研究背景

琥珀酸作為一種重要的平臺化學(xué)品，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和可生物降解塑料等領(lǐng)域，被美國能源部列為十二種高價(jià)值化學(xué)品之一。然而，傳統(tǒng)琥珀酸生產(chǎn)主要依賴石油基原料如液化石油氣或馬來酸酐，工藝過程不僅能耗高，還會(huì)釋放溫室氣體和有毒副產(chǎn)物，帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。雖然產(chǎn)琥珀酸放線桿菌等微生物發(fā)酵法提供了一條可持續(xù)的生物合成路徑，但其生產(chǎn)效率受到細(xì)胞內(nèi)電子傳遞效率低下的制約，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求。如何在保持微生物活性的同時(shí)，提升其代謝效率，成為生物制造領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

研究內(nèi)容

華東師范大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種光電極-微生物雜合系統(tǒng)，將納米技術(shù)與微生物代謝完美融合。他們首先通過適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化策略，讓產(chǎn)琥珀酸放線桿菌逐步提高耐受能力并在細(xì)胞內(nèi)合成金納米顆粒，這些位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的金納米粒子如同“導(dǎo)電橋梁”，顯著提升了跨膜電子傳遞效率。隨后，研究人員設(shè)計(jì)了一種NiO@PAA@NHS光電極，其表面的水凝膠層能有效捕獲并固定這些雜合細(xì)菌，使電子轉(zhuǎn)遞效率進(jìn)一步提升，形成完整的NiO@PAA@NHS/Au@A. succinogenes生物雜合光電極。在模擬太陽光照射和-0.3 V外加電壓條件下，該系統(tǒng)展現(xiàn)出卓越的性能：光電流密度達(dá)到1.9 mA cm?2，CO?轉(zhuǎn)化效率高達(dá)67 %，琥珀酸產(chǎn)率達(dá)到1.41 ± 0.04 g L?1 h?1 cm?2。通過13C同位素標(biāo)記和基因表達(dá)分析，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)金納米粒子的引入與雜合系統(tǒng)顯著提升了細(xì)菌內(nèi)ATP水平和關(guān)鍵代謝基因的表達(dá)，優(yōu)化了碳代謝流向，使琥珀酸成為主要產(chǎn)物。

研究意義

這項(xiàng)研究開創(chuàng)性地將光電極催化與微生物代謝調(diào)控相結(jié)合，為高附加值化學(xué)品的綠色合成提供了全新范式。該生物雜合系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了太陽能向化學(xué)能的高效轉(zhuǎn)化，還通過增強(qiáng)微生物-電極界面的電子傳遞，突破了傳統(tǒng)生物發(fā)酵的產(chǎn)率瓶頸。更重要的是，該系統(tǒng)能有效利用CO?作為碳源，在琥珀酸生產(chǎn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)溫室氣體的資源化轉(zhuǎn)化，為碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)提供了技術(shù)支撐。相比傳統(tǒng)化學(xué)法和普通發(fā)酵法，該技術(shù)在產(chǎn)率、可持續(xù)性和環(huán)境友好性方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，有望推動(dòng)琥珀酸工業(yè)向低碳、高效、可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型升級。

總結(jié)

本研究通過構(gòu)建NiO@PAA@NHS/Au@A. succinogenes光電極-微生物生物雜合系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)的琥珀酸高效合成。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將經(jīng)過適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化改造、內(nèi)含金納米顆粒的細(xì)菌，高效固定于功能化水凝膠光電極表面，成功構(gòu)建了完整的生物雜合體系，建立了高效的跨膜電子傳遞通路，使琥珀酸產(chǎn)率達(dá)到傳統(tǒng)發(fā)酵法的數(shù)倍以上。該系統(tǒng)不僅展現(xiàn)出優(yōu)異的CO?轉(zhuǎn)化效率和長期穩(wěn)定性，還能在模擬晝夜循環(huán)條件下保持穩(wěn)定生產(chǎn)，展現(xiàn)出良好的工業(yè)化應(yīng)用潛力。這一“光電極+微生物”的協(xié)同策略為開發(fā)新型可持續(xù)生物制造平臺提供了重要參考，也為人造光合作用系統(tǒng)在化學(xué)品綠色合成中的應(yīng)用開辟了新方向。

通訊作者

張中海，華東師范大學(xué)教授，長期從事光電分析化學(xué)、聚焦活體微環(huán)境中關(guān)鍵生物分子的動(dòng)態(tài)解析與智能傳感方法創(chuàng)新，獲上海市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)（自然科學(xué)）二等獎(jiǎng)（排名第一），入選教育部化學(xué)“101計(jì)劃”骨干教師，主持國家自然科學(xué)基金優(yōu)青（原優(yōu)青）、面上項(xiàng)目及上海市重點(diǎn)項(xiàng)目等國家和省部級課題10余項(xiàng)。近五年以通訊作者在 Nature Communications 發(fā)表6篇論文，并在 PNAS、Angew. Chem.、Advanced Materials、Joule、Chemical Science、ACS Nano、Advanced Functional Materials 等頂尖期刊持續(xù)產(chǎn)出代表性成果。他引9000余次，H指數(shù)50。堅(jiān)持科研育人，近五年培養(yǎng)7名博士畢業(yè)生進(jìn)入高校或科研機(jī)構(gòu)任教，其中9人次獲省部級人才計(jì)劃支持。面向國家重大需求，與瑞金醫(yī)院、上海市腫瘤醫(yī)院、上海市普陀區(qū)中心醫(yī)院等開展醫(yī)工交叉合作，并服務(wù)上海宇航系統(tǒng)工程、海軍護(hù)衛(wèi)艦第十四支隊(duì)等單位。相關(guān)成果獲“SPARK China星火計(jì)劃”資助，推動(dòng)無創(chuàng)體液檢測、泛癌早篩、可穿戴智能傳感等成果實(shí)現(xiàn)專利授權(quán)、臨床驗(yàn)證與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

周雪，華東師范大學(xué)課題組博士后。獲得上海市“超級博士后”激勵(lì)計(jì)劃等資助，主持第78批博士后面上等科研項(xiàng)目。以第一或通訊作者在Nature Communications、Joule、ACS Nano、Advanced Functional Materials 等期刊發(fā)表多篇論文。

文章鏈接：

Feng, T., Zhou, X., Zhang, Y. et al. Photoelectrocatalytic-microbial biohybrid for succinic acid synthesis. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69962-4