人工光合作用领域再迎突破——一颗微球，把二氧化碳变成糖和淀粉

来源：科技日报

科技日报记者 罗云鹏

把二氧化碳变成葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖、淀粉等多种高附加值产品，过去主要依赖植物光合作用，如今人工光合作用已取得一系列积极进展。近日，人工光合作用领域再次迎来新突破。

中国科学院深圳先进技术研究院定量合成生物学全国重点实验室研究员王博、于涛团队，设计出一种空间区室化的人造光合水凝胶微球，将光能捕获、微生物固碳和产物合成三个环节装进一个微球里，构建了一个极具通用性的材料—生物杂合平台。相关成果近日发表于国际期刊《美国化学会志》。

光催化剂和微生物“合不来”

人造光合作用的思路，是用人工办法复刻植物的本事，把阳光和二氧化碳变成有用的物质。

这一思路听上去简单：让光催化材料吸收光能产氢，再让固碳微生物拿氢去固定二氧化碳。但实践起来却面临重重难关。

第一重难关，环境“合不来”。光催化产氢需要成分简单的反应介质和合适的牺牲电子供体。而微生物培养离不开营养丰富的培养基。光催化产氢和微生物培养对化学微环境的要求，本质上是拧着的。

“光催化要简单介质，微生物要丰富营养，‘脾气’完全相反。”王博说。直接把催化剂投进菌液，培养基里的酵母提取物、硫化钠会把活性位点堵死，催化活性一落千丈。

若把两者分别装进独立反应器，氢气从气相到液相的传质又成了新的限速步骤。这导致隔也不是，混也不是。

第二重难关，光照“谈不拢”。光催化剂需要强光照才能维持较快的产氢速度，可多数天然固碳菌见光就“受伤”。强光底下，菌根本活不下来。

第三重挑战，难度更大。光催化模块与生物转化模块之间，用什么化学物质来衔接？目前较成熟的方案是让蓝藻等光合微生物分泌蔗糖等代谢物，为下游异养微生物提供碳源。可这条路受限于代谢物跨膜运输效率低、分解代谢物阻遏和碳回收率低等因素，复杂的代谢物背景还会干扰下游催化过程。

总而言之，人工光合作用的瓶颈在于：光催化材料和固碳微生物各自厉害，但合不到一块。

“能不能找到一种既高效供给又广泛兼容的中间体，成了能否打通全链条的关键。”王博说。

此前，国内外同行已各显神通：有人致力于高效光催化剂研发，有人专注介质设计，也有人尝试杂合体反应平台以及下游工程生物底盘设计与构建。可这些方案分头着力，以上三道难题依旧存在。

面对这种困境，研究团队提出，用水凝胶微球这种形式构建一种新型材料—生物杂合体。

一个“单间”解决光毒性难题

研究团队的具体思路，是在水泥基区内用物理屏障把光催化区和微生物区分开，拿氢气当短程电子传递媒介，再拿乙酸当上下游的化学桥接分子，力争在同一个体系里同时解决三道难题。

循着这个假设，团队开始配制培养基。

他们用二硫苏糖醇替换掉原来的抑制组分，配出既能养菌又能催化的双功能培养基。换了配方，COF/Pt/Cr2O3光催化剂5天产氢量达到62.0毫摩尔每克，比原先提升16倍。

培养基理顺了，微球怎么造？团队以海藻酸钠和羧甲基纤维素为基质，用钙离子交联将它们“粘”在一起，做出直径约4毫米的双网络水凝胶微球。微球外壳里均匀分散着COF/Pt/Cr2O3光催化剂，内核则嵌着一块经高温碳化的三聚氰胺泡沫。

光催化产氢的问题解决了，接下来要选固碳的“工人”。团队看中了伍氏醋酸杆菌。它天生厌氧，能高效利用氢气产乙酸，是理想的固碳微生物。可它偏偏怕光，见光几小时就会失活。微球内核那块碳化三聚氰胺泡沫，正好能给它造一个暗处安身的“单间”。

其中，双网络结构让微球既扛得住搅拌，又留得住催化剂和菌，是整个设计的“骨架”。碳化泡沫为细菌提供安全居所。它黑而多孔，透射光谱测试显示，它能挡住超过99%的紫外线和可见光，气体分子和营养却进得来、出得去。

“光催化在外壳跑，微生物在内核长，一颗微球里面装着一个独立‘单间’。”王博说，把伍氏醋酸杆菌接种进碳化泡沫内核，外壳在强光下持续产氢，内核里的菌却待在暗处，相安无事。

数据印证了这一点。在60毫瓦每平方厘米的强光下连续运行10天，活/死细胞荧光染色和活性氧检测都显示，内核里的菌始终状态良好。

作为对照，无泡沫保护的裸菌，48小时内几乎全部失活。

一边生机勃勃，一边全军覆没。光毒性这道坎，就这样被一块黑色泡沫化解了。

效率差距同样悬殊。这套人造光合水凝胶微球系统10天累计产出212.4毫克每升乙酸，氢气到乙酸的摩尔转化效率达88.85%。而把催化剂和菌简单混在一起的对照组，产出乙酸只有23.7毫克每升，效率仅7.9%。一里一外，空间区室化把光和生物的耦合效率提升了一个数量级。

通用平台产出多种高价值产品

光驱下的二氧化碳固定已跑通，稳定又高效，可产业链还差最后一环——下游怎么把乙酸变成更高价值的产品。

真正打通全链条的是乙酸。乙酸可被多种工业微生物经乙酰辅酶A合成酶吸收，进入中心碳代谢，转化为乙酰辅酶A。乙酰辅酶A是细胞代谢的“枢纽站”，无数产物都从这里分流，而乙酸能直达这个枢纽。

“乙酸就是我们找到的那座桥。”于涛说，“有了它，底盘细胞就能按各自携带的不同合成途径，把乙酸分别转化为葡萄糖、肌醇、氨基葡萄糖、蔗糖和淀粉。”

这带来了模块化的好处：上游光催化产氢、微生物固碳产乙酸这两段固定不变，想换产品，只需替换下游的酵母底盘细胞。整个微球系统作为一个通用平台，能够无缝衔接各种工程酵母，从而将二氧化碳升值为多种高附加值产品。

以往光合生物制造，换一种产品往往要推倒重来。人造光合水凝胶微球让上游不动、只换下游，省下了大量重复试错。

这个平台的价值，不在于产出某一种产物，而在于它搭好了一个“底盘”，让后续具有通用性的拓展变得简单。

至此，从光能捕获到高值产物合成的全链条，在一颗毫米级微球里串了起来。光催化产氢、微生物固碳、产物转化三个模块，物理上各自独立，功能上咬合有序。凭借出色的通用性，它为二氧化碳无缝衔接各类微生物工程底盘及资源化利用，提供了一条灵活、可拓展的新路。

“下一步，我们将进一步探索高效且适用于微生物的杂化体系设计，并开发适用于中性pH和高离子强度环境的新型光催化剂，从而全面提升系统的能量转化效率与运行可持续性。”王博说。

这一成果为二氧化碳高值化利用打开了想象空间。从工业尾气到大气碳捕集，凡有二氧化碳处，皆有变废为宝的可能。一颗微球的故事，才刚刚开场。