华东师范大学张中海课题组Nat. Commun.：基于光电催化-微生物生物杂合系统的可持续琥珀酸生产平台

研究背景

琥珀酸作为一种重要的平台化学品，广泛应用于食品、医药和可生物降解塑料等领域，被美国能源部列为十二种高价值化学品之一。然而，传统琥珀酸生产主要依赖石油基原料如液化石油气或马来酸酐，工艺过程不仅能耗高，还会释放温室气体和有毒副产物，带来严重的环境问题。虽然产琥珀酸放线杆菌等微生物发酵法提供了一条可持续的生物合成路径，但其生产效率受到细胞内电子传递效率低下的制约，难以满足工业化生产需求。如何在保持微生物活性的同时，提升其代谢效率，成为生物制造领域亟待解决的关键问题。

研究内容

华东师范大学研究团队创新性地构建了一种光电极-微生物杂合系统，将纳米技术与微生物代谢完美融合。他们首先通过适应性实验室进化策略，让产琥珀酸放线杆菌逐步提高耐受能力并在细胞内合成金纳米颗粒，这些位于细胞膜内侧的金纳米粒子如同“导电桥梁”，显著提升了跨膜电子传递效率。随后，研究人员设计了一种NiO@PAA@NHS光电极，其表面的水凝胶层能有效捕获并固定这些杂合细菌，使电子转递效率进一步提升，形成完整的NiO@PAA@NHS/Au@A. succinogenes生物杂合光电极。在模拟太阳光照射和-0.3 V外加电压条件下，该系统展现出卓越的性能：光电流密度达到1.9 mA cm⁻²，CO₂转化效率高达67 %，琥珀酸产率达到1.41 ± 0.04 g L⁻¹ h⁻¹ cm⁻²。通过¹³C同位素标记和基因表达分析，研究团队证实金纳米粒子的引入与杂合系统显著提升了细菌内ATP水平和关键代谢基因的表达，优化了碳代谢流向，使琥珀酸成为主要产物。

研究意义

这项研究开创性地将光电极催化与微生物代谢调控相结合，为高附加值化学品的绿色合成提供了全新范式。该生物杂合系统不仅实现了太阳能向化学能的高效转化，还通过增强微生物-电极界面的电子传递，突破了传统生物发酵的产率瓶颈。更重要的是，该系统能有效利用CO₂作为碳源，在琥珀酸生产的同时实现温室气体的资源化转化，为碳达峰和碳中和目标提供了技术支撑。相比传统化学法和普通发酵法，该技术在产率、可持续性和环境友好性方面均展现出显著优势，有望推动琥珀酸工业向低碳、高效、可持续方向转型升级。

总结

本研究通过构建NiO@PAA@NHS/Au@A. succinogenes光电极-微生物生物杂合系统，成功实现了太阳能驱动的琥珀酸高效合成。研究团队创新性地将经过适应性实验室进化改造、内含金纳米颗粒的细菌，高效固定于功能化水凝胶光电极表面，成功构建了完整的生物杂合体系，建立了高效的跨膜电子传递通路，使琥珀酸产率达到传统发酵法的数倍以上。该系统不仅展现出优异的CO₂转化效率和长期稳定性，还能在模拟昼夜循环条件下保持稳定生产，展现出良好的工业化应用潜力。这一“光电极+微生物”的协同策略为开发新型可持续生物制造平台提供了重要参考，也为人造光合作用系统在化学品绿色合成中的应用开辟了新方向。

通讯作者

张中海，华东师范大学教授，长期从事光电分析化学、聚焦活体微环境中关键生物分子的动态解析与智能传感方法创新，获上海市科学技术奖（自然科学）二等奖（排名第一），入选教育部化学“101计划”骨干教师，主持国家自然科学基金优青（原优青）、面上项目及上海市重点项目等国家和省部级课题10余项。近五年以通讯作者在 Nature Communications 发表6篇论文，并在 PNAS、Angew. Chem.、Advanced Materials、Joule、Chemical Science、ACS Nano、Advanced Functional Materials 等顶尖期刊持续产出代表性成果。他引9000余次，H指数50。坚持科研育人，近五年培养7名博士毕业生进入高校或科研机构任教，其中9人次获省部级人才计划支持。面向国家重大需求，与瑞金医院、上海市肿瘤医院、上海市普陀区中心医院等开展医工交叉合作，并服务上海宇航系统工程、海军护卫舰第十四支队等单位。相关成果获“SPARK China星火计划”资助，推动无创体液检测、泛癌早筛、可穿戴智能传感等成果实现专利授权、临床验证与产业转化。

周雪，华东师范大学课题组博士后。获得上海市“超级博士后”激励计划等资助，主持第78批博士后面上等科研项目。以第一或通讯作者在Nature Communications、Joule、ACS Nano、Advanced Functional Materials 等期刊发表多篇论文。

文章链接：

Feng, T., Zhou, X., Zhang, Y. et al. Photoelectrocatalytic-microbial biohybrid for succinic acid synthesis. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69962-4