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Nature子刊|先進(jìn)院合成所/哈工大建立雜合體的綠色生物制造技術(shù)

媒體：遇見(jiàn)生物合成作者：內(nèi)詳 專業(yè)號(hào)：孫瑩 2023-10-17 16:03:36

2023年10月16日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成所高翔課題組與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）路璐課題組合作的成果以article形式在Nature Sustainability上發(fā)表。題目為“Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids”

。不同于石油基和糖基生物發(fā)酵的化學(xué)品生產(chǎn)路線，該工作利用實(shí)際工業(yè)廢水規(guī)?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">；铣砂雽?dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體，實(shí)現(xiàn)光能驅(qū)動(dòng)污染物到化學(xué)品的高值轉(zhuǎn)化

，創(chuàng)建一條污染物基光驅(qū)生物制造路線

，為化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)提供重要的新方向。

可持續(xù)發(fā)展路線是人類社會(huì)生存和發(fā)展的根本

，但化工制造主要依賴于化石燃料，并持續(xù)釋放CO2

，環(huán)境不友好且不可持續(xù)

；生物制造為化學(xué)品合成提供了一條可持續(xù)發(fā)展路線，傳統(tǒng)糖基生物發(fā)酵生成還原力（NADH等）的過(guò)程會(huì)同時(shí)釋放CO2

，從而降低了化學(xué)產(chǎn)品的碳轉(zhuǎn)化率

；光能是充足的清潔能源，半導(dǎo)體材料-生物雜合體是將高效吸收光能的半導(dǎo)體與細(xì)胞工廠結(jié)合

，可以直接利用光能為細(xì)胞工廠提供還原力

，因此，光驅(qū)動(dòng)雜合體生產(chǎn)化學(xué)品具有更高的理論碳轉(zhuǎn)化率

，在綠色生物制造領(lǐng)域體現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和較大的潛力

，但目前缺乏低成本、環(huán)境友好型的方法規(guī)?div id="jfovm50" class="index-wrap">；铣呻s合體

。

減污降碳、協(xié)同增效是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的基本準(zhǔn)則

，本項(xiàng)目通過(guò)合成生物學(xué)方法改造微生物細(xì)胞工廠

，以廢水中的金屬離子、硫酸鹽和有機(jī)物污染物作為原料

，通過(guò)生物法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料-生物雜合體規(guī)?div id="m50uktp" class="box-center"> ；a(chǎn)，并在原位利用光能驅(qū)動(dòng)有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為化學(xué)品

，降低化學(xué)品生產(chǎn)成本和CO2排放

，實(shí)現(xiàn)污染物高效資源化利用。本項(xiàng)目成果的成功應(yīng)用

，不僅為廢水處理提供了一種新途徑

，還揭示了其在清潔能源生產(chǎn)和可持續(xù)制造中的廣泛應(yīng)用潛力。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41893-023-01233-2

圖1.基于廢水的半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體光驅(qū)生物制造

。

“變廢為寶”的理念與可持續(xù)性發(fā)展高度契合

。近年來(lái)

，通過(guò)合成生物學(xué)方法改造微生物細(xì)胞工廠，可直接利用廢棄塑料

、餐廚垃圾和工業(yè)廢氣（如CO2）等作為原料

，已經(jīng)展示出綠色可持續(xù)生產(chǎn)化學(xué)品的巨大潛力。來(lái)自深圳先進(jìn)院的合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)和哈工大（深圳）環(huán)境科學(xué)與工程團(tuán)隊(duì)共同調(diào)研發(fā)現(xiàn)

，金屬離子

、硫酸鹽和有機(jī)物等污染物在廢水中普遍存在且含量豐富，可直接或間接為半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體的生產(chǎn)提供原料

，降低規(guī)?div id="jpandex" class="focus-wrap mb20 cf">；a(chǎn)雜合體的成本；而且

，該雜合體在廢水中能夠直接利用光能驅(qū)動(dòng)有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為化學(xué)品

，實(shí)現(xiàn)污染物的資源化利用。

但廢水中的污染物組成成分復(fù)雜且多數(shù)具有生物毒性

，有機(jī)物種類繁多

，通常含有較高的鹽濃度，因此利用微生物細(xì)胞工廠實(shí)現(xiàn)污染物資源化利用極具挑戰(zhàn)

。研究團(tuán)隊(duì)選擇一種海洋微生物—需鈉弧菌

，其對(duì)有毒環(huán)境耐受性強(qiáng)，高鹽生長(zhǎng)

，能使用超過(guò)200多種的有機(jī)物

，包括糖、醇

、氨基酸

、有機(jī)酸等作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；另外

，需鈉弧菌是目前生長(zhǎng)最快的工業(yè)微生物

，遺傳操作工具成熟，但其生長(zhǎng)速率比大腸桿菌快一倍

，具有更高的底物利用速率

，且含有類似電活性微生物的膜電子傳遞通道，有利于半導(dǎo)體材料光生電子進(jìn)入細(xì)胞

；因此

，需鈉弧菌是利用廢水生產(chǎn)雜合體的理想底盤(pán)細(xì)胞。

那么

，需鈉弧菌是如何協(xié)同利用多種污染物合成半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體系并原位利用光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)

？

半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體的設(shè)計(jì)與合成

首先，金屬硫化物的半導(dǎo)體材料需要硫化氫（H2S）作為直接前體來(lái)合成。傳統(tǒng)生物法合成金屬硫化物需要添加半胱氨酸來(lái)生產(chǎn)H2S

，而廢水中含有的硫酸鹽是無(wú)機(jī)硫源

，不能直接被需鈉弧菌利用并轉(zhuǎn)化為H2S。研究團(tuán)隊(duì)在需鈉弧菌中引入一條好氧H2S合成途徑

，構(gòu)建直接利用硫酸鹽高產(chǎn)H2S的工程菌

，該工程菌生產(chǎn)的H2S可以直接與金屬離子結(jié)合生成金屬硫化物的半導(dǎo)體納米顆粒，且同步實(shí)現(xiàn)溶液中金屬離子的高效去除（去除率高達(dá)99%）

。

第二

，不同來(lái)源的廢水中金屬離子濃度差異大，上述工程菌是否適用于不同濃度的金屬離子來(lái)生產(chǎn)半導(dǎo)體納米顆粒

？研究團(tuán)隊(duì)首先考察工程菌利用不同濃度的鎘離子合成CdS的效率

，結(jié)果顯示工程菌完全可利用不同濃度的Cd2+生產(chǎn)CdS納米顆粒。通過(guò)掃描電鏡（SEM）

、透射電鏡（TEM）和光電化學(xué)分析發(fā)現(xiàn)

，該工程菌成功地合成CdS-細(xì)菌雜合體，該半導(dǎo)體納米顆粒吸收光能可以產(chǎn)生電子

，具有較好的光電轉(zhuǎn)化效率。

第三

，廢水中含有多種不同的有機(jī)物

，工程菌是否可以利用不同的有機(jī)物實(shí)現(xiàn)雜合體的合成？研究團(tuán)隊(duì)以廢水中常見(jiàn)的有機(jī)污染物（糖

、醇和酸等）作為原料

，成功實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體的合成，并同步高效去除污染物中的金屬離子

。

最后

，研究團(tuán)隊(duì)利用實(shí)際工業(yè)廢水：甘油廢水、糖蜜廢水和淀粉廢水

，成功地合成雜合體

，該雜合體具有良好的光電轉(zhuǎn)化效率。該方法同樣適用于其他金屬離子

，成功構(gòu)建了硫化鉛-細(xì)菌雜合體

、硫化汞-細(xì)菌雜合體，普適性強(qiáng)

。

半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體的光驅(qū)生物制造

圖2.半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體的光驅(qū)生物制造

。

雜合體可以直接利用光能驅(qū)動(dòng)微生物胞內(nèi)還原力高效再生，與非雜合體（單純微生物體系）相比

，合成化學(xué)品的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率更高

。研究團(tuán)隊(duì)考察利用污染物生產(chǎn)的雜合體是否具有同樣的優(yōu)勢(shì)。2,3-丁二醇（BDO）是一種重要的大宗化學(xué)品

，廣泛用于化妝品

、農(nóng)業(yè)

、醫(yī)藥治療等多個(gè)領(lǐng)域，且BDO生物合成過(guò)程需要消耗大量還原力NADH

，雜合體通過(guò)半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生的電子可能潛在提高NADH再生速率

，驅(qū)動(dòng)BDO高效合成；研究團(tuán)隊(duì)在雜合體中構(gòu)建BDO合成途徑并檢測(cè)其合成效率

，結(jié)果顯示：光照條件下雜合體系合成BDO產(chǎn)量要明顯高于非雜合體

，其產(chǎn)量提高2倍、碳轉(zhuǎn)化率提高26%

，且雜合體的優(yōu)勢(shì)完全依賴光能（黑暗條件

，雜合體合成BDO的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率與非雜合體相近）。證實(shí)了利用廢水生產(chǎn)的雜合體

，可以直接利用光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品的高效合成

。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析雜合體利用光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品高效合成的機(jī)制，通過(guò)胞內(nèi)代謝物定量分析發(fā)現(xiàn)

，雜合體在光照條件與黑暗條件相比

，微生物胞內(nèi)的NADH濃度更高，該結(jié)果表明雜合體中

，半導(dǎo)體材料通過(guò)吸收光能產(chǎn)生的電子

，促進(jìn)NAD+還原生成NADH，為BDO的生物合成途徑提供充足的能量

，并減少通過(guò)糖氧化過(guò)程提供能量

，最終提高BDO的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率。

基于實(shí)際工業(yè)廢水的規(guī)?div id="d48novz" class="flower left">

；a(chǎn)雜合體和光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品合成

圖4.雜合體規(guī)?div id="d48novz" class="flower left">

；a(chǎn)和光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品合成。

研究團(tuán)隊(duì)以實(shí)際工業(yè)廢水為原料

，在5-L光反應(yīng)器中

，利用工程菌實(shí)現(xiàn)協(xié)同利用多種污染物合成雜合體，該雜合體在廢水中原位利用光能

，將有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為BDO

，產(chǎn)量可達(dá)到13 g/L，表明本研究建立的雜合體合成和原位利用光能生產(chǎn)化學(xué)品體系具有放大生產(chǎn)的潛力

。

圖5.生命周期分析顯示雜合體的光驅(qū)化學(xué)品生產(chǎn)路線更具優(yōu)勢(shì)

。

通過(guò)生命周期分析（LCA），與傳統(tǒng)的石油基和糖基生物發(fā)酵化學(xué)品相比

，本項(xiàng)目建立的污染物基雜合體光驅(qū)生物制造路線

，溫室氣體排放（0.50 ± 0.02 kg CO2-eq kg-1 BDO）和產(chǎn)物生產(chǎn)成本（0.39 ± 0.04 $ kg-1 BDO）更低，利用光能實(shí)現(xiàn)污染物高效資源化利用。

該工作開(kāi)發(fā)了一種低成本

、環(huán)境友好

、可持續(xù)的光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品合成方法，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同利用多種廢水污染物可持續(xù)生產(chǎn)半導(dǎo)體材料-生物雜合體系并原位應(yīng)用于光能驅(qū)動(dòng)化學(xué)品合成

，證實(shí)了該體系具有規(guī)?div id="4qifd00" class="flower right">

；糯笊a(chǎn)的潛力，為實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)

、降低碳排放

、提高資源利用率以及推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了新的可能性。未來(lái)將進(jìn)一步探索其在大規(guī)模生物制造中的應(yīng)用

。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔副研究員為最后通訊作者

，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）路璐為共同通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士后皮姍姍

、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后楊文君和上海大學(xué)馮煒教授為本文第一作者

，楊睿潔、晁偉翔

、程文波

、崔蕾和李志達(dá)參與該項(xiàng)工作，新加坡國(guó)立大學(xué)林藝良教授為該研究做出重要貢獻(xiàn)

。中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心楊琛研究員

、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鐘超研究員、哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪院士為該研究提供重要指導(dǎo)和建設(shè)性的意見(jiàn)

。該工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委

、合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持

。

【點(diǎn)評(píng)】趙國(guó)屏（中國(guó)科學(xué)院院士，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心）

半導(dǎo)體材料-生物雜合體的核心是將高效吸收光能的半導(dǎo)體納米材料與微生物細(xì)胞結(jié)合

，通過(guò)將半導(dǎo)體材料吸收光能產(chǎn)生電子并轉(zhuǎn)化為生物能

，為細(xì)胞工廠提供了充足的能量，使傳統(tǒng)不能利用光能的工業(yè)發(fā)酵微生物（如大腸桿菌

、酵母和需鈉弧菌等）能夠高效地利用光能來(lái)驅(qū)動(dòng)生物合成反應(yīng)

，將有機(jī)物（如糖等）轉(zhuǎn)化為目標(biāo)化學(xué)品。這個(gè)概念的獨(dú)特之處在于

，它將光能與生物制造有機(jī)地結(jié)合

，從而驅(qū)動(dòng)高效的化學(xué)品合成。

但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)

，尚缺乏低成本

、環(huán)境友好型的方法規(guī)?div id="m50uktp" class="box-center"> ；铣呻s合體

，為了克服這一難題

，高翔等研究團(tuán)隊(duì)采用了合成生物學(xué)與環(huán)境工程的跨學(xué)科方法，構(gòu)建需鈉弧菌細(xì)胞工廠

，將廢水中的多種污染物作為原料，實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)雜合體和光能驅(qū)動(dòng)污染物的高值轉(zhuǎn)化

。這不僅有助于減少?gòu)U水中的污染物，還為污染物資源化利用提供了新技術(shù)

，為化學(xué)品的規(guī)?div id="d48novz" class="flower left">

；⒖沙掷m(xù)生物制造提供了新思路

。這項(xiàng)研究代表了綠色生物制造領(lǐng)域的重要進(jìn)展
，將太陽(yáng)能和生物制造相結(jié)合，創(chuàng)造了一種可持續(xù)的化學(xué)品生產(chǎn)方法

。有望為實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)

、減少碳排放和提高廢物資源利用率帶來(lái)新的可能性。未來(lái)

，我們可以期待看到這一方法在更廣泛的應(yīng)用中發(fā)揮重要的乃至變革性的賦能作用

。

實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)介

高翔課題組主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體合成生物學(xué)，將高效吸收光能的半導(dǎo)體材料與高選擇性催化的活細(xì)胞集成

，合成一種新的人工體系（“人工光細(xì)胞”）

，利用微生物的優(yōu)異胞內(nèi)催化能力將半導(dǎo)體吸收的光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，致力于突破天然光合固碳的理論極限

，合成人工光能自養(yǎng)細(xì)胞工廠

，發(fā)展化學(xué)品的可持續(xù)生物制造技術(shù)。研究成果以第一和通訊（含共同）作者身份

，發(fā)表在Nature Sustainability

、Nature Chemistry、Science Advances

、Energy & Environmental Science

、ACS Energy Letters等期刊上；課題組現(xiàn)招聘有合成生物學(xué)

、微生物學(xué)

、電化學(xué)、光電催化

、半導(dǎo)體材料等相關(guān)背景博士后2名

，研究助理1名，同時(shí)招收聯(lián)合培養(yǎng)學(xué)生2名

，歡迎有志之士前來(lái)咨詢并加入我們的研究團(tuán)隊(duì)（聯(lián)系郵箱：gaoxiang@siat.ac.cn）
。

文章來(lái)源自公眾號(hào)：遇見(jiàn)生物合成

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