耦合希瓦氏菌周质氢酶和自组装半导体光催化产氢的研究

Photocatalytic hydrogen production is a potential platform to solve global energy and environmental problems. Among them, inorganic-biological photocatalytic hydrogen production system is a promising and new direction. It combines the excellent light-absorbing efficiency of inorganic semiconductors and the highly specific catalytic power of hydrogenases. Recently, a powerful hybrid photocatalytic system have been devised by interfacing the whole-cell microorganisms with its biosynthesized semiconductor. However, the most biocatalytic hydrogen generation are carried out in cytoplasm, while the biogenic semiconductor are located in extracellular space or periplasm. Therefore, photo-generated electrons from semiconductor need across the membrane to enzyme, and would low the conversion efficiency of the hybrid system. Furthermore, the underline mechanism needs to uncover. This project aims to build a stable and efficient photocatalytic hydrogen generation system by combine hydrogenase with self-assembled cadmium sulphide semiconductor in periplasmic space of Shewanella oneidensis. S. oneidensis was selected as its amazing biosynthetic nanomaterial power and unique hydrogenase spatial distribution. A synthetic biology approach will be employed to engineering S. oneidensis with oxygen-tolerant [NiFe]-hydrogenase and bio-assembled cadmium sulphide semiconductor in periplasmic space. Additionally, we will optimize photocatalytic process to improve the hydrogenase activity and the efficiency and stability of the hybrid system. Lastly, we will combine the biological metabolism, hydrogenase expression and density functional theory (DFT) calculation to elucidate the underlying mechanism of the hybrid process. The project will develop a new bioinorganic hybrid photocatalytic system to efficiently harvest sunlight and transfer to hydrogen.

光催化产氢为解决能源枯竭和环境污染问题提供了可能。该技术近年来的一个重要发展方向是耦合半导体的光催化性能与氢酶的反应选择性来构建高效光催化产氢系统。其中，生物自组装半导体-活细胞耦合光催化体系是当前研究热点。然而，生物自组装的半导体与氢酶分别位于外膜/周质和胞内，半导体光生电子传至酶活性中心需跨过细胞内膜，传递效率低，且耦合机制尚不明晰。本项目拟利用希瓦氏菌强大的纳米材料自组装能力和独特的氢酶空间分布，在活细胞的周质空间构建氢酶-自组装硫化镉半导体的耦合体系，实现稳定、高效光催化产氢。拟利用合成生物学方法定向构建周质空间富含硫化镉和耐氧氢酶的生物工厂；基于氢酶活性和光催化体系进行优化，提升产氢的效率和稳定性。通过对耦合光催化过程中生物代谢、氢酶表达的追踪，结合密度泛函理论的量化计算，阐明耦合机理。本项目旨在研发一种新的无机材料-生物耦合光催化体系，发展太阳能高效转化新策略。

为缓解全球能源危机和环境问题，迫切需要可持续和环保的能源供应技术，这推动了光催化和人工光合作用等战略的发展。新兴的生物-非生物光合作用系统被认为是有前景的新策略，它将无机材料和全细胞生物催化剂的优点相结合。.1.本项目构建工程大肠杆菌菌株（抑制镉外排:ΔzntA），CdSxSe1-x半导体的产量提高1倍。.2.利用在大肠杆菌内部自组装的CdSexS1-x半导体纳米颗粒，构建了紧密耦合的无机-生物杂化体系，可实现高效光催化产氢。这种杂化物的产氢率是细胞外纳米颗粒的2.6倍，光能转换效率高达27.6%。.3.Shewanella oneidensis MR-1与自组装的CdS半导体构成了一个混合光合系统，以展示独特的生物-非生物界面行为。来自CdS纳米颗粒的光激发电子可以逆转MR-1的细胞外电子转移(EET)链，通过光照实现细菌催化网络的活化。MR-1-CdS在可见光下的氢产量增加711、ATP和还原当量显着上调。.4.大肠杆菌中的磷酸盐会抑制生物合成纳米硒。这种磷酸盐调节的亚硒酸盐生物转化过程主要归因于磷酸盐和亚硒酸盐的竞争性摄取，主要由低亲和力磷酸盐转运蛋白 (PitA) 介导。.5.富含没食子酸的石榴皮提取物被有效地用于膜表面合成银纳米颗粒（AgNPs）。与对照膜相比，所得 AgNPs 功能化膜的纯水通量高 3.5 倍，抗污能力增强。具体而言，AgNPs 赋予膜对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的显着抗菌活性。.6.MR-1可控合成硫化亚铁纳米颗粒（FeS NPs）并应用于癌症治疗。所制备的 FeS NPs 良好的亲水性和突出的 Fenton 性质赋予它们良好的癌症治疗性能。.7.使用生物合成的CuSe纳米颗粒结合到聚偏二氟乙烯 (PVDF) 膜中来制造低成本的光热抗菌膜。近红外照射 30 分钟后，具有显著的抗菌活性。.我们的工作为生物纳米材料的组装机制提供了基础知识，并提出了一种有效、简便的调控策略。这项工作揭示了耦合机制，为生物-非生物光合系统的设计提供了指导。