近日，我院土壤健康与调控团队黄绍福博士与福建农林大学周顺桂教授团队合作，受邀在Cell Press细胞出版社综述期刊Trends in Biotechnology上发表题为：Harnessing Microbes to Pioneer Environmental Biophotoelectrochemistry（IF2024=14.3）的高水平综述。黄绍福博士为第一作者，福建农林大学陈曼副教授为通讯作者，必赢nn699net为第一单位。
阐述了传统生物能源系统向复杂的微生物光电化学（BPEC）应用的转变，特别强调了其在利用太阳能进行基本生化转化方面的应用价值。BPEC技术的最新进展不仅促进了光电子传输和系统稳定性的提高，同时在碳氮固定、污染物降解以及废水能源回收方面取得了显著进展。其次，强调了系统设计和合成生物学的进步拓展了BPEC在环境清洁和可持续能源生成方面的应用潜力。最后还讨论了环境BPEC系统面临的挑战，以及从性能改进到未来应用。
I 微生物太阳能转换的应用
太阳能作为地球上最丰富的能源，对推进可持续和生态友好的生物技术至关重要。太阳能驱动的光电子转移是生物系统通过光合作用进行能量捕获和转换的基本机制。然而，生物光电化学（BPEC）是研究光活性物质与生物体之间光电子传递过程的新兴领域。
相较于光营养系统，光合微生物通过其色素直接吸收阳光，然后将太阳能转化为化学能，产生其生长和代谢所必需的有机物质（图1A）；以及化能营养型微生物利用光合产物（有机或是无机化合物）作为主要能量来源（图1B）。BPEC系统代表了一种全新的微生物能量系统，它利用光敏物质光激发电子作为能量源（图1C），驱动微生物代谢生长。
图1 微生物能量转换系统的类型。（A）利用太阳能作为直接能量来源的光能营养型。光合微生物光合作用合成生物质（(CH2O)n）；（B）以光合产物为能量来源的化能营养型。非光养生微生物利用光合产物（(CH2O)n）或光诱导还原无机化合物（如Fe2+）作为能量来源来驱动其代谢；（C）以光电子为能量来源的光电能营养型。非光养生微生物通过与光活性材料耦合，利用光电子来驱动其代谢。
II 生物光电化学：应用技术的发展与进步
随着微生物光电能营养的发现，刺激了微生物光电化学体系的发展，包括能源生产，固氮和污染物降解等（图2），从而扩大了BPEC技术的适用性。
图2 环境BPEC系统的发展时间线。
III BPEC系统设计：创新与案例研究
BPEC系统设计的迅速发展，是应对特定的环境挑战的关键。系统结构的增强对于增强这些应用程序的功能和效率至关重要。本节探讨了最近的设计改进、电子传输效率突破的案例研究、最成功应用的评估以及对次优设计的见解。（图3-5）。
图3 BPEC系统中的微生物类型。（A）固碳微生物。微生物通过Wood-Ljungdahl途径将光电子用于驱动CO2还原为有机底物；（B）固氮微生物。携带固氮酶的微生物利用光电子将N2还原为NH4+；（C）反硝化微生物。携带反硝化酶的微生物利用光电子将NO3-还原为N2O/N2；（D）厌氧氨氧化微生物。具有联氨合成酶和亚硝酸还原酶的厌氧氨氧化细菌利用光电子加速将NH4+转化为N2；（E）产甲烷微生物。具有甲基-辅酶M还原酶的产甲烷菌利用光电子将CO2还原为CH4；（F）产氢微生物。具有甲酸脱氢酶的微生物利用光电子促进产氢。
图4 光活性材料与微生物之间的空间关系。（A）分离型BPEC系统的示意图，通过电子穿梭体来介导光电子转移，如E. coil-TiO2；（B）表面敏化BPEC系统的示意图，通过微生物诱导的CdS在细胞膜表面合成，如T. denitrificans-CdS；（C）周质空间敏化BPEC系统的示意图，通过在周质空间内H2S与Cd2+的反应，如E. coil-CdS；（D）细胞内敏化BPEC系统的示意图，通过微生物的摄取过程，如A. vinelandii-InP/ZnSe量子点。
图5 BPEC系统在材料光吸收性、载流子分离、系统的稳定性和光电子传输方面的调控。（A）当前BPEC系统中使用的光活性材料的吸收范围，从紫外光到可见光；（B）通过添加牺牲试剂、构建异质结或引入具有电容功能的光敏材料来提高载流子分离能力；（C）通过加入保护层、活性氧（ROS）淬灭剂和稳定的光敏剂来增强系统稳定性；（D）通过优化光敏剂与微生物之间的空间关系，或创建光电子汇（如镍原子掺杂）来提高光电子传输效率。
IV BPEC的多方面应用:应对环境挑战
生物光电化学（BPEC）系统利用微生物和光催化过程之间的协同相互作用来解决各种环境问题。本节讨论了从碳固定到能量回收的BPEC应用的最新进展，强调了合成生物学在增强这些应用方面的贡献，并总结了当前BPEC系统的关键组成部分，包括微生物、光活性材料、光源、牺牲试剂以及副产品和降解污染物（图6）。
图6 环境BPEC系统的应用。（A）BPEC系统用于固定CO₂生产生物质和化学品；（B）BPEC系统用于将N2固定为NH4+；（C）BPEC系统用于去除有机污染物、重金属、NO3-和NH4+以净化水体；（D）BPEC系统用于从废物中回收能源，如H2、N2O和CH4。（E-F）环境BPEC系统的未来工作包括生态友好性、稳定性、效率和经济性；以及可能的多样化应用，如资源回收和高价值化合物生产，扩大应用范围以适应能源网和废水处理厂。
V 结束语
总之，BPEC技术正逐渐成为解决环境问题的关键力量。但是，BPEC的巨大潜力需要进一步通过环境验证、持续研究与开发，最终致力于可持续实践，以确保BPEC应用的长期成功。综上所述，随着BPEC技术的进步，它有望提升环境管理能力，促进更加可持续和有韧性的未来。
以上研究得到了国家杰出青年科学基金项目(41925028)、国家自然科学基金项目(42377213)、福建省杰出青年自然科学基金项目(2021J06018)、必赢nn699net高层次人才引进启动基金项目(YJ202322)资助和支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2024.07.005