光驱动微生物杂化系统利用氮气实现二氧化碳还原 | NSR

以下文章来源于中国科学杂志社 ，作者国家科学评论

将CO2光化学还原与N2固定反应耦合在一起具有极大的挑战性，因为这两个过程的反应条件通常是不兼容的。传统的热力学耦合通常是能源密集型的，并且需要苛刻的反应条件。虽然电化学方法可以在环境条件下实现耦合，但法拉第效率较低。

针对这一挑战，研究者通过将分子性的钴卟啉光催化剂结合到固氮细菌中构建了一种光驱动微生物杂化系统。在该体系中，固氮细菌能够将N2转化为还原性的有机氮化合物作为CO2光化学还原的电子给体并创造局部厌氧环境，使掺入的钴卟啉分子在光驱动下可以将CO2还原到甲酸，从而实现了CO2光催化还原与N2固定的协同耦合。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），武汉大学曾锦跃博士和王小双博士为论文的共同第一作者，武汉大学张先正教授为通讯作者。

图1. 光驱动微生物杂化体系利用生物固氮实现二氧化碳还原

研究团队通过高分辨共聚焦荧光成像分析显示，钴卟啉光催化剂分子可以均匀分布在固氮细菌中。进一步研究发现，在这种微生物杂化体系中，分子性的钴卟啉催化剂的引入并没有影响固氮细菌的生物活性和生物固氮功能。

图2. (a)光驱动微生物杂化系统构建，(b)固氮细菌的SEM图像，(c)光驱动微生物杂化系统的 SEM图像，(d)紫外可见吸收光谱，(e)催化剂在固氮菌中的共焦3D荧光分布，(f) 共焦荧光图像显示细胞内 DNA 和光催化剂分布。

光催化性能分析显示，这种微生物杂化系统在可见光照射下，CO2光催化还原甲酸的速率超过1.41×10−14mol h−1 cell−1，并且有机氮含量在48小时内增加了3倍以上。生物活性分析显示，可见光的照射并不会影响微生物杂化系统中固氮菌的活性和生物固氮性能。

图3. (a)光驱动微生物杂化系统通过固定N2促进光催化CO2还原产生甲酸示意图，（b）微生物杂化系统在光照射下HCOO−的浓度变化， (c) 微生物杂化系统有机氮含量分析， (d) 微生物杂化系统还原13CO2和12CO2液体产物的13C NMR谱，(e)固氮细菌在光照射下HCOO−的浓度变化， (f) 微生物杂化系统在黑暗条件下HCOO−的浓度变化，（g）光催化剂和固氮培养基在光照射下HCOO−的浓度变化。

这项研究为耦合CO2光化学还原和N2固定提供了一种有用的策略，克服了传统光驱动生物杂化系统中外部牺牲电子供体试剂的使用。基于耦合CO2光化学还原和生物固氮的思路也为利用光敏材料的催化能力和微生物的特定合成能力提供了独特的视角。

转自：“知社学术圈”微信公众号

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