中国石油大学（北京）李叶青、中国农业科学院潘君廷团队BRJ：半人工光合系统在能源和环境解决方案中的作用

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半人工光合系统（SAPS）创造性地整合了合成材料（半导体光敏剂和电极）和微生物，将天然光合系统（高催化反应选择性）和人工光合系统（优异的光收集性能）的优点结合起来，有效地克服了人工光合系统选择性差的缺点，为人工光合系统的发展带来了新的机遇。为了实现高效的光子捕获和电子转移，合成材料的设计和选择在该系统中起着至关重要的作用。本综述从SAPS的基本原理出发，围绕材料与微生物这一特殊的SAPS，综合性的介绍了其组成形式，分步阐述了其基本的研究方法，并依据SAPS独特的氧化还原特性全面综述了其近年在环境修复和可持续能源生产中的应用。最后，从限制SAPS应用的难点出发对未来的研究方向提出了思考，并深入探讨了环境和经济政策及其可能得实际意义。目前，该文章以“The role of semi-artificial photosynthetic systems in energy and environmental solutions: a critical review”为题发表在Biofuel Research Journal上。

随着工业化和城市化进程的加快，以及全球人口的快速增长，能源短缺和环境污染已成为制约人类社会进步的重要因素。为了更好地保护环境和缓解能源危机，寻找和开发可持续、可再生的清洁能源引起了研究人员的广泛关注。在这一过程中，太阳能成为最重要的可再生清洁能源之一，它具有丰富、易获取、易于转化为热能、电能和生物质能等优势，具有取代传统能源的巨大潜力。

作为一个典型的例子，基于绿色植物、藻类及其他光合生物的自然光合系统为高效利用太阳能提供了蓝图。这些系统利用光合生物叶绿体对太阳能的吸收，同化CO₂和H₂O，产生有机物并释放O₂。自然光合系统内部的各种过程各自独立但又相互协调，发生在不同的时间和地点上。然而，光合生物主要依靠自然光合系统进行生长，而不是合成代谢物。因此，必须进行二次加工才能生产出有价值的化学物质。此外，天然光合系统还面临着一些能量转换瓶颈，限制了其效率。研究表明，温带和热带地区农作物的太阳能转换效率通常不超过1%，而植物和藻类的转换效率仅约为3.2%。相对而言，人工光合系统是指光催化剂在光激发下产生光激发电子和空穴。随后，这些光激发的电子和空穴迁移到光催化剂表面，驱动多电子催化反应，促进CO₂还原、H₂生成和固氮等过程。然而，人工光合系统通常依赖于高纯度半导体材料，制备过程复杂，成本高，易受电解质分解的影响，缺乏在自然光合系统中观察到的生物催化剂的自我修复能力。此外，虽然人工光合系统在生产高附加值多碳化合物（CO₂→C2+）方面显示出前景，但它们往往产生混合物，导致效率低和选择性差等缺点。因此，目前人工光合系统大规模商业化的可行性有限。

基于此，研究人员将高效吸收光能的半导体材料与高选择性催化的微生物集成，合成一种新的人工光合系统—半人工光合系统，在这个新的人工光合系统里，利用微生物的优异选择性催化性能将半导体吸收的光能转化为特定的化学能，大幅提高人工光合系统的效率和特异性生产复杂化合物的能力，为光驱生物制造技术提供新的路径。

SAPS的基本过程可分为三个阶段：光收集、电子转移和能量转换。如图1所示，在SAPS中，当光敏材料（如半导体光催化剂）在光照射下吸收能量（hv）大于或等于其带隙能（Eg）的光子时，光敏剂被激发，从而产生光诱导的电子和空穴。随后，光诱导的电子可通过直接转移途径（由细胞色素或酶介导的电子转移）和间接转移途径（由氧化还原介质或氢/甲酸盐介导的电子转移）转移到生物催化剂（如全细胞微生物）的活性位点。光产生的电子随后被输送到生物催化剂细胞，参与生物活性辅因子的再生，最终为生物催化剂的合成代谢提供持续的能量供应。在此过程中，人工合成的光敏材料负责激发和传递光诱导的电子，并保护和固定生物催化剂。反过来，生物催化剂利用合成材料产生的光诱导电子加速固有的复杂化学反应，将太阳能转化为燃料和增值化学品。

与自然光合系统相比，SAPS具有更广泛地利用太阳光谱和克服某些代谢限制的优势。这种能力使SAPS能够避免相互竞争的代谢步骤，从而提高生物催化剂的效率。与人工光合系统不同，SAPS可选择性地将太阳能转化为高价值燃料和高附加值化学品，从而最大限度地减少不需要的副产品的产生，最大限度地提高太阳能利用率。

图1 半人工光合系统机理示意图

SAPS的性能受到各种因素的限制，这些因素共同影响着系统的能量转换效率和运行稳定性。总的来说，这些因素主要包括：合成材料自身特性、生物催化剂的选择和半人工光合系统的结构设计（如图2）。

图2 半人工光合系统的影响因素

半人工光合系统的组成分类和研究方法

SAPS将合成材料与微生物融为一体，具有显著的优势。首先，它们具有很强的环境适应能力，能够在温度、pH值和溶液盐度变化等各种条件下正常成长。这种适应性拓展了SAPS的潜在应用领域。其次，微生物细胞具有多功能性，不仅含有酶，还具有其他代谢途径和功能。这种能力使它们能够催化更广泛的底物，合成复杂程度可调的化合物。最后，微生物表现出卓越的自我修复和复制能力。当前，材料-微生物混合的半人工光合系统可根据所采用的合成材料分为两种主要类型：半导体-微生物混合系统和电极-微生物混合系统。

研究SAPS中电荷转移机制的方法具有重要的理论和实践意义。研究这些系统涉及生物学、物理学和化学等多个学科，并在很大程度上依赖于先进的表征技术。这些技术通常包括光谱学、蛋白质组学和转录组学，如图3所示。目前，根据SAPS中光诱导电荷的迁移过程，可将该系统的机制分为两部分进行探索。

图3 半人工光合系统的研究方法

半人工光合系统的应用与展望

SAPS是一个新兴的前沿研究方向，尽管其发展历史相对较短，但已显示出巨大的潜力和广阔的前景。这些多功能系统可应用于多个领域，包括清洁能源生产、环境修复和创新生物医学应用。在能源领域，SAPS的引入为解决能源短缺和减少碳排放提供了新理念和新技术方法。

在环境修复领域，SAPS具有高效降解有机污染物和减少重金属的能力，有助于净化环境。此外，在生物医学领域，利用SAPS技术合成复杂的药物前体也大有可为。总的来说，SAPS的应用可分为四大类：利用其氧化能力进行环境修复；利用其还原能力进行清洁能源生产，包括固碳、固氮和制氢。

SAPS为生产清洁能源和修复环境提供了宝贵的见解和方法。这些系统面临的主要挑战之一是在合成材料和生物催化剂之间实现高效的电子转移，同时保持生物催化剂的活性和稳定性。然而，作为一个相对较新的领域，目前的研究仍处于早期阶段，面临着各种挑战。这些挑战包括确保系统的稳定性和可持续性，提高太阳能到化学能的转换效率，增强合成材料和生物催化剂界面的兼容性，以及解决SAPS的工程和实用问题。为了应对这些挑战，研究人员提出了几种改性策略。如前所述，这些策略包括对合成材料或生物催化剂进行表面改性、设计纳米结构、选择具有良好生物相容性的合成材料、基因工程以及改进和优化生物-非生物界面。

此外，SAPS的研究和应用对经济和环境都有重大影响。决策者在制定相关政策时需要充分考虑这些影响，并采取适当措施平衡经济和环境利益，从而促进SAPS的健康发展。此外，研究人员应继续深入研究这项技术，提高其效率和稳定性，降低成本和风险，为人类社会的可持续发展做出更大贡献。