二维卟啉共价有机骨架-梭菌杂合体人工光合强化CO2产正丁醇的分子机制

20250107

科学研究和技术服务业

可国（境）内外转让

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

我国一次能源结构中化石能源消费占比高，碳排放量约占全球的1/3。在“碳达峰、碳中和”目标下，开发零/负碳减排技术，实现CO2资源化利用，是摆脱化石资源依赖、实现绿色低碳发展的战略需要，有助于从源头控制工业污染和碳排放。(正)丁醇是一种重要的平台化合物和潜在的生物燃料。利用第三代生物炼制技术，通过多酶或微生物细胞工厂能够实现CO2固定。化能自养梭菌的Wood-Ljungdah1途径(W-L，又称还原乙酰辅酶A途径)固碳效率高，并展现出较强的转化CO2产多碳化合物潜力。遗憾的是，尽管多数基于W-L途径的食气梭菌(c.carboxidivorans)具备转化CO2为C4化合物的代谢途径，由于胞内NAD（P）H等辅因子再生水平低，还原力供给不足，相比乙醇等C2产物，梭菌对C4产物，特别是燃料密度比乙醇更高的丁醇选择性较差。此外，受制于较强的发酵产物细胞毒性，基于W-L途径的梭菌存在溶剂代谢水平低的问题，而低产物浓度进一步导致较高的下游分离成本促进胞内辅因子再生，提升胞内还原力供给，进而提升CO2固定效率和C4目标产物丁醇的转化水平，其本质是平衡和调控胞内氧化还原和电子传递。因此，构建高效胞外电子传递系统，将CO2通过生物还原转化为燃料丁醇，是同时缓解能源和环境压力的有效途径。生物丁醇是对环境相对友好的生物燃料。在双碳目标下，利用工业CO2气体生物法固定生产液体燃料和有机化学品不仅能够有效减少工业CO2的排放量，还能够减少化工过程的碳足迹，是近年来基础研究和工业应用的热点。例如，首钢朗泽4.5万吨/年钢铁尾气生物发酵制备燃料乙醇商业化项目每年可为钢铁企业减排约17万吨，社会效益显著。就本项目而言，本项目提出的利用光敏纳米材料负载细胞强化可再生光能向生物能转变，进而强化CO2的生物还原和更高燃料密度的正丁醇的代谢的创新方法有望部分取代传统CO2生物固定和转化模式，将碳排放过程扭转为一个碳负性过程，成为降低工业过程成本和实现CO2减排的有力新途径。 “碳中和”的承诺是我国的大国责任和担当，对推进《巴黎协定》在全球实质性落地具有重要意义，也是构建人类命运共同体的重要举措。将CO2通过人工光合作用制备多碳化合物丁醇的研究有助于从温室气体产生的源头实现CO2的减排和高值化利用，在降低碳排放的同时反哺工业，增加就业岗位，通过新技术革命和产业优势实现弯道超车，确保我国能源和大宗化学品供给独立。针对北京市的具体情况，利用生物化工手段进行 CO2固定和转化，对推动北京市减霾减排，促进京津冀协同绿色发展有重要现实意义和产业价值。 本研究筛选并制备细胞毒性低、稳定性强、电子迁移率高的2D-por-COF和其他光敏材料，在此基础上形成稳定且无(低)细胞毒性的材料-细胞膜杂合结构，实现光生电子胞内传递和胞内辅因子再生与代谢调控。此外，评价了光发酵条件下杂合体转化CO2到丁醇的代谢影响。揭示了2D-por-COF的光生电子对杂合体胞内辅因子再生和碳质底物代谢的扰动和影响，构建了稳定的光敏材料-梭菌杂合体并实现CO2向丁醇的高效转化。在研究过程中，团队还揭示了通过对光敏材料-梭菌杂合体内部代谢规律的认知，构建稳定的有机光敏材料-梭菌杂合体，实现CO2向正丁醇的高效人工光合固定，为解决工业废气转化领域的技术瓶颈提供理论支撑和技术积累，助力“碳中和”。 项目执行期满，本项目完成了 1.研制开发了多种供体-受体(D-A)型二维卟啉共价有机骨架纳米材料(COF)。两种por COFs·具有优异的结晶性、超高比表面积和较宽的可见吸收区，具有优异的光催化性能，por COFs催化剂可循环使用至少5次，而不会显著降低催化活性。并引入新兴二维光敏材料，用复合Cds与MXene合成高效协同的光催化剂显示出良好的光催化和电化学性能。 2.优化了食气梭菌培养的技术方法，构建了以CO2在电化学催化下生成CO、甲酸盐为前提，利用食气梭菌W-L途径将C1化合物(以CO和甲酸盐为研究对象)合成丁醇和乙醇。证实了食气梭菌以甲酸为唯一碳源和能量来源的可行性以及和其他一碳气体的协同利用机理。 3.开发了二维无机光敏材料-微生物细胞杂合体的构建方法，并实现了体外光生电子强化细胞辅因子代谢。实现了杂合体丁醇耐受性较野生菌提升了31.2%。杂合体光照批次发酵丁醇浓度较野生菌暗发酵提升了32.3%。 4.揭示了杂合体利用光能生产溶剂的通用机制。利用蛋白质组学的手段发现了杂合体的形成主要改变了梭菌的细胞壁/膜组成和结构，同时其在光照条件下利用电子转移相关蛋白的能力也明显增强。通过黄素蛋白和·NADPH·脱氢酶表达水平的提高，细胞内电子转移能力得以增强，从而提升还原力水平，最终促进实现细胞代谢向溶剂生成得以强化。 在项目执行过程中，团队发表高水平SCI论文12 篇;申请中国发明专利1项;培养硕士研究生2名;。