光驱动微生物杂化系统利用氮气实现二氧化碳还原 | NSR

将CO2光化学还原与N2固定反应耦合在一起具有极大的挑战性，因为这两个过程的反应条件通常是不兼容的。传统的热力学耦合通常是能源密集型的，并且需要苛刻的反应条件。虽然电化学方法可以在环境条件下实现耦合，但法拉第效率较低。

图1. 光驱动微生物杂化体系利用生物固氮实现二氧化碳还原

研究团队通过高分辨共聚焦荧光成像分析显示，钴卟啉光催化剂分子可以均匀分布在固氮细菌中。进一步研究发现，在这种微生物杂化体系中，分子性的钴卟啉催化剂的引入并没有影响固氮细菌的生物活性和生物固氮功能。

图2. (a)光驱动微生物杂化系统构建，(b)固氮细菌的SEM图像，(c)光驱动微生物杂化系统的 SEM图像，(d)紫外可见吸收光谱，(e)催化剂在固氮菌中的共焦3D荧光分布，(f) 共焦荧光图像显示细胞内 DNA 和光催化剂分布。

光催化性能分析显示，这种微生物杂化系统在可见光照射下，CO₂光催化还原甲酸的速率超过1.41×10⁻¹⁴mol h⁻¹ cell⁻¹，并且有机氮含量在48小时内增加了3倍以上。生物活性分析显示，可见光的照射并不会影响微生物杂化系统中固氮菌的活性和生物固氮性能。

图3. (a)光驱动微生物杂化系统通过固定N₂促进光催化CO₂还原产生甲酸示意图，（b）微生物杂化系统在光照射下HCOO⁻的浓度变化， (c) 微生物杂化系统有机氮含量分析， (d) 微生物杂化系统还原¹³CO₂和¹²CO₂液体产物的¹³C NMR谱，(e)固氮细菌在光照射下HCOO⁻的浓度变化， (f) 微生物杂化系统在黑暗条件下HCOO⁻的浓度变化，（g）光催化剂和固氮培养基在光照射下HCOO⁻的浓度变化。

这项研究为耦合CO₂光化学还原和N₂固定提供了一种有用的策略，克服了传统光驱动生物杂化系统中外部牺牲电子供体试剂的使用。基于耦合CO₂光化学还原和生物固氮的思路也为利用光敏材料的催化能力和微生物的特定合成能力提供了独特的视角。