10月16日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔課題組與哈爾濱工業(yè)大學（深圳）路璐課題組合作的成果以Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids為題發(fā)表在Nature Sustainability上。不同于石油基和糖基生物發(fā)酵的化學品生產(chǎn)路線，該工作利用實際工業(yè)廢水規(guī)模化合成半導體材料-細菌雜合體，實現(xiàn)光能驅(qū)動污染物到化學品的高值轉(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）的過程會同時釋放CO₂，從而降低了化學產(chǎn)品的碳轉(zhuǎn)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(qū)動雜合體生產(chǎn)化學品具有更高的理論碳轉(zhuǎn)化率，在綠色生物制造領域體現(xiàn)出獨特優(yōu)勢和較大的潛力，但目前缺乏低成本、環(huán)境友好型的方法規(guī)模化合成雜合體。  

　　減污降碳、協(xié)同增效是實施可持續(xù)發(fā)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(xiàn)半導體材料-生物雜合體規(guī)模化生產(chǎn)，并在原位利用光能驅(qū)動有機污染物轉(zhuǎn)化為化學品，降低化學品生產(chǎn)成本和CO₂排放，實現(xiàn)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(chǎn)和可持續(xù)制造中的廣泛應用潛力。  

　　“變廢為寶”的理念與可持續(xù)性發(fā)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(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(huán)境科學與工程團隊共同調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)提供原料，降低規(guī)模化生產(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)動有機污染物轉(zhuǎn)化為化學品，實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)污染物資源化利用極具挑戰(zhàn)。研究團隊選擇一種海洋微生物—需鈉弧菌，其對有毒環(huán)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(yǎng)物質(zhì)；另外，需鈉弧菌是目前生長最快的工業(yè)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(chǎn)雜合體的理想底盤細胞。  

　　針對雜合體綠色生物制造所需的原料：金屬離子、硫酸鹽和有機物，研究團隊通過設計和改造需鈉弧菌，該工程菌利用污染物成功的生產(chǎn)了硫化鎘-細菌的雜合體。該雜合體具有良好的光電轉(zhuǎn)化效率，可以將光能轉(zhuǎn)化為生物能。該方法同樣適用于多種不同金屬離子，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。    

　　雜合體可以直接利用光能驅(qū)動微生物胞內(nèi)還原力高效再生，與非雜合體（單純微生物體系）相比，合成化學品的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率更高。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(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)勢完全依賴光能。證實了利用廢水生產(chǎn)的雜合體，可以直接利用光能驅(qū)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(qū)動化學品高效合成的機制，通過胞內(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，該結果表明雜合體中，半導體材料通過吸收光能產(chǎn)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(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率。  

　　研究團隊以實際工業(yè)廢水為原料，在5-L光反應器中，利用工程菌實現(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，將有機污染物轉(zhuǎn)化為BDO，產(chǎn)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(chǎn)化學品體系具有放大生產(chǎn)的潛力。通過生命周期分析（LCA），與傳統(tǒng)的石油基和糖基生物發(fā)酵化學品相比，本項目建立的污染物基雜合體光驅(qū)生物制造路線，溫室氣體排放和產(chǎn)物生產(chǎn)成本更低，利用光能實現(xiàn)污染物高效資源化利用。  

　　該工作開發(fā)了一種低成本、環(huán)境友好、可持續(xù)的光能驅(qū)動化學品合成方法，實現(xiàn)了協(xié)同利用多種廢水污染物可持續(xù)生產(chǎn)半導體材料-生物雜合體系并原位應用于光能驅(qū)動化學品合成，證實了該體系具有規(guī)模化放大生產(chǎn)的潛力，為實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、降低碳排放、提高資源利用率以及推動循環(huán)經(jīng)濟提供了新的可能性。未來將進一步探索其在大規(guī)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(yè)大學（深圳）路璐為共同通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學（深圳）和深圳先進技術研究院聯(lián)合培養(yǎng)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(chuàng)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(yè)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(chuàng)委、合成生物學重點研發(fā)專項和深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等項目的支持。 

圖1. 基于廢水的半導體材料-細菌雜合體光驅(qū)生物制造

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