利用工程化的半导体-细菌生物杂化体从废水中通过太阳能驱动合成聚羟基丁酸酯（PHB）

《TRENDS IN Biotechnology》：Solar-driven PHB synthesis from wastewater by engineered semiconductor–bacteria biohybrids

半导体生物杂合体系通过光电子驱动实现废水污染物降解与PHB合成同步高效（15.38 g/L），并利用EPS介导稳定性保护与CO2固定，构建闭环水处理系统。

　　

技术成熟度

这种工程化的生物混合平台是一个经过验证的实验室原型[技术成熟度等级（TRL）4]，代表了废物转化为价值方面的范式转变。该系统不仅证明了概念的可行性，还将多种先进功能（自组装半导体合成、光电子驱动的新陈代谢和高产生物生产）整合到一个连贯的过程中。其在处理真实工业废水方面的有效性已经得到了严格验证，实现了污染物的同时去除以及生物塑料聚羟基丁酸酯（PHB）的工业相关产量生产（约15克/升）。这使得这项技术不仅仅是一种修复工具，更成为太阳能驱动的生化制造的基础平台。要实现试点规模验证和工业应用（TRL 6–7），关键在于克服系统级集成挑战。当前的重点是设计能够在动态、非无菌环境中保持稳定性和生产力的强大联盟和生物反应器。如果成功将这项技术扩大规模，可能会颠覆传统的废水管理方式，将处理厂转变为净正向的生物工厂，最终建立一个闭环模型，在该模型中，废物流成为可持续化学工业的主要原料。

亮点

工程化的细菌通过自组装生物硫化物和重金属为半导体纳米颗粒，将废水中的污染物转化为能够捕获光线的生物混合体。

我们的重组硫酸盐还原菌（SRB）系统通过结合增强的硫酸盐还原作用和光生空穴氧化作用，实现了超过95%的有机物去除率和超过98%的重金属回收率。

通过光电子增强碳通量重定向，从废水中合成的聚羟基丁酸酯（PHB）产量达到了15.38克/升，其中光生成的电子促进了乙酰辅酶A（acetyl-CoA）的生成和NADPH的再生。

利用半导体产生的电子，通过伍德-伦达尔途径（Wood–Ljungdahl pathway, WLP）进行的光电子驱动的二氧化碳（CO?）固定效率达到了99.75%。

生物混合体通过胞外聚合物物质（EPS）介导的保护作用保持长期稳定性和高生物相容性，这种物质可以淬灭活性氧物种、络合有毒金属并促进电荷转移。

摘要

半导体生物混合系统利用微生物的酶促精确性和半导体的光捕获能力，实现了高效的太阳能到化学物质的转化，为能源密集型生产提供了可持续的替代方案。为了克服与环境友好型纳米颗粒（NPs）合成相关的挑战，我们利用废水污染物来生产半导体生物混合体。我们改造了硫酸盐还原菌[rSRB-polyhydroxybutyrate (PHB)]，使其能够通过微生物的S2?-金属键合作用自组装胞外聚合物物质（EPS）复合的纳米颗粒。这些半导体生物混合体利用光生成的电子驱动硫酸盐还原反应，同时通过空穴介导的氧化作用降解污染物，从而形成了一个自我强化的循环，促进了PHB的合成。光电子通过c型细胞色素为乙酰辅酶A（acetyl-CoA）和NADPH的再生提供了能量，支持了基于太阳能的二氧化碳（CO?）固定过程。耦合的光氧化还原反应将碳通量导向PHB的生物合成，实现了15.38克/升的产量。此外，光电子还上调了硫酸盐代谢相关基因，稳定了金属硫化物的生产。因此，该系统实现了在废水生物反应器中通过太阳能驱动的二氧化碳（CO?）还原与有机物质的转化，为污染物去除和碳减排提供了可持续的途径，推动了低碳废水处理和循环经济的发展。