掺铁的量子点增强了厌氧光异养生物中的协同双循环碳固定能力，从而用于增值产品的合成：这是一种实现高效废水资源化利用并实现净碳减排的创新策略

《Journal of Cleaner Production》：Fe-doped quantum dots boost synergistic dual-cycle carbon fixation for value-added products synthesis in anoxygenic photoheterotrophs: an innovative strategy toward high-efficiency wastewater valorization with net carbon reduction

光催化纳米材料Fe-CQDs通过增强光吸收与电子转移效率，显著提升红不劳森氏菌的光合固碳能力，使CO?减排达30%，同时提高蛋白质、类胡萝卜素及番茄红素产量29.6%-63.2%。机制研究表明Fe-CQDs的Fe-O-C键优化了能带结构，促进光电子向细胞内转移，协同Calvin-Benson-Bassham循环与还原三羧酸循环实现双碳代谢流优化。

　　

郑瑶瑶|孙健|袁勇

中国广东省广州市，广东工业大学环境科学与工程学院环境催化与污染控制重点实验室、环境催化与健康风险控制重点实验室、固体废物回收与安全处理广东省工程技术研究中心，邮编510006

摘要

Rhodopseudomonas palustris的光异养碳同化过程为可持续废水处理提供了一个独特平台，能够在实现最小碳排放的同时，将有机废物转化为高价值的生物产品，并重新固定产生的CO₂。然而，其效率受到光吸收能力较弱和碳固定动力学缓慢的限制。为了解决这一问题，我们构建了一种纳米光生物杂交体，使用掺铁碳量子点（Fe-CQDs）作为光捕获天线，并引入光诱导电子供体。与纯R. palustris相比，Fe-CQDs–R. palustris杂交体将CO₂排放量减少了近30%，同时蛋白质、类胡萝卜素和番茄红素的产量分别提高了29.6%、32.3%和63.2%。这些提升得益于Rubisco活性的增加（提高了36.0%）、三磷酸腺苷（ATP）含量的增加（增加了6倍）以及NAD(P)H/NAD(P)⁺比值的升高（分别增加了230%和303%）。与CQDs–R. palustris相比，Fe-CQDs–R. palustris体系在CO₂还原和产物产量方面分别提高了28.21%和4.84–20.14%，并且ATP和辅因子的供应也得到了显著增强。多组学分析显示，Calvin-Benson-Bassham（CBB）循环和还原性三羧酸（rTCA）循环得到了协调上调，从而建立了高效的双循环碳固定模式。Fe-CQDs中的Fe-O-C键产生了中间能级态，使带隙从3.98 eV缩小到3.47 eV，并形成了导电桥，促进了光电子向细胞内的传输，将碳流导向碳固定过程。这种独特的结构修饰使得Fe掺杂CQDs比未掺杂CQDs具有更高效的光捕获和界面电子传输能力。研究表明，外部光电子可以被引入细胞能量代谢，激活光异养生物的双循环碳固定网络，为提高废水处理中的CO₂再固定潜力提供了有效的纳米增强途径。

引言

随着气候危机的加剧，尤其是《巴黎协定》中提出的将全球变暖限制在1.5°C的雄心勃勃的目标，开发碳负技术已成为全球性的紧迫任务（Chen等人，2025b）。虽然活性污泥系统和好氧堆肥等生物过程是传统环境修复和废物管理的基础，但它们的碳足迹较大，往往对气候缓解措施产生不利影响（Li等人，2022a）。因此，迫切需要创新的环境生物技术，超越单纯的污染控制，建立一种将修复和资源回收相结合的新一代模式，实现废物转化为碳汇和高价值产品，符合循环经济的目标。

厌氧光合细菌（APBs），特别是Rhodopseudomonas palustris（R. palustris），以其能够同时去除废水中的有机污染物并合成高价值生物产品的能力而著称（Alloul等人，2019；Hülsen等人，2022；Wu等人，2019）。这种双重功能，加上其显著的代谢可塑性，使其在废水处理中的生物技术应用具有巨大潜力。R. palustris的一个关键可持续性特征是它能够在光异养条件下同时吸收有机碳，并将产生的CO₂转化为高价值生物产品（Liu等人，2025；Mckinlay和Harwood，2010；Xia等人，2024a）。因此，从有机碳氧化中释放的CO₂有很大一部分被重新吸收，从而降低了净碳排放，为废水处理提供了具有碳负潜力的途径，这依赖于优化该生物体的固有碳固定能力。

尽管R. palustris等厌氧光合细菌在废水处理中具有潜力，但其实际应用面临几个根本性限制。主要瓶颈在于三羧酸（TCA）循环在有机碳氧化过程中会产生NADH，而碳固定所需的CBB循环则需要NAD(P)H，这使得转氢酶活性成为关键的限制因素（Mckinlay和Harwood，2010）。光合作用和有机氧化同时产生的电子输入还会导致醌池过度还原和代谢抑制（Jatain等人，2021；Sun等人，2025；Zhang等人，2024）。此外，由于吸收光谱较窄，光利用效率低下，限制了CBB循环所需的ATP和还原剂的供应（George等人，2020）。尽管CO₂固定可以作为电子受体，但其能力受到RuBisCO活性和CBB循环流量的限制（Erb和Zarzycki，2016；Lu等人，2025）。最后，碳分配也是一个挑战，因为生物质/产品合成与通过RuBP再生进行CO₂固定之间存在竞争，这通常导致碳流倾向于直接吸收而非再固定，从而降低了整体碳负效益（Mckinlay和Harwood，2010）。克服这些问题需要创新策略，以同时增强光捕获、调节氧化还原平衡，并将碳流导向CBB循环。

碳量子点（CQDs）是一种零维荧光碳纳米材料，尺寸通常小于10纳米，由于其出色的生物相容性、低毒性、可调的光致发光性和易于绿色合成，成为增强微生物过程的有希望的平台（Chen等人，2026；Yuan等人，2023）。它们的多功能性体现在环境技术之外的广泛应用，包括在固态照明和显示器中的下转换层、生物医学成像和传感中的敏感探针（Elagamy等人，2025a，2025b；Singh等人，2025）。此外，CQDs在生物体内的兼容性和成功应用支持了其在微生物杂交系统中的使用（Kansay等人，2023a，2023b）。在非光合细菌中，CQDs已被证明可以促进细胞外电子传输，提高生物电化学系统中的CO₂转化效率，从而改善废水处理和生物质生产（Guan等人，2022）。通过异原子掺杂（如铁），可以显著改善其功能，修改带结构，提高电荷传输效率，增强分散性和稳定性，特别是在光电应用中（Dutt Sharma等人，2024；Karem等人，2025；Sun等人，2023）。然而，以往的研究主要集中在非光合或自养微生物中的光活性纳米材料上（Shen等人，2023；Wu等人，2020），而Fe-CQDs与厌氧光合细菌之间的相互作用仍鲜有研究。关键的是，它们对基本光合过程（包括光捕获、细胞外电子传输、CBB循环效率和增值产品合成）的影响尚未得到系统研究。

本研究旨在通过构建R. palustris与Fe-CQDs的杂交系统来填补这一知识空白，以提高CO₂的再吸收能力和将碳导向高价值生物产品的合成。我们假设Fe-CQDs将作为多功能纳米增强剂，通过（1）通过天线效应拓宽光吸收光谱范围，缓解天然细菌色素的局限性；（2）通过铁介导的氧化还原穿梭促进细胞外电子传输，从而缓解醌池过度还原并支持氧化还原平衡；（3）通过增强能量和还原剂供应，潜在地上调关键酶途径（包括CBB循环的途径）来发挥作用。核心创新在于将Fe-CQDs不仅作为被动添加剂使用，而是作为主动的界面介质，同时针对厌氧光合细菌中的多个相互关联的代谢瓶颈。我们将采用包括光电化学检测、代谢组学、¹³C同位素追踪和宏基因组分析在内的综合方法来阐明潜在机制并评估系统性能。这项工作为显著提高光合细菌的碳固定潜力提供了机制基础和新型策略，这是设计低碳废水处理过程的关键步骤。

材料与方法

本节概述了本研究中采用的实验程序和分析技术。下面提供了关于材料合成、生物培养和表征方法的详细信息，以确保可重复性。

结果与讨论

本节依次介绍了碳量子点的表征，系统评估了它们对R. palustris的生物学影响，并从机制上探讨了观察到的增强的基础和环境意义。

结论

本研究表明，掺铁碳量子点（Fe-CQDs）与R. palustris形成了协同的生物杂交系统，显著增强了光合CO₂固定和有价值化学品的共同生产。Fe-CQDs作为优秀的光捕获天线，通过c型细胞色素将光生成的电子直接注入细菌的电子传输链，这种直接的电子传输深刻地重新编程了细胞代谢，并触发了前所未有的

CRediT作者贡献声明

郑瑶瑶：撰写——原始草稿，研究，正式分析，数据管理。孙健：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，监督，资金获取，概念构思。袁勇：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。

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补充材料包括合成碳量子点的详细XPS和XRD分析，以及碳量子点–R. palustris复合材料的综合XPS光谱（C1s和N1s）（文本S1和S2）。碳量子点的表征（TEM、PL光谱、UV光谱、Mott-Schottky、XPS、XRD），Fe-CQDs–R. palustris复合材料的甘油磷脂代谢途径，KEGG三级注释，XPS（C1s、N1s）光谱以及碳量子点–R. palustris复合材料的表征

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：U24A20624和42577135）和广东省自然科学基金（资助编号：2024A1515012509）的支持。我们感谢广东工业大学分析与测试中心的Xiao Zhou先生在XPS和XRD分析方面提供的帮助。