光催化劑應(yīng)用于微生物復(fù)合碳轉(zhuǎn)化體系的研究進(jìn)展＊

張玉茹 郭 萌 古 淼 王文靜

（河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，保定，071002）

溫室氣體CO2的大量排放導(dǎo)致全球氣候變化，成為人類(lèi)面臨的重大挑戰(zhàn).應(yīng)對(duì)該挑戰(zhàn)，我國(guó)做出了2030年“碳達(dá)峰”、2060年“碳中和”的鄭重承諾和戰(zhàn)略部署.碳捕集、利用與封存技術(shù)（CCUS）是我國(guó)實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵性技術(shù)之一[1]，預(yù)計(jì)到2050年CCUS 技術(shù)可減排11—27 億t CO2[2].因其環(huán)境友好和節(jié)約能源的特征，光催化CO2還原技術(shù)成為新興CCUS 技術(shù).光催化CO2還原技術(shù)利用太陽(yáng)能和光催化劑在常溫常壓下將CO2轉(zhuǎn)化成高附加值化學(xué)制品或燃料.在CO2還原反應(yīng)過(guò)程中，光催化劑受光激發(fā)產(chǎn)生光生電子-空穴，電子遷移至光催化劑表面，與吸附CO2發(fā)生還原反應(yīng)，將其還原為CO、CH4、CH3OH 等高能量密度的燃料[3?7].光催化劑是光催化CO2還原技術(shù)的核心，其活性決定CO2利用的性能及應(yīng)用潛力.

近年來(lái)，通過(guò)添加助催化劑、元素?fù)诫s、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等改性方法[8?10]，光催化劑的催化效果有所提高.但因光生電子-空穴易復(fù)合、主要生成C1產(chǎn)物等問(wèn)題，其催化效率及選擇性尚不滿足實(shí)際需求[11].光催化劑也存在制備成本較高、人工合成經(jīng)濟(jì)性差等應(yīng)用瓶頸.相對(duì)而言，通過(guò)卡爾文循環(huán)、厭氧乙酰-輔酶A（Wood-Ljungdahl）等固碳途徑，自然界部分自養(yǎng)微生物可以將CO2轉(zhuǎn)化為C2及C2+等多碳產(chǎn)物，并具有自我復(fù)制及修復(fù)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì).由于微生物將固碳作用優(yōu)先用于光合生長(zhǎng)，而非合成代謝產(chǎn)物，其碳合成轉(zhuǎn)化較低[12].構(gòu)建光催化劑-微生物雜化體系有望突破傳統(tǒng)光催化劑高成本、低選擇性和天然固碳途徑低轉(zhuǎn)化效率等瓶頸，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能捕獲、催化反應(yīng)活性和選擇性方面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[13].在光催化劑-微生物雜化體系中，光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生電子，電子被微生物膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)部[14]，為天然固碳途徑提供充足的還原力[15]，從而利用CO2和太陽(yáng)光生產(chǎn)高價(jià)值燃料和化學(xué)品，如圖1 所示.

圖1 光催化劑-微生物復(fù)合體系的基本原理Fig.1 Basic principles of photocatalyst-microorganism hybrid system

相對(duì)于光催化技術(shù)及單獨(dú)微生物的碳轉(zhuǎn)化研究，半導(dǎo)體-微生物雜化體系的研究開(kāi)展較晚.自2016年楊培東課題組報(bào)道了硫化鎘-熱醋穆?tīng)柺暇–dS-Moorellathermoacetica）雜化體系[16]，為之后光催化劑-微生物復(fù)合體系碳轉(zhuǎn)化提供了更多思路和參考，但此領(lǐng)域的研究才開(kāi)展幾年時(shí)間.目前，以楊培東[16]和Daniel G.Nocera[17]課題組為代表的美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，在《Science》等發(fā)表多篇論文，但國(guó)內(nèi)在該新興領(lǐng)域尚處于萌芽階段[18?21].現(xiàn)有少量報(bào)道匯總了半導(dǎo)體-微生物雜化體系的演變、發(fā)展[22?23]及CdS-微生物復(fù)合體系的光電應(yīng)用[24]，但尚缺乏對(duì)不同光催化劑構(gòu)建微生物復(fù)合體系及其碳轉(zhuǎn)化應(yīng)用的系統(tǒng)歸納、總結(jié).含金屬、非金屬基及復(fù)合光催化劑在化學(xué)組成、光吸收特性及光催化性能等方面存在巨大差異，將大大影響構(gòu)建復(fù)合體系的性能.

本文分類(lèi)總結(jié)了不同光催化劑構(gòu)建的微生物復(fù)合體系（圖2），說(shuō)明復(fù)合體系中光催化劑的引入方法、光催化劑的作用途徑及碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)物、效率等關(guān)鍵因素，以啟發(fā)和指導(dǎo)雜化體系中光催化劑的選擇及優(yōu)化；光催化劑-微生物界面的電荷轉(zhuǎn)移決定雜化體系效率，本文分析了這一關(guān)鍵問(wèn)題，以促進(jìn)光催化劑與微生物的深度耦合.

圖2 不同光催化劑與微生物構(gòu)成的復(fù)合體系及其碳轉(zhuǎn)化應(yīng)用Fig.2 The hybrid systems composed of different photocatalysts and microorganisms for carbon conversion

1 含金屬光催化劑（Metal containing photocatalyst）

1.1 CdS 光催化劑

金屬硫化物由硫的3p 軌道構(gòu)成價(jià)帶，擁有較高能級(jí)和較窄帶隙，表現(xiàn)出良好的可見(jiàn)光激發(fā)性能，成為代表性光催化劑[25-26].CdS 是典型的Ⅱ—Ⅵ族直接帶隙半導(dǎo)體，具有合適的禁帶寬度（2.4 eV）、氧化還原電位及可見(jiàn)光吸收性能，是用途最廣泛的硫化物光催化劑之一[27?28].早在1995年，Holmes 等[29?30]在含鎘離子（Cd2+）的培養(yǎng)基中培養(yǎng)產(chǎn)氣克雷伯氏菌（Klebsiellaaerogenes），Cd2+與細(xì)胞內(nèi)半胱氨酸產(chǎn)生的硫結(jié)合，生成CdS 納米顆粒，該納米顆粒在細(xì)胞表面形成光保護(hù)層，并降低了重金屬鎘對(duì)細(xì)菌的毒害作用.

在2016年，楊培東課題組[16]將CdS 與M.thermoacetica結(jié)合，誘導(dǎo)該非光合細(xì)菌的自我光敏化.在低強(qiáng)度光照下，CdS 產(chǎn)生的光生電子穿過(guò)細(xì)胞膜參與細(xì)菌Wood-Ljungdahl 代謝途徑，將CO2成功轉(zhuǎn)化為乙酸，量子產(chǎn)率高達(dá)85%.該系統(tǒng)證明了半導(dǎo)體與細(xì)菌復(fù)合系統(tǒng)的可行性，大大提高了自然光利用率以及CO2轉(zhuǎn)化效率.將立方體型CdS 納米顆粒沉積于產(chǎn)乙酸梭菌（Clostridiumautoethanogenum）表面[31]，在光照下，CdS 產(chǎn)生的光生電子通過(guò)金屬或黃素分子穿過(guò)細(xì)胞膜參與細(xì)菌Wood-Ljungdahl 代謝途徑，C.autoethanogenum通過(guò)自養(yǎng)途徑將CO2轉(zhuǎn)化為乙酸鹽，光照條件下CO2轉(zhuǎn)化生產(chǎn)0.8 mmol·L?1乙酸鹽.

除與產(chǎn)乙酸菌結(jié)合生成乙酸、乙酸鹽產(chǎn)物，CdS 光催化劑還與其他異養(yǎng)菌種結(jié)合，將CO2轉(zhuǎn)化為C1及C2+產(chǎn)物[32].巴氏甲烷八疊球菌（Methanosarcinabarkeri）與CdS 復(fù)合體系可將CO2轉(zhuǎn)化為CH4，其生產(chǎn)率為0.19 μmol·h?1，量子效率達(dá)0.34%[33].可見(jiàn)光照射下，在CdS 與沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）生物雜化系統(tǒng)中，CdS 納米顆粒光激發(fā)驅(qū)動(dòng)R.palustris將CO2轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)、類(lèi)胡蘿卜素和聚β羥基丁酸酯（PHB）[34].通過(guò)自組裝將CdS 納米顆粒與大腸桿菌（Escherichiacoli）結(jié)合，使E.coli固定CO2的效率顯著提高，其產(chǎn)物L(fēng)-蘋(píng)果酸和丁酸的產(chǎn)量分別增加到1.48 mol·mol?1葡萄糖和0.79 mol·mol?1葡萄糖[35].利用CdS 與排硫硫桿菌（Thiobacillusthioparus）組成雜化系統(tǒng)，僅靠無(wú)機(jī)鹽、太陽(yáng)能和CO2可維持系統(tǒng)內(nèi)細(xì)菌生長(zhǎng)，依靠太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)將CO2高效轉(zhuǎn)化為多碳谷氨酸合酶和生物質(zhì)[36].較大多數(shù)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)和厭氧培養(yǎng)條件，CdS-T.thioparus系統(tǒng)顯示出廣泛適用性和實(shí)際應(yīng)用潛力.

相較于TiO2等紫外光激發(fā)的光催化劑，CdS 的可見(jiàn)光激發(fā)特性更適合于微生物的生長(zhǎng).此外，可以通過(guò)S2-與Cd2+在培養(yǎng)基中反應(yīng)制備CdS，通過(guò)細(xì)菌中脫硫酶催化半胱氨酸釋放S2?[34]，或向培養(yǎng)基中加入半胱氨酸得到S2?[36]，生成CdS 納米顆粒具有較低的生物毒性且包覆在細(xì)胞表面.由于上述特性，CdS 被首先應(yīng)用于光催化劑-微生物復(fù)合體系.原位組裝方法得到的CdS 與細(xì)胞結(jié)合緊密，利于光催化劑與細(xì)胞界面的電子傳遞，有效提高了微生物的碳利用效率.但該方法難以控制形貌、結(jié)構(gòu)及顆粒粒度等影響CdS 光催化效率的關(guān)鍵因素，局限CdS-微生物雜化體系CO2利用效率的進(jìn)一步提升.混合預(yù)合成CdS 與細(xì)菌是一種構(gòu)筑雜化體系的可行途徑，方便調(diào)控CdS 自身特性及改性優(yōu)化，但需解決構(gòu)建緊密結(jié)合界面及界面電子傳遞的關(guān)鍵問(wèn)題.

1.2 其他含金屬光催化劑

在雜化體系中，CdS 表現(xiàn)出誘導(dǎo)細(xì)胞氧化應(yīng)激、對(duì)厭氧細(xì)菌具有細(xì)胞毒性，并存在鎘污染等潛在問(wèn)題[37?39]，需開(kāi)發(fā)其他金屬光催化劑以構(gòu)建高效、低毒性無(wú)機(jī)生物光合體系.在CdS 工作的基礎(chǔ)上，楊培東課題組將具有良好生物相容性和優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)的金納米團(tuán)簇與M.thermoacetica結(jié)合，利用太陽(yáng)光固定CO2生產(chǎn)乙酸[40].越過(guò)緩慢的跨膜質(zhì)量傳輸，胞內(nèi)金納米團(tuán)簇的光生電子可通過(guò)Wood-Ljungdhal 途徑傳遞給細(xì)胞質(zhì)，該雜化系統(tǒng)比CdS-M.thermoacetica具有更快的乙酸生產(chǎn)速率；金納米團(tuán)簇抑制活性氧、維持細(xì)胞的生物活性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)6 d 的持續(xù)碳固定.

金屬有機(jī)框架（MOFs）具有豐富可調(diào)的催化活性位點(diǎn)、較大的表面積、獨(dú)特的微孔/中孔和互連通道[41?42].同時(shí)，MOF 具有良好的生物相容性[43]，可以保護(hù)生物體免受有毒物質(zhì)和紫外線照射的影響[44]，允許細(xì)胞生存所必需的分子擴(kuò)散[45].在CdS 工作的基礎(chǔ)上，楊培東課題組將Zr-MOF 引入CdS-M.thermoacetica雜化體系，在有氧條件下，Zr-MOF 包裹雜化體系將CO2轉(zhuǎn)化為乙酸鹽的產(chǎn)率是未包裹雜化體系的2 倍[46].Zr-MOF 拓寬了厭氧菌的應(yīng)用領(lǐng)域，Zr-MOF 外殼可以分解活性氧保護(hù)菌體，使其能夠在氧化應(yīng)激下持續(xù)固定CO2，過(guò)量Zr-MOF 自發(fā)覆蓋新生長(zhǎng)細(xì)胞，傳遞保護(hù)作用.MOFs 不僅可以與非光合細(xì)菌復(fù)合構(gòu)建人工光合系統(tǒng)，還可以增強(qiáng)光合自養(yǎng)微生物的固碳能力.將ZIF-8 引入鈍頂節(jié)旋藻（Arthrospiraplatensis）系統(tǒng)，ZIF-8 的不飽和金屬位點(diǎn)提高CO2轉(zhuǎn)化為HCO3-的速度、提升相對(duì)電子傳遞率，進(jìn)而增強(qiáng)光合作用和生物質(zhì)產(chǎn)率[47].雖然，目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)多種MOFs 材料應(yīng)用于分離和提純，但與微生物體系結(jié)合的MOFs 種類(lèi)非常局限，需進(jìn)一步探究其他典型MOFs 的復(fù)合碳轉(zhuǎn)化應(yīng)用，如多孔、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的MOF-5、HKUST-1 等.

根據(jù)適合的禁帶寬度（1.34 eV）和光譜吸收范圍，Neel S.Joshi 團(tuán)隊(duì)[48]將磷化銦（InP）光催化劑用于構(gòu)建InP-異養(yǎng)釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）雜化體系.InP 的光生電子跨越細(xì)胞膜進(jìn)入S.cerevisiae細(xì)胞內(nèi)，促進(jìn)NADPH 再生，為生產(chǎn)莽草酸提供還原力.該研究提出了一種增強(qiáng)光催化劑與細(xì)胞膜界面結(jié)合性的有效途徑，將制備的InP 進(jìn)行多酚功能化，使其表面形成細(xì)胞親和基團(tuán)，通過(guò)多酚與酵母菌細(xì)胞壁的相互作用，自組裝成無(wú)機(jī)生物雜化體系.表1 總結(jié)了已報(bào)道的含金屬光催化劑與微生物雜化體系，光催化劑產(chǎn)生光生電子、為微生物提供還原力，驅(qū)動(dòng)CO2向C1、C2、C2+等產(chǎn)品高效轉(zhuǎn)化.

表1 含金屬光催化劑與微生物復(fù)合體系及碳轉(zhuǎn)化應(yīng)用Table 1 Metal containing photocatalyst and microorganism hybrid system for carbon conversion

2 非金屬基光催化劑（Nonmetal-based photocatalysts）

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種非金屬光催化劑，具有類(lèi)石墨烯的二維結(jié)構(gòu).不同于金屬基光催化劑，g-C3N4以含量豐富的碳、氮為構(gòu)成元素，價(jià)格低廉、環(huán)境友好[49].g-C3N4的禁帶寬度為2.7 eV，可直接利用可見(jiàn)光，導(dǎo)帶和價(jià)帶電位分別為?1.1 V 和1.6 V，是還原CO2的理想半導(dǎo)體[50].g-C3N4可通過(guò)直接熱縮聚、水熱、離子交換熱縮聚等方法合成，再加入到微生物體系中，具有較好的可控性.同時(shí)，g-C3N4還具有生物相容性好、化學(xué)和熱穩(wěn)定性高、比表面積較大等優(yōu)點(diǎn)[51?53].將g-C3N4應(yīng)用于光催化劑-微生物雜化體系，發(fā)揮其光激發(fā)及生物兼容性優(yōu)勢(shì)，有利于推動(dòng)其實(shí)際應(yīng)用.

g-C3N4首先應(yīng)用于異養(yǎng)微生物系統(tǒng)，張?zhí)鹫n題組構(gòu)建了g-C3N4與真養(yǎng)產(chǎn)堿桿菌（Ralstoniaeutropha）組成的雜化體系[54]，生產(chǎn)可降解生物塑料PHB.研究表明，無(wú)電子供體時(shí)，g-C3N4-R.eutropha體系的PHB 產(chǎn)量是無(wú)g-C3N4時(shí)的1.2 倍，向混合體系中加入電子供體三乙醇胺（TEOA），PHB 產(chǎn)量提高至1.4 倍，達(dá)(6.73±0.45) g·L?1.g-C3N4光激發(fā)產(chǎn)生光生電子光解水產(chǎn)生H2，促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)還原當(dāng)量及能量的產(chǎn)生，推動(dòng)R.eutropha細(xì)胞內(nèi)NADPH 再生及乙酰輔酶A 轉(zhuǎn)化成PHB.在此基礎(chǔ)上，將g-C3N4與過(guò)氧化氫酶（Catalase）偶聯(lián)，分解附著在其表面活位的H2O2提高g-C3N4活性，同時(shí)構(gòu)筑g-C3N4-catalase-R.eutropha兼性自養(yǎng)/異養(yǎng)體系，以CO2為原料，該系統(tǒng)的PHB 產(chǎn)量為(41.02±6.22)mg·L?1，是單獨(dú)R.eutropha體系的2 倍[55].PHB 產(chǎn)量提高是由于H2O2降解產(chǎn)生H2和O2促進(jìn)細(xì)菌代謝，以及光催化劑與微生物之間電荷轉(zhuǎn)移電阻降低.大多數(shù)自養(yǎng)型雜化光合系統(tǒng)需要半胱氨酸等電子受體將還原當(dāng)量轉(zhuǎn)移至微生物，系統(tǒng)的可持續(xù)性受到電子供體的限制[55]，而g-C3N4-R.eutropha雜化體系不需要電子供體運(yùn)作[54]，這一優(yōu)點(diǎn)增加其實(shí)際應(yīng)用的可行性.

純g-C3N4光催化劑存在電子空穴復(fù)合較快、可見(jiàn)光吸收不足、低電荷遷移率等[56?58]缺點(diǎn)，需對(duì)其進(jìn)行改性，如形貌調(diào)控、引入N/C 缺陷、元素?fù)诫s、助催化劑修飾、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等[59?68]，以提升光催化效率.現(xiàn)有研究主要是構(gòu)建了純g-C3N4與R.eutropha的雜化體系，需進(jìn)一步研究改性g-C3N4與不同代謝路徑菌株組成的復(fù)合系統(tǒng)，充分發(fā)揮g-C3N4基光催化劑的光激發(fā)性能以提高菌株的生產(chǎn)能力.

3 復(fù)合光催化劑（Composite photocatalyst）

現(xiàn)有雜化體系大多將單一無(wú)機(jī)半導(dǎo)體作為光捕獲材料，如CdS、金納米團(tuán)簇、g-C3N4等.雖然這些光催化劑不同程度地提高了微生物的CO2轉(zhuǎn)化能力，但單一光催化劑的電子-空穴易復(fù)合、光吸收能力較弱，往往需要添加空穴犧牲劑，影響其運(yùn)行穩(wěn)定性.針對(duì)上述問(wèn)題，需對(duì)單一光催化劑進(jìn)行復(fù)合改性，以提升其能量轉(zhuǎn)化效率及長(zhǎng)期穩(wěn)定性.

3.1 CdS 基復(fù)合光催化劑

CdS 半導(dǎo)體最早應(yīng)用于生物雜化體系，但單相CdS 存在光生電子-空穴對(duì)復(fù)合率高、催化效率低等問(wèn)題，研究者通過(guò)結(jié)構(gòu)改性、金屬摻雜等提高其光催化性能[69].為優(yōu)化CdS-M.thermoacetica體系，楊培東課題組[70]設(shè)計(jì)了Z 型串聯(lián)結(jié)構(gòu)將CO2還原與O2氧化雙催化過(guò)程結(jié)合，CdS-M.thermoacetica將半胱氨酸氧化為胱氨酸用于細(xì)菌的自光敏化，負(fù)載Mn（Ⅱ）酞菁（MnPc）的TiO2作為光氧化催化劑，氧化H2O 并還原半胱氨酸.耦合TiO2-MnPc 與CdS-M.thermoacetica的Z 型結(jié)構(gòu)有效分離光生電子-空穴對(duì)，保持體系的強(qiáng)氧化還原能力及循環(huán)穩(wěn)定性.在CdS 納米粒子中摻雜Ni，使得Ni:CdS-M.barkeri體系的CH4產(chǎn)率比CdS-M.barkeri高約250%[71].0.75% Ni 摻雜有效吸收電子，加速雜化體系的光生電子轉(zhuǎn)移.Ni 摻雜改變了M.barkeri的代謝狀態(tài)，促進(jìn)能量轉(zhuǎn)換和CO2固定的蛋白質(zhì)表達(dá)，利于M.barkeri捕獲電子，提高胞內(nèi)還原電位，從而推動(dòng)CO2還原為CH4.

3.2 量子點(diǎn)光催化劑

量子點(diǎn)作為一種零維的半導(dǎo)體納米晶體，具有帶隙及載流子易調(diào)控、表面位點(diǎn)豐富等優(yōu)勢(shì).其直徑一般為1—10 nm，該納米級(jí)小尺寸有利于量子點(diǎn)被細(xì)胞攝取，成為胞內(nèi)感光元件.將生物相容性量子點(diǎn)引入非光合細(xì)菌內(nèi)，是構(gòu)建胞內(nèi)光催化劑與微生物雜化體系的可行途徑.Ding 等[72]預(yù)先制備一系列可調(diào)帶隙的CdS、CdSe、InP、Cu2ZnSnS4量子點(diǎn)，在量子點(diǎn)表面包覆ZnS 層，借助Zn 外殼的化學(xué)親和性，將量子點(diǎn)附著于細(xì)菌蛋白質(zhì)，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)與棕色固氮菌（Azotobactervinelandii）、鉤蟲(chóng)貪銅菌（Cupriavidusnecator）的自組裝，將兩種非光合細(xì)菌轉(zhuǎn)變?yōu)槔肅O2、水和N2的光合細(xì)菌.在光照激發(fā)下，該體系的化學(xué)轉(zhuǎn)化效率高達(dá)13%，量子點(diǎn)-C.necator實(shí)現(xiàn)PHB 克級(jí)量產(chǎn).

利用細(xì)胞外膜和細(xì)胞質(zhì)之間的周質(zhì)空間，Luo 等[73]將CuInS2/ZnS 量子點(diǎn)轉(zhuǎn)移到希瓦氏菌（ShewanellaoneidensisMR-1）細(xì)胞中，構(gòu)建了周質(zhì)光敏化生物雜化體系.在S.oneidensisMR-1 細(xì)胞周質(zhì)中，同時(shí)發(fā)生量子點(diǎn)光激發(fā)和電子傳遞過(guò)程，縮短了電子傳遞的距離，避免了跨膜過(guò)程中的額外能量損失.該系統(tǒng)目前用于光催化產(chǎn)氫，為量子點(diǎn)基生物碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考.量子點(diǎn)光催化劑因其納米級(jí)尺寸優(yōu)勢(shì)，易實(shí)現(xiàn)光催化劑與微生物的胞內(nèi)結(jié)合，有效減少了跨膜傳輸限制及能耗，已報(bào)道復(fù)合體系的高轉(zhuǎn)化效率證明其具有規(guī)模化應(yīng)用的潛力.

3.3 其他復(fù)合光催化劑

TiO2是應(yīng)用最早的光催化劑，Chen 等[7]在中空多孔的TiO2納米顆粒上沉積Pb 獲得光催化劑，再將其與嗜鹽桿菌（Halobacterium）制備的膜型囊泡結(jié)合.Pd 作為助催化劑捕獲電子，細(xì)菌膜結(jié)合蛋白積累質(zhì)子并向TiO2導(dǎo)帶傳遞電子，該過(guò)程有效分離光生電荷將CO2還原為CH4和CO.該自上而下方法構(gòu)建的雜化體系使Pb-TiO2與細(xì)菌間形成緊密的接觸界面，有利于傳質(zhì)并減少電子損失.

現(xiàn)有報(bào)道的雜化體系，大多采用CdS 等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體與微生物結(jié)合，對(duì)微生物存在生物毒性及光毒性等問(wèn)題.比較而言，有機(jī)共軛半導(dǎo)體具有易調(diào)控的分子軌道能級(jí)及帶隙結(jié)構(gòu)，有望構(gòu)建高效生物混合系統(tǒng)用于太陽(yáng)能向化學(xué)能轉(zhuǎn)化.Gai 等[74]將n 型苝二亞胺衍生物（PDI）和p 型聚芴衍生物（PFP）涂覆在M.thermoacetica菌表面，形成p-n 型π-共軛有機(jī)半導(dǎo)體（PFP/PDI）.有機(jī)半導(dǎo)體的陽(yáng)離子側(cè)鏈可以插入到細(xì)胞膜中，確保電子能夠有效地轉(zhuǎn)移到細(xì)菌中.在雜化體系中，光生電子從PFP/PDI 異質(zhì)結(jié)有效轉(zhuǎn)移至M.thermoacetica，驅(qū)動(dòng)Wood-Ljungdahl 途徑將CO2合成乙酸，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)1.6%.

采用光催化劑作為電極，構(gòu)建光電極-微生物雜化體系，易于通過(guò)電極修飾改善光催化劑與微生物的耦合界面，并利用電化學(xué)結(jié)構(gòu)促進(jìn)光生電荷分離.楊培東課題組[75]率先采用生物相容的硅納米線陣列做光陰極，與卵形鼠孢菌（Sporomusaovata）復(fù)合并向其提供電子，推動(dòng)S.ovata通過(guò)Wood-Ljungdahl 途徑將CO2還原為乙酸，法拉第效率達(dá)到90%.同時(shí)，TiO2納米陣列作為光陽(yáng)極，吸收光能發(fā)生析氧反應(yīng)，向光陰極傳遞電子和質(zhì)子.微生物的自我復(fù)制性質(zhì)及納米線陣列創(chuàng)造的局部厭氧環(huán)境，使得該系統(tǒng)可以在有氧環(huán)境下穩(wěn)定工作200 h.將光活性n-TiO2陽(yáng)極和p-InP 陰極串聯(lián)，插入至（M.barkeri）培養(yǎng)液中，用離子透膜分離陰極室和陽(yáng)極室，實(shí)現(xiàn)了無(wú)輔助光驅(qū)動(dòng)CH4的產(chǎn)生[76].

表2 匯總了改性光催化劑、量子點(diǎn)、有機(jī)異質(zhì)結(jié)、光陽(yáng)極/光陰極等復(fù)合光催化劑與微生物構(gòu)建的雜化體系，該碳轉(zhuǎn)化體系的研究非常有限，特別是有機(jī)光催化劑，亟需開(kāi)發(fā)高效雜化體系提高產(chǎn)量，并探索不同光催化劑對(duì)微生物基因表達(dá)及細(xì)胞代謝等的影響.除碳轉(zhuǎn)化應(yīng)用，光催化劑與微生物雜化體系還用于產(chǎn)氫，并獲得可觀的析氫速率及量子效率，如TiO2-酪酸梭菌（Clostridiumbutyricum）[77]、TiO2-E.coli[78?79]、CdS-脫硫弧菌（Desulfovibriodesulfuricans）[80]、AglnS2/In2S3-E.coli[81]、Zn 摻雜CdS-E.coli[82]、CdS-S.oneidensisMR-1[83]等體系.此外，CdS-R.palustris[84]、CdS-脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）[85]等體系被擴(kuò)展應(yīng)用于光驅(qū)動(dòng)N2固定.產(chǎn)氫、固氮體系的研究對(duì)于碳轉(zhuǎn)化體系中光催化劑選擇、光催化劑-微生物界面構(gòu)建及界面電子傳遞具有重要的指導(dǎo)意義.

表2 復(fù)合光催化劑與微生物復(fù)合體系及碳轉(zhuǎn)化應(yīng)用Table 2 Composite photocatalyst and microorganism hybrid system for carbon conversion

4 光催化劑-微生物的界面電荷轉(zhuǎn)移（interfacial charge transfer of photocatalyst-microorganism）

將高量子效率的光催化劑與高選擇性、自我復(fù)制及修復(fù)的微生物結(jié)合，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[18,86]，是構(gòu)建光催化劑-微生物雜化體系的核心目標(biāo).目前，雜化體系尚存在CO2還原效率低、難以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行等問(wèn)題，深入理解光催化劑與微生物的界面上能量和電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，是構(gòu)建穩(wěn)定雜化碳轉(zhuǎn)化體系的關(guān)鍵基礎(chǔ).

光催化劑與微生物間的電子轉(zhuǎn)移主要分為直接電子轉(zhuǎn)移和間接介導(dǎo)轉(zhuǎn)移[87].在直接電子轉(zhuǎn)移中，微生物直接從光催化劑表面獲得電子，此時(shí)需要微生物與光催化劑相互匹配，兩者之間形成緊密接觸界面.間接介導(dǎo)轉(zhuǎn)移則需要通過(guò)H2、甲酸、NH3及Fe2+等氧化還原介質(zhì)將電子傳遞給微生物細(xì)胞[88].因氧化還原介質(zhì)傳遞電子的過(guò)程會(huì)造成能力損失，直接電子轉(zhuǎn)移比間接介導(dǎo)轉(zhuǎn)移具有更高理論電子轉(zhuǎn)移效率.但直接電子轉(zhuǎn)移易受到光催化劑與微生物間親和性、相容性及反應(yīng)環(huán)境的影響.由于電子傳遞過(guò)程涉及眾多反應(yīng)，過(guò)程較為復(fù)雜，電子轉(zhuǎn)移的基本步驟及定速步驟等關(guān)鍵細(xì)節(jié)仍需探索.

當(dāng)前對(duì)半導(dǎo)體/生物復(fù)合體系中電荷轉(zhuǎn)移及相關(guān)細(xì)胞功能的表征及分析方式主要包括三類(lèi)：一是基于光譜學(xué)的表征，如瞬態(tài)吸收光譜（TA）及時(shí)間分辨紅外光譜（TRIR）等，通過(guò)對(duì)電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)的瞬態(tài)及時(shí)間分辨光譜表征判斷電荷吸收的途徑；二是對(duì)于光敏化細(xì)菌的遺傳分析，細(xì)胞中不同的生理過(guò)程涉及到不同的基因表達(dá)，通過(guò)在分子水平上對(duì)遺傳物質(zhì)進(jìn)行分析，可分辨出半導(dǎo)體/生物復(fù)合體系的反應(yīng)路徑；三是蛋白組學(xué)和代謝組學(xué)的分析，可用于在遺傳分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步闡明特定的細(xì)胞代謝路徑[89].

Kornienko 等[90]利用TA、TRIR 等光譜技術(shù)及高靈敏度質(zhì)譜技術(shù)，初步探索了CdS-M.thermoacetica雜化光合體系生產(chǎn)乙酸過(guò)程的兩種電子轉(zhuǎn)移途徑.一是，CdS 受到光激發(fā)產(chǎn)生的光電子先被膜結(jié)合的氫化酶吸收，產(chǎn)生H2，隨后H2被氧化為NADH/NADPH，為細(xì)胞代謝提供還原當(dāng)量.二是，光電子直接通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)參與酶促反應(yīng).Huang 等[91]利用基因敲除證實(shí)了膜結(jié)合蛋白介導(dǎo)對(duì)于微生物細(xì)胞中的光電子轉(zhuǎn)移至關(guān)重要，發(fā)現(xiàn)硫還原地桿菌（Geobactersulfurreducens）可以直接利用細(xì)胞外光電子.同樣，CdS NPs 光敏化的T.denitrificans[85]和M.barkeri[33]突變菌株中，耦合微生物光電化學(xué)性能受到抑制，也證實(shí)了膜結(jié)合蛋白在電子轉(zhuǎn)移中的重要作用.Zhang 等[92]利用非靶向/靶向蛋白質(zhì)和代謝物定量方法探索了雜化細(xì)胞的蛋白質(zhì)組和代謝組，發(fā)現(xiàn)鐵氧還蛋白、黃素蛋白和NADH 脫氫酶等膜結(jié)合蛋白在CdS-M.thermoacetica中上調(diào)，猜測(cè)這些蛋白質(zhì)可能參與電子攝取過(guò)程.細(xì)菌代謝循環(huán)中ATP 合酶、參與三羧酸循環(huán)和糖酵解過(guò)程的蛋白質(zhì)在CdS-M.thermoacetica雜化系統(tǒng)中均顯著上調(diào).參與該途徑酶的上調(diào)，表明對(duì)光催化劑的光照刺激改變了細(xì)菌的整個(gè)代謝狀態(tài).

5 結(jié)語(yǔ)與展望（Conclusion and outlook）

光催化劑-微生物復(fù)合體系作為新興技術(shù)起步較晚，但已成功結(jié)合多種光催化劑與微生物并獲得不同碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)物.目前在微生物體系中引入光催化劑的方法主要包括原位組裝、預(yù)制備光催化劑兩種.原位組裝是CdS-微生物體系的典型構(gòu)建途徑，該方法能夠?qū)dS 與細(xì)胞緊密結(jié)合.由于制備條件的約束，多數(shù)體系預(yù)先合成光催化劑，再將其加入到微生物中，該過(guò)程易于調(diào)節(jié)光催化劑的結(jié)構(gòu)及形貌，但難于控制兩者的結(jié)合界面.通過(guò)多酚功能化、涂覆化學(xué)親和性外殼等，能促進(jìn)光催化劑與細(xì)胞的結(jié)合.CdS 等含金屬光催化劑具有合適的帶隙寬度和光譜吸收范圍，其良好的光激發(fā)特性產(chǎn)生光生電子、為微生物提供還原力；非金屬基催化劑成本低廉、環(huán)境友好且具有較好的生物相容性；由于單一光催化劑往往需要添加空穴犧牲劑來(lái)改善其性能，將單一催化劑進(jìn)行復(fù)合改性形成復(fù)合催化劑可以提升其能量轉(zhuǎn)化效率及長(zhǎng)期穩(wěn)定性.為實(shí)現(xiàn)復(fù)合系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用，需進(jìn)一步提高其效率，以追平甚至超越1%—7%的自然光合作用效率.總結(jié)已有報(bào)道，應(yīng)用于微生物復(fù)合碳轉(zhuǎn)化體系光催化劑的面臨挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)主要為：

（1）應(yīng)用于微生物復(fù)合碳轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的光催化劑種類(lèi)非常有限，目前主要為CdS、TiO2、g-C3N4等常規(guī)光催化劑，大量高效的金屬氧化物、金屬氮或磷化合物及有機(jī)光催化劑在雜化體系的應(yīng)用亟待探索.

（2）改善光催化劑自身的光吸收及電荷分離特性，借助元素?fù)诫s、制造缺陷、添加助催化劑、構(gòu)建異質(zhì)結(jié)等手段，提高其在雜化體系的電荷供給能力.

（3）對(duì)光催化劑表面進(jìn)行功能化修飾，提高其細(xì)胞親和性及生物相容性，使其與微生物細(xì)胞形成直接接觸界面.

（4）目前，尚缺乏對(duì)光生電子從胞外半導(dǎo)體到胞內(nèi)受體等擴(kuò)膜傳遞及介導(dǎo)轉(zhuǎn)移機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)，需采用原位表征及時(shí)間分辨光譜研究電子轉(zhuǎn)移的全過(guò)程，以指導(dǎo)光催化劑與微生物的結(jié)合界面調(diào)控.

（5）現(xiàn)有雜化體系的碳轉(zhuǎn)化產(chǎn)物主要為C1、C2、C2+等，需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新型雜化體系以生產(chǎn)C3+等長(zhǎng)鏈碳?xì)浠衔锏哪繕?biāo)產(chǎn)物.