10月16日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔課題組與哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）路璐課題組合作的成果以Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids為題發(fā)表在Nature Sustainability上。不同于石油基和糖基生物發(fā)酵的化學(xué)品生產(chǎn)路線，該工作利用實(shí)際工業(yè)廢水規(guī)?；铣砂雽?dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體，實(shí)現(xiàn)光能驅(qū)動污染物到化學(xué)品的高值轉(zhuǎn)化，創(chuàng)建一條污染物基光驅(qū)生物制造路線，為化學(xué)品的可持續(xù)生產(chǎn)提供重要的新方向。
可持續(xù)發(fā)展路線是人類社會生存和發(fā)展的根本，但化工制造主要依賴于化石燃料，并持續(xù)釋放CO2，環(huán)境不友好且不可持續(xù)；生物制造為化學(xué)品合成提供了一條可持續(xù)發(fā)展路線，傳統(tǒng)糖基生物發(fā)酵生成還原力（NADH等）的過程會同時釋放CO2，從而降低了化學(xué)產(chǎn)品的碳轉(zhuǎn)化率；光能是充足的清潔能源，半導(dǎo)體材料-生物雜合體是將高效吸收光能的半導(dǎo)體與細(xì)胞工廠結(jié)合，可以直接利用光能為細(xì)胞工廠提供還原力，因此，光驅(qū)動雜合體生產(chǎn)化學(xué)品具有更高的理論碳轉(zhuǎn)化率，在綠色生物制造領(lǐng)域體現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢和較大的潛力，但目前缺乏低成本、環(huán)境友好型的方法規(guī)模化合成雜合體。
減污降碳、協(xié)同增效是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的基本準(zhǔn)則，本項(xiàng)目通過合成生物學(xué)方法改造微生物細(xì)胞工廠，以廢水中的金屬離子、硫酸鹽和有機(jī)物污染物作為原料，通過生物法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體材料-生物雜合體規(guī)?；a(chǎn)，并在原位利用光能驅(qū)動有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為化學(xué)品，降低化學(xué)品生產(chǎn)成本和CO2排放，實(shí)現(xiàn)污染物高效資源化利用。本項(xiàng)目成果的成功應(yīng)用，不僅為廢水處理提供了一種新途徑，還揭示了其在清潔能源生產(chǎn)和可持續(xù)制造中的廣泛應(yīng)用潛力。
“變廢為寶”的理念與可持續(xù)性發(fā)展高度契合。近年來，通過合成生物學(xué)方法改造微生物細(xì)胞工廠，可直接利用廢棄塑料、餐廚垃圾和工業(yè)廢氣（如CO2）等作為原料，已經(jīng)展示出綠色可持續(xù)生產(chǎn)化學(xué)品的巨大潛力。來自深圳先進(jìn)院的合成生物學(xué)團(tuán)隊(duì)和哈工大（深圳）環(huán)境科學(xué)與工程團(tuán)隊(duì)共同調(diào)研發(fā)現(xiàn)，金屬離子、硫酸鹽和有機(jī)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(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體的生產(chǎn)提供原料，降低規(guī)?；a(chǎn)雜合體的成本；而且，該雜合體在廢水中能夠直接利用光能驅(qū)動有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為化學(xué)品，實(shí)現(xiàn)污染物的資源化利用。
但廢水中的污染物組成成分復(fù)雜且多數(shù)具有生物毒性，有機(jī)物種類繁多，通常含有較高的鹽濃度，因此利用微生物細(xì)胞工廠實(shí)現(xiàn)污染物資源化利用極具挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)選擇一種海洋微生物—需鈉弧菌，其對有毒環(huán)境耐受性強(qiáng)，高鹽生長，能使用超過200多種的有機(jī)物，包括糖、醇、氨基酸、有機(jī)酸等作為營養(yǎng)物質(zhì)；另外，需鈉弧菌是目前生長最快的工業(yè)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，有利于半導(dǎo)體材料光生電子進(jìn)入細(xì)胞；因此，需鈉弧菌是利用廢水生產(chǎn)雜合體的理想底盤細(xì)胞。
針對雜合體綠色生物制造所需的原料：金屬離子、硫酸鹽和有機(jī)物，研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)和改造需鈉弧菌，該工程菌利用污染物成功的生產(chǎn)了硫化鎘-細(xì)菌的雜合體。該雜合體具有良好的光電轉(zhuǎn)化效率，可以將光能轉(zhuǎn)化為生物能。該方法同樣適用于多種不同金屬離子，成功構(gòu)建了硫化鉛-細(xì)菌雜合體、硫化汞-細(xì)菌雜合體，普適性強(qiáng)。
雜合體可以直接利用光能驅(qū)動微生物胞內(nèi)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(xué)品的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率更高。研究團(tuán)隊(duì)在雜合體中構(gòu)建BDO合成途徑并檢測其合成效率，結(jié)果顯示：光照條件下雜合體系合成BDO產(chǎn)量要明顯高于非雜合體，其產(chǎn)量提高2倍、碳轉(zhuǎn)化率提高26%，且雜合體的優(yōu)勢完全依賴光能。證實(shí)了利用廢水生產(chǎn)的雜合體，可以直接利用光能驅(qū)動化學(xué)品的高效合成。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步解析雜合體利用光能驅(qū)動化學(xué)品高效合成的機(jī)制，通過胞內(nèi)代謝物定量分析發(fā)現(xiàn)，雜合體在光照條件與黑暗條件相比，微生物胞內(nèi)的NADH濃度更高，該結(jié)果表明雜合體中，半導(dǎo)體材料通過吸收光能產(chǎn)生的電子，促進(jìn)NAD+還原生成NADH，為BDO的生物合成途徑提供充足的能量，并減少通過糖氧化過程提供能量，最終提高BDO的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率。
研究團(tuán)隊(duì)以實(shí)際工業(yè)廢水為原料，在5-L光反應(yīng)器中，利用工程菌實(shí)現(xiàn)協(xié)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(jī)污染物轉(zhuǎn)化為BDO，產(chǎn)量可達(dá)到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(chǎn)化學(xué)品體系具有放大生產(chǎn)的潛力。通過生命周期分析（LCA），與傳統(tǒng)的石油基和糖基生物發(fā)酵化學(xué)品相比，本項(xiàng)目建立的污染物基雜合體光驅(qū)生物制造路線，溫室氣體排放和產(chǎn)物生產(chǎn)成本更低，利用光能實(shí)現(xiàn)污染物高效資源化利用。
該工作開發(fā)了一種低成本、環(huán)境友好、可持續(xù)的光能驅(qū)動化學(xué)品合成方法，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同利用多種廢水污染物可持續(xù)生產(chǎn)半導(dǎo)體材料-生物雜合體系并原位應(yīng)用于光能驅(qū)動化學(xué)品合成，證實(shí)了該體系具有規(guī)?；糯笊a(chǎn)的潛力，為實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)、降低碳排放、提高資源利用率以及推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)提供了新的可能性。未來將進(jìn)一步探索其在大規(guī)模生物制造中的應(yīng)用。
中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所高翔副研究員為最后通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）路璐為共同通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）和深圳先進(jìn)技術(shù)研究院聯(lián)合培養(yǎng)博士后皮姍姍、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院博士后楊文君和上海大學(xué)馮煒教授為本文第一作者，楊睿潔、晁偉翔、程文波、崔蕾和李志達(dá)參與該項(xiàng)工作，新加坡國立大學(xué)林藝良教授為該研究做出重要貢獻(xiàn)。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心楊琛研究員、深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鐘超研究員、哈爾濱工業(yè)大學(xué)任南琪院士為該研究提供重要指導(dǎo)和建設(shè)性的意見。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委、合成生物學(xué)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)和深圳合成生物學(xué)創(chuàng)新研究院等項(xiàng)目的支持。
圖1. 基于廢水的半導(dǎo)體材料-細(xì)菌雜合體光驅(qū)生物制造
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