《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Intracellular C
3N
4 quantum dots-
Enterobacter aerogenes biohybrid system for efficient solar hydrogen production
编辑推荐：
光驱动生物混合系统利用C3N4量子点增强大肠杆菌产氢效率，3小时内实现8.6mL氢气产量，较纯菌系统提升52.3%。该系统通过光致电子转移优化微生物代谢路径，为太阳能化学转化提供新方案。
李晓明|朱国鹏|张绍青|杨秀涛|牛海斌|朱峰|余洪文
中国科学院东北地理与农业生态研究所，中国长春 130102
摘要
对初级能源的大量消耗加剧了全球能源危机和环境退化，因此开发可再生替代能源变得迫在眉睫。氢能作为一种清洁且可再生的二次能源，提供了有前景的解决方案。在各种可持续氢生产策略中，太阳能驱动的全细胞微生物生物氢合成方法尤为引人注目。在此，我们构建了一个光驱动的细胞内无机-生物混合系统以提升氢产量。具体而言，将C?N?量子点（QDs）引入Enterobacter aerogenes菌中，增强了光诱导的电子分离和转移效率，在25毫升的反应器中3小时内产生了8.6毫升的氢气，比仅使用细菌的系统提高了52.3%。这项工作为将无机纳米材料的光捕获特性与微生物的代谢机制相结合以实现高效的太阳能到化学能转换提供了宝贵的见解。
引言
由于全球能源需求的持续增长、不可再生化石燃料储备的迅速枯竭，以及主要由碳氢化合物燃料燃烧产生的温室气体排放导致的全球变暖问题日益严重，[1][2]，迫切需要开发环保且可再生的绿色能源[3]。其中，氢能因其高效率、清洁的燃烧特性和可再生性而备受关注[4]。然而，全球约95%的氢生产仍然依赖于不可再生化石燃料[5]，这不仅延续了对有限资源的依赖，还加剧了环境问题[6]。太阳能驱动的氢生产代表了一条有前景的可持续且低碳的发展路径。特别是利用可再生半导体纳米材料和高效生物催化剂将太阳能转化为氢能，是实现清洁能源生成的理想策略。
半导体纳米材料可以直接利用太阳能进行水分解以产生氢气，而且氢生产过程通常不会产生有毒物质，使其成为一种环保的氢生产技术[7]。然而，半导体纳米材料在响应可见光方面存在不足，光生电子-空穴对的分离和转移效率较低[8]。为了解决这些问题，人们采取了形成异质结构[9]、进行结构工程[10]，以及引入Pt、Ag及其氧化物作为共催化剂[11][12]等策略。然而，贵金属的高成本和稀缺性成为大规模应用催化氢生产的主要限制因素。生物氢生产主要通过微生物的生理代谢将太阳能和有机能转化为氢能[14]。该过程条件温和，不消耗化石燃料，污染物排放量极少，是一种可再生的方法[15][16]。不过，微生物氢生产面临底物转化效率低、中间产物积累以及需要昂贵的辅因子（NAD(P)H和ATP）和/或“辅助”蛋白来辅助微生物催化的挑战[17][18]，这些因素限制了微生物氢生产的工业化进程。
C?N?量子点（QDs）作为一种无机光催化剂，由于其高生物相容性和低合成成本，显示出作为细胞内光催化剂的巨大潜力[19][20]。Enterobacter aerogenes（E. aerogenes）是一种兼性厌氧菌，具有广泛的底物谱、较为明确的氢代谢途径和高环境适应性。它通过黑暗发酵产生氢气，这一过程基本不受光照影响[21]。在此，我们通过将纳米级半导体材料C?N? QDs与产氢细菌E. aerogenes结合，构建了一个光生物混合系统，显著提升了氢产量。在另一项研究中，通过掺杂非金属元素增强了SCNPs-细菌混合系统的氢生产效率[22]；此外，还在氢生产生物混合系统中广泛研究了添加金属氧化物纳米颗粒（NPs）以促进氢生成[23]。
在光照条件下，C?N? QDs-E. aerogenes生物混合系统利用微生物作为生物催化剂驱动复杂的内源性反应，而C?N? QDs则通过光吸收、电荷生成与转移、化学转化、产物分离以及保护生物组分等方面发挥作用[24][25]。如图1所示，制备过程包括通过一系列处理将块状C?N?转化为C?N? QDs。所得到的QDs被引入E. aerogenes的培养基中，并通过吞噬作用被细胞内化。进入细胞后，C?N? QDs在光照下产生光电子，这些电子随后被转移到微生物的代谢网络中。通过缩短电子转移的距离，加速了生物代谢途径，从而提高了氢生产的整体效率。这项工作展示了一种通过合理设计的光驱动生物混合系统实现高效光催化氢生产的策略。
试剂
Enterobacter aerogenes（E. aerogenes），菌株CICC 10418（注册号AJ110637），购自中国工业微生物菌种保藏中心（CICC）；LB肉汤培养基由Sangon Biotech Co., Ltd.提供；无水葡萄糖、浓硫酸（98%）和浓硝酸（68–70%）以及三聚氰胺均来自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.；NAD+/NADH检测试剂盒（WST-8方法）由Beyotime Biotechnology Co., Ltd.提供。C?N? QDs-E. aerogenes生物混合系统的表征
C?N?量子点（QDs）通过三步法从三聚氰胺合成[31][32]。在紫外光照射下，C?N? QDs的水分散液表现出明亮的蓝色荧光，而纯水中未观察到荧光（图2A, B），这初步证明了量子点的成功形成。透射电子显微镜（TEM）图像（图2C）显示，制备的C?N? QDs的平均粒径约为3.5±0.1纳米（图2D）。结论
本研究成功构建了一个基于活微生物和无机纳米材料的细胞内生物混合系统，用于高效的光催化氢生产，并探讨了C?N? QDs-E. aerogenes生物混合系统在光照下的代谢响应行为。在该系统中，C?N? QDs在光照下产生光电子，而E. aerogenes作为生物电子受体，有效利用这些外源电子来增强细胞内的氢生成过程。
CRediT作者贡献声明
李晓明：撰写——初稿。朱国鹏：撰写——审稿与编辑。张绍青：数据管理。杨秀涛：指导。牛海斌：验证。朱峰：验证。余洪文：资金获取。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。致谢
作者感谢吉林省科学技术厅（20240404051ZP）的财政支持。
