中科院微生物所创建仿生海洋电池，可用于人工生物光电转化

海洋覆盖了约 70% 的地球表面积。从能量角度看，海洋生态系统是一个巨大的太阳能生物转化系统，它可被视为一个由太阳能充电的巨大海洋电池，这是一种将光能转化为电能的生物电化学系统，占海洋生态系统生物质总量 90% 的微生物主导着其中的能量转化过程。

海洋生态系统的能量转化起始于光合作用。位于透光层的光合微生物，即初级生产者，吸收太阳能，将光子转变为电子，用于固定二氧化碳并生产有机质。这些有机质，一部分被生活于水柱层的浮游生物所消耗，另一部分则沉降到海底沉积层中，其中的兼性厌氧或严格厌氧微生物通过接续氧化作用，将复杂的有机质矿化为二氧化碳。

海底沉积层中的微生物又可以分为两类，一类称为初级分解者，负责将复杂的有机质降解为简单的有机化合物；另一类称为终端消费者，负责将简单的有机化合物完全氧化，释放出电子用于氮、铁、锰和硫等元素的生物还原过程。通过光合固碳和有机质的矿化，海洋微生物生态系统利用太阳能驱动着生物地球化学循环。

从外太空的视角，具有光电转化功能的海洋微生物生态系统，可以视为一个巨大的由太阳能充电的“海洋电池”。但是海洋生态系统中的微生物时空分布跨度大，电子传递分散迟缓，因此光电转化效率不高。能否构建一个时空压缩、能效显著提高的海洋电池？

为回答这一问题，中科院微生物研究所的研究人员抽提出海洋微生物生态系统的基本结构，制造了一个由四种微生物组成的太阳能电池。该研究于 2022 年 9 月 24 日在线发表于国际学术期刊 Nature Communications，题为“A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems”。

中国科学院微生物研究所博士后朱华伟为论文第一作者，中科院微生物研究所李寅和张延平、中科院天津工业生物技术研究所张学礼和朱之光、以及中科院青岛生物能源与过程研究所吕雪峰为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国科学院 B 类先导科技专项培育项目、中国科学院重点部署项目、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金、博士后创新人才支持计划等项目的资助。

据论文中表示，此由太阳能充电的“海洋电池”是一个由初级生产者（蓝藻）、初级分解者（大肠杆菌）和终端消费者（希瓦氏菌和地杆菌）组成的合成微生物组，可用于人工生物光电转化。

▲图 1丨由初级生产者、初级分解者和最终消费者构成的海洋微生物生态系统示意图（来源：研究论文）

此外，利用导电水凝胶作为沉积物状厌氧基质，将四种微生物群落组装成时空致密的结构，形成微型仿生海洋电池。该电池直接将光转化为电能，最大功率为 380μW，可稳定运行 1 个月以上。在这种仿生电池中再现海洋微生物生态系统的光电转换功能，克服了电子传递缓慢和网络状的问题，展现了合成微生物生态系统的生物技术潜力。

在这个合成微生物组中，经过工程改造的蓝藻能够在光能驱动下利用二氧化碳合成蔗糖，将光能存储于蔗糖中；经过工程改造的大肠杆菌负责将蔗糖转化为乳酸；希瓦氏菌和地杆菌则通过接续氧化作用，将乳酸完全氧化为二氧化碳，并将电子转移到胞外电极产生电流，实现光能到电能的转化。

研究人员证明，四菌微生物组在系统内阻、最大功率密度和稳定性等方面显著优于缺失地杆菌的三菌微生物组，以及缺失大肠杆菌和地杆菌的两菌微生物组，说明保持海洋微生物生态系统的三级生态结构，对实现高效生物光电转化至关重要。由四菌微生物组构成的生物光伏系统在时空分离模式下的最大功率密度达到 1.7 W/m2，比作者在前期工作中报道的双菌生物光伏系统（Development of a longevous two-species biophotovoltaics with constrained electron flow）提高了一个数量级。

研究人员进而发现，蓝藻光合作用产生的氧气，会被兼性厌氧的大肠杆菌和希瓦氏菌用于好氧呼吸，同时抑制希瓦氏菌和严格厌氧的地杆菌产电。为解决这一矛盾，研究人员阻断了大肠杆菌和希瓦氏菌的好氧呼吸途径，同时开发了具有隔氧性能的导电水凝胶。利用导电水凝胶将大肠杆菌、希瓦氏菌和地杆菌封装起来，形成能够隔氧且能进行电子传递的人工沉积层。

将含有初级分解者（大肠杆菌）和终端消费者（希瓦氏菌和地杆菌）的人工沉积层，与含有初级生产者（蓝藻）的水柱层组装在一起，研究人员最终制造出了一个一体化的生物太阳能电池（图2），可以直接将光能转化为电能，并稳定运行 1 个月以上。

▲图 2丨 一体化生物太阳能电池示意图（左）与光电转化（右）（来源：研究论文）

该生物太阳能电池模拟了海洋电池的基本物理结构和生态结构，但时空尺度显著压缩，物种数量实现最小化，可以视为一个小型化的仿生海洋电池（图3）。

▲图 3丨海洋微生物生态系统与微型仿生海洋电池的结构对比（来源：研究论文）

该研究证明了一个物种最小化和时空压缩的合成微生物组可以再现海洋生态系统的光电转化功能。由于改变了海洋生态系统中分散且迟缓的电子传递模式，该仿生海洋电池的太阳能利用效率高于海洋生态系统的能量效率。

仿生海洋电池的创建，不仅将生物光伏效率提高到一个新的水平，为开发高效稳定的生物太阳能电池提供了新的路径，也进一步展现了合成生态学的生物技术潜力。