近日，福建農林大學環境生物電化學中心周順桂教授團隊在微生物光電化學研究方向取得連續進展，相關成果于今年3月15日、21日、23日在環境科學領域top期刊Environmental Science & Technology（I區，IF=9.028）上連發三文，揭示了微生物光電化學驅動的産甲烷及反硝化新體系與新機制。
微生物光電化學（microbial photoelectrochemistry）是微生物電化學與環境光化學交叉的新興研究領域，成爲了近年來的研究熱點。微生物光電化學結合了微生物優異的催化專性及光化學材料良好的捕光能力，實現了太陽能至化學能的高效轉化，在可持續能源利用和環境修複方面展現了無限的潛力。
本團隊在國際上率先提出微生物光電化學研究方向，並且在微生物光電化學體系驅動的CO2(或CO)還原産甲烷及NO3-還原脫氮技術取得了初步成效。本團隊葉捷小組將Methanosarcina barkeri-CdS微生物光電化學系統成功用于CO甲烷化。與CO2作爲底物的微生物光電化學系統相比，CO作爲底物顯著延長了1.7倍的CH4生産時間，並表現出高達9.5倍的CH4産率。這種優異的CO轉化率是由于CO可作爲活性氧物種的有效猝滅劑，從而促進光電子的産生。此外，CO能夠直接或間接（通過産生的CO2）用作M. barkeri的碳源。這個過程提高了産甲烷菌的膜結合蛋白氧化還原活性。這項研究爲使用自複制的微生物光電化學系統在溫和條件下實現可持續CO甲烷化提供了第一個概念驗證證據。該文爲福建農林大學資環學院碩士生王超和俞景爲共同第一作者，葉捷副教授和賀震教授爲共同通訊作者。
而針對當前微生物光電化學系統普遍存在光能轉化效率低(通常低于3%)的問題，本團隊陳曼小組采用了一種具有光敏性和電容性雙重功能的蒽醌分子型光化學材料，通過去耦合材料光化學反應和微生物暗反應，克服了由于界面光電子傳遞速率限制引起的低效光能轉化。在以蒽醌-2-磺酸鹽(AQS)及脫氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)的模型體系中，太陽至化學能（N2O）的轉化效率高達96.2%，遠高于當前的微生物光電化學系統。此外，N2O占含氮産物的比例接近100%，表明該體系具有優異的選擇性。AQS的電容性儲存了82-89%光電子，並在暗態下釋放，至使光能轉化效率提高了5.6-9.4倍。動力學研究表明，暗條件下和光條件下産生N2O的反應動力學分別爲零級和一級反應動力學，表明光照于黑暗反應下具有不同的胞外電子傳遞路徑。這項工作研究首次證實了AQS具有光敏化微生物的作用，並提供了一種利用微生物光電化學系統從硝酸鹽汙染廢水種回收N2O簡易而高效的策略。該文爲福建農林大學資環學院陳曼博士爲第一作者，曾建雄教授和周順桂教授爲共同通訊作者。
蒽醌分子常常作爲溶解性有機質(DOM)的模型分子，上文證實了蒽醌分子具有光敏化微生物的功能，這暗示了DOM也可能具有光敏化微生物並驅動微生物生長代謝的能力。DOM廣泛存在各類水體中，是水體的一個重要組成成分。它的生物地球化學命運對于水體生態系統中具有重要的環境意義。然而，目前對DOM與微生物之間的營養關系認識僅限于DOM作爲微生物的異養底物或電子穿梭體。受前文工作啓發，我們首次證實了DOM和微生物存在一種新型的營養關系，即微生物光電營養型。通過以Thiobacillus denitrificans爲模型細菌，證實了DOM可以作爲微生物光敏劑，並驅動該反硝化菌還原硝酸鹽。硝酸鹽的還原爲准一級動力學反應，動力學常數爲0.06±0.003 h-1，氮氣爲硝酸鹽的終端産物。該體系中，反硝化基因nar、nir、nor和nos的表達均呈顯著上調，表明硝酸鹽還原成氮氣是微生物介導的過程。有趣的是，微生物光電營養作用可以加速DOM分子內電荷躍遷作用的消除，這對理解DOM的生物地球化學轉化增加了新的認識。該工作證實了水生態系統中DOM具有光敏化微生物的新功能，爲光驅動地表水體脫氮提供了一種新策略。該文爲福建農林大學資環學院博士生黃紹福爲第一作者，陳曼博士和周順桂教授爲共同通訊作者。
相關研究研究得到了國家傑出青年科學基金（41925028）、國家自然科學基金（41671264、41977281和42177206）、福建省傑出青年科學基金、福建農林大學優博基金及聖路易斯華盛頓大學教師啓動基金的資助。
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（1）Chao Wang#, Jing Yu#, Guoping Ren, Andong Hu, Xing Liu, Yiping Chen, Jie Ye*, Shungui Zhou, and Zhen He*, Self-replicating Biophotoelectrochemistry System for Sustainable CO Methanation. Environmental Science & Technology, DOI: 10.1021/acs.est.1c08340
（2）Shaofu Huang, Man Chen*, Youming Diao, Qinyuan Feng, Raymond Jianxiong Zeng, and Shungui Zhou*, Dissolved Organic Matter Acting as a Microbial Photosensitizer Drives Photoelectrotrophic Denitrification. Environmental Science & Technology, DOI: 10.1021/acs.est.1c07556
（3）Man Chen, Quanhua Cai, Xiangyu Chen, Shaofu Huang, Qinyuan Feng, Tetsuro Majima, Raymond Jianxiong Zeng*, and Shungui Zhou*, Anthraquinone-2-Sulfonate as a Microbial Photosensitizer and Capacitor Drives Solar-to-N2O Production with a Quantum Efficiency of Almost Unity. Environmental Science & Technology, DOI: 10.1021/acs.est.1c08710
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