第一作者：叶捷
通讯作者：周顺桂
通讯单位：福建农林大学
论文DOI：10.1021/acs.chemrev.5c00658
近日，福建农林大学周顺桂教授团队在国际顶级期刊《Chemical Reviews》（IF5y = 67.5）在线发表题为“Toward Next-Generation Semi-Artificial Photosynthesis: Multidisciplinary Engineering of Biohybrid Systems”的综述论文。该综述系统回顾了近十年来以生物杂化体系（Biohybrids 1.0）为基础的半人工光合作用研究进展，并在此框架上总结了构建新一代生物杂化体系（Biohybrids 2.0）所需的多学科工程策略。文章重点介绍了光敏剂设计、微生物筛选与工程改造、能量来源及转化、生物–无机界面调控，以及相关表征方法开发的最新进展，并对跨学科应用进行了全面梳理。同时，作者还对该领域现存的关键瓶颈进行了批判性分析，提出了指向未来 Biohybrids 3.0 的潜在发展路径。总体而言，该综述为半人工光合作用系统的系统化设计与高效优化提供了清晰的理论框架，有望促进构建更高效、稳定且具工业应用潜力的太阳能–化学能转化平台。
全球能源危机对经济发展与环境可持续性构成严峻挑战，而太阳能因其丰富性和可利用性被视为关键解决方案。尽管自然与人工光合作用为太阳能高效利用提供了蓝图与启示，但仍受限于能量转换效率和系统稳定性。半人工光合作用通过将生物组分（酶或活细胞）与人工材料结合，构建功能性生物-无机杂化体系，实现太阳能向化学燃料或高附加值产物的高效转化。与酶体系相比，活细胞体系依托其自修复能力、复杂代谢网络及多步光驱动合成能力，可显著提升整体效率与可持续性，因此成为研究热点。过去十余年，通过将全细胞组分直接与人工光敏材料结合，催生了首代生物杂化系统（biohybrids 1.0）。尽管已有综述对全细胞半人工光合系统的基本机制进行了探讨，但对影响系统性能的三大核心要素——光敏剂、微生物及太阳能——的综合优化仍缺乏系统性理解。为此，本综述总结了新一代生物杂化系统（biohybrids 2.0）的多学科工程策略，涵盖光敏剂开发、微生物筛选与改造、太阳能捕获与转化、界面设计与优化、先进表征方法及新兴功能应用，同时分析现有研究局限，并提出未来发展方向，为高效、稳健、可扩展的 biohybrids 3.0 构建提供系统设计参考。总体而言，本综述旨在提供跨学科设计框架，推动半人工光合作用平台在太阳能-化学能高效转化及工业化应用中的发展。
Figure 1. Schematic representation of semi-artificial photosynthesis integrating the complementary strengths of natural and artificial photosynthetic systems.
光敏材料是半人工光合作用系统的核心组成单元，直接决定太阳能捕获效率及电子转移能力。本文首先系统总结了无机光敏剂的研究进展，重点分析其在光吸收、载流子分离及与微生物界面电子传递过程中的关键作用，并概述了通过材料选择、表面修饰、掺杂及异质结构构建等策略，提高光生电子利用效率并强化界面相互作用的方法。随后，文章阐述了有机光敏剂的最新研究进展，利用其分子结构可调性和生物相容性，通过设计π共轭体系、调控能级匹配，以及化学修饰或构建供体-受体异质结构等手段，优化光捕获、电子传输及界面耦合性能，同时兼顾降低毒性和提升系统稳定性。此外，文章还将光敏材料概念拓展至生物光敏剂范畴，通过将光激发的生物电子引入复杂代谢网络，实现跨物种电子分配与协同氧化还原反应，为生物-无机杂化体系提供自然可调的电子源，进一步丰富了光敏剂设计的策略与思路。
Figure 3. Inorganic semiconductors in biohybrid systems.
Figure 4. Organic semiconductors in biohybrid systems.
微生物是半人工光合作用系统的执行者。综述梳理了构建此类系统过程中微生物的选择策略。基于系统发育学和功能特性，将常用微生物底盘分为细菌、古菌和真核微生物，分析它们在电子传递能力、代谢多样性及与无机材料兼容性方面的优势，并总结不同类型微生物在多种模式下实现光驱动电子流的能力，为生物-无机杂化系统提供多样化且可调的底盘资源。随后，文章深入探讨微生物工程策略，介绍常用基因编辑方法及其在生物杂化系统组装、电子传递和代谢调控中的应用进展，以提升光生电子的获取、传递和利用效率，同时增强系统稳定性与产物多样性，实现从微生物底盘筛选到功能化生物杂化平台的系统化设计，为高效光能转化与可持续化学品生产提供理论基础与实践路径。
Figure 6. Diversity of microorganisms in biohybrid systems incorporating various photosensitizers.
Figure 7. Microbial engineering employed in biohybrid systems.
Figure 8. Genetic engineering strategies for microbial modification and their roles in (a-d) biohybrid assembly, (e-h) electron transfer, and (i-l) metabolic regulation.
太阳能是半人工光合作用系统的核心驱动力。综述围绕生物杂化系统的能量获取与转化展开，系统介绍光能转化机制，包括胞外电子产生、跨膜电子传递及胞内电子利用，重点阐述光生电子如何通过直接或间接电子传递（如氢气或小分子中间产物）进入微生物代谢体系，促进NAD(P)H和ATP生成，并用于下游微生物代谢。随后，文章创新性提出多物理能量场协同策略，以光-热、光-机械及光-水伏能为例，结合具体生物杂化实例，系统展示不同能量输入与转化策略的应用潜力，为高效光能转化及功能化生物杂化平台开发提供理论依据与实践参考。
Figure 10. Complementary energy inputs for biohybrid systems.
综述聚焦半人工光合作用系统中生物-无机界面结构不匹配这一核心问题，系统总结通过界面设计缓解氧化损伤的策略，包括调控氧气渗透与消耗、引入类酶催化或天然防护层清除活性氧并保护微生物，同时优化光敏化组分与微生物的空间耦合。文章进一步探讨界面调控在电子与物质传输中的作用，强调通过构建高效电子通路和微环境调控等整体策略，增强微生物与光敏化系统的协同效应。此外，综述总结了模块化设计在界面优化中的最新进展，将复杂能量传递过程拆解为光捕获、辅因子再生与能量储存等互操作模块，实现界面功能精细调控、系统可编程组装及整体性能优化，为高效、稳定的生物杂化平台设计提供系统化原则。
Figure 11. Interface control and optimization in biohybrid systems.
综述总结了半人工光合作用系统的先进表征方法，涵盖结构表征、性能评估及机理解析三方面：例如结构表征利用高分辨率成像与界面化学分析，深入揭示微生物与光敏化材料的空间分布、界面结合及纳米尺度相互作用；性能评估可结合光生电子行为测定、电化学表征、底物转化效率、活性氧生成及微生物生长与代谢活性，实现对系统功能和生物学状态的多尺度量化；机理解析侧重动态过程与能量传递机制，利用多模态成像、光电映射及多组学方法追踪电子传输与代谢网络。此外，文章还探讨人工智能等尚未广泛应用但具有潜在影响力的技术，为深入理解界面相互作用、揭示能量转化规律及优化高效生物杂化系统提供前瞻性指导。
Figure 13. Advanced characterization methods for biohybrid systems.
综述阐述了半人工光合作用系统在多方面的应用潜力，包括太阳能驱动燃料生成（如CH4和H2）、污染物去除、CO2转化为增值化学品，以及氮固定能力和作物产量提升等，凸显其在能源转换、环境治理、化学品合成和可持续农业中的综合价值。同时，文章还对系统性能评估方法进行了探讨，强调在评估过程中结合量子效率与能量效率的重要性，为半人工光合作用系统的优化设计和实际应用提供科学依据。
Figure 14. Schematic diagram of the functional applications of biohybrid systems for energy storage, pollutant removal, chemical production and sustainable agriculture.
Figure 19. Overview of quantum and energy efficiencies in biohybrid systems.
尽管半人工光合作用在各方面已取得显著进展，但作为新兴交叉领域，它仍面临诸多技术、方法学及应用转化挑战。为充分释放其技术潜力，必须从系统层面加以应对。论文最后详细阐述了这些关键挑战，包括：技术经济瓶颈，如高成本的光敏材料与微生物培养体系；跨学科整合障碍，涉及材料科学、微生物学及工程技术的协同优化；标准化需求，以确保实验条件、性能指标及评价方法的可比性和可重复性；以及开发能够有效衔接实验室示范与实际应用的下一代技术平台的迫切性。全面应对上述挑战，将为半人工光合作用从实验研究向工业化和可持续应用的转化奠定坚实基础。
Figure 20. Techno-economic barriers to the scalability of biohybrids.
半人工光合作用作为可持续太阳能-化学能转换的前沿策略，通过整合材料科学与生物系统的优势，已实现从理论概念向平台化应用的转变。近年来，在光敏材料开发、微生物工程及界面设计方面取得了显著进展，使系统能够在温和、环保条件下高效开展能源储存、污染治理、化学品合成及作物产量提升等多种功能。材料创新方面，工程化半导体、仿生组装及有机光收集系统显著提升了能量捕获与电荷传输效率；微生物功能优化实现了电子流与产物选择性的精准调控；界面与能量工程则有效改善了电荷传递、物质运输及系统稳定性。然而，太阳能向化学能的转换效率仍低于理论极限及商业标准，长期运行稳定性和产物选择性依然存在挑战。未来的发展需要在材料设计、生物工程及界面整合方面协同创新，并结合人工智能、自动化实验及计算建模等先进手段推动技术突破。半人工光合作用有望实现分布式、低环境负荷的燃料与化学品生产，为应对气候变化和推动可持续发展提供切实可行的路径。
福建农林大学为本论文唯一通讯单位，福建农林大学周顺桂教授为论文唯一通讯作者，叶捷教授为第一作者。合作作者包括福建农林大学资源与环境学院顾文智博士后、胡静博士、陈丽副教授、杨朝辉博士生、以及福建农林大学蜂学与生物医药学院高江涛教授。该工作得到了国家自然科学基金优秀青年科学基金（42322706）、国家自然科学基金（42525702, 42177206, 42307305, 42407052）和福建省自然科学基金（2024J011014）的资助。
第一作者简介
叶捷，福建农林大学教授，博士生导师，国家优青获得者（2023）、福建省攻青（2024）/杰青（2020）获得者，福建省高层次人才，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”。主要从事微生物光电化学及环境效应方面研究。先后主持国家自然科学基金、国家重点研发子课题等重要科研项目10余项。以第一/通讯作者在Nat. Water、Nat. Commun.、Chem. Rev.、Angew. Chem.、Environ. Sci. Technol.等期刊发表高水平SCI论文50余篇，其中ESI热点论文1篇，高被引论文2篇，封面论文5篇，SCI论文他引4000余次，个人H指数25。以第一发明人获授权发明专利10件。担任《Energy & Environment Nexus》编委，《土壤学报》、《环境工程学报》、《工业水处理》青年编委，兼任福建省碳中和学会副理事长。
通讯作者简介
周顺桂，福建农林大学副校长、特聘教授（二级），博士生导师。获国家杰出青年科学基金及延续项目（2019-2029），国家万人计划创新领军人才（2018）。主要从事土壤微生物电化学、有机固体废物资源化利用方面的基础理论与应用研究。主持国家自然科学基金11项（包括国家杰青及延续项目、优青、重大研究计划、联合基金重点、面上及青年项目）、国家863、国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划课题等重要科研项目30余项。以第一或通讯作者发表SCI 论文200余篇，论文SCI他引>20000次，个人H指数80。2021年起，连续入选“ESI中国高被引学者”榜单。获授权国家发明专利80余件、美国发明专利3件。曾获中国青年科技奖、光华工程科技奖、国家科技进步二等奖（排名第五），以第一完成人获福建省自然科学一等奖、广东省科学技术一等奖、广东省专利优秀奖等。
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