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目前 Haber-Bosch（H-B）法合成氨存在能耗高、污染大等问题。研究人员开发 CuInS?/ZnS 量子点（QDs）- 固氮菌（A. vinelandii）杂合系统，实现高效光驱动固氮，NH??产率达 1.38 mmol?g?1?h?1，为人工光合固氮提供新策略。
在全球工业化浪潮中，氨作为重要化工原料，其生产方式始终面临严峻挑战。传统 Haber-Bosch（H-B）工艺虽支撑着全球约 80% 的氨产量，却需在高温高压（300-500℃、200-300atm）下运行，每年消耗全球 1%-2% 的能源，同时释放大量 CO?（占全球人为排放量 1.4%），加剧气候危机。如何利用可再生能源、在温和条件下实现氮气到氨的转化，成为科学界和工业界共同追寻的 “绿色密码”。
为破解这一难题，大连理工大学等机构的研究团队聚焦半人工光合作用领域，开展了一项突破性研究。他们构建了一种基于谷胱甘肽修饰的 CuInS?/ZnS 量子点（CIZS QDs）与固氮菌（Azotobacter vinelandii，A. vinelandii）的生物杂合系统，相关成果发表在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》。该研究旨在通过半导体光催化与微生物酶催化的协同作用，开发高效、可持续的光驱动固氮体系，为 “太阳能细胞工厂” 合成高价值化学品奠定基础。
研究采用的关键技术方法包括：
- 量子点制备：通过水热法合成谷胱甘肽修饰的 CIZS QDs，并引入 ZnS 壳层以提升光稳定性和光吸收效率；
- 生物杂合系统构建：利用细胞内吞策略将 QDs 导入 A. vinelandii 细胞，形成稳定杂合体系；
- 光催化固氮性能表征：通过检测 NH??产率评估系统活性，并结合透射电镜（TEM）、荧光光谱等技术分析 QDs 的细胞内定位及电子转移机制；
- 代谢机制分析：通过测定细胞内 ATP 含量、还原型铁氧还蛋白（Fd）/ 黄素氧还蛋白（Fld）水平及固氮酶活性，揭示光生电子对微生物代谢通路的调控作用。
研究结果
生物杂合系统的固氮性能突破
在可见光照射下，CIZS-A. vinelandii 杂合系统的 NH??产率达 1.38 mmol?g?1?h?1，是野生型 A. vinelandii 的 4.3 倍，且显著优于单独使用 CIZS QDs 或野生型细菌的对照组。这表明半导体与微生物的协同作用可大幅提升固氮效率。
量子点的细胞内定位与电子转移优化
透射电镜观察显示，QDs 成功定位于 A. vinelandii 细胞质内，缩短了光生电子从半导体到固氮酶的转移距离（约 10-20 nm），同时抑制了电子 - 空穴对复合（复合率降低 65%）。最佳 QDs 浓度（0.0375 mg?mL?1）下，细菌存活率保持在 90% 以上，确保了系统稳定性。
固氮酶活性与代谢通路调控
机制研究发现，QDs 产生的光生电子通过微生物电子传递链，使细胞内 ATP 浓度提升 2.1 倍，还原型 Fd/Fld 含量增加 1.8 倍，直接激活固氮酶的催化活性（酶活性提高 3.2 倍）。这一过程绕过了传统微生物代谢对自身能量储备的依赖，开辟了外源电子驱动生物合成的新路径。
界面作用机制与系统稳定性
通过 X 射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS）分析，证实 QDs 与细菌细胞膜之间通过谷胱甘肽的巯基（-SH）形成稳定结合，界面电子转移电阻降低至野生型系统的 1/3。连续光照 12 小时后，杂合系统的 NH??产率仅下降 8%，显示出良好的操作稳定性。
研究结论与意义
该研究首次将谷胱甘肽修饰的 CIZS QDs 与 A. vinelandii 结合，构建了高效光驱动固氮的生物杂合系统。实验表明，细胞内定位的 QDs 通过优化电子转移路径、增强固氮酶活性及代谢中间体供应，显著提升了氨合成效率。这一成果不仅为人工光合固氮提供了新策略，也为开发 “半导体 - 微生物” 杂合体系在化学品合成、碳循环等领域的应用奠定了理论基础。
值得关注的是，该系统无需基因改造即可实现代谢增强，规避了传统微生物工程中基因编辑可能引发的代谢紊乱风险，为绿色生物制造提供了更具生物相容性的解决方案。未来，通过进一步优化半导体 - 微生物界面工程（如量子点尺寸调控、表面配体设计），有望推动该技术向工业化应用迈进，助力 “碳中和” 目标下可持续化学合成体系的构建。
