PNAS | 研究揭示操纵细菌群落调节二氧化碳和固氮的光合生物杂交共培养系统！

整个社会已经从工业化学过程中受益，这些过程严重依赖碳氢化合物化石燃料作为能源和原料来源。然而，由于开发不可再生碳氢化合物燃料的复杂性，例如气候变化和环境污染变得更加突出，我们被迫寻找可再生的替代品，同时通过利用二氧化碳来关闭碳循环。在学术界和工业界，通过生物和电化学手段减少二氧化碳的努力正在蓬勃发展。特别是微生物电合成，通过电化微生物的"活"催化剂，将电化学和生物学的优势结合起来，从二氧化碳、氮气和水的构件中形成化学品。微生物具有高产品选择性、低底物活化障碍、自我构建和再生的特点。同时，电化学通常涉及模块化和光活化的纳米催化剂，并且可以很容易地由可再生的太阳能提供动力。由太阳能驱动的光合生物杂交系统（PBSs）代表了一种有前途的可持续化学生产战略。太阳能驱动的生物电子合成代表了一种有前途的方法，可以用可再生的能源将丰富的资源转化为有价值的化学品。由电化学还原当量驱动的微生物同化二氧化碳、水和氮气等构成元素。然而，自养式全细胞生物催化剂的产品是有限的。此外，负责还原N₂的生物催化剂受到同时进行的能量密集型自养的限制。

2022年6月21日，国际权威学术期刊PNAS发表了美国加州大学伯克利分校杨培东团队的最新相关研究成果，题为Photosynthetic biohybrid coculture for tandem and tunable CO₂ and N₂fixation的研究论文。

为了克服目前的挑战，科研人员设计了一个生物杂交的共培养系统，用于串联和调整二氧化碳和氮气固定到增值产品，允许不同的物种分配生物转化步骤，减少单个代谢负担。这个联合体包括将二氧化碳还原成乙酸盐的产乙酸菌（Sporomusa ovata）和固氮菌（Rhodopseudomonas palustris），后者利用乙酸盐作为固定氮气的燃料并生成生物多酯。科研人员证明，该共培养平台为连续的二氧化碳和氮气固定提供了一个强大的生态系统，其产出由底物气体成分决定。此外，科研人员展示了在一个高表面积的硅纳米线阴极平台上支持该种生物培养的能力。该生物混合培养物对乙酸盐、生物质中的氮和氨的法拉达效率峰值分别为100、19.1和6.3%，同时保持了产品的可调性。最后，科研人员建立了由光伏装置驱动的完全的太阳能到化学的转换，从而使乙酸盐、含氮生物质和氨的太阳能到化学的效率分别达到1.78%、0.51%和0.08%。最终，科研人员的工作表明，我们有能力根据需要采用和电化学操纵细菌群落，以扩大二氧化碳和氮气的生物电合成产品的套件。我们可以预见，这个平台可以扩展到生产几个额外的产品，包括生物塑料、生物燃料和糖类，只需用二氧化碳、氮气、水和电。

图1. 受生物启发的生物杂交共培养设计

图2. S. ovata和R. palustris的单培养特性

图3. S. ovata和R. palustris nifA*共培养的特征

图4. 电化学支持的S. ovata和R. palustris nifA*

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