无机纳米材料-微生物杂合系统的研究进展

摘要

随着CO₂排放问题日益严峻，有效减少碳排放是目前最受关注的热点问题．通过物理封存和化学转化等技术固定CO₂能耗大且安全性有待评估，而微生物固定CO₂技术凭借其环境友好成为可持续碳捕集方案之一．天然固碳微生物通过卡尔文循环等7种途径固定CO₂，然而这些途径的固碳效率仍然面临能量供给不足、关键酶催化效率低等问题，限制了其在工业化碳捕集和转化中的广泛应用．一方面，通过合成生物学和代谢工程等方法可以优化光合自养微生物、化能自养微生物和异养微生物的固碳效率，并将CO₂高效转化为多种高值化学品．另一方面，无机纳米材料-微生物杂合系统将半导体纳米材料与微生物结合，利用材料优良的光-电转化性能不仅可以增强光能的捕获和电子传递效率，同时能够显著提升CO₂转化为高值化学品的效率．本综述总结了微生物天然固定CO₂的7种途径，阐述了光合自养、化能自养和异养微生物固碳途径优化机制的近期进展．同时，总结了这些工程细胞及材料-细胞杂合体系统的设计构建技术，分别介绍了直接电子传递下的无机纳米材料-微生物杂合系统和电子载体介导下的无机纳米材料-微生物杂合系统的重要应用，阐述了纳米材料在固定CO₂过程中的关键作用和原理，并展望了该领域的未来发展趋势．

关键词

二氧化碳捕集 / 微生物 / 合成生物学 / 杂合系统