光驱动微生物杂合系统提高生物制造水平
2023-05-06
摘要：本文综述了光驱动微生物杂合系统在质子还原制氢、CO2还原转化、固氮和C—H键氧化等重要反应中的应用，并对光驱动微生物杂合系统未来的发展趋势进行了展望
刘昕 戈钧 李春
清华大学化学工程系，北京 100084；
清华大学工业生物催化教育部重点实验室，北京 100084
DOI：10.11949/0438-1157.20221321
摘 要 太阳能作为最丰富且可再生的清洁能源，具有非常大的成本效益和发展潜力。自然光合作用效率低且难以干预，人工光合作用不稳定且成本高。以绿色、低碳的方式实现太阳能-化学的转化是现代社会可持续发展的迫切需要，也符合绿色生物制造的需求。光驱动微生物杂合系统作为一项新兴技术将非生物光敏材料与微生物全细胞结合起来，利用光敏材料优良的光吸收能力和微生物的特定高效合成能力，在利用太阳能驱动合成燃料和化学品方面显示出较大潜力。本文综述了光驱动微生物杂合系统在质子还原制氢、CO2还原转化、固氮和C—H键氧化等重要反应中的应用，并对光驱动微生物杂合系统未来的发展趋势进行了展望。
为了应对化石资源日益短缺的能源问题以及全球变暖、空气污染等环境问题，迫切需要开发可再生和环境友好的低碳能源以缓解对化石资源的过度依赖。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的全球性能源，在能源体系中占据主导地位[ 1-2 ]，一小时的太阳辐射与每年的全球能源消耗总量相当[3-4 ]，因此人们不断尝试实现太阳能的高效捕获和利用。由于太阳能具有分散性和间歇性的特点，很难直接利用。光伏技术提供了可扩展且具有成本效益的从太阳能到电力的转换，目前基于无机半导体的光伏技术将太阳能转化为电能的效率可达到20%[5]。另一方面，光催化已发展成为一种强大的技术，它利用光激发光催化剂来获得独特的反应性，可以实现C—H键活化、C—C键交叉偶联、C—N键形成等反应[6-7 ]。然而光催化材料在光激发下产生的电子和空穴易发生复合，降低太阳能向化学能的转化效率；光催化的效率很大程度上取决于催化剂的纯度，然而催化剂在液相中长期反应会发生降解和光腐蚀；且当前仅利用非生物光催化剂将光能转化为多碳化合物的效率仍然比较低[8-10 ]。理论上自然光合作用中电荷分离的量子效率可以达到100%，然而由于生物进行光合作用主要是为了生存而并非合成某个产品，自然光合作用的太阳能-生物量的转化效率仅为1%~2%。但自然界提供了进化优良的生物催化剂，和化学催化剂相比其反应条件更温和、催化特异性更高。近年来，生物催化剂作为绿色化学的工具，越来越多地被应用于制药和化工等领域。但是生物催化通常需要昂贵的辅因子(如NAD(P)H和ATP)和/或“辅助”蛋白质(如可传递电子的蛋白质)的协助[11]。如果能将生物催化和光催化协同起来、优势互补，将有望解决生物催化过程成本高、效率低的问题，也为创新并丰富太阳能-化学转化提供一条极具吸引力的途径。因此，半人工光合系统(semi-artificial photosynthetic system, SAPS)，也称光合生物杂交系统(photosynthetic biohybrid system, PBS)应运而生。半人工光合系统是将生物催化剂(微生物和酶)与合成材料(如电极和半导体、纳米材料、光敏染料等光敏材料)整合来模拟自然光合作用，利用微生物和酶作为催化剂来驱动内源性和复杂的化学反应，而合成材料负责光吸收、电荷转移、化学转化、产物分离以及生物催化剂的保护和固定[ 12-14 ]。半人工光合系统已被用于多种太阳能-化学转化或生产，包括辅因子再生、制氢、CO2还原和固氮等[15-18 ]。光敏材料-微生物杂合系统(光驱动微生物杂合系统，图1)相较于光敏材料-酶杂合系统有以下几个优势：①微生物全细胞具有自我复制、自我更新和自我修复的能力；②微生物因为包含成熟的生物合成途径，细胞内可以再生辅因子供氧化还原酶利用，也可以从简单而稳定的分子(例如H2O和CO2)合成复杂程度可调的化合物，这对于非生物催化剂是非常具有挑战性的；③微生物全细胞系统可以有效避免酶的分离纯化过程，具有更高的操作稳定性和显著降低的操作成本，在大规模应用方面更有吸引力。虽然光驱动微生物杂合系统的研究还处于起步阶段，但是由于它们具有将太阳能转化为清洁燃料和高值化学品的潜力而引起人们极大的兴趣。本文围绕几类对科学研究和化学工业具有重要意义的反应，包括质子还原制氢、CO2还原转化、固氮、C—H键氧化等，介绍了光驱动微生物杂合系统在这些反应中的应用，并对光驱动微生物杂合系统未来的发展趋势进行了展望。
图1 光驱动微生物杂合系统提高生物制造水平Fig.1 Light-driven microbial hybrid systems improve the level of biomanufacturing
二氧化碳还原转化
化石燃料燃烧时会产生大量的CO2，而CO2是主要的温室气体，也是最丰富的C1化合物[51]。《巴黎气候协定》中提出要将全球平均气温较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内，并努力将温度上升幅度限制在1.5℃以内，这要求全世界要大幅减少CO2的排放。然而仅仅减少排放是不够的，还需要持续地对CO2进行捕获和利用。利用CO2制备有价值的燃料或化学品是朝着同时解决环境和能源问题迈出的重要一步。然而，CO2的自身性质一定程度上阻碍了其高效转化。首先，CO2是非极性线性分子，结构稳定，C 
O键的能量(750 kJ·mol-1)[51]显著高于C—H键和C—C键的能量，想要完成CO的断裂通常需要高温或者施加高的电化学势能[52]。其次，常温常压下CO2在水中的溶解度仅为0.033 mol·L-1，且在吸附过程中与H2O分子竞争能力不佳[53]。此外，CO2中碳处于最高价态，一分子的CO2还原会涉及8个电子的转移和很多中间产物的形成，反应的动力学复杂且能量密集。尽管这一过程可以通过使用各种均相和非均相催化剂来实现[54-55 ]，例如利用半导体材料、过渡金属配合物或是贵金属材料作为光/电催化剂催化CO2还原[56-58 ]。但是半导体催化剂的光生电子与空穴容易发生复合，易受光腐蚀，而均相金属配合物的稳定性较差、催化剂分离和回收困难。此外这些非生物催化剂对CO或甲酸以外的产品，尤其是C2+化学品的选择性很差[57]，然而选择性的问题可以通过使用生物催化剂来解决[59]。自然界中的光合作用可以将太阳能转化为化学能，将CO2和H2O转化为碳水化合物和氧气。光合作用包括光反应和暗反应两个过程。在光反应中，光系统Ⅱ(PSⅡ)吸收光子并驱动水氧化，为固定CO2提供电子和质子。在暗反应中，CO2通过卡尔文循环进行转化。卡尔文循环中的关键酶核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(RuBisCO)的催化效率极低[ 60-61 ]，每个RuBisCO全酶每秒钟只能催化3~10个CO2分子的转化。光合微生物的太阳能到生物质(S2B)转换效率为1%~2%，大多数植物低于0.1%，难以满足人们的需求[62-63 ]。相比之下，一些非光合细菌也具有固定CO2的途径，可以高选择性地从CO2制备C2+化学品，并且对环境的扰动表现出更高的稳定性[3, 5, 64]，因此将光敏材料和固定CO2的细菌组成杂合系统为利用太阳能转化CO2提供了更多的可能性(表1)。表1 光驱动微生物杂合系统还原转化CO2生产高价值化合物Table 1 Summary of the performances of light-driven microbial hybrid systems for CO2 reduction
Sakimoto等[65]率先使用半胱氨酸作为硫源将CdS纳米粒子自沉积在热醋穆尔氏菌Moorella thermoacetica表面。CdS纳米粒子将光生电子传递到细胞内，为热醋穆尔氏菌固有的CO2代谢途径(Wood-Ljungdahl途径)提供动力，将CO2还原为乙酸。在低强度模拟太阳光下，CdS-M. thermoacetica杂合体在三天内还原CO2生成乙酸盐的总量子效率为2.44%±0.62%。其涉及的反应机制也通过光谱、蛋白质组学和代谢组学等技术进行了进一步研究[72]，结果表明氢化酶、能量相关膜蛋白、乙酰辅酶A途径和三羧酸循环中的酶参与整个过程。针对该过程会形成不可再生的二硫化物(CySS)，Sakimoto等[73]在系统中引入负载有助催化剂Mn(Ⅱ)酞菁(MnPc)的TiO2光氧化催化剂，将水氧化与CySS还原相结合，从而实现杂交系统的自我维持。由于CdS具有一定的细胞毒性，Zhang等[66]尝试了具有更好生物相容性和细胞可及性的金纳米团簇(Au NCs)，Au NCs可以被M. thermoaccia摄取，并通过细胞质中的氧化还原介质将寿命更长的光激发电子直接传递到Wood-Ljungdahl途径。进入细胞的Au NCs促进了快速的质量传递和电子穿梭，同时还可以减少光辐照过程中形成的活性氧(ROS)，提高杂合系统的细胞活力。相较于CdS-M. thermoacetica，Au NCs-M. thermoacetica杂合系统具有更高的量子效率(2.86%±0.38%)。由于一些有机半导体对多功能生物系统中的有机体表现出良好的生物相容性[ 74-75 ]，Gai等[18]将n型有机半导体苝二亚胺衍生物(PDI)和p型聚芴衍生物(PFP)形成的p-n异质结作为光敏剂涂覆在M. thermoeacea细菌表面。异质结表现出高效的电子/空穴分离效率和较强的光捕获能力，且PFP带正电荷的侧链可以嵌入细菌膜中，这有利于光激发电子从PDI/PFP直接转移到热醋穆尔氏菌，从而驱动Wood-Ljungdahl途径在光照下从CO2合成乙酸，PDI/PFP-M. thermoacetica杂合系统的量子效率约为1.6%。Ye等[67]的研究表明CdS纳米粒子沉积在厌氧产甲烷菌Methanosarcina barkeri表面作为光吸收剂时，CdS受光激发产生的光电子可以通过膜结合的细胞色素或H2ase传递到细胞内途径，被细菌用于产甲烷。CdS-M. barkeri杂合体的CH4产率为0.19 μmol·h-1，量子效率为0.34%。而较低的CH4选择性和量子效率可能是由于半导体纳米粒子(如CdS)光辐照下产生电子的速率和甲烷代谢过程电子利用速率的不匹配[67, 76]。Hu等[68]将氰酰胺(NCN)修饰的无金属聚合碳氮化合物(CNx)与M. barkeri结合，NCNCNx独特的电容效应和导电效应有效地促进了电子在生物-非生物界面的储存和再分配。自组装的NCNCNx-M. barkeri在光照条件下表现出50.3%的量子效率和92.3%的CH4选择性。由于一些纳米半导体可以光解水生成H2，而H2也可以作为产甲烷菌将CO2转化为甲烷过程中的还原当量，但是产甲烷菌对H2的捕获及利用存在阈值。于是Ye等[69]将二元金属活性中心(镍铜合金)引入到CdS和M. barkeri之间的界面。镍铜合金(NiCu)通过光催化作用，直接供应氢原子和电子到M. barkeri，经过细胞外和细胞内的氢循环产生甲烷，且有效地减少产生氢气。NiCu@CdS-M. barkeri杂合体在光照下表现出接近100%的CH4选择性，产氢速率为(79.38±2.83) μmol·(g cat)-1·h-1，量子产率为12.41%±0.16%。 Wang等[70]将CdS纳米粒子沉积在能够光合作用的沼泽红假单胞菌Rhodopseudomonas palustris表面。在可见光的照射下，光激发的CdS纳米粒子为细胞内原本的卡尔文循环提供额外的还原当量，NADPH辅因子的增加促进了卡尔文循环固定更多的CO2，从而提高生物量并促进包括类胡萝卜素和聚-β-羟基丁酸酯(PHB)在内的有价值的C2+化学品的合成。生物量、类胡萝卜素和PHB的产量分别增加到148%、122%和147%。CdS-R. palustris杂合系统的光合效率从原来的4.31%提高到5.98%。Ding等[71]利用ZnS壳层和半胱氨酸两性离子配体来修饰多种量子点(QDs)，经修饰的量子点具有理想的氧化还原电位和生物相容性，可以被不同的细菌吸收并特异性锚定到目标酶上。QDs-Cupriavidus necator杂合体在太阳能驱动下将CO2还原为C2H4、异丙醇(IPA)、2,3-丁二醇(BDO)、C11~C15甲基酮(MKs)和PHB。周转数(TON)高达106~108 (每mol细胞产生的产物的物质的量)。
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