2022年9月8日，华东师范大学张中海教授团队与南京工业大学章文明副教授共同在Joule期刊上发表了一篇题为“Living intracellular inorganic-microorganism biohybrid system for efficient solar hydrogengeneration”的新研究。
该研究首次在非光合细菌和非基因工程细菌上观察到光增强生物制氢的现象，并构建细胞内非金属无机-生物杂化体系，集无机半导体优异的吸光效率和微生物高度特异的生物催化能力于一体，具有成为可持续、高效的增强氢气生成平台的巨大潜力。论文通讯作者是付百赫、张中海；第一作者是吴丹。
有效收集太阳能并将其转化为化学燃料，特别是氢气，是一项全球性挑战。然而，目前的太阳能转化为氢气的效率仍然不能满足未来氢气经济的需求。对可再生、可持续和高效制氢的迫切需求推动了先进技术的快速发展，基于全细胞微生物的生物制氢是最有前途的策略之一。
近日，华东师范大学的张中海教授课题组报道了一种体内非金属无机半导体-微生物杂化体系，C3N4QDs穿透到大肠杆菌（E. coli）内，从而能直接在细菌内光催化，实现高效催化生物质产氢。该工作首次发现了太阳光对典型的未经基因工程编辑的非光合细菌的生物产氢具有增强的作用，该实验结果推翻了光照对非光合细菌不产生作用的传统结论。细菌内的NADH作为一种分子光催化剂，增强了光诱导生物质产氢。此外，E. coli作为活的光催化剂，在反应溶液中可以持续繁殖生长，延长了催化剂的寿命。
图1：E. coli的产氢测试和机理图。
为了进一步提高光与非光合细菌的相互作用，该研究构建了体内非金属无机半导体-微生物杂化体系，将C3N4QDs与E. coli共培养，C3N4QDs具有良好的生物相容性和合适的尺寸，易于通过细菌内吞的方式进入E. coli的内部，形成体内无机半导体-微生物杂化体系。在E. coli中，通过独特的π-π电子共轭形成C3N4 QDs/NAD+结，无机半导体量子点与活微生物光催化剂之间形成独特的结合，有效地促进了光电子分离和转移，从而达到了最高的产氢活性。
图2：C3N4QDs/E. coli杂化体系的构建示意图。
C3N4QDs/E. coli复合体系的长期稳定性和可持续性对生物质转化氢也是十分重要的。对复合体系进行暗/光循环50 h测试，未检测到明显的产氢活性损失，证明该杂化体系具有长期的稳定性。在长期试验中，通过菌落形成单位（colony-forming units, CFU）测定细菌的活力，E. coli在反应50小时后仍有90%存留（初始浓度为[5.0±0.4]×108 cells ml-1），该结果证实了C3N4QDs优越的生物相容性。C3N4QDs/E. coli杂化体系最高转换活性可达~7,800±12μmol g-1h-1（细菌干重），比之前报道的最大数值还高出77%。
该研究构建了胞内非金属无机-生物杂化体系作为活的微生物光催化剂，促进了光电子分离和转移，延长了催化剂的寿命，从而获得了最大的产氢活性，揭示了体内杂化体系在产氢方面的优势。体内无机半导体-微生物杂化策略以一种可选择的、更复杂的和更加多样性的方式为未来的太阳能转换效率的提升开辟了一条新道路。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.08.002
