第一作者：王文静
通讯作者：王文静（河北大学），李亚光（河北大学）
通讯单位：河北大学
论文DOI：10.1039/d5gc02437d
本文研究了K/O共掺杂g-C3N4（K/O-CN）和罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha）的生物杂化系统，在不添加任何辅助剂的情况下，高效地将CO2转化为C4生物塑料-聚羟基丁酸酯（PHB）。在4000 lux(0.75 mW cm−2)的室内低照度下，K/O-CN- R. eutropha杂化体系的PHB产量为49.35±0.85 mg L−1d−1，超过了添加辅助剂的非金属基杂化体系，量子效率为5.88±0.16%，超过了大多数金属基杂化体系。K/O共掺杂将g-C3N4的块状结构转变为纳米棒状结构，与细胞建立了紧密的相互作用、强耦合和有效的电子转移。在光激发下，K/O-CN催化H2O裂解生成H2。在细胞内，H2被氧化成H+，H+参与ATP合成并产生额外的还原当量（NADPH），从而促进卡尔文循环，推动关键中间产物的形成，最终推动CO2向PHB的转化。这项工作为从CO2中获得C4产品提供了一条简化且经济可行的途径，并为光催化剂-微生物杂化体系中界面电子的传递与转化机制、以及微生物代谢变化提供了重要见解。
图1 K/O-CN-R. eutropha生物杂化体系的构建、性能及机理示意图
将人工光催化与微生物固碳技术相结合，能够实现CO2向多碳化合物的高效转化，并显著提升系统整体效能。光催化剂与微生物构建的杂化体系，可实现两者之间的直接电子转移，不仅增强了系统的集成性，也进一步降低了运行成本。在当前体系中，常用的CdS等金属基光催化剂存在明显生物毒性，且整体产物附加值有限。如何在降低生物毒性的同时，不依赖额外添加剂实现高附加值化学品的合成，仍是亟待突破的难题。本研究采用纳米级分散的棒状K/O共掺杂g-C3N4（K/O-CN）替代传统块状g-C3N4，有效提升了非生物-生物界面的接触与传质效率。基于R. eutropha可利用H2作为电子供体、通过独特代谢途径将CO2转化为PHB的特性，将其与K/O-CN高效耦合，最终构建出能够实现C4产物高效合成的杂化体系。
1. 本研究采用新型光催化剂/细菌生物杂化技术，在室内弱光条件下实现了无需添加剂的CO2到C4生物塑料的高效转化，为绿色化学的发展提供了新路径。该工艺过程简单，仅需一步即可提取PHB，具备能耗低、可再生、环境友好等优势，为实现可持续的CO2资源化利用提供了有效策略。
2. 该体系的PHB产率为49.35±0.85 mg-1 L-1 d-1，超过了添加辅助因子的非金属基生物杂交菌。该系统采用K/O-CN光催化剂，对微生物无毒，确保了生物安全性和兼容性。与能自我复制的R. eutropha整合，该系统保持了较高的催化活性。
图2 K/O-CN-R. eutropha杂化体系的构建
图2. K/O共掺杂处理使原始堆叠的块状氮化碳（PCN）成功转变为均匀分散的纳米棒状结构。该形貌变化极大地增加了材料的比表面积，提供了更多的反应活性位点，与细菌细胞形成紧密、均匀的界面接触。
图3. K/O-CN-R. eutropha 生物杂化系统的物理与化学表征
图3a-b的XRD与FTIR表明，杂化系统兼具K/O-CN与细菌的特征结构，两者通过物理结合，未形成新化学键。XPS（图3c-f）显示，复合后C、N、O元素的结合能发生显著位移，证实K/O-CN与细菌之间存在强烈的电子相互作用，形成了有利于电荷转移的界面耦合。
图4. 光驱动K/O-CN- R. eutropha杂化体系的CO2转化为PHB的性能
图4（a-e）确定了K/O-CN的最佳负载量为0.5 g L-1，并在4000 lux室内光下实现了最高PHB产率49.35 mg-1 L-1 d-1，相比纯细菌体系提升65%。与文献报道的多种生物杂化系统相比，本系统在PHB产率和量子效率（5.88%）上均表现出显著优势，超越了大多数需要添加剂的非金属及金属基体系。
图5. K/O-CN-R. eutropha生物杂化系统的主要特性分析
如图5，CFU(a)结果表明K/O-CN对细菌无毒，不影响其生长。TPR(b)显示杂化系统的光电流响应比纯K/O-CN更强，证明细菌的加入促进了光生电荷的分离。细胞内NADPH/NADP⁺比值测量(c)证实，光照下的杂化系统拥有更高的还原力水平，为CO2固定提供了关键驱动力。
图6. K/O-CN-R. eutropha生物杂化系统的代谢组学分析
如图6主成分分析（a）显示杂化系统与纯细菌系统的代谢状态显著分离。火山图分析（b）发现杂化体系中大量代谢物被上调。关键代谢物丰度对比（c）证实，杂化系统中与能量代谢（ATP前体）、还原力（NADPH前体）及PHB合成直接相关的核心中间体（如乙酰-CoA）含量激增，揭示了性能提升的内在代谢机制。
本研究设计了一种均匀自养的K/O-CN-R. eutropha生物杂交系统，能够在无需任何辅助剂的情况下，高效驱动CO2转化为高值C4生物塑料。K/O-CN的纳米棒结构增强了与细菌的界面接触和传质，其优异的光电性质和在室内弱光下的高效表现，为利用太阳能实现CO2资源化并生产可降解塑料提供了一条绿色、经济、有前景的新途径。该体系具备广阔的应用潜力，有望在未来实现大规模CO2转化与PHB生产，并可直接依赖广泛存在的自然日光作为驱动力，进一步彰显其绿色可持续特性。
Low indoor light-driven CO2 conversion into visible C4 bioplastic via homogeneous non-metal-based biohybrids under photoexcitation
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/gc/d5gc02437d
第一及通讯作者：王文静，河北大学研究员，硕导，博士。被授予“河北省省级特聘专家”称号，入选“新时代保定好青年”称号、河北大学五四青年奖章。主要从事碳捕集与利用技术的研发与推广。主持国家自然科学基金、河北省引进海外高层次人才项目、河北省自然科学基金、河北省教育厅青年拔尖人才项目等纵向项目11项。在Green Chemistry、Chemical Engineering Journal、Applied Energy、Bioresource Technology、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Fuel等国际权威期刊，发表学术论文40 余篇，其中包括25余篇第一/通讯作者论文。担任国际期刊Separation and Purification Technology、Green Energy and Resources 及中文核心期刊《洁净煤技术》的青年编委。
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