深圳先进院高翔&哈工大路璐：建立杂合体的绿色生物制造技术

2023年10月16日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所高翔课题组与哈尔滨工业大学（深圳）路璐课题组合作的成果以article形式在Nature Sustainability上发表，题目为Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids。不同于石油基和糖基生物发酵的化学品生产路线，该工作利用实际工业废水规模化合成半导体材料-细菌杂合体，实现光能驱动污染物到化学品的高值转化，创建一条污染物基光驱生物制造路线，为化学品的可持续生产提供重要的新方向。

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可持续发展路线是人类社会生存和发展的根本，但化工制造主要依赖于化石燃料，并持续释放CO₂，环境不友好且不可持续；生物制造为化学品合成提供了一条可持续发展路线，传统糖基生物发酵生成还原力（NADH等）的过程会同时释放CO₂，从而降低了化学产品的碳转化率；光能是充足的清洁能源，半导体材料-生物杂合体是将高效吸收光能的半导体与细胞工厂结合，可以直接利用光能为细胞工厂提供还原力，因此，光驱动杂合体生产化学品具有更高的理论碳转化率，在绿色生物制造领域体现出独特优势和较大的潜力，但目前缺乏低成本、环境友好型的方法规模化合成杂合体。

减污降碳、协同增效是实施可持续发展的基本准则，本项目通过合成生物学方法改造微生物细胞工厂，以废水中的金属离子、硫酸盐和有机物污染物作为原料，通过生物法实现半导体材料-生物杂合体规模化生产，并在原位利用光能驱动有机污染物转化为化学品，降低化学品生产成本和CO₂排放，实现污染物高效资源化利用。本项目成果的成功应用，不仅为废水处理提供了一种新途径，还揭示了其在清洁能源生产和可持续制造中的广泛应用潜力。

图1. 基于废水的半导体材料-细菌杂合体光驱生物制造

“变废为宝”的理念与可持续性发展高度契合。近年来，通过合成生物学方法改造的微生物细胞工厂，可直接利用废弃塑料、餐厨垃圾和工业废气（如CO₂等）等作为原料，已经展示出绿色可持续生产化学品的巨大潜力。来自深圳先进院的合成生物学团队和哈工大（深圳）环境科学与工程团队共同调研发现，金属离子、硫酸盐和有机物等污染物在废水中普遍存在且含量丰富，可直接或间接为半导体材料-细菌杂合体的生产提供原料，降低规模化生产杂合体的成本；而且，该杂合体在废水中能够直接利用光能驱动有机污染物转为为化学品，实现污染物的资源化利用。

但废水中的污染物组成成分复杂且多数具有生物毒性，有机物种类繁多，通常含有较高的盐浓度，因此利用微生物细胞工厂实现污染物资源化利用极具挑战。研究团队选择一种海洋微生物——需钠弧菌，其对有毒环境耐受性强，高盐生长，能使用超过200多种的有机物，包括糖、醇、氨基酸、有机酸等作为营养物质；另外，需钠弧菌是目前生长最快的工业微生物，遗传操作工具成熟，但其生长速率比大肠杆菌快一倍，具有更高的底物利用速率，且含有类似电活性微生物的膜电子传递通道，有利于半导体材料光生电子进入细胞；因此，需钠弧菌是利用废水生产杂合体的理想底盘细胞。

那么，需钠弧菌是如何协同利用多种污染物合成半导体材料-细菌杂合体系并原位利用光能驱动化学品的可持续生产？

首先，金属硫化物的半导体材料需要硫化氢（H₂S）作为直接前体来合成。传统生物法合成金属硫化物需要添加半胱氨酸来生产H₂S，而废水中含有的硫酸盐是无机硫源，不能直接被需钠弧菌利用并转化为H₂S。研究团队在需钠弧菌中引入一条好氧H₂S合成途径，构建直接利用硫酸盐高产H₂S的工程菌，该工程菌生产的H₂S可以直接与金属离子结合生成金属硫化物的半导体纳米颗粒，且同步实现溶液中金属离子的高效去除（去除率高达99%）。

第二，不同来源的废水中金属离子浓度差异大，上述工程菌是否适用于不同浓度的金属离子来生产半导体纳米颗粒？研究团队首先考察工程菌利用不同浓度的镉离子合成CdS的效率，结果显示工程菌完全可利用不同浓度的Cd²⁺生产CdS纳米颗粒。通过扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和光电化学分析发现，该工程菌成功地合成CdS^-细菌杂合体，该半导体纳米颗粒吸收光能可以产生电子，具有较好的光电转化效率。

第三，废水中含有多种不同的有机物，工程菌是否可以利用不同的有机物实现杂合体的合成？研究团队以废水中常见的有机污染物（糖、醇和酸等）作为原料，成功实现半导体材料-细菌杂合体的合成，并同步高效去除污染物中的金属离子。

最后，研究团队利用实际工业废水：甘油废水、糖蜜废水和淀粉废水，成功地合成杂合体，该杂合体具有良好的光电转化效率。该方法同样适用于其他金属离子，成功构建了硫化铅-细菌杂合体、硫化汞-细菌杂合体，普适性强。

图2. 半导体材料-细菌杂合体的光驱生物制造

杂合体可以直接利用光能驱动微生物胞内还原力高效再生，与非杂合体（单纯微生物体系）相比，合成化学品的产量和碳转化率更高。研究团队考察利用污染物生产的杂合体是否具有同样的优势。2,3-丁二醇（BDO）是一种重要的大宗化学品，广泛用于化妆品、农业、医药治疗等多个领域，且BDO生物合成过程需要消耗大量还原力NADH，杂合体通过半导体材料吸收光能产生的电子可能潜在提高NADH再生速率，驱动BDO高效合成；研究团队在杂合体中构建BDO合成途径并检测其合成效率，结果显示：光照条件下杂合体系合成BDO产量要明显高于非杂合体，其产量提高2倍、碳转化率提高26%，且杂合体的优势完全依赖光能（黑暗条件，杂合体合成BDO的产量和碳转化率与非杂合体相近）。证实了利用废水生产的杂合体，可以直接利用光能驱动化学品的高效合成。

研究团队进一步解析杂合体利用光能驱动化学品高效合成的机制，通过胞内代谢物定量分析发现，杂合体在光照条件与黑暗条件相比，微生物胞内的NADH浓度更高，该结果表明杂合体中，半导体材料通过吸收光能产生的电子，促进NAD⁺还原生成NADH，为BDO的生物合成途径提供充足的能量，并减少通过糖氧化过程提供能量，最终提高BDO的产量和碳转化率。

图3. 杂合体规模化生产和光能驱动化学品合成

研究团队以实际工业废水为原料，在5-L光反应器中，利用工程菌实现协同利用多种污染物合成杂合体，该杂合体在废水中原位利用光能，将有机污染物转化为BDO，产量可达到13 g/L，表明本研究建立的杂合体合成和原位利用光能生产化学品体系具有放大生产的潜力。

图4. 生命周期分析显示杂合体的光驱化学品生产路线更具优势

通过生命周期分析（LCA），与传统的石油基和糖基生物发酵化学品相比，本项目建立的污染物基杂合体光驱生物制造路线，温室气体排放（0.50 ± 0.02 kg CO₂-eq kg^-1 BDO）和产物生产成本（0.39 ± 0.04 $ kg^-1 BDO）更低，利用光能实现污染物高效资源化利用。

该工作开发了一种低成本、环境友好、可持续的光能驱动化学品合成方法，实现了协同利用多种废水污染物可持续生产半导体材料-生物杂合体系并原位应用于光能驱动化学品合成，证实了该体系具有规模化放大生产的潜力，为实现清洁生产、降低碳排放、提高资源利用率以及推动循环经济提供了新的可能性。未来将进一步探索其在大规模生物制造中的应用。