/王保強AEM：外掛式半人工光合體系產氫

近日，中科院深圳先進技術研究院王博副研究員、江蘇大學姜志鋒教授、香港中文大學Po Keung Wong教授在國際頂級能源類學術期刊《Advanced Energy Materials》（IF: 25.245）在線發表了文章“Interfacing iodine-doped hydrothermally carbonized carbon with Escherichia coli through an “add-on” mode for enhanced light-driven hydrogen production”。構建了一套簡易高效的有機半導體材料 “外掛式”賦能大腸桿菌光驅動產氫體系。香港中文大學博士研究生肖可蒙為該文第一作者。

由于能源和環境危機的日益加劇，加強對太陽能等清潔能源的有效利用與轉化成為實現人類社會可持續發展的重要發展方向之一。半人工光合體系結合了半導體材料對光能的高效捕獲能力及微生物對產物的高選擇催化的優勢，通過吸收太陽能產生光生電子或還原力以驅動生物體內高附加價值產物的代謝。目前，該體系的構建主要依賴于微生物自身礦化或者內吞作用，實現金屬半導體材料(如硫化物)的沉積及量子點納米材料的擔載。鑒于重金屬離子的毒性和金屬硫化物的光腐蝕性，以無機金屬基材料/微生物為代表的雜化體系存在環境隱患的同時，負載效率和物質代謝能力也受到重金屬離子毒性的限制。相比之下，以碳基材料為代表的有機材料具備較好的生物兼容性，理化性質穩定，但存在光能捕獲效率較低和光生載流子易復合的問題。通過碘摻雜，水熱碳不僅具備常規碳基材料優勢，又擁有了良好的寬光譜吸收和光生電子遷移能力。除此之外，碘摻雜水熱碳可由一系列碳水化合物前驅體，比如蔗糖、淀粉、稻草和動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一種理想低廉高效的微生物伴生光驅材料。

化能異養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賦予其產物多樣性的特點；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域尚未攻克的難題之一。為克服上述提出的生物礦化和內吞作用對微生物的影響，本研究采用了一種普適便捷的“外掛式”自組裝方式，通過改性微生物表面電荷，使其與帶負電荷的碘摻雜水熱碳通過靜電作用快速耦合，在光照下實現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，可根據實驗需求設計不同半導體材料和微生物的高效組合體系。文章同時研究了光生電子遷移路徑以及對大腸桿菌產氫代謝的調控；并將該體系拓展至不同類型的碳基材料，對大腸桿菌產氫均顯示了不同程度的促進作用。

該工作得到國家自然科學基金、科技部重點研發計劃以及江蘇大學金山特聘教授項目等基金的支持。

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