【儀表網 研發快訊】10月16日，中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所高翔課題組與哈爾濱工業大學(深圳)路璐課題組合作，在《自然-可持續發展》(Nature Sustainability)上，發表了題為Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids的研究成果。不同于石油基和糖基生物發酵的化學品生產路線，該工作利用實際工業廢水規模化合成半導體材料-細菌雜合體，實現了光能驅動污染物到化學品的高值轉化，創建了一條污染物基光驅生物制造路線，為化學品的可持續生產提供重要的新方向。
化工制造主要依賴于化石燃料，并持續釋放CO2，環境不友好且不可持續；生物制造為化學品合成提供了一條可持續發展路線，傳統糖基生物發酵生成還原力(NADH等)的過程會同時釋放CO2，降低化學產品的碳轉化率；光能是充足的清潔能源，半導體材料-生物雜合體是將高效吸收光能的半導體與細胞工廠結合，可以直接利用光能為細胞工廠提供還原力，因此光驅動雜合體生產化學品具有更高的理論碳轉化率，在綠色生物制造領域展現出獨特優勢和較大潛力，但目前缺乏低成本、環境友好型的方法規模化合成雜合體。
本項目通過合成生物學方法改造微生物細胞工廠，以廢水中的金屬離子、硫酸鹽和有機物污染物作為原料，通過生物法實現半導體材料-生物雜合體規模化生產，并在原位利用光能驅動有機污染物轉化為化學品，降低化學品生產成本和CO2排放，實現污染物高效資源化利用。本成果的應用，為廢水處理提供了新途徑，并揭示了其在清潔能源生產和可持續制造中的應用潛力。
近年來，通過合成生物學方法改造微生物細胞工廠，可直接利用廢棄塑料、餐廚垃圾和工業廢氣(如CO2)等作為原料，展示出綠色可持續生產化學品的潛力。深圳先進院合成生物學團隊和哈工大(深圳)環境科學與工程團隊調研發現：金屬離子、硫酸鹽和有機物等污染物在廢水中普遍存在且含量豐富，可直接或間接為半導體材料-細菌雜合體生產提供原料，降低規模化生產雜合體的成本；該雜合體在廢水中能夠直接利用光能驅動有機污染物轉化為化學品，實現污染物的資源化利用。
然而，廢水中的污染物組成成分復雜且多數具有生物毒性，有機物種類繁多，通常含有較高的鹽濃度，因而利用微生物細胞工廠實現污染物資源化利用頗具挑戰。該研究選擇了海洋微生物——需鈉弧菌。需鈉弧菌對有毒環境耐受性強，高鹽生長，能使用超過200多種的有機物，包括糖、醇、氨基酸、有機酸等作為營養物質。需鈉弧菌是目前生長最快的工業微生物，遺傳操作工具成熟，但其生長速率比大腸桿菌快一倍，具有更高的底物利用速率，且含有類似電活性微生物的膜電子傳遞通道，利于半導體材料光生電子進入細胞。因此，需鈉弧菌是利用廢水生產雜合體的理想底盤細胞。
針對雜合體綠色生物制造所需的余屬離子、疏酸鹽和有機物等原料，該團隊設計并改造了需鈉孤菌，并將該工程菌與污染物相結合，生產出硫化福-細菌的雜合體。該雜合體具有良好的光電轉化效率，可將光能轉化為生物能。該方法同樣適用于多種不同金屬離子，構建硫化鉛-細菌雜合體、硫化汞-細菌雜合體，具有較強的普適性。
雜合體可以直接利用光能驅動微生物胞內還原力高效再生。與非雜合體(單純微生物體系)相比，合成化學品的產量和碳轉化率更高。該團隊在雜合體中構建BDO合成途徑，并檢測其合成效率。結果顯示：光照條件下雜合體系合成BDO產量高于非雜合體，其產量提高2倍、碳轉化率提高26%，且雜合體的優勢完全依賴光能。該研究證實了利用廢水生產的雜合體，可以直接利用光能驅動化學品的高效合成。該工作進一步解析了雜合體利用光能驅動化學品高效合成的機制；通過胞內代謝物定量分析發現了雜合體在光照條件與黑暗條件相比，微生物胞內的NADH濃度更高。上述研究表明，在雜合體中，半導體材料通過吸收光能產生的電子，促進NAD+還原生成NADH，為BDO的生物合成途徑提供充足能量，并減少通過糖氧化過程提供能量，最終提高BDO的產量和碳轉化率。
該團隊以實際工業廢水為原料，在5-L光反應器中利用工程菌實現協同利用多種污染物合成雜合體。該雜合體在廢水中原位利用光能，將有機污染物轉化為BDO，產量可達13 g/L，表明本研究建立的雜合體合成和原位利用光能生產化學品體系具有放大生產的潛力。生命周期分析(LCA)以及與傳統的石油基和糖基生物發酵化學品對比顯示，本項目建立的污染物基雜合體光驅生物制造路線，溫室氣體排放和產物生產成本更低，利用光能實現污染物高效資源化利用。
該工作開發了低成本、環境友好、可持續的光能驅動化學品合成方法，實現了協同利用多種廢水污染物可持續生產半導體材料-生物雜合體系并原位應用于光能驅動化學品合成，證實了該體系具有規模化放大生產的潛力，為實現清潔生產、降低碳排放、提高資源利用率以及推動循環經濟提供了新的可能性。未來，科學家將進一步探索這一技術在大規模生物制造中的應用。
研究工作得到國家自然科學基金、深圳市科技創新委員會、國家重點研發計劃“合成生物學”重點專項和深圳合成生物學創新研究院等的支持。
基于廢水的半導體材料-細菌雜合體光驅生物制造
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