（来源：生态修复网）
文章信息
第一作者：职甜玉
通讯作者：周启星，王鹏飞
通讯单位：南开大学环境科学与工程学院
https://doi.org/10.1021/acs.est.5c04721
成果简介
近日，南开大学环境科学与工程学院杰青周启星教授在环境领域著名学术期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“Photosynthetic biohybrid systems: A promising approach for energy and environmental applications”的综述论文。该论文系统地比较了基于酶和微生物的光合生物杂交系统（PBSs），建立了一个多维框架来评估它们的定量性能，包括产品回收率、太阳能—化学能源转换效率、选择性、周转率和操作稳定性。此外，作者强调了生物-非生物界面工程的关键进展，并确定了具体的性能瓶颈。此外，作者探讨了PBSs在能源生产和环境修复方面的双重功能，并提出了基于技术经济分析（TEA）与生命周期评价（LCA）的综合优化策略，以指导未来的创新和产业转化。
图片摘要
研究进展
1 引言
太阳能驱动的化学品生产与环境修复，被认为是应对能源与可持续发展挑战的重要途径。然而，自然光合作用受生物体以生存为优先的限制，光能转化效率较低；人工光催化体系虽能高效吸光，却缺乏生物催化的精准选择性。PBSs通过将人工光敏剂与生物催化剂（如酶、微生物）结合，兼具材料的可编程性与生物代谢的精准性，在太阳能转化为燃料及污染物降解方面展现出独特优势。与单一的酶或微生物体系相比，PBSs不仅能克服催化效率低、稳定性差、底物范围窄等问题，还能利用光催化材料的宽光谱吸收与结构稳定性，实现更高效的电子传递与物质交换。近年来，PBSs在二氧化碳还原、氮循环以及有机废水与重金属污染治理中取得了显著进展。但其规模化应用仍面临电子传递瓶颈、催化元件稳定性不足、结构—功能关系理解不够等挑战。本文以酶基与微生物基PBSs为平行对象，比较其结构与催化特性，重点探讨生物—非生物界面在电子传递与质量交换中的作用，并评估PBSs在能源与环境领域的双重功能。结合TEA与LCA，提出推动PBSs可持续规模化发展的策略与路线图。
2 图文导读
光合生物杂交系统的基础与功能
图1 两种主要的光合生物杂交系统。PBSs的工作原理（a）和应用（b）。
PBSs 的设计理念是“让最适合的组件完成最擅长的任务”。根据催化中心性质，可分为氧化还原酶系统和全细胞系统。酶基PBSs通过氧化还原酶与光敏剂协作，将光能转化为化学能。酶的金属或非金属辅因子（Cu、Fe、Fe–S、FAD、FMN）赋予高选择性和催化活性，但稳定性和电子转移效率仍是挑战。微生物基 PBSs利用整个细胞的代谢网络完成多步反应，如S. oneidensis的H2生成、M. thermoacetica的CO2固定和乙酸生成，其优势是稳健性和自我修复能力，但电子通道复杂，规模化应用仍受限制。最新研究表明，PBSs在产物产量、光能转化效率、选择性、酶催化速率（TOF）和稳定性方面有显著潜力。关键机制包括：电子传递与质量交换：通过生物–非生物界面实现高效光驱电子转移；界面工程：优化光敏剂设计和生物催化剂改造，提高光捕获和催化效率；系统稳定性与兼容性：解决长期稳定性、光穿透限制和氧化还原不匹配等问题。
PBSs的能源、环境与可持续性评估
图2 光合生物杂交系统在能源与环境领域的应用
光合生物杂交系统（PBSs）能够将太阳能转化为氢气、甲醇、乙酸等高附加值化学品，温室气体排放显著低于化石燃料或电解路线。同时，它们可降解有机污染物、固定CO2/N2，并回收废水中的氮磷，实现能源生产与环境修复双赢。然而，其经济可行性受光敏剂成本、酶寿命、反应器设计和光利用效率制约。通过材料替代、酶工程和光反应器优化，可有效降低成本并提高稳定性。生命周期分析（LCA）和技术经济分析（TEA）表明，在可再生能源驱动下，PBSs在碳足迹和资源消耗方面优于传统工艺，关键在于优化光敏剂合成能耗、延长组件寿命并实现材料可回收化。
PBSs未来发展方向
图3 在前人研究的基础上进行未来研究的设计
（1）合成生物学驱动的生物催化精密化
利用基因编辑、定向进化和代谢工程，构建可编程光驱电子流和多酶级联系统；人工电子传递路径（如MtrCAB）可增强光敏剂-微生物直接电子转移，实现CO2固定与污染物修复。
（2）新型光敏剂设计
研发宽光谱、稳定、低毒的光敏材料，优先使用地球丰度元素；自组装或响应型结构可提高光捕获效率，AI与机器学习助力高性能材料快速设计。
（3）生物–非生物界面作用机制
利用瞬态吸收光谱、时间分辨荧光和原位电化学–代谢组耦合技术，解析界面电子与能量传递；深入理解蛋白–材料相互作用和电子中继机制，为下一代PBSs的理性设计提供指导。
3 小结
PBSs 将生物催化与光能转换紧密结合，形成了一种可持续的化学转化平台。通过精细设计生物–光敏界面、优化电子传递路径以及改造生物催化网络，PBSs可实现高效 H2/CH4生成、CO2固定、氮循环及多污染物降解。未来，跨学科策略（材料科学 + 蛋白工程 + 微生物代谢调控 + 光化学优化）将推动 PBSs 从实验室验证走向工业可行应用，为可再生能源与环境治理提供新思路。
本研究得到了国家科技部等的资助。
作者介绍
周启星，南开大学教授，博导，环境科学与工程学院学术委员会主任、院长（前任）。2002年获国家杰出青年科学基金，2004年获教育部长江学者特聘教授，2016年获天津市首批杰出人才。2013、2015、2017、2021和2025年分别入选中国科学院院士有效候选人。系国务院学科评议组成员（先后为环境科学与工程、生态学），教育部科技委学部委员（先后为地学与资源环境学部、环境学部）。2024年入选全球前0.05%顶尖科学家“终身”和“近五年”榜单。曾先后任中国科学院陆地生态过程重点实验室主任、环境污染过程与基准教育部重点实验室主任（创建）。主要从事环境科学与工程、生态地学以及资源循环科学与工程等方面的科研与教学工作。在国内外重要学术期刊发表论文700余篇，其中第一/通讯作者SCI收录近350余篇，主编/共同主编著作10余部。连续11年入选爱思唯尔中国高被引学者。以第一完成人，获天津市自然科学特等奖、教育部自然科学一等奖和辽宁省自然科学一等奖以及中国青年科技奖和钱学森城市学金奖等奖项20余项。
职甜玉，女，博士研究生，现就读于南开大学环境科学与工程学院。
文章链接：
https://doi.org/10.1021/acs.est.5c04721
文章来源：生态环境科学
(生态修复网)
