王博/姜志锋/王保强AEM：外挂式半人工光合体系产氢

近日，中科院深圳先进技术研究院王博副研究员、江苏大学姜志锋教授、香港中文大学Po Keung Wong教授在国际顶级能源类学术期刊《Advanced Energy Materials》（IF: 25.245）在线发表了文章“Interfacing iodine-doped hydrothermally carbonized carbon with Escherichia coli through an “add-on” mode for enhanced light-driven hydrogen production”。构建了一套简易高效的有机半导体材料 “外挂式”赋能大肠杆菌光驱动产氢体系。香港中文大学博士研究生肖可蒙为该文第一作者。

由于能源和环境危机的日益加剧，加强对太阳能等清洁能源的有效利用与转化成为实现人类社会可持续发展的重要发展方向之一。半人工光合体系结合了半导体材料对光能的高效捕获能力及微生物对产物的高选择催化的优势，通过吸收太阳能产生光生电子或还原力以驱动生物体内高附加价值产物的代谢。目前，该体系的构建主要依赖于微生物自身矿化或者内吞作用，实现金属半导体材料(如硫化物)的沉积及量子点纳米材料的担载。鉴于重金属离子的毒性和金属硫化物的光腐蚀性，以无机金属基材料/微生物为代表的杂化体系存在环境隐患的同时，负载效率和物质代谢能力也受到重金属离子毒性的限制。相比之下，以碳基材料为代表的有机材料具备较好的生物兼容性，理化性质稳定，但存在光能捕获效率较低和光生载流子易复合的问题。通过碘掺杂，水热碳不仅具备常规碳基材料优势，又拥有了良好的宽光谱吸收和光生电子迁移能力。除此之外，碘掺杂水热碳可由一系列碳水化合物前驱体，比如蔗糖、淀粉、稻草和动物粪便等水热合成且无温室气体的排放。这些特性使得碘掺杂水热碳成为一种理想低廉高效的微生物伴生光驱材料。

化能异养微生物大肠杆菌被选为该体系的微生物工厂，一方面由于大肠杆菌成熟的基因操作技术赋予其产物多样性的特点；另一方面其清晰的代谢通路有助于研究材料微生物界面能量电子迁移的问题，后者是半人工光合领域尚未攻克的难题之一。为克服上述提出的生物矿化和内吞作用对微生物的影响，本研究采用了一种普适便捷的“外挂式”自组装方式，通过改性微生物表面电荷，使其与带负电荷的碘掺杂水热碳通过静电作用快速耦合，在光照下实现光生电子的有效迁移。该方法突破了纳米材料和微生物自身的局限，可根据实验需求设计不同半导体材料和微生物的高效组合体系。文章同时研究了光生电子迁移路径以及对大肠杆菌产氢代谢的调控；并将该体系拓展至不同类型的碳基材料，对大肠杆菌产氢均显示了不同程度的促进作用。

该工作得到国家自然科学基金、滚球体育 部重点研发计划以及江苏大学金山特聘教授项目等基金的支持。

本文由作者投稿。