CuInS2量子点驱动Clostridium Ljungdahlii光合催化还原CO2为C2产物

《DeCarbon》：CuInS 2 Quantum Dots Drive Clostridium Ljungdahlii Photosynthetic Catalysis for CO 2 Reduction to C 2 products

　　

利用厌氧细菌以CO₂为碳源、H₂为电子供体生产清洁燃料（如乙醇）是一种绿色碳减排策略。然而，由于H₂的水溶性低和传质速率慢，细菌对CO₂的利用受到严重限制。在本研究中，研究人员通过整合高效光电转换与稳定生物代谢，构建了一种自光敏化CuInS₂量子点（QDs）–Clostridium ljungdahlii杂合体。采用带隙为1.66 eV的CuInS₂ QDs作为光催化剂，产生光生电子以替代H₂。与纯Clostridium ljungdahlii相比，该杂合体的光电子吸收效率提高了三倍。在自光敏化细胞中，铁氧还蛋白氧化还原酶、一氧化碳脱氢酶和磷酸乙酰转移酶的表达水平分别上调了10%、36%和47%。这些与电子转移及通过Wood-Ljungdahl途径进行CO₂还原固定相关的代谢物和蛋白质的变化，表明细菌高效利用了CuInS₂ QDs产生的额外电子。这些外源电子增强了细菌将CO₂还原为细胞可用有机物的能力，实现了最大乙酸产量0.58 g/L和最大乙醇产量0.21 g/L。此外，该杂合体系实现了31.7%的CO₂转化效率和1.35%的量子产率。本研究证实，CuInS₂ QDs产生的电子可被运输至细菌细胞内，并替代H₂为细胞碳代谢提供能量。

**论文解读文章**

**研究背景、存在问题与研究意义**
大气中CO₂排放的急剧增加加剧了温室效应，威胁全球生态平衡。开发有效的CO₂转化技术对于缓解温室效应和推进可再生能源生产至关重要。基于生物的碳封存技术提供了可持续且环境友好的途径，其中厌氧细菌如Clostridium ljungdahlii（C. ljungdahlii）能够通过Wood-Ljungdahl途径将CO₂转化为乙酸和乙醇等有机产物。然而，该途径中H₂作为电子供体，其在水中的低溶解度严重限制了微生物CO₂生物转化的效率。尽管提高H₂分压可改善溶解度，但高压环境可能抑制微生物生长并显著增加成本。近年来，研究表明产乙酸菌可直接利用细胞外电子促进C1气体固定和乙酸生物合成，半导体基系统可高效收集太阳能产生激发电子，功能性替代H₂以维持微生物碳代谢。此类半人工光合系统整合了微生物酶催化（温和条件、高选择性）与光电转换（高能量利用效率）的优势，是一种有前景的能量转化路线。然而，现有材料如CdS纳米颗粒存在细胞毒性，贵金属纳米材料（如Au₂₂(SG)₁₈）合成成本高且需复杂表面修饰，限制了实际应用。CuInS₂量子点（QDs）具有优异的水溶性、生物相容性和窄带隙，可在可见光下高效激发电子，同时避免紫外光对细菌的损伤，是构建自光敏化细菌杂合体的理想光催化材料，但其在半人工CO₂固定系统中的应用及调控机制尚不明确。因此，本研究旨在构建CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体，探索其光电转化性能及对CO₂还原为C₂产物的影响。该论文发表在《DeCarbon》上。

**主要关键技术方法**
研究人员采用单釜水相合成法制备CuInS₂ QDs（Cu:In=1:4），并通过离心与洗涤将预培养的C. ljungdahlii（购自德国微生物菌种保藏中心DSMZ）与不同质量比的QDs共孵育，构建自光敏化杂合体。利用扫描电子显微镜（SEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及能谱仪（EDS）表征形貌与元素分布；紫外-可见-近红外分光光度计测定吸收光谱；稳态荧光光谱仪测量光致发光（PL）光谱；X射线光电子能谱（XPS）分析元素价态。瞬态光电流测量采用标准三电极体系，飞秒瞬态吸收（TA）光谱分析光生载流子动力学。非靶向代谢组学与TMT定量蛋白质组学（由Novogene公司提供，数据库包括HMDB、KEGG、UniProt）揭示代谢途径与蛋白表达变化。乙酸和乙醇浓度通过气相色谱（GC-FID）测定，总有机碳（TOC）由TOC/TNT分析仪测量。CO₂转化效率（CE_IC）和量子产率（QE）根据公式计算。

**研究结果**
**3.1 CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体的表征**
通过TEM图像显示CuInS₂ QDs为均匀球形，平均粒径8.88±0.87 nm，晶格间距0.32 nm对应黄铜矿相（112）晶面。紫外-可见吸收光谱表明QDs在蓝光波段有强吸收，PL光谱在775 nm处有发射峰，计算带隙为1.66 eV。XPS证实Cu为Cu¹⁺、In为In³⁺，确认成功合成。SEM与TEM结合EDS显示QDs均匀紧密附着于细菌表面，元素组成中Cu、In、S比例接近实验设定值1:4，ICP测定上清液中金属元素浓度下降至少90%，证明大多数QDs沉积于细菌表面。

**3.2 CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体的光吸收与光电产生**
TA光谱分析显示，在0–15 ps内，CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体具有最高的光生电子捕获值，快速衰减寿命（t₁）为7.46 ps，低于纯QDs（19.26 ps）和纯C. ljungdahlii（10.29 ps），表明QDs与细菌之间存在高效界面电荷转移。在15–3000 ps时间窗口，杂合体的光吸收信号较纯C. ljungdahlii增强约三倍。光电流测试表明，杂合体在光照下产生比纯QDs和纯细菌更显著的光电流，证实光生电子可从QDs转移至细菌。

**3.3 CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体中的电子转移与CO₂转化途径**
非靶向代谢组学共鉴定788种代谢物，其中155种显著差异表达。KEGG富集分析显示中心碳代谢（三羧酸循环、碳固定途径）显著扰动。柠檬酸上调67倍，庚二酸和柠康酸上调2倍，表明细胞将乙酰辅酶A导向乙醇合成和生物量积累的能力增强；二氢鞘氨醇和酪醇水平下降，提示细菌调整膜脂组成和抗氧化机制以应对光催化产生的氧化应激；蛋氨酸下调表明细胞在胁迫下优先将甲基分配到核心代谢；dCDP上调3倍，17α-羟基孕酮、腺嘌呤和腺苷上调2倍，表明核苷酸代谢和信号传导被激活。蛋白质组学分析共鉴定6119种蛋白，679种显著下调，49种显著上调。铁氧还蛋白氧化还原酶表达上调10%，以利用额外光生电子；一氧化碳脱氢酶（Wood-Ljungdahl途径中CO₂还原关键酶）上调36%，增强CO₂还原能力；磷酸乙酰转移酶（催化乙酰辅酶A转化为乙酸）上调47%，显著提升乙酸产量。鸟氨酸氨甲酰转移酶和柠檬酸裂合酶β亚基上调，激活氨基酸代谢和TCA循环；糖酵解相关蛋白（磷酸丙糖异构酶、甘油醛-3-磷酸脱氢酶）上调，表明QDs提供额外能量；丙酮酸-甲酸裂合酶下调而一氧化碳脱氢酶上调，表明代谢策略从发酵产能转向光能利用；NADH氧化酶和红氧还蛋白下调，指示细胞暴露于高水平氧化应激。这些变化共同揭示了CuInS₂ QDs与C. ljungdahlii之间的界面电荷转移不仅提高光合效率，还实现了抗氧化防御的适应性优化。

**3.4 CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体的乙酸和乙醇生产性能**
在细胞与QDs质量比（cell:QDs）为10:4时，杂合体在光照24 h内达到最大TOC浓度（0.84 g/L）、碳转化效率CE_IC（30%）和量子产率QE（1.35%），但随培养时间延长性能下降，表明光氧化损伤。在cell:QDs=10:3时，杂合体在36 h内保持较高稳定性，乙酸最大产量0.57 g/L，乙醇最大产量0.182 g/L。进一步优化初始生物量，当初始生物量为7.14 g/L时，36 h后乙酸和乙醇产量分别达0.58 g/L和0.21 g/L，12 h时CE_IC达31.7%，QE达1.25%。高初始密度形成的细菌聚集体增强了氧化耐受性，但后期仍因光催化氧化应激而性能下降。金属浸出实验显示，QDs最高负载量下Cu浸出浓度达0.613 mg/L，接近抑制浓度，需合理调控QDs用量。

**讨论与结论**
研究结论部分：研究人员构建了一种自光敏化CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体，通过将QDs沉积于C. ljungdahlii细胞表面实现。CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体的光电子吸收速率比纯C. ljungdahlii高出近三倍。在光照下，CuInS₂ QDs产生的光生电子通过Wood-Ljungdahl途径增强了微生物CO₂固定。整合代谢组学和蛋白质组学表征验证了负责细胞内还原当量循环的核心代谢物和电子转移蛋白的显著上调。优化后的杂合体实现了最大CO₂转化效率31.7%和表观量子产率1.35%。在培养早期，光照使CuInS₂ QDs–C. ljungdahlii杂合体的乙酸和乙醇滴度分别比黑暗对照提高了2倍和4倍。总之，这些观察结果表明CuInS₂ QDs有效加速了C. ljungdahlii细胞内的电子传递和能量再分配。然而，随着培养时间延长，杂合体的CO₂生物转化能力逐渐下降，这是由于持续光催化引发累积的光诱导氧化应激。未来研究将致力于增强光敏化产乙酸菌的内在抗氧化防御，以实现量子点光催化剂驱动的长期、稳定的CO₂生物还原。