半导体-微生物界面超快电子转移动力学：提升胞外光电子利用效率的关键机制

本研究揭示了CdxZn1-xS/MR-1杂化系统中光电子转移的动力学优势机制。通过时间分辨光谱（TRPL/TAS）和密度泛函理论计算，发现CdS相较于ZnS具有更长的光电子寿命（1.14±0.12 ps vs 0.18±0.03 ps）和更高电子迁移率（119.71 cm2/V·s vs 62.47 cm2/V·s），使MR-1能更高效捕获光电子。外源细胞色素c（cyt c）通过调控胞外/胞内电子传递（EET）动力学，将瞬时光电子转化为稳态还原态，最终通过金属还原通路（Mtr）驱动偶氮染料（DB71）降解效率达98%。该研究为优化半导体-微生物杂化系统的能量转换效率提供了新视角。

　　

半导体-微生物界面的超快电子转移动力学

构建Cd_xZn_1-xS/MR-1杂化系统
通过MR-1生物合成制备的Cd_xZn_1-xS纳米颗粒（CdS、Cd_0.7Zn_0.3S等）与菌体紧密接触。X射线衍射（XRD）证实立方晶系结构，紫外可见光谱显示带隙从CdS的2.37 eV增至ZnS的3.65 eV。价带X射线光电子能谱（VB-XPS）测定CdS的导带电位为-0.82 V（vs NHE），虽热力学劣势于ZnS（-1.37 V），但细胞活性检测（CCK-8/DMAO-PI）证实系统保持90%以上存活率。

光电子利用效率的动力学优势
在280-400 nm光照下，CdS/MR-1对DB71的1小时降解效率达98%，是ZnS/MR-1（31%）的3倍。瞬态吸收光谱（TAS）揭示关键机制：CdS的光电子寿命（1.14 ps）显著长于ZnS（0.18 ps），且电子迁移率（119.71 cm2/V·s）近乎ZnS的两倍。密度泛函理论计算显示，Cd-S轨道杂化区域（2.2 eV）比Zn-S（1.1 eV）更宽，共价度达82%（ZnS为80.6%），促进电子快速转移。

细胞色素c的桥梁作用
光致发光（PL）谱显示，添加外源cyt c使CdS/MR-1(无菌)体系的荧光强度降低50%。时间分辨PL（TRPL）测得cyt c复合物的载流子寿命延长至4.7 ns，证实其作为"电子缓冲池"的功能——将飞秒级光电子转化为毫秒级稳态电子，匹配MR-1的Mtr通路（OmcA/MtrC等膜细胞色素）时间尺度。

转录组学的通路验证
RNA-seq分析发现CdS与ZnS组的差异基因仅28个（|log₂FC|>1），且均不涉及Mtr通路（omcA/mtrC等）、导电菌毛（mshG/pilX）或偶氮还原酶（azoR）等关键电子传递链。热图显示两组中Mtr通路基因表达量相似，但CdS组的NADH/NAD⁺循环相关基因（ndh/nuoN）表达更高，反映其光电子通量优势。

环境应用与进化意义
该发现不仅为设计高效污染物降解系统提供指导（如优化半导体载流子寿命），更揭示自然界中半导体矿物（如黄铁矿）与微生物的能量交换机制。在阳光照射的沉积环境中，类似CdS的矿物可能通过"微生物光电效应"驱动元素循环，这为早期地球光合作用起源提供了新思路。未来研究可聚焦pH/温度对界面动力学的影响，或探索半导体-生物膜协同作用机制。