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2023年10月16日，中國科學院深圳先進技術研究院合成所高翔課題組與哈爾濱工業大學（深圳）路璐課題組合作的成果以article形式在Nature Sustainability上發表。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酵的化學品生產路線，該工作利用實際工業廢水規?；铣砂雽w材料-細菌雜合體，實現光能驅動污染物到化學品的高值轉化，創建一條污染物基光驅生物制造路線，為化學品的可持續生產提供重要的新方向。

可持續發展路線是人類社會生存和發展的根本，但化工制造主要依賴于化石燃料，并持續釋放CO2，環境不友好且不可持續；生物制造為化學品合成提供了一條可持續發展路線，傳統糖基生物發酵生成還原力（NADH等）的過程會同時釋放CO2，從而降低了化學產品的碳轉化率；光能是充足的清潔能源，半導體材料-生物雜合體是將高效吸收光能的半導體與細胞工廠結合，可以直接利用光能為細胞工廠提供還原力，因此，光驅動雜合體生產化學品具有更高的理論碳轉化率，在綠色生物制造領域體現出獨特優勢和較大的潛力，但目前缺乏低成本、環境友好型的方法規模化合成雜合體。

減污降碳、協同增效是實施可持續發展的基本準則，本項目通過合成生物學方法改造微生物細胞工廠，以廢水中的金屬離子、硫酸鹽和有機物污染物作為原料，通過生物法實現半導體材料-生物雜合體規?；a，并在原位利用光能驅動有機污染物轉化為化學品，降低化學品生產成本和CO2排放，實現污染物高效資源化利用。本項目成果的成功應用，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和可持續制造中的廣泛應用潛力。

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

圖1.基于廢水的半導體材料-細菌雜合體光驅生物制造。

“變廢為寶”的理念與可持續性發展高度契合。近年來，通過合成生物學方法改造微生物細胞工廠，可直接利用廢棄塑料、餐廚垃圾和工業廢氣（如CO2）等作為原料，已經展示出綠色可持續生產化學品的巨大潛力。來自深圳先進院的合成生物學團隊和哈工大（深圳）環境科學與工程團隊共同調研發現，金屬離子、硫酸鹽和有機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體材料-細菌雜合體的生產提供原料，降低規?；a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動有機污染物轉化為化學品，實現污染物的資源化利用。

但廢水中的污染物組成成分復雜且多數具有生物毒性，有機物種類繁多，通常含有較高的鹽濃度，因此利用微生物細胞工廠實現污染物資源化利用極具挑戰。研究團隊選擇一種海洋微生物—需鈉弧菌，其對有毒環境耐受性強，高鹽生長，能使用超過200多種的有機物，包括糖、醇、氨基酸、有機酸等作為營養物質；另外，需鈉弧菌是目前生長最快的工業微生物，遺傳操作工具成熟，但其生長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，有利于半導體材料光生電子進入細胞；因此，需鈉弧菌是利用廢水生產雜合體的理想底盤細胞。

那么，需鈉弧菌是如何協同利用多種污染物合成半導體材料-細菌雜合體系并原位利用光能驅動化學品的可持續生產？

半導體材料-細菌雜合體的設計與合成

首先，金屬硫化物的半導體材料需要硫化氫（H2S）作為直接前體來合成。傳統生物法合成金屬硫化物需要添加半胱氨酸來生產H2S，而廢水中含有的硫酸鹽是無機硫源，不能直接被需鈉弧菌利用并轉化為H2S。研究團隊在需鈉弧菌中引入一條好氧H2S合成途徑，構建直接利用硫酸鹽高產H2S的工程菌，該工程菌生產的H2S可以直接與金屬離子結合生成金屬硫化物的半導體納米顆粒，且同步實現溶液中金屬離子的高效去除（去除率高達99%）。

第二，不同來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生產半導體納米顆粒？研究團隊首先考察工程菌利用不同濃度的鎘離子合成CdS的效率，結果顯示工程菌完全可利用不同濃度的Cd2+生產CdS納米顆粒。通過掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）和光電化學分析發現，該工程菌成功地合成CdS-細菌雜合體，該半導體納米顆粒吸收光能可以產生電子，具有較好的光電轉化效率。

第三，廢水中含有多種不同的有機物，工程菌是否可以利用不同的有機物實現雜合體的合成？研究團隊以廢水中常見的有機污染物（糖、醇和酸等）作為原料，成功實現半導體材料-細菌雜合體的合成，并同步高效去除污染物中的金屬離子。

最后，研究團隊利用實際工業廢水：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化效率。該方法同樣適用于其他金屬離子，成功構建了硫化鉛-細菌雜合體、硫化汞-細菌雜合體，普適性強。

半導體材料-細菌雜合體的光驅生物制造

圖2.半導體材料-細菌雜合體的光驅生物制造。

雜合體可以直接利用光能驅動微生物胞內還原力高效再生，與非雜合體（單純微生物體系）相比，合成化學品的產量和碳轉化率更高。研究團隊考察利用污染物生產的雜合體是否具有同樣的優勢。2,3-丁二醇（BDO）是一種重要的大宗化學品，廣泛用于化妝品、農業、醫藥治療等多個領域，且BDO生物合成過程需要消耗大量還原力NADH，雜合體通過半導體材料吸收光能產生的電子可能潛在提高NADH再生速率，驅動BDO高效合成；研究團隊在雜合體中構建BDO合成途徑并檢測其合成效率，結果顯示：光照條件下雜合體系合成BDO產量要明顯高于非雜合體，其產量提高2倍、碳轉化率提高26%，且雜合體的優勢完全依賴光能（黑暗條件，雜合體合成BDO的產量和碳轉化率與非雜合體相近）。證實了利用廢水生產的雜合體，可以直接利用光能驅動化學品的高效合成。

研究團隊進一步解析雜合體利用光能驅動化學品高效合成的機制，通過胞內代謝物定量分析發現，雜合體在光照條件與黑暗條件相比，微生物胞內的NADH濃度更高，該結果表明雜合體中，半導體材料通過吸收光能產生的電子，促進NAD+還原生成NADH，為BDO的生物合成途徑提供充足的能量，并減少通過糖氧化過程提供能量，最終提高BDO的產量和碳轉化率。

基于實際工業廢水的規?；a雜合體和光能驅動化學品合成

圖4.雜合體規?；a和光能驅動化學品合成。

研究團隊以實際工業廢水為原料，在5-L光反應器中，利用工程菌實現協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，將有機污染物轉化為BDO，產量可達到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化學品體系具有放大生產的潛力。

圖5.生命周期分析顯示雜合體的光驅化學品生產路線更具優勢。

通過生命周期分析（LCA），與傳統的石油基和糖基生物發酵化學品相比，本項目建立的污染物基雜合體光驅生物制造路線，溫室氣體排放（0.50 ± 0.02 kg CO2-eq kg-1 BDO）和產物生產成本（0.39 ± 0.04 $ kg-1 BDO）更低，利用光能實現污染物高效資源化利用。

該工作開發了一種低成本、環境友好、可持續的光能驅動化學品合成方法，實現了協同利用多種廢水污染物可持續生產半導體材料-生物雜合體系并原位應用于光能驅動化學品合成，證實了該體系具有規模化放大生產的潛力，為實現清潔生產、降低碳排放、提高資源利用率以及推動循環經濟提供了新的可能性。未來將進一步探索其在大規模生物制造中的應用。

中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔副研究員為最后通訊作者，哈爾濱工業大學（深圳）路璐為共同通訊作者，哈爾濱工業大學（深圳）和深圳先進技術研究院聯合培養博士后皮姍姍、深圳先進技術研究院博士后楊文君和上海大學馮煒教授為本文第一作者，楊睿潔、晁偉翔、程文波、崔蕾和李志達參與該項工作，新加坡國立大學林藝良教授為該研究做出重要貢獻。中國科學院分子植物科學卓越創新中心楊琛研究員、深圳先進技術研究院鐘超研究員、哈爾濱工業大學任南琪院士為該研究提供重要指導和建設性的意見。該工作獲得了國家自然科學基金、深圳市科創委、合成生物學重點研發專項和深圳合成生物學創新研究院等項目的支持。

【點評】趙國屏（中國科學院院士，中國科學院分子植物科學卓越創新中心）

半導體材料-生物雜合體的核心是將高效吸收光能的半導體納米材料與微生物細胞結合，通過將半導體材料吸收光能產生電子并轉化為生物能，為細胞工廠提供了充足的能量，使傳統不能利用光能的工業發酵微生物（如大腸桿菌、酵母和需鈉弧菌等）能夠高效地利用光能來驅動生物合成反應，將有機物（如糖等）轉化為目標化學品。這個概念的獨特之處在于，它將光能與生物制造有機地結合，從而驅動高效的化學品合成。

但實現這一目標，尚缺乏低成本、環境友好型的方法規?；铣呻s合體，為了克服這一難題，高翔等研究團隊采用了合成生物學與環境工程的跨學科方法，構建需鈉弧菌細胞工廠，將廢水中的多種污染物作為原料，實現了規?；a雜合體和光能驅動污染物的高值轉化。這不僅有助于減少廢水中的污染物，還為污染物資源化利用提供了新技術，為化學品的規模化、可持續生物制造提供了新思路。這項研究代表了綠色生物制造領域的重要進展，將太陽能和生物制造相結合，創造了一種可持續的化學品生產方法。有望為實現清潔生產、減少碳排放和提高廢物資源利用率帶來新的可能性。未來，我們可以期待看到這一方法在更廣泛的應用中發揮重要的乃至變革性的賦能作用。

實驗室簡介

高翔課題組主要研究方向為半導體合成生物學，將高效吸收光能的半導體材料與高選擇性催化的活細胞集成，合成一種新的人工體系（“人工光細胞”），利用微生物的優異胞內催化能力將半導體吸收的光能轉化為化學能，致力于突破天然光合固碳的理論極限，合成人工光能自養細胞工廠，發展化學品的可持續生物制造技術。研究成果以第一和通訊（含共同）作者身份，發表在Nature Sustainability、Nature Chemistry、Science Advances、Energy & Environmental Science、ACS Energy Letters等期刊上；課題組現招聘有合成生物學、微生物學、電化學、光電催化、半導體材料等相關背景博士后2名，研究助理1名，同時招收聯合培養學生2名，歡迎有志之士前來咨詢并加入我們的研究團隊（聯系郵箱：[email protected]）。

文章來源自公眾號：遇見生物合成