English

• 0.   引言

  二氧化碳(CO₂)的大量排放对全球气候变化以及经济的可持续性发展具有深远影响。如何缓解CO₂减排压力，发展化工产业绿色可持续发展新途径，是全球共同关注的问题^[1-4]。遍布于地球各个角落的微生物已进化出多种可用于CO₂固定的代谢途径。科学家认为这些微生物在以CO₂为主的早期地球大气组成演变中发挥了重要作用^[5-7]。微生物细胞工厂正是利用这些丰富的代谢途径，将CO₂特异性转化为高附加值的长链化学品，为化学品生产提供了一种温和、不依赖于化石能源的战略性替代方案^[8-9]。这种通过微生物细胞工厂来增加CO₂固定并降低CO₂排放的“开源节流”策略可用于缓解全球CO₂减排压力，同时可以合成具有高附加值的精细化学品，引起了广大研究者的兴趣。然而，微生物细胞工厂也面临一些问题。微生物细胞工厂中的合成代谢，如CO₂固定以及高附加值化学品的生物合成，均需要消耗大量的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)^[10-12]。由于微生物是以生存为目的，体内所含有的NADPH含量有限，限制了CO₂固定效率以及高附加值长链化合物的生物合成效率^[13-14]。近年来，绿色清洁能源例如太阳能驱动的以大气中的CO₂为原料的绿色生物制造技术，引起了研究者的广泛关注。这种技术可有效降低原料处理成本、减少对食物和水等资源的需求，被认为是一种低能耗、低污染、低排放的低碳经济模式。半导体材料具有吸收光谱连续、吸光范围宽等优点，光能转化效率最高可达25%，远高于自然界体系中的1%~2%^[15-17]。

  已有大量国内外研究表明，半导体光催化材料可以产生光生电子，并通过直接电子转移或者间接电子转移方式传递给微生物，为微生物体内关键还原型物质NADPH的再生提供驱动力。将高效光能吸收和转化的半导体材料与具有高选择性长链化合物合成能力的光合微生物进行耦合的策略，在CO₂固定及高附加值化学品的生物合成等领域引起了广大研究者的兴趣。太阳能驱动的无机半导体-微生物杂化体系领域涌现了大量的研究工作，对CO₂固定以及生物制造领域产生了深远的影响^[18-23]。

  本综述围绕如何构筑高性能无机半导体-微生物杂化体系，分别从无机半导体材料结构性能优化、无机半导体-微生物界面构筑以及微生物代谢通路的定向重构3个维度，对无机半导体-微生物杂化体系及其在CO₂固定以及生物制造领域的研究进行了全面综述。

  1.   无机半导体材料的结构性能优化

  半导体光催化材料具有宽广的光吸收范围和连续的吸收光谱等优势。研究表明，半导体材料的光能转化效率最高可达到25%，远高于自然界体系(1%~2%)^[15-17]。在太阳能驱动的无机-微生物杂化体系中，半导体材料产生的光生电子及还原性产物(如H₂)可为微生物CO₂固定及生物合成过程提供关键还原力，进而提高生物合成效率。近年来，研究人员为提高无机半导体材料供应微生物还原力的水平，在半导体材料性能优化领域开展了大量研究。通过发展离子掺杂、表面修饰、异质结结构设计等策略，研究人员有效提高了半导体材料的电荷分离效率，进而提升了其还原力供应能力。此外，为提高杂化体系稳定性和持久运行性能，研究人员发展了无金属基半导体和生物自沉淀等方法来提高半导体材料的生物相容性，减少半导体材料对微生物的毒害和影响。

  1.1   无机半导体材料电荷分离性能的优化

  离子掺杂是一种优化半导体材料性能的常见策略，通过改变半导体材料的电子结构促进电子的迁移与分离。Cheng等在碳点纳米材料中引入Ni，有效提高了材料的导电性，所得掺杂材料的光电流密度较掺杂前提高了6.37倍。他们进一步利用该掺杂的半导体材料构建了Geobacter sulfurreducens-氮掺杂纳米点半导体杂化体系。结果显示，Ni掺杂后的杂化体系的产氢速率是对照组的3倍以上^[24]。Ye等通过在CdS半导体中引入Ni掺杂，在半导体内部和表面形成了缺陷能级。这些能级作为电子陷阱，能高效捕获导带中的光生电子，进而增强电荷分离效率。结果显示，所构筑的Methanosarcina barkeri (M. b)-CdS∶Ni杂化体系的量子产率可达到2.08%，是未掺杂Ni杂化体系的2.5倍(图 1A)^[25]。此外，Ye等还通过碳点掺杂策略，成功制备了具有高效电荷分离效率的碳掺杂聚合碳氮化物。通过将其与M. b结合，有效提升了杂化体系效率^[26]。

  图 1

  

  图 1.  (A) Ni掺杂CdS的M. b-Ni∶CdS杂化体系^[25]; (B) 含有Z型异质结的S. ovata|Cr₂O₃/Ru-SrTiO₃∶La, Rh|ITO|RuO₂-BiVO₄∶Mo杂化系统在光照下将CO₂转化为乙酸盐的机理阐释图^[5]; (C) M. b-^NCNCN_x杂化体系中^NCNCN_x材料的电容与电导效应; (D) M. b及其与CdS、^NCNCN_x杂化后的体系中电导率对比图^[29]; (E) 介孔Al₂O₃与E. coli结合的超量生产航空燃料法尼烯的杂化体系; (F) E. coli及其与非介孔、介孔Al₂O₃杂化后体系的法尼烯产量对比^[13]

  Figure 1.  (A) M. b-Ni∶CdS hybrid system employing Ni-doped CdS^[25]; (B) Mechanistic illustration of CO₂ conversion to acetate under illumination by the S. ovata|Cr₂O₃/Ru-SrTiO₃∶La, Rh|ITO|RuO₂-BiVO₄∶Mo hybrid system incorporating a Z-scheme heterojunction^[5]; (C) Capacitance and conductivity effects of ^NCNCN_x materials in the M. b-^NCNCN_x hybrid system; (D) Comparative chart of electrical conductivity in M. b and its hybrid systems with CdS and ^NCNCN_x^[29]; (E) Hybrid system for overproduction of the aviation fuel farnesene through the integration of mesoporous Al₂O₃ with E. coli; (F) Comparison of farnesene production by E. coli and its hybrid systems with non-porous and mesoporous Al₂O₃^[13]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  除了离子掺杂策略，异质结结构设计也被广泛用于提高半导体材料电子-空穴分离效率。Wang等设计并构建了Z型异质结材料Cr₂O₃/Ru-SrTiO₃∶La，Rh|RuO₂-BiVO₄∶Mo。该异质结材料中电子从费米能级较高的SrTiO₃∶La，Rh流向费米能级较低的BiVO₄∶Mo，而空穴则反向流动，从而实现了光生电子和空穴的高效分离。研究人员进一步将Z型异质结与Sporomusa ovata(S. ovata)共培养，构建了无机-微生物杂化体系。其中，异质结材料产生的光生电子和还原型H₂通过界面传递给微生物S. ovata，驱动Wood-Ljungdahl途径从而将CO₂转化为乙酸。结果表明，在太阳能的驱动下，该异质结杂化体系生产乙酸的能量转化效率高达(0.70±0.04)%，明显优于自然光合作用系统(图 1B)^[5]。

  除了上述的离子掺杂策略以及异质结结构设计策略以外，表面修饰策略也被广泛用于提高半导体材料电荷分离性能的研究中。Ding等利用静电吸引和配位作用，在石墨烯量子点表面修饰了Ni²⁺。由于Ni²⁺ d轨道的能级与石墨烯量子点的导带能级相匹配，热力学上有利于其捕获其导带中的光生电子，从而减少电荷复合的概率^[27]。研究人员将该表面修饰的半导体材料与多种工程化的细菌结合，构建杂化体系，该体系中每摩尔细胞产物产量高达10⁸ mol^[28]。Hu等在氮化碳(CN_x)半导体表面修饰聚氰胺基团(NCN)，利用NCN中的氮与碳原子通过双键形成芳香π共轭结构来提升电子传导性，进而增强半导体材料的光生电子-空穴分离效率。结果显示，M. b-^NCNCN_x杂化体系的量子产率高达50.3%(图 1C、1D)^[29]。Wang等通过在Al₂O₃表面引入介孔结构，增加了材料的缺陷密度，显著延长了光生电子的寿命，增加了电荷分离效率。在E. coli-Al₂O₃杂化体系中，Al₂O₃产生的长寿命光生电子在电子传递蛋白的作用下可传递给E. coli，促进了胞内NADPH的再生，从而提高了工程化E. coli生产航空燃油法尼烯的能力。结果显示，在光照条件下，杂化体系的产量可达1 816 mg·L^-1，约为单纯微生物体系产量的2倍(图 1E、1F)^[13]。

  1.2   无机半导体材料生物相容性的优化

  除了提升无机半导体材料的电荷分离性能以外，研究人员对无机半导体材料的生物相容性也开展了大量的研究。传统金属基半导体材料在与生物系统结合时，常发生光腐蚀，释放有毒的重金属离子，这一过程不仅会破坏半导体结构，降低其性能，还会对微生物细胞产生毒性，干扰其代谢过程，从而显著降低杂化体系的整体效率和稳定性^[30-31]。提高无机材料的生物相容性是保障无机半导体-微生物杂化体系长期稳定运行的关键。近年来，为提高无机半导体材料的生物相容性，研究人员发展了一系列策略，例如生物沉淀法、无金属无机半导体、表面修饰等。

  CdS半导体由于其优异的电荷分离效率，被广泛应用于无机-微生物杂化体系的研究，然而，在光照条件下其容易发生光腐蚀从而释放Cd²⁺，对微生物生长和代谢过程造成负面影响^[32-34]。为了克服这一问题，研究人员采用生物自沉淀方法来提高CdS半导体材料的生物相容性。具体来说，研究人员通过对微生物进行基因改造，使其可以将溶液中的Cd²⁺和半胱氨酸转换为不溶性的硫化镉(CdS)纳米粒子，并析出在细胞表面。Liu等通过生物沉积法构建了硫化细菌Thiobacillus thioparus-CdS杂化体系，有效降低了Cd²⁺对微生物的毒性影响，从而提高了杂化体系的稳定性^[35]。Wang等通过生物沉积法构建了Rhodopseudomonas palustris-CdS杂化体系，该方法不仅降低了CdS无机材料的毒性，还实现了细菌表面CdS纳米颗粒的均匀涂覆^[36]。

  除了利用生物沉淀法外，开发新型不含有毒重金属的无金属半导体材料也引起了研究者们的广泛关注。与传统的金属基半导体材料不同，这类材料能够有效避免光腐蚀过程中有毒金属离子的释放，从而减少对微生物细胞的毒性影响，并提高杂化体系的稳定性和效率。Hu等发展了一种不含重金属离子的黑磷掺杂氮化碳半导体材料，并将其与M. b结合，构建了杂化体系。结果表明，该黑磷掺杂氮化碳半导体材料表现出更高的安全性和可靠性，未引起微生物细胞的毒性反应，并能维持长期的稳定性和催化性能。所构建的杂化体系在3次循环后的总甲烷产量达到了(1 087.45±29.14) μmol，相较于M. b-Ni∶CdS体系提升了1.96倍^[14]。

  在光驱动的无机-微生物杂化体系中，半导体材料产生的电子-空穴对可与水分子和水中的氧气分子反应，产生高反应性的活性氧(ROS)，这些物质会引发杂化体系中微生物的氧化应激，破坏微生物结构并削弱代谢活性，从而影响体系的稳定性和效率。为此，研究人员发展了表面修饰策略，通过利用修饰层降解对微生物有毒性的ROS等物质，进一步增强材料的生物相容性。例如，Yang等在细菌表面修饰一层金属有机框架(MOF)化合物，用于ROS的迅速分解。值得一提的是，MOF能够动态包裹细胞，并伴随细胞的生长和分裂，保持稳定的包裹状态，这确保了ROS去除的持续性和有效性。该设计策略确保了杂化体系中细菌数量的长期维持，并使得醋酸盐产量提高了200%^[37]。

  2.   无机半导体-微生物界面相互作用

  在无机半导体-微生物杂化体系中，如何促进光生电子与还原性化合物向微生物的有效传递，是提高微生物固定CO₂及高附加值化学品生物合成效率的关键。因此，优化无机半导体-微生物界面并增强相互作用至关重要。为此，研究者们探索了两大策略。一是对半导体材料或微生物表面改性，以提高界面相互作用；二是将半导体材料引入微生物细胞，缩短光生电子传输路径，降低细胞膜转运能量损耗，从而显著提升光能利用效率^[38-42]。

  为增强无机半导体-微生物界面的相互作用，研究者发展了表面修饰策略以及结构调控策略等。通过增强无机半导体-微生物界面相互作用，提升半导体材料与微生物之间的电子传递效率，进而提高杂化体系的生物合成效率。例如，Guo等利用既具有黏附性能又具有电子传递性能的多酚化合物对InP半导体纳米材料进行功能化，利用多酚与酵母细胞壁的特异性结合，将InP纳米粒子稳定组装于酵母菌株表面，优化了InP与酵母菌的界面相互作用。结果显示，基于多酚修饰的界面策略显著降低了界面电阻，促进了光生电子向微生物的传递，进而提高了酵母菌中的关键还原物质NADPH和高附加值产物莽草酸的合成(图 2A、2B)^[21]。Lv等利用NaBH₄的强还原性，去除了部分TiO₂晶体中的氧原子，从而生成氧缺陷型TiO_2-x半导体颗粒。进一步通过聚乙烯亚胺对TiO_2-x进行表面修饰，使其表面带正电，增强了其与E. coli之间的静电相互作用，促进了无机材料与微生物之间的结合。所构建的E. coli-TiO_2-x生物杂化系统在可见光照射下，3 h内能产生1.25 mmol的氢气，显著高于单纯E. coli系统和E. coli-TiO₂系统^[43]。Xia等采用化学气相沉积法，在二维碳纳米片上垂直生长一维碳纳米管，构建了纳米森林结构。该结构通过增加比表面积，为微生物提供了更多的相互作用界面，增强了微生物的附着与生长，从而促进了微生物与纳米材料的相互作用。此外，一维碳纳米管的尖端效应导致局部电场增强，进一步增强了微生物在半导体界面上的附着和生长。碳纳米材料经氮掺杂并嵌入钴纳米粒子的策略，优化了微生物与纳米材料的接触界面，促进了微生物导电蛋白与氮掺杂碳层的直接接触，进一步促进了隧穿效应，形成了高效的电子转移通道。这一结构显著提高了微生物的附着密度(提高了3.6倍)和光生电子的利用效率，甲烷产量相较于普通二维纳米片生物杂交体系提高了8.62倍，法拉第效率达96.1%^[44]。Su等以S. ovata与硅纳米线系统为研究对象，研究了pH值对生物-非生物界面结合特性的影响。在pH=7.2的中性电解培养液中，硅纳米线阴极表面发生还原反应，消耗氢离子，导致局部pH值升高至9.3，形成碱性微环境，促使无机盐沉淀并积聚于电极表面。这一过程破坏了S. ovata的生理酸碱平衡，限制了其生长和催化活性。与此同时，电子传递效率受到抑制，限制了电子透过界面向微生物的直接传递，成为制约CO₂还原和醋酸生产效率的瓶颈。当电解培养液的初始pH值降至6.4时，质子浓度升高，促进了质子到达阴极表面参与还原反应，从而避免了局部高碱性环境的形成。改进后的杂化体系在高电位下实现了较高的CO₂还原电流密度(0.65 mA·cm²)和法拉第效率(约80%)^[45]。

  图 2

  

  图 2.  (A) 多酚功能化的InP纳米粒子组装至酵母表面形成的杂化体系示意图; (B) 单位葡萄糖和细胞干重下的莽草酸产率对比^[21]; (C) M. thermoacetica-CdS杂化系统示意图; (D) 不同状态下的M. thermoacetica-CdS杂化体系的乙酸产量-时间图^[49]; (E) QDs转运至S. oneidensis内构建杂化体系示意图; (F) QDs与S. oneidensis周质中氢化酶的相互作用示意图^[50]

  Figure 2.  (A) Schematic diagram of hybrid system formed by assembling InP nanoparticles functionalized with polyphenols onto the yeast surface; (B) Comparison of shikimic acid yield per unit of glucose and cell dry weight^[21]; (C) Schematic diagram of the M. thermoacetica-CdS hybrid system; (D) Acetic acid production-time plot for the M. thermoacetica-CdS hybrid system under different conditions^[49]; (E) Transportation of QDs into S. oneidensis for the construction of a photosynthetic biohydrogen production system; (F) Schematic diagram of interaction between QDs and hydrogenases in the periplasm of S. oneidensis^[50]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  无机半导体-微生物杂化体系中，电子或者催化产物的传递通常需要进行跨膜运输，这不仅消耗额外能量，还受到扩散速率的限制。相比之下，将半导体材料引入微生物细胞内构建杂化体系具有显著优势，其能够实现光激发电子或者物质的直接高效传递，从而减少电子或者物质在细胞外传递中的损失及界面阻力，进而提高光能利用效率。Yang等将谷胱甘肽(SG)修饰的金纳米团簇(Au₂₂(SG)₁₈)半导体材料引至Moorella thermoacetica(M. thermoacetica)细菌中，该体系中光生电子可以直接转移到铁氧还蛋白等氧化还原介体中，最终传递到Wood‑ Ljungdahl途径从而进行CO₂固定。该AuNCs-细菌杂化体系的量子效率高达(2.86±0.38)%，与CdS体系相比提升了33个百分点^[46]。Wen等采用热注入法合成了InP/ZnSe/ZnS量子点(QDs)，并同样利用SG进行亲水性修饰，成功将QDs引入S. ovata内部。研究表明，QDs产生的光生电子直接在细胞内参与CO₂还原反应，从而显著提高了乙酸盐的产量，且该杂交系统的量子效率达6%~8%^[47]。Li等将AuNPs表面配体替换为硫化mPEG低聚物，以提高其进入微生物细胞的效率。mPEG是通过在聚乙二醇链末端进行甲氧基修饰而得到的聚合物，富含极性醚键，能与水分子形成稳定的氢键及水合壳层，从而赋予其优异的亲水性。与传统电解质配体不同，mPEG低聚物表面无负电荷，因此降低了细胞壁对AuNPs的静电排斥。实验结果显示，细胞对改进后的AuNPs摄取效率高达51%，生物质产量增加1.6倍，氧气产量提高21%^[48]。Sakimoto等向M. thermoacetica培养物中添加了Cd²⁺离子和作为硫源的半胱氨酸，从而直接触发了CdS纳米颗粒在细菌表面的生物矿化过程，与传统的化学合成方法相比，生物矿化过程在温和的条件下进行，且生成的纳米颗粒通常具有更好的生物相容性和分散性(图 2C、2D)^[49]。Luo等将CuInS₂/ZnS量子点(QDs)转移到表达周质氢化酶的细胞中，QDs中的Zn²⁺离子与Shewanella oneidensis(S. oneidensis)周质空间内的氢化酶中的Fe-S簇之间能够形成稳定的化学键，从而使QDs牢固地锚定在细菌周质空间内。这一过程有效减少了电子在跨膜传递过程中的能量损耗，显著提高了光催化性能，较未转移的QDs系统提高了8.6倍(图 2E、2F)^[50]。

  3.   微生物代谢通路的定向重构

  随着基因工程的快速发展，研究人员对微生物进行了精准遗传改造，旨在提升其在杂化体系中的生物合成效率。总的来说，研究人员主要围绕生物自沉淀、电子传递功能改造、目标产物代谢通路改造、微生物耐受性改造几个方面开展了微生物代谢通路定向重构的研究工作^[51]。

  3.1   微生物金属离子自沉淀功能的改造

  如前所述，无机半导体中重金属离子对微生物产生毒性，影响无机-微生物杂化体系的稳定运行。研究人员通过改造微生物使得其可以将重金属离子以半导体纳米材料的形式沉积在微生物表面，这在提升生物相容性的同时，增强了无机材料与微生物之间的界面相互作用。例如，Pi等采用基因编辑技术，在海洋细菌Vibrio natriegens(V. natriegens)中定向引入了硫酸盐还原通路，使得该微生物能够在有氧条件下将废水中的硫酸盐还原为S^2-。随后，S^2-在细胞表面与废水中的Cd²⁺反应，形成CdS半导体纳米颗粒，成功构建了CdS-V. natriegens杂化体系，实现了2，3-丁二醇的高效合成(图 3A)。结果显示，该CdS-V. natriegens杂化体系与化石燃料精炼和纯糖发酵等传统路线相比，在温室气体排放和经济成本方面分别降低了约60%和40%^[52]。

  图 3

  

  图 3.  (A) 利用工业废水中多种污染物自组装形成的杂化体系^[52]; (B) 基因工程化R. eutropha H16细胞对视紫红质和MtrCAB的高效表达^[53]; (C) 不同酶条件下对HLWS代谢通路的影响图; (D) 敲除frmA基因以阻断内源碳通路示意图^[55]; (E) CO₂固定相关的外源代谢通路^[56]

  Figure 3.  (A) Hybrid system formed through self-assembling multiple pollutants in industrial wastewater^[52]; (B) Efficient expression of rhodopsin and MtrCAB in genetically engineered R. eutropha H16 cells^[53]; (C) Effect of different enzyme conditions on HLWS metabolic pathway; (D) Schematic diagram of knocking out frmA gene to block endogenous carbon pathway^[55]; (E) Exogenous metabolic pathways related to CO₂ fixation^[56]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片

  3.2   微生物电子传递功能的改造

  在光驱动无机杂化体系中，半导体材料产生的光生电子可驱动微生物所需要的还原力再生。其中，电子的传递效率是制约杂化体系效率的关键。为此，研究人员开展了微生物电子传递相关蛋白基因改造的研究工作，力图提高半导体光生电子与微生物之间电子传递效率，进而增加杂化体系的生物合成效率。Tu等将S. oneidensis MR-1的外膜电子传递复合物MtrCAB与紫细菌Gloeobacter violaceus的视紫红质代谢通路引入到Ralstonia eutropha(R. eutropha) H16细菌中。这一改造使R. eutropha H16细菌能够从阴极直接获取电子，并利用视紫红质的质子泵功能驱动腺苷三磷酸(ATP)合成，同时为NADPH的合成提供必要的还原力(图 3B)。实验结果显示，该系统能在光照下以CO₂为唯一碳源高效合成生物质，与对照组相比，该系统的生物质合成速度翻倍，法拉第效率从23.9%提升至35.4%^[53]。Li等同样采取了基因工程技术，在E. coli中表达了膜锚定蛋白Lpp-OmpA-Tip，这一融合蛋白结合了外膜蛋白A、脂蛋白以及TiO₂结合肽，共同构成了TiO₂纳米颗粒的锚定平台。膜锚定蛋白技术使得TiO₂纳米颗粒能够均匀且高密度地锚定在大肠杆菌细胞膜上，显著增加了电子供体和受体位点之间的接触面积。与未使用膜锚定蛋白的体系相比，采用膜锚定蛋白技术的体系在电子转移效率上实现了81倍的提升^[54]。

  3.3   微生物目标产物合成代谢通路的定向改造

  此外，为提高无机-微生物杂化体系中原料到目标产物的合成效率，研究人员开展了大量的对微生物目标产物合成路径进行定向改造的研究工作。例如，Hu等针对E. coli细菌设计并构建了一条半人工的Wood-Ljungdahl路径(HWLS路径)，该路径直接连接到E. coli的核心代谢途径——糖酵解途径，实现了从CO₂到有机物的高效转化。更进一步地，研究人员通过体外实验发现HWLS路径中酶(甲醛酶，FLS)催化限速步骤。通过蛋白质工程对其改造后，其活性提升了2.3倍，从而显著提高了整体CO₂固定效率。为了验证该改造策略的通用性，研究人员进一步将HWLS路径应用于丁酸的生产。通过同样在丁酸生产菌株中引入HWLS路径并附着CdS纳米颗粒，所构建的杂化系统在厌氧发酵阶段生产丁酸的产率同样提升至接近理论值(图 3C、3D)^[55]。Gan等同样针对E. coli，采用基因工程技术将与CO₂固定相关的一系列外源基因引入至E. coli基因组，并实现高效表达，使菌株能利用NADPH将CO₂转化为有机物。同时，引入并过表达了Lactiplantibacillus pentosus的高活性乳酸脱氢酶基因，促进了中间代谢产物丙酮酸向乳酸的转化，提高了生物合成效率及产物附加值(图 3E)^[56]。

  3.4   微生物环境耐受性基因的改造

  针对S. ovata菌种对含有甲醇的生产环境的耐受性不强的问题，Yang等采用适应性实验室进化策略，提升其甲醇耐受性和代谢活性。他们将S. ovata接种于含2%甲醇的自养培养基中，通过长期甲醇压力暴露促使其适应性进化。经过18代传代培养，成功筛选出甲醇耐受性和代谢效率均显著提高的S. ovata菌株。随后将该进化菌株与半导体硅纳米线阵列结合，实现了高效的CO₂光合固定，所得到的CO₂还原电流密度达到(0.88±0.11) mA·cm^-2，较野生型菌株构建的系统提升了2.4倍^[57]。

  4.   总结与展望

  本文综述了构建高性能无机半导体-微生物杂化体系用于CO₂固定与生物制造的研究进展，重点从3个方面进行了探讨：无机半导体材料的结构性能优化、半导体-微生物界面构筑，以及微生物代谢通路的定向重构。在材料优化方面，当前常用的策略包括离子掺杂、异质结结构设计和表面修饰等，这些方法能有效提高电子-空穴分离效率，从而增强半导体对微生物的还原力供应能力。同时，半导体材料的生物相容性也成为研究的热点。针对半导体纳米材料与微生物界面的构建，研究者们提出了如生物自沉淀等方法，旨在增强材料与微生物表面的相互作用，从而提高光生电子和催化产物向微生物的传递效率。此外，将半导体纳米材料引入微生物内部，可以有效降低跨膜传递阻力，进一步促进光生电子和还原性化学物质的传递。最后，在微生物代谢通路定向重构方面，基因编辑技术的应用为进一步提高杂化体系的合成效率提供了新的可能。

  尽管在无机半导体-微生物杂化体系领域已有大量研究，但该领域仍存在若干待解问题。首先，对材料-微生物界面的理解仍不充分，仍需进一步加强对生物-非生物界面动力学行为及电子转移过程的研究，从而增强无机半导体与微生物之间的相互作用^[58]。通过结合高分辨率显微镜和高灵敏传感探针等技术手段，能够有效实现界面性质的追踪^[59-61]。同时，发展新的表征方法将进一步提升这一能力。其次，半导体-微生物杂化体系的研究目前仍停留在实验室阶段，为实现大规模应用，降低构建成本并提高其长期稳定性和有效性至关重要。

  
  
• 1. [1]

     LUO S S, LIN P P, NIEH L Y, LIAO G B, TANG P W, CHEN C, LIAO J C. A cell-free self-replenishing CO₂-fixing system[J]. Nat. Catal., 2022, 5: 154-162 doi: 10.1038/s41929-022-00746-x

  2. [2]

     HU G P, LI Y, YE C, LIU L M, CHEN X L. Engineering microorganisms for enhanced CO₂ sequestration[J]. Trends Biotechnol., 2019, 37: 532-547 doi: 10.1016/j.tibtech.2018.10.008

  3. [3]

     CAVICCHIOLI R, RIPPLE W J, TIMMIS K N, AZAM F, BAKKEN L R, BAYLIS M, BEHRENFELD M J, BOETIUS A, BOYD P W, CLASSEN A T, CROWTHER T W, DANOVARO R, FOREMAN C M, HUISMAN J, HUTCHINS D A, JANSSON J K, KARL D M, KOSKELLA B, WELCH D B M, MARTINY J B H, MORAN M A, ORPHAN V J, REAY D S, REMAIS J V, RICH V I, SINGH B K, STEIN L Y, STEWART F J, SULLIVAN M B, VAN OPPEN M J H, WEAVER S C, WEBB E A, WEBSTER N S. Scientists′ warning to humanity: Microorganisms and climate change[J]. Nat. Rev. Microbiol., 2019, 17: 569586

  4. [4]

     LI D Y, DONG H, CAO X P, WANG W Y, LI C. Enhancing photosynthetic CO₂ fixation by assembling metal-organic frameworks on Chlorella pyrenoidosa[J]. Nat. Commun., 2023, 14: 5337 doi: 10.1038/s41467-023-40839-0

  5. [5]

     WANG Q, KALATHIL S, PORNRUNGROJ C, SAHM C D, REISNER E. Bacteria-photocatalyst sheet for sustainable carbon dioxide utilization[J]. Nat. Catal., 2022, 5: 633-641 doi: 10.1038/s41929-022-00817-z

  6. [6]

     CLAASSENS N J, SOUSA D Z, DOS SANTOS V A P M, DE VOS W M, VAN DER OOST J. Harnessing the power of microbial autotrophy[J]. Nat. Rev. Microbiol., 2016, 14: 692-706 doi: 10.1038/nrmicro.2016.130

  7. [7]

     FANG X, KALATHIL S, REISNER E. Semi-biological approaches to solar-to-chemical conversion[J]. Chem. Soc. Rev., 2020, 49: 4926-4952 doi: 10.1039/C9CS00496C

  8. [8]

     ZHENG T T, ZHANG M L, WU L H, GUO S Y, LIU X J, ZHAO J K, XUE W Q, LI J W, LIU C X, LI X, JIANG Q, BAO J, ZENG J, YU T, XIA C. Upcycling CO₂ into energy-rich long-chain compounds via electrochemical and metabolic engineering[J]. Nat. Catal., 2022, 5: 388-396 doi: 10.1038/s41929-022-00775-6

  9. [9]

     ATSUMI S, HIGASHIDE W, LIAO J C. Direct photosynthetic recycling of carbon dioxide to isobutyraldehyde[J]. Nat. Biotechnol., 2009, 27: 12

  10. [10]

      ZHOU J, ZHANG F L, MENG H K, ZHANG Y P, LI Y. Introducing extra NADPH consumption ability significantly increases the photosynthetic efficiency and biomass production of cyanobacteria[J]. Metab. Eng., 2016, 38: 217-227 doi: 10.1016/j.ymben.2016.08.002

  11. [11]

      CHEN P F, LIU X, GU C H, ZHONG P Y, SONG N, LI M B, DAI Z Q, FANG X Q, LIU Z M, ZHANG J F, TANG R K, FAN S W, LIN X F. A plant-derived natural photosynthetic system for improving cell anabolism[J]. Nature, 2022, 612: 546-554 doi: 10.1038/s41586-022-05499-y

  12. [12]

      YU T, LIU Q L, WANG X, LIU X J, CHEN Y, NIELSEN J. Metabolic reconfiguration enables synthetic reductive metabolism in yeast[J]. Nat. Metab., 2022, 4: 1551-1559 doi: 10.1038/s42255-022-00654-1

  13. [13]

      WANG J, CHEN N, BIAN G K, MU X, DU N, WANG W J, MA C G, FU S, HUANG B L, LIU T G, YANG Y B, YUAN Q. Solar-driven overproduction of biofuels in microorganisms[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2022, 61: e202207132 doi: 10.1002/anie.202207132

  14. [14]

      HU A D, FU T, REN G P, ZHUANG M H, YUAN W Q, ZHONG S N, ZHOU S G. Sustained biotic-abiotic hybrids methanogenesis enabled using metal-free black phosphorus/carbon nitride[J]. Front. Microbiol., 2022, 13: 957066 doi: 10.3389/fmicb.2022.957066

  15. [15]

      WU D, ZHANG W M, FU B H, ZHANG Z H. Living intracellular inorganic-microorganism biohybrid system for efficient solar hydrogen generation[J]. Joule, 2023, 6: 2293-2303

  16. [16]

      CESTELLOS-BLANCO S, ZHANG H, KIM J M, SHEN Y X, YANG P D. Photosynthetic semiconductor biohybrids for solar-driven biocatalysis[J]. Nat. Catal., 2020, 3: 245-255 doi: 10.1038/s41929-020-0428-y

  17. [17]

      WANG J, CHEN N, WANG W J, LI Z H, HUANG B L, YANG Y B, YUAN Q. Room-temperature persistent luminescence in metal halide perovskite nanocrystals for solar-driven CO₂ bioreduction[J]. CCS Chem., 2023, 5: 164 doi: 10.31635/ccschem.022.202101694

  18. [18]

      LIN Y L, SHI J Y, FENG W, YUE J P, LUO Y Q, CHEN S, YANG B, JIANG Y W, HU H C, ZHOU C K, SHI F Y, PROMINSKI A, TALAPIN D V, XIONG W, GAO X, TIAN B. Periplasmic biomineralization for semi-artificial photosynthesis[J]. Sci. Adv., 2023, 9: eadg5858 doi: 10.1126/sciadv.adg5858

  19. [19]

      RODRIGUES R M, GUAN X, INIGUEZ J A, ESTABROOK D A, CHAPMAN J O, HUANG S Y, SLETTEN E M, LIU C. Perfluorocarbon nanoemulsion promotes the delivery of reducing equivalents for electricity-driven microbial CO₂ reduction[J]. Nat. Catal., 2019, 2: 404-407

  20. [20]

      GUAN X, HU X C, ATALLAH T L, XIE Y C, LU S T, CAO B C, SUN J W, WU K, HUANG Y, DUAN X F, CARAM J R, YU Y, PARK J O, LIU C, ERSAN S. Maximizing light-driven CO₂ and N₂ fixation efficiency in quantum dot-bacteria hybrids[J]. Nat. Catal., 2022, 5: 1019-1029 doi: 10.1038/s41929-022-00867-3

  21. [21]

      GUO J L, SUASTEGUI M, SAKIMOTO K K, MOODY V M, XIAO G, NOCERA D G, JOSHI N S. Light‑driven fine chemical production in yeast biohybrids[J]. Science, 2018, 362: 813‑816 doi: 10.1126/science.aat9777

  22. [22]

      YE J, WANG C, GAO C, FU T, YANG C H, REN G P, LU J, ZHOU S G, XIONG Y J. Solar‑driven methanogenesis with ultrahigh selectivity by turning down H₂ production at biotic-abiotic interface[J]. Nat. Commun., 2023, 13: 6612

  23. [23]

      CHEN N, DU N, SHEN R C, HE T P, XI J, TAN J, BIAN G K, YANG Y B, LIU T G, TAN W H, YU L L, YUAN Q. Redox signaling‑driven modulation of microbial biosynthesis and biocatalysis[J]. Nat. Commun., 2023, 14: 6800 doi: 10.1038/s41467-023-42561-3

  24. [24]

      CHENG J, XIA R X, LI H, CHEN Z, ZHOU X Y, REN X Y, DONG H Q, LIN R C, ZHOU J H. Enhancing extracellular electron transfer of Geobacter sulfurreducens in bioelectrochemical systems using N-doped Fe₃O₄@carbon dots[J]. ACS Sustain. Chem. Eng., 2022, 10(12): 3935-3950 doi: 10.1021/acssuschemeng.1c08167

  25. [25]

      YE J, REN G Y, KANG L, ZHANG Y Y, LIU X, ZHOU S G, HE Z. Efficient photoelectron capture by Ni decoration in Methanosarcina barkeri-CdS biohybrids for enhanced photocatalytic CO₂-to-CH₄ conversion[J]. iScience, 2020, 23(7): 101287 doi: 10.1016/j.isci.2020.101287

  26. [26]

      YE J, CHEN Y P, GAO C, WANG C, HU A D, DONG G W, CHEN Z, ZHOU S G, XIONG Y J. Sustainable conversion of microplastics to methane with ultrahigh selectivity by a biotic-abiotic hybrid photocatalytic system[J]. Angew. Chem. Int. Edit., 2022, 61(12): e202213244

  27. [27]

      WANG J, XUAN Y M, ZHANG K. Nickel doping as an effective strategy to promote separation of photogenerated charge carriers for efficient solar-fuel production[J]. Catal. Sci. Technol., 2021, 11: 4012-4015 doi: 10.1039/D1CY00483B

  28. [28]

      DING Y, BERTRAM J R, NAGPAL P. Utilizing atmospheric carbon dioxide and sunlight in graphene quantum dot-based nano-biohybrid organisms for making carbon negative and carbon-neutral products[J]. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15: 53464-53475 doi: 10.1021/acsami.3c12524

  29. [29]

      HU A D, YE J, REN G P, QI Y, CHEN Y P, ZHOU S G. Metal-free semiconductor-based bio-nano hybrids for sustainable CO₂-to-CH₄ conversion with high quantum yield[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2022, 61(35): e202206508 doi: 10.1002/anie.202206508

  30. [30]

      SALEH T A. Nanomaterials: Classification, properties, and environmental toxicities[J]. Environ. Technol. Innov., 2020, 20: 101067 doi: 10.1016/j.eti.2020.101067

  31. [31]

      LEAD J R, BATLEY G E, ALVAREZ P J J, CROTEAU M N, HANDY R D, MCLAUGHLIN M J, JUDY J D, SCHIRMER K. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailability, and effects—An updated review[J]. Environ. Toxicol. Chem., 2018, 37(8): 2029-2063 doi: 10.1002/etc.4147

  32. [32]

      唐永安, 胡军, 杨祥良, 徐辉碧. 镉系量子点的生物毒性及相应机制[J]. 化学进展, 2014, 26(10): 1731-1740.TANG Y A, HU J, YANG X L, XU H B. Biotoxicity of cadmium-based quantum dots and the mechanisms[J]. Prog. Chem., 2014, 26(10): 1731-1740

  33. [33]

      李晓明, 陈楠, 苏媛媛, 何耀, 樊春海, 黄庆. 镉系量子点细胞毒性的研究进展[J]. 科学通报, 2013, 58(15): 1393-1402.LI X M, CHEN N, SU Y Y, HE Y, FAN C H, HUANG Q. Cytotoxicity of cadmium-based quantum dots[J]. Chin. Sci. Bull., 2013, 58(15): 1393-1402

  34. [34]

      CHEN N, HE Y, SU Y Y, LI X M, HUANG Q, WANG H F, ZHANG X Z, TAI R Z, FAN C H. The cytotoxicity of cadmium-based quantum dots[J]. Biomaterials, 2012, 33(5): 1238-1244 doi: 10.1016/j.biomaterials.2011.10.070

  35. [35]

      LIU G Y, GAO F, ZHANG H W, WANG L, GAO C, XIONG Y J. Biosynthetic CdS-thiobacillus thioparus hybrid for solar-driven carbon dioxide fixation[J]. Nano Res., 2023, 16(4): 4531-4538 doi: 10.1007/s12274-021-3883-0

  36. [36]

      WANG B, JIANG Z, YU J C, WANG J, WONG P K. Enhanced CO₂ reduction and valuable C₂₊ chemical production by a CdS-photosynthetic hybrid system[J]. Nanoscale, 2019, 11(19): 9296-9301 doi: 10.1039/C9NR02896J

  37. [37]

      JI X, ZHANG H, LIU H, YAGHI O M, YANG P D. Cytoprotective metal‑organic frameworks for anaerobic bacteria[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2018, 115: 10682-10587

  38. [38]

      SAKIMOTO K K, KORNIENKO N, CESTELLOS-BLANCO S, LIM J, LIU C, YANG P D. Physical biology of the materials-microorganism interface[J]. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140(6): 1978-1985 doi: 10.1021/jacs.7b11135

  39. [39]

      SHI L, DONG H L, REGUERA G, BEYENAL H, LU A H, LIU J, YU H Q, FREDRICKSON J K. Extracellular electron transfer mechanisms between microorganisms and minerals[J]. Nat. Rev. Microbiol., 2016, 14(10): 651-662 doi: 10.1038/nrmicro.2016.93

  40. [40]

      KORNIENKO N, SAKIMOTO K K, HERLIHY D M, NGUYEN S C, ALIVISATOS A P, HARRIS C B, SCHWARTZBERG A, YANG P D. Spectroscopic elucidation of energy transfer in hybrid inorganic-biological organisms for solar-to-chemical production[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2016, 113(42): 11750-11755 doi: 10.1073/pnas.1610554113

  41. [41]

      FUKUSHIMA T, GUPTA S, RAD B, CORNEJO J A, PETZOLD C J, CHAN L J G, MIZRAHI R A, RALSTON C Y, AJO-FRANKLIN C M. The molecular basis for binding of an electron transfer protein to a metal oxide surface[J]. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139(36): 12647-12654 doi: 10.1021/jacs.7b06560

  42. [42]

      TREMBLAY P L, ANGENENT L T, ZHANG T. Extracellular electron uptake: Among autotrophs and mediated by surfaces[J]. Trends Biotechnol., 2017, 35(4): 360-371 doi: 10.1016/j.tibtech.2016.10.004

  43. [43]

      LV X X, HUANG W C, GAO Y, CHEN R, CHEN X W, LIU D Q, WENG L, HE L C, LIU S Q. Boosting solar hydrogen production via electrostatic interaction mediated E. coli-TiO_2-x biohybrid system[J]. Nano Res., 2024, 17: 5390-5398 doi: 10.1007/s12274-024-6432-9

  44. [44]

      XIA R X, CHENG J, CHEN Z, ZHANG Z, ZHOU X Y, ZHOU J H. Co‑NC@Co‑NP hierarchical nanoforest steering charge exchange efficiency at biotic‑abiotic interface for microbial electrochemical carbon reduction[J]. Sci. Total Environ., 2023, 904: 166793 doi: 10.1016/j.scitotenv.2023.166793

  45. [45]

      SU Y D, CESTELLOS-BLANCO S, KIM J M, SHEN Y X, KONG Q, LU D L, LIU C, ZHANG H, CAO Y H, YANG P D. Close-packed nanowire-bacteria hybrids for efficient solar-driven CO₂ fixation[J]. Joule, 2020, 4(4): 800-811 doi: 10.1016/j.joule.2020.03.001

  46. [46]

      ZHANG H, LIU H, TIAN Z Q, LU D, YU Y, CESTELLOS-BLANCO S, SAKIMOTO K K, YANG P D. Bacteria photosensitized by intracellular gold nanoclusters for solar fuel production[J]. Nat. Nanotechnol., 2018, 13(10): 900-905 doi: 10.1038/s41565-018-0267-z

  47. [47]

      WEN N, JIANG Q Q, CUI J T, ZHU H M, JI B T, LIU D Y. Intracellular InP quantum dots facilitate the conversion of carbon dioxide to value‑added chemicals in non-photosynthetic bacteria[J]. Nano Today, 2022, 47: 166793

  48. [48]

      LI D Y, YAO S Y, CAO X P, ZHANG Y J, WANG W Y, LI C. Enhancing cyanobacterial photosynthetic carbon fixation via quenching reactive oxygen species by intracellular gold nanoparticles[J]. ACS Sustain. Chem. Eng., 2023, 11(30): 11140-11148 doi: 10.1021/acssuschemeng.3c01559

  49. [49]

      SAKIMOTO K K, WONG A B, YANG P D. Self-photosensitization of nonphotosynthetic bacteria for solar-to-chemical production[J]. Science, 2016, 351(6268): 74-77 doi: 10.1126/science.aad3317

  50. [50]

      LUO B, WANG Y Z, LI D, SHEN H, XU L X, FANG Z, XIA Z, REN J, SHI W, YONG Y C. A periplasmic photosensitized biohybrid system for solar hydrogen production[J]. Adv. Energy Mater., 2021, 11(19): 2100256 doi: 10.1002/aenm.202100256

  51. [51]

      NIELSEN J, KEASLING J D. Engineering cellular metabolism[J]. Cell, 2016, 164(6): 1185-1197 doi: 10.1016/j.cell.2016.02.004

  52. [52]

      PI S S, YANG W J, FENG W, YANG R J, CHAO W X, CHENG W B, CUI L, LI Z D, LIN Y L, REN N Q. Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids[J]. Nat. Sustain., 2023, 6(12): 1673-1684 doi: 10.1038/s41893-023-01233-2

  53. [53]

      TU W M, XU J B, THOMPSON I P, HUANG W E. Engineering artificial photosynthesis based on rhodopsin for CO₂ fixation[J]. Nat. Commun., 2023, 14(1): 8012 doi: 10.1038/s41467-023-43524-4

  54. [54]

      LI H, YU X X, QIN Y, JIANG T, WANG J J, CAI Z Q, XU J Y, GE Y, SUN H C, QI Z H. Synergistic approaches for enhanced light-driven hydrogen production: A membrane-anchoring protein-engineered biohybrid system with dual photosensitizers strategy[J]. ACS Mater. Lett., 2024, 6(4): 1418-1428 doi: 10.1021/acsmaterialslett.4c00063

  55. [55]

      HU G P, LI Z H, MA D L, YE C, ZHANG L P, GAO C, LIU L M, CHEN X L. Light-driven CO₂ sequestration in Escherichia Coli to achieve theoretical yield of chemicals[J]. Nat. Catal., 2021, 4(5): 395-406 doi: 10.1038/s41929-021-00606-0

  56. [56]

      GAN Y M, CHAI T T, ZHANG J, GAO C, SONG W, WU J, LIU L M, CHEN X L. Light-driven CO₂ utilization for chemical production in bacterium biohybrids[J]. Chin. J. Catal., 2024, 60: 294-303 doi: 10.1016/S1872-2067(23)64643-1

  57. [57]

      KIM J, CESTELLOS-BLANCO S, SHEN Y, CAI R, YANG P D. Enhancing biohybrid CO₂ to multicarbon reduction via adapted whole-cell catalysts[J]. Nano Lett., 2022, 22(13): 5503-5509 doi: 10.1021/acs.nanolett.2c01576

  58. [58]

      GUAN X, XIE Y C, LIU C. Performance evaluation and multidisciplinary analysis of catalytic fixation reactions by material-microbe hybrids[J]. Nat. Catal., 2024, 7: 475-482 doi: 10.1038/s41929-024-01151-2

  59. [59]

      CHEN N, DU N, WANG W J, LIU T G, YUAN Q, YANG Y B. Real-time monitoring of dynamic microbial Fe􀃮 respiration metabolism with a living cell-compatible electron-sensing probe[J]. Angew. Chem. ‒Int. Edit., 2022, 61: e202115572 doi: 10.1002/anie.202115572

  60. [60]

      CHEN N, ZHANG X M, XI J, YANG Y B, YUAN Q. Recent advances of microbial metabolism analysis: From metabolic molecules to environments[J]. Sci. China Chem., 2023, 66: 2941

  61. [61]

      CHEN N, CHENG D, HE T P, YUAN Q. Real-time monitoring of dynamic chemical processes in microbial metabolism with optical sensor[J]. Chin. J. Chem., 2023, 41: 1836-1840 doi: 10.1002/cjoc.202200839

• 

  图 1  (A) Ni掺杂CdS的M. b-Ni∶CdS杂化体系^[25]; (B) 含有Z型异质结的S. ovata|Cr₂O₃/Ru-SrTiO₃∶La, Rh|ITO|RuO₂-BiVO₄∶Mo杂化系统在光照下将CO₂转化为乙酸盐的机理阐释图^[5]; (C) M. b-^NCNCN_x杂化体系中^NCNCN_x材料的电容与电导效应; (D) M. b及其与CdS、^NCNCN_x杂化后的体系中电导率对比图^[29]; (E) 介孔Al₂O₃与E. coli结合的超量生产航空燃料法尼烯的杂化体系; (F) E. coli及其与非介孔、介孔Al₂O₃杂化后体系的法尼烯产量对比^[13]

  Figure 1  (A) M. b-Ni∶CdS hybrid system employing Ni-doped CdS^[25]; (B) Mechanistic illustration of CO₂ conversion to acetate under illumination by the S. ovata|Cr₂O₃/Ru-SrTiO₃∶La, Rh|ITO|RuO₂-BiVO₄∶Mo hybrid system incorporating a Z-scheme heterojunction^[5]; (C) Capacitance and conductivity effects of ^NCNCN_x materials in the M. b-^NCNCN_x hybrid system; (D) Comparative chart of electrical conductivity in M. b and its hybrid systems with CdS and ^NCNCN_x^[29]; (E) Hybrid system for overproduction of the aviation fuel farnesene through the integration of mesoporous Al₂O₃ with E. coli; (F) Comparison of farnesene production by E. coli and its hybrid systems with non-porous and mesoporous Al₂O₃^[13]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 2  (A) 多酚功能化的InP纳米粒子组装至酵母表面形成的杂化体系示意图; (B) 单位葡萄糖和细胞干重下的莽草酸产率对比^[21]; (C) M. thermoacetica-CdS杂化系统示意图; (D) 不同状态下的M. thermoacetica-CdS杂化体系的乙酸产量-时间图^[49]; (E) QDs转运至S. oneidensis内构建杂化体系示意图; (F) QDs与S. oneidensis周质中氢化酶的相互作用示意图^[50]

  Figure 2  (A) Schematic diagram of hybrid system formed by assembling InP nanoparticles functionalized with polyphenols onto the yeast surface; (B) Comparison of shikimic acid yield per unit of glucose and cell dry weight^[21]; (C) Schematic diagram of the M. thermoacetica-CdS hybrid system; (D) Acetic acid production-time plot for the M. thermoacetica-CdS hybrid system under different conditions^[49]; (E) Transportation of QDs into S. oneidensis for the construction of a photosynthetic biohydrogen production system; (F) Schematic diagram of interaction between QDs and hydrogenases in the periplasm of S. oneidensis^[50]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
  

  图 3  (A) 利用工业废水中多种污染物自组装形成的杂化体系^[52]; (B) 基因工程化R. eutropha H16细胞对视紫红质和MtrCAB的高效表达^[53]; (C) 不同酶条件下对HLWS代谢通路的影响图; (D) 敲除frmA基因以阻断内源碳通路示意图^[55]; (E) CO₂固定相关的外源代谢通路^[56]

  Figure 3  (A) Hybrid system formed through self-assembling multiple pollutants in industrial wastewater^[52]; (B) Efficient expression of rhodopsin and MtrCAB in genetically engineered R. eutropha H16 cells^[53]; (C) Effect of different enzyme conditions on HLWS metabolic pathway; (D) Schematic diagram of knocking out frmA gene to block endogenous carbon pathway^[55]; (E) Exogenous metabolic pathways related to CO₂ fixation^[56]

  下载: 全尺寸图片 幻灯片
•