第一作者：张颖捷
通讯作者：张中海教授
通讯单位：华东师范大学
论文DOI：10.1002/adma.202407239
在温和条件下将氮气（N
2
）转化为氨（NH
3
）是一个巨大的挑战。全细胞重氮营养体生物合成氨是目前最有前途的方法之一。在此，尝试将无机半导体-微生物杂化系统用于人工N
2
固定，其中
Azotobacter vinelandii
（
A.vinelandii
）作为固氮生物催化剂，直接与聚多巴胺（PDA）封装的NiO纳米片（NSs）光电极连接。由于PDA层具有优异的生物粘附活性、高导电性和良好的生物相容性，大量的
A.vinelandii
被有效地吸附在NiO@PDA NSs上，形成NiO@PDA NSs/
A.vinelandii
杂化光电极，并在光电催化条件下获得了1.85 μmol h
−1
/10
8
cell（4.14
μmol h
−1
cm
−2
）的最高NH
3
产率。此外，该生物杂化体系既可以在光电催化（PEC）模式下运行，也可以在电催化（EC）模式下运行，以实现长期连续的NH
3
合成。同时，我们发现NADH和ATP浓度的增加，以及固氮基因
nif
H、
nif
D和
nif
K在固氮酶中的过度表达是该生物杂化体系高效产氨的主要原因。这种创新的无机半导体-微生物杂化策略揭示了其光电催化的基本机制，并建立了可持续化合物生产的生物-非生物人工光合系统概念。
氨（NH
3
）是关键工业原料，广泛应用于氮肥和化学制造，但目前96%的NH
3
生产依赖于高能耗、高污染的Haber-Bosch工艺。为了减少环境影响，研究者探索了电化学、光化学和生物方法等替代技术。特别是利用微生物的自然新陈代谢过程进行N
2
固定，展示了环保潜力。然而，微生物固氮速率受限于固氮酶的代谢速率和化学能量供应。通过将光响应材料与生物催化剂结合，形成生物复合材料，可以利用太阳能提高N
2
固定效率。全细胞生物复合材料因其高选择性和自我再生性受到关注。新开发的无机半导体-微生物杂化光电催化体系，通过聚多巴胺（PDA）层促进细菌粘附和电荷转移，实现了高效连续的NH
3
合成，为N
2
转化提供了绿色、可持续的解决方案
要点1：研究者开发了一种无机半导体-微生物杂化光电极，用于人工氮气（N
2
）固定。使用固氮菌
A. vinelandii
（一种含有固氮酶的全细胞微生物）与p型半导体NiO NSs结合，形成光响应材料。
要点2：设计了一种界面工程：在半导体和细菌之间构建了聚多巴胺（PDA）层，以实现牢固连接和有效电荷转移，对合成氨（NH
3
）至关重要。
要点3：NiO@PDA NSs/
A. vinelandii
体系实现了1.85
μmol h
−1
/10
8
cell（4.14 μmol h
−1
cm
−2
）的NH
3
产量。该体系能在光照下的光电催化（PEC）模型和黑暗中的电催化（EC）模型中操作，实现连续NH
3
合成。长时间运行后，体系保持细菌活性和N
2
还原能力，提供了一种安全、绿色、可持续的NH
3
合成方法，为N
2
转化提供了新的解决方案。
图1：PEC-MB Biohybrid的设计和合成
选用天然p型半导体NiO作为光响应组分，通过水热法在镍泡沫基底上制备NiO纳米片，并通过原位电化学聚合方法用PDA层包覆。随后，将NiO@PDA在细菌培养液中孵化，
A. vinelandii
通过磷脂层与PDA层结合。在NiO@PDA/
A. vinelandii
生物杂交体系中，PDA层既作为细菌粘附的介质，也作为有效的电荷转移通道，促进电子从NiO@PDA迁移到细菌。光照下，NiO纳米片首先被激发，光电子通过PDA层转移到
A. vinelandii
以促进N
2
代谢过程。通过计算结果表明，光诱导电子转移到
A. vinelandii
中的电子载体是热力学上有利的，从而促进了N
2
向NH
3
的深入还原。
图2：NiO@PDA/
A. vinelandii
Biohybrid的氨合成
NiO@PDA/A. vinelandii生物杂交体系在三电极配置下进行了氨合成评估。通过线性扫描伏安法（LSV）在模拟太阳光下测试了氩气饱和和氮气饱和电解质中的光电流响应。结果表明，在氮气饱和条件下，该生物杂交体系的光电流密度显著提高，显示出有效的氮气还原活性。优化后的生物杂交体系在-0.5 V相对于可逆氢电极（RHE）下展现出最高的氨产率和法拉第效率。此外，该体系在PEC-MB和EC-MB模型下均能持续合成氨，且具有良好的稳定性和鲁棒性，为高效氮固定提供了有前景的解决方案。
图3：NiO@PDA/
A. vinelandii
Biohybrid的生存能力和生物相容性
活性和生物相容性对于含有活微生物的催化剂系统至关重要。通过共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)分析，评估了NiO@PDA/
A. vinelandii
生物杂交体系中
A. vinelandii
在长期72小时NH
3
合成反应前后的活性和生物相容性。使用N01/PI荧光探针染色，活细菌显示亮绿色荧光，死细菌显示红色荧光。反应前后的CLSM图像显示，
A. vinelandii
在NiO@PDA上的活性高，且具有自我修复和繁殖能力。流式细胞仪测量进一步证实了
A.
vinelandii
的高活性。扫描电镜(SEM)图像和菌落形成单位(CFU)测定结果表明，
A. vinelandii
在NiO@PDA上的繁殖和生长过程顺利，且NiO@PDA表现出良好的生物相容性。
图4：NiO@PDA/
A. vinelandii
Biohybrid的固氮机理
NiO@PDA/
A. vinelandii
生物杂交体系的氨合成增强机制涉及细胞外电子传递：通过细胞色素氧化酶(Cyt o)传递给固氮酶，形成NADH并产生ATP以驱动固氮。实验通过添加氯丙嗪抑制Cyt o，观察到光电流密度下降，证实了电子跨膜传递。DiOC2(3)荧光探针和共聚焦显微镜实验进一步验证了这一点。NADH/NAD
+
比率和ATP浓度的增加表明电子传递促进了固氮反应。实时定量PCR显示，PEC条件下固氮酶相关基因表达上调，增强了N
2
还原效率。因此，优化半导体与细菌之间的界面，提高光吸收和电荷转移效率，增强细菌固氮能力，优化操作条件，是提高系统整体性能的关键参数。
NiO@PDA NSs /
A.vinelandii
生物杂化光电极的PEC模式被提出并用于高效N
2
还原为NH
3
。得益于PDA层的高生物黏附性和快电子传输性，NiO@PDA NSs上吸附了足够多的细菌，NiO@PDA NSs /
A.vinelandii
生物杂化体系在PEC模型中获得了最高的NH
3
合成产率1.85 μmol h
−1
/10
8
cell（4.14
μmol h
−1
cm
−2
）。此外，在交替的PEC和EC模型中，NiO@PDA NSs /
A. vinelandii
生物杂化体系实现了72 h持续的NH
3
合成，在此过程中，非生物电极NiO@PDA NSs表现出了良好的生物相容性，生物
A.vinelandii
表现出了较高的生存能力。固氮机理测定和PCR分析也表明胞外电子的摄取会诱导
A.vinelandii
中NADH和ATP浓度的增加，更重要的是促进固氮酶中固氮基因
nif
H、
nif
D和
nif
K的表达。通过合理的界面工程实现无机半导体与活菌之间的直接紧密接触，将加深人们对生物杂化体系长时间合成化学品的认识，未来有望以预期的方式实现人工代谢控制。
张中海
（通讯作者），华东师范大学化学与分子工程学院教授。2008年自华东师范大学化学系分析化学专业取得博士学位，其后分别在日本、美国、沙特从事博士后研究工作。2013年12月回到华东师范大学独立开展科研工作，2018年获得国家基金委优秀青年基金资助。主要从事光电化学研究，涵盖光电化学催化与光电化学分析。目前已在此领域发表文章60多篇，发表文章他引数超过3000次。
张颖捷
（第一作者），华东师范大学化学分子工程学院硕士研究生，从事微生物光电化学催化研究。
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