聚合物-微生物杂合体的构建及催化应用

邹雨泰; 王文硕; 刘健

doi:10.7536/PC231113

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (6) :815-826 DOI: 10.7536/PC231113

综述

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聚合物-微生物杂合体的构建及催化应用

邹雨泰 ¹^,² ,
王文硕 ²^,^* ,
刘健 ¹^,²^,^*

作者信息 +

¹ 青岛科技大学材料科学与工程学院青岛 266042

² 太阳能光电转化与利用重点实验室青岛新能源山东省实验室中国科学院青岛生物能源与过程研究所青岛 266101

通信作者:

王文硕, 刘健

作者简介:

Wang Wenshuo is an associate researcher, whose main research direction is the construction of biomimetic interface materials and their applications in biochemical analysis and energy conversion. He has published more than 20 academic papers and presided over the Youth Program of Shandong Excellent Youth Science Fund and National Natural Science Foundation of China.

Liu Jian is a researcher and research leader. He was selected as the "Youth Project" of the National Overseas High-level Talents Introduction Plan and the "Taishan Scholar" of Shandong Province. His research interests are biomimetic energy materials, biomimetic enzyme catalysis and artificial biocatalysis, and he has published more than 80 academic papers. He presided over the Natural Science Fund for Distinguished Young Scholars of Shandong Province, the Major Basic Research Program of Natural Science of Shandong Province, the National Natural Science Fund for Young Scientists of China, general programs and research Institute start-up programs, etc.

收起

Construction of Polymer-Microorganism Hybrids for Catalysis

Yutai Zou ¹^,² ,
Wenshuo Wang ²^,^* ,
Jian Liu ¹^,²^,^*

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摘要

The design of material-microbial hybrid systems for green biosynthesis using renewable energy such as solar energy is expected to provide a feasible solution to the global energy shortage and environmental crisis for human society. The construction of hybrid systems by coupling the excellent physical and chemical properties of artificial materials with the biosynthetic functions of microorganisms has attracted much attention in recent years. Polymer materials have been widely used in the construction of material-microbial hybrids due to their diverse functions, strong designability, and good biocompatibility, and have shown broad application prospects in the field of bioenergy. Based on the functional characteristics of polymer materials, this paper systematically summarizes different types of polymer-microbial hybrids, and discusses the mechanisms of polymer materials to enhance the catalytic performance of hybrids by enhancing light energy utilization, accelerating electron transfer, and stabilizing biological activity. Finally, the challenges and future development prospects of polymer-microorganism hybrid system are prospected.

Abstract

The design and development of material-microorganism hybrid systems that can use solar energy for green biosynthesis is expected to provide human society with a viable solution for addressing the global energy shortage and environmental crisis.in recent years,the construction of hybrid systems by coupling excellent physical and chemical features of artificial materials with the biosynthetic function of microorganisms has received extensive attention.polymeric materials,due to versatile functions,excellent designability and good biocompatibility,have been widely used to construct material-microorganism hybrid systems,and have shown broad application prospects In the field of bioenergy.Based on the functional features of Polymeric materials,this paper systematically summarizes different types of polymer-microorganism biohybrid systems,and discusses the augmentation of their catalytic performance by enhancing light utilization,accelerating electron transfer,and stabilizing biological activity.Finally,the challenges and future development of polymer-microorganism hybrid systems are discussed.

Contents

1 Introduction

2 Construction of polymer-microorganism biohybrids

2.1 Conjugated polymers

2.2 Polyelectrolytes and polyphenols

3 Polymer-microorganism biohybrids with enhanced biocatalysis

3.1 Enhance light utilization to strengthen microbial photosynthesis

3.2 Accelerate electron transfer to strengthen microbial electrosynthesis

3.3 Stabilize cell activity to strengthen microbial conversion of chemicals

4 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

聚合物 / 生物杂合 / 生物催化 / 细胞表面工程 / 半人工光合作用

Key words

polymer / biohybrid / biocatalysis / cell surface engineering / semi-artificial photosynthesis

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邹雨泰, 王文硕, 刘健. 聚合物-微生物杂合体的构建及催化应用[J]. 化学进展, 2024, 36(6): 815-826 DOI:10.7536/PC231113

Yutai Zou, Wenshuo Wang, Jian Liu. Construction of Polymer-Microorganism Hybrids for Catalysis[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(6): 815-826 DOI:10.7536/PC231113

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1 引言

大规模开发利用绿色可再生能源替代煤炭、石油和天然气等化石燃料，是解决目前人类社会面临的能源和环境危机的重要举措。将可再生能源如太阳能、风能、水能等绿色能源转化为电能，能为工业生产和人类活动提供可持续动力。然而，可再生能源具有波动性和间歇性的特点，其大规模应用还依赖于储能技术的发展。自然界中，植物和光合微生物通过光合作用将水（H₂O）和二氧化碳（CO₂）转化为氧气（O₂）和有机物，将太阳能以化学能的形式进行存储，构成地球上所有生命活动的基础^[1]。模拟光合作用，利用太阳能等可再生能源进行绿色合成生产高价值化学品和燃料，引起了学术界和工业界的广泛兴趣。

在过去几十年，各种催化体系如光催化^[2⇓~4]、电催化^[5⇓~7]和生物催化^[8⇓~10]被广泛研究，最终来实现能量与物质的转化。然而，光、电催化体系存在反应特异性差以及能量转换效率低等问题，难以满足现阶段对生产高价值化学品的需求。以酶为基础的微生物催化体系可以将空气组分转化成高价值产物，也可以对特定有机物进行催化转化，而且具有反应条件温和、反应特异性高、合成路线可设计、生物催化剂可自复制等优点^[11⇓~13]，为绿色合成提供了有力保障。微生物可以通过酶的特定结构与配位环境降低催化能垒，实现温和、高效、高特异性的催化反应过程^[14,15]。同时，微生物细胞内不同的酶分工协作构成精巧的代谢途径，利用空气组分如CO₂、氮气（N₂）、H₂O等无机小分子以及生物质等有机大分子来精准高效地合成各种高价值化学品、燃料和功能材料，这是化学催化所不可比拟的^[12,16,17]。例如，光合自养微生物聚球藻蓝细菌可以通过卡尔文循环将太阳能转化为化学能固定CO₂，结合基因工程手段可实现异丁醛等化学品的生成^[18]；化能自养微生物自产醇梭菌能够以一氧化碳和氢气作为电子供体，通过还原型乙酰辅酶A途径固定CO₂，并规模化生产丙酮和异丙醇等化学品^[19]；异养微生物酵母菌经过工程改造，则可以将糖类分子转化成抗疟药物前体青蒿酸^[20]。

近年来，人们开始将微生物精巧的合成功能与人工合成材料的优异特性进行耦合，构建多种多样的材料-微生物杂合体系，通过结合二者的优势来实现更加高效的催化转化。人工合成材料包括光催化材料如硫化镉、磷化铟、聚芴苯类衍生物（Poly(fluorene phenylene), PFP）等^{[21⇓⇓⇓⇓~26]}，导电材料如银纳米颗粒、硫化铁、聚吡咯（Polypyrrole, PPy）等^{[27⇓⇓~30]}，以及其他功能材料如二氧化硅、碳酸钙、聚多巴胺（Polydopamine，PDA）等^{[31⇓⇓⇓~35]}，被广泛用于耦合微生物强化其催化性能。聚合物是由小分子重复单元通过化学键合形成的高分子量化合物，因其功能多样、可设计性强、容易与细胞结合等特点而被广泛应用于构建材料-微生物杂合体^[26,33]。聚合物材料还在细胞工程化改造方面具有广泛的研究^[36]，如，其可以与细菌、真菌、微藻、动物细胞等集成以进行细胞表面工程化或内部功能化^{[37⇓⇓~40]}。此外，接枝的聚合物还可以作为连接细胞与其他功能性纳米材料的界面，进一步指导生物矿化^[41]、辅助金属沉积^[42]以及融合其他材料如磷化铟纳米颗粒^[43]等。因此，聚合物材料指导的细胞工程化具有较高的可操作性和可设计性，可用于开发功能材料与生物杂合系统，在生物医学、生物电子学和生物能源等领域具有广阔的应用前景^{[32,44⇓~46]}。在聚合物-微生物杂合系统中，光活性聚合物、导电聚合物以及其他功能聚合物可以通过优异的光电性能以及为微生物提供防护涂层进而提升杂合体的催化性能。微生物与光活性聚合物杂合的半人工光合体系可以利用光生电子作为媒介提供还原力，提高CO₂的生物转化效率^[47⇓~49]。微生物与导电聚合物杂合的微生物电合成体系可以加速电子在微生物细胞与电极之间的传递速率，提高生物合成性能^[50]。另外，在微生物表面包裹聚多巴胺等涂层可以对其提供物理化学防护，提高生物催化剂在复杂催化环境中的稳定性^[51,52]。

本文系统总结了聚合物-微生物杂合体系的构建与催化应用。首先，本文根据聚合物材料的性质和功能不同，概述了几种不同类型杂合体的构建。其次，从增强光能利用、加速电子传递、稳定生物活性三个方面详细综述了聚合物-微生物杂合体系中生物催化性能的提升（图1）。最后，本文对聚合物-微生物杂合体在催化领域的未来研究进行展望。

2 聚合物-微生物杂合体的构建

聚合物-微生物杂合体利用光能、电能、化学能等能量和还原力进行生物催化，在高价值化学品的绿色合成方面具有极大优势与发展潜力。不同类型的聚合物（包括离子型的聚电解质、多酚类聚合物、共轭聚合物）可以通过静电相互作用、疏水相互作用、原位聚合或组装与微生物结合构成聚合物-微生物杂合体，其中聚合物发挥捕光、导电、稳定微生物、介导微生物与其他功能材料耦合等功能。该部分将根据聚合物类型来分别阐述聚合物-微生物杂合体的构建。

2.1 共轭聚合物

共轭聚合物由于离域的π键产生能带带隙使其表现出优异的光电特性^[53]。可调节的光学带隙、高效的电子传递能力以及良好的生物相容性等特点使共轭聚合物成为耦合光合微生物以及电能微生物的理想材料^[54]。由此构建的共轭聚合物-微生物杂合体可以提升光能利用率以及加速电子传递，通过额外注入微生物代谢途径的电子来增强光、电驱动的生物合成性能。

具有光活性的共轭聚合物如聚硼-二吡咯烯-共芴（Poly(boron-dipyrromethene-co-fluorene)，PBF）^[55]、PFP^[47⇓~49]、聚对苯撑乙炔^[56]、氮化碳^{[57⇓⇓~60]}等已被报道可以与各种微生物细胞结合，用于构建半人工光合作用系统。例如，张中海等^[61]报道了通过大肠杆菌（Escherichia coli）内吞氮化碳量子点构建杂合体系，实现高效的太阳能制氢。导电共轭聚合物如PPy^[29]、p(cNDI-gT2)^[50]、PFP^[62]、PDA^[28]等被用作生物电化学系统中的导电材料，能够提高电子在微生物与电极之间的传递从而增强生物催化效率。例如，PPy包裹的产乙酸菌可以通过增强电子转移提高微生物电合成性能^[63]。PFP或p(cNDI-gT2)与希瓦氏菌结合后显示出增强的双向电子转移能力^[50,62]。除了传递电极上的电子，导电聚合物也被用于促进光激发电子的传递。黄鑫等^[33]在光合微生物小球藻表面构建非生物外壳，包括超薄的铁离子掺杂PPy内层和碳酸钙外层。聚合物层可以消耗O₂塑造缺氧环境，从而激活氢化酶活性进行生物制氢。PPy作为一种导电介质，用于捕获和传输胞外电子到小球藻细胞中，从而提高氢的产生速率。

共轭聚合物可以通过静电相互作用、疏水相互作用、原位聚合或组装与微生物结合（图2）。通过侧链引入季铵盐基团，共轭聚合物不仅水溶性增强，还能够通过静电相互作用与负电性微生物结合。同时，共轭聚合物疏水的碳链可以使其插入细胞膜中，进一步增强光生电子向细胞内传递。

除了链状分子，共轭聚合物纳米颗粒也被用于耦合微生物。通过共沉淀技术制备得到的水溶性共轭聚合物纳米颗粒被用于结合沼泽红假单胞菌^[64]、罗尔斯通菌^[65]、工程改造的大肠杆菌^[66]等微生物。共轭聚合物也可通过原位聚合的方式在微生物表面直接生长。王树等^[56]利用生物钯催化Sonagashira聚合反应实现了共轭聚合物与细胞的结合。在该报道中，研究人员首先利用静电相互作用在小球藻表面结合钯离子，然后钼酸酶和甲酸钠还原剂将钯离子还原成生物钯催化剂。随后，加入的阳离子单体在生物钯催化剂作用下进行Sonagashira聚合反应，在小球藻表面原位生成共轭聚合物。PPy^[29]和PDA^[28,67]也可以通过单体氧化聚合的方法原位聚合组装在微生物细胞表面。

光活性的共轭聚合物可以用作人工天线，以弥补光合微生物天然色素对光的吸收不足，扩大光合有效辐射范围，提高光合作用效率^[68]。同时，光活性聚合物可以使非光合微生物利用光能，通过光生电子转移加强生物代谢与生物合成^[47,49]。导电的共轭聚合物能够增强电子在微生物与电极之间的传递，有助于电活性微生物提升其生物电化学性能^[29,50]。其中，导电聚合物能够增强微生物电合成系统中电能微生物利用阴极电子的效率，从而提高生物合成能力^[50]。因此，选择合适的共轭聚合物构建聚合物-微生物杂合的半人工光合作用系统和微生物电合成系统，对于实现能量与物质的转换进而以化学能的形式存储太阳能等可再生能源具有重要的意义。

2.2 聚电解质和多酚类聚合物

除了共轭聚合物增强光的吸收以及电子传递，聚电解质和聚多酚类材料通过静电相互作用和原位组装与微生物结合，既能作为微生物表面的保护涂层为微生物催化合成塑造稳定可调控的微环境，又能作为界面层集成其他功能材料（图3）。自然界中生物为了适应周围环境进化出矿化骨架或其他外壳，隔离并保护自身免受恶劣环境如热、辐射、化学物质的影响^[69,70]。受此启发，基于聚合物的表面涂层与仿生矿化技术被用于包裹细胞为其提供物理和化学防护^[71,72]。

聚电解质被广泛用于细胞表面工程化研究。由于微生物细胞的膜表面具有负电性，通过正电性的聚合物能与微生物进行静电结合。带有相反电荷的离子型聚电解质如聚二烯丙基二甲基氯化铵（Poly(diallyl- dimethylammonium chloride)，PDADM AC）和聚苯乙烯磺酸盐（Polystyrene sulfonic acid，PSS）等可以通过静电层层自组装结合在微生物表面，进而可以通过阳离子聚合物催化仿生矿化^[31,73]。同时，由于聚合物可以带不同电荷，携带相反电荷的材料如二氧化硅颗粒或磁性颗粒可以通过静电相互作用组装在微生物细胞表面^[34]。由于其物理和化学防护作用，聚电解质包裹的以及仿生矿化后的微生物催化剂在复杂的催化体系中表现出稳定的催化活性。表面涂层也可以改变微生物所处的微环境进而转变其代谢路径。例如，聚合物结合表面展示技术和仿生矿化技术，在表达耐氧[镍铁]-氢化酶的大肠杆菌细胞表面集成硫化镉半导体纳米颗粒并封装二氧化硅壳层，实现了一种能够在有氧条件下产氢的生物杂合系统^[74]。另外，磁性颗粒修饰可以实现对微生物的操纵与收集，被用于石油降解与生物催化后的回收^[75]。

多酚类化合物如多巴胺^[76]和单宁酸^[77]通过形成氢键、阳离子-π相互作用、离子络合等原位组装在微生物细胞表面，同时可以作为界面层黏附其他功能材料，为微生物提供防护并塑造微生物催化微环境。例如，PDA修饰的微生物催化剂可以在油水乳液界面处稳定地进行催化反应^[52]。通过单宁酸将磷化铟半导体纳米颗粒组装集成到工程改造的酵母菌表面构建生物杂合系统，可以实现光驱动的精细化学品生产^[43]。另外，黄鑫等^[32]在绿藻周围通过多巴胺、漆酶和单宁酸的顺序自组装构筑了一种三明治结构，其中漆酶通过催化单宁酸氧化消耗绿藻细胞光合作用产生的氧气，使绿藻表面形成缺氧的微环境，进而诱导氢化酶的激活使被包裹的细胞从光合作用产氧转向产氢。

离子型聚电解质和多酚类聚合物可以作为界面层将其他功能材料如光催化剂、导电材料、磁性颗粒、生物酶等集成在细胞表面，使聚合物-微生物杂合体系具有更广泛且可调控的功能。其中，聚合物或者聚合物引入的其他材料可以为微生物提供机械骨架与化学防护，使其在复杂的催化环境中保持长时间的生物活性与稳定性。总之，利用聚合物进行微生物细胞的表面包裹构建聚合物-微生物杂合体可以为复杂条件下微生物参与的化学转化提供助力。

3 聚合物-微生物杂合体强化生物催化

通过微生物催化生产燃料、化学品与功能材料可以将绿色可再生能源转化为化学能进行存储并为人类社会生产生活提供各种物质产品，为解决全球化石燃料过度消耗造成的能源挑战和环境问题提供了新途径。然而，微生物预先建立的合成途径被优先用于细胞生长和代谢以维持正常的活力，会降低预期的生物合成效率。聚合物-微生物杂合体通过集成人工合成聚合物的功能特性和微生物体内自然进化酶的催化机制，能够利用外源的电子和能量或稳定微生物的活性强化生物催化能力。目前，多种聚合物-微生物杂合系统已被开发并实现了光、电或化学能驱动的微生物催化合成。

3.1 提升光能利用强化微生物光合作用

自然界中，光合微生物捕获太阳光进行光合作用，通过光反应和暗反应将H₂O和CO₂转化为O₂和碳水化合物。光吸收是光合作用的驱动力和前提，但400~700 nm的光合有效辐射仅占入射太阳能的48.7%，并且自然界中光合微生物的能量转换效率只有1%左右，远低于微藻和植物的理论最大值（约12%和6%）^[78]。利用具有光活性的聚合物扩大光合有效辐射范围能够使光合微生物在光反应阶段吸收更多光子，并合成更多烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADPH）和三磷酸腺苷（ATP），以增强暗反应阶段CO₂的固定与转化。另外，将光激发产生的电子注入非光合微生物代谢路径可以实现光驱动的生物合成^[47,65]。

王树等^[55]通过静电和疏水相互作用构建了一系列共轭聚合物-光合微生物杂合体。例如，PBF-小球藻（Chlorella pyrenoidosa）杂合体可以利用PBF调控小球藻光系统Ⅱ（PSⅡ）和光系统Ⅰ（PSI）的状态转变，增强光合作用（图4a）。在光合作用的光反应过程中，PBF将小球藻O₂、ATP和NADPH的产量分别提升了120%、97%和76%。在暗反应过程中，PBF将核酮糖-1,5-二磷酸羧化加氧酶的活性提升了1.5倍并使固碳所需酶的编码基因RbcL和prk的表达水平分别提升了2.6倍和1.5倍。PFP-蓝细菌（Synechococcus sp. PCC7942）杂合体^[48]可以利用PFP的紫外吸收特性扩展蓝细菌的光谱吸收范围，提高光能利用率和电子传递速率，增加光反应产物。PFP将蓝细菌O₂、NADPH和ATP的产量分别提升了52.6%、47.9%和27.2%。同时，通过原位聚合策略构建的聚对苯撑乙炔-小球藻杂合体^[56]，利用前者增强蓝光吸收与红光发射并加速PSI循环电子传递来提高ATP合成。邢成芬等^[64]将穿膜肽修饰的共轭聚合物纳米颗粒（CPNs-TAT）包覆在光合细菌沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris）表面，构建聚合物-微生物杂合体。杂合体中CPNs-TAT将紫外光转化为可被细菌吸收的可见光，以促进ATP的合成并增强细菌的光合作用。因此，通过构建光活性聚合物-光合微生物杂合体，利用聚合物来扩大光合有效辐射范围可以有效提高生物代谢活性。

通过微生物代谢途径进行CO₂固定与转化，对于缓解能源与环境危机具有重要的意义。王树等^[47]报道了共轭聚合物和非光合细菌热醋穆尔氏菌（Moorella thermoacetica）构建的杂合体，其能利用光能实现高效CO₂还原产乙酸（图4b）。在该工作中，苝二亚胺衍生物（PDI）和PFP被用作光敏剂涂覆在细菌表面，形成的p-n异质结PFP/PDI层具有较高的电子/空穴分离效率。热醋穆尔氏菌可以从PFP/PDI异质结中获得光激发电子，从而通过Wood-Ljungdahl途径驱动CO₂转化生成乙酸，实现了1.6%的光利用率。王树等^[65]以生物相容性有机半导体聚合物点（Pdots）为光敏剂，与罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha H16）和电子穿梭介质中性红协同构建杂合系统。Pdots产生的光电子通过中性红促进细菌体内NADPH再生，进而通过卡尔文循环驱动CO₂转化为聚羟基丁酸酯，产率为（21.3 ± 3.78）mg/L，提升了近3倍。熊宇杰等^[59]通过组装巴氏甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri）和碳点功能化的聚合氮化碳（CDPCN）设计了杂合的生物光催化系统。其中，CDPCN进行微塑料光氧化，微生物进行CO₂光还原产甲烷，同时利用了光生空穴和电子。该系统实现了在24 h内接近100%的选择性转化。因此，通过构建光活性聚合物-微生物杂合体，利用聚合物产生的光电子可以有效提高非光合微生物固碳生产高价值化学品的性能。

N₂的转化目前依赖Haber-Bosch工艺，该过程需要高温高压反应条件和化石燃料产生的H₂^[79]，因此开发反应条件温和的绿色生物固氮技术具有重要应用前景。王树等^[49]通过阳离子共轭聚合物PFP和圆褐固氮菌（Azotobacter Chroococcum）之间的静电相互作用构建了一种聚合物-微生物杂合体进行光驱固氮研究，通过提高圆褐固氮菌中固氮酶活性来增强生物固氮能力。PFP在光照下促进固氮菌表面氧化还原蛋白向胞内转移电子进而提升固氮性能，使固氮酶活性以及NH₄⁺和氨基酸产量分别提高260%、44%和47%。然而单一菌种的缓慢自养代谢会限制其固氮的速率，且合成的氨更容易被细菌本身消耗转化为生物量。因此，王树等^[26]通过PFP与多种微生物共同杂合开发了一个多生物共生体，利用空气中的CO₂和N₂作为碳和氮源选择性合成功能性多肽γ-聚谷氨酸（γ-PGA）和抗生素杆菌肽A（图4c）。该共生体中，蓝细菌进行CO₂固定，沼泽红假单胞菌进行N₂固定，地衣芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）进行目标产物的生物合成，带正电的PFP将这三种微生物聚集在一起形成导电网络，促进种间电子的直接传递。同时，PFP通过优异的捕光性能增强蓝细菌和沼泽红假单胞菌的光合作用，提升CO₂和N₂的固定。最终，这种模块化的设计以及种间互利关系使γ-PGA的合成速率提高了104%，达到144.2 mg/L。

通过光活性聚合物与微生物杂合，聚合物能够利用光能为微生物提供额外的能量提高生物代谢活性与生物合成能力，实现高效的生物固碳和生物固氮。对微生物进行基因工程改造和代谢调控，各种类型微生物可以通过不同的代谢路径如卡尔文循环和Wood-Ljungdahl途径合成各种燃料、化学品和功能材料^{[19,22,80,81]}。

3.2 加速电子传递强化微生物电合成

通过胞外电子传递（Extracellular electron transfer, EET），电活性微生物将新陈代谢过程产生的电子传递至胞外电子受体或者从胞外电子供体接收电子维持代谢活动^[82]。电子可以通过氧化还原蛋白（如细胞色素、黄素蛋白和多血铜蛋白等）或者借助菌毛、“纳米导线”进行直接电子传递，也可以通过具有氧化还原活性的电子中介体（如核黄素、吩嗪和醌类物质）进行间接电子传递^[82]。在微生物电化学系统中，微生物作为阳极和阴极时的EET方向不同。其中，微生物作为阴极可以利用电能进行微生物电合成^[83,84]生产高价值化学品，具有重要的研究和应用价值。

提高EET速率是优化微生物电合成的关键^[85⇓~87]。在细菌表面修饰导电聚合物来降低界面电子转移电阻是提高EET的有效手段。曾翠平等^[63]将高导电性的聚合物PPy包裹在产乙酸菌表面作为电解池的阴极，成功将微生物电合成系统的阴极电阻降低33%~70%，并且使生物阴极的醋酸酯产率和法拉第效率提高了3~6倍。李正平等^[62]对共轭聚合物增强双向EET进行了研究，发现PFP不仅具有优异的电子传输能力，同时还可以通过嵌入细菌膜并且促进细菌生物膜的形成来增强双向EET。最终使PFP-希瓦氏菌MR-1（Shewanella oneidensis MR-1）杂合体进行生物发电时性能提升了2倍，延胡索酸盐生物电合成琥珀酸盐时电流增加了18倍（图5a）。Bazan等^[50]研究了共轭聚合物通过在单个细菌上形成自组装涂层来增强双向EET的过程。具有季铵阳离子侧链的n型共轭聚合物p(cNDI-gT2)可以通过静电相互作用包裹在具有负电性的希瓦氏菌外膜。由于较宽的还原电位，n型共轭聚合物p(cNDI-gT2)能够同时满足还原电位高于希瓦氏菌向外EET的氧化还原电位，并且低于希瓦氏菌向内EET的氧化还原电位，使其既能充当电子受体又能作为电子供体，从而增强了细菌双向EET。这使杂合体进行生物发电时生物电流提高了6倍，延胡索酸盐生物电合成琥珀酸盐时电流增加了35倍（图5b）。

通过构建导电聚合物-微生物杂合体，电子在微生物和电极之间的传递速率得到增强，有助于提高微生物电合成的性能。微生物电合成系统中，电活性微生物可以直接或间接地利用从电极导入的电子，通过卡尔文循环或者还原性三羧酸循环路径固定CO₂生产酸类和醇类化合物^[84]。虽然近年来微生物电合成取得了较大进展，但仍需要深入研究以进一步提高其功率密度。

3.3 稳定细胞活性强化微生物化学转化

微生物可以作为绿色催化剂可持续地催化生物质转化。微生物精巧的代谢路径为温和条件下合成各种目标化合物提供了新方法，同时其具有自复制、自我保护以及自我调控能力，在抗逆性与稳定性方面相对酶体系更具有优势。随着合成生物学等生物技术的进步，微生物细胞工厂得到快速发展，在生产生物燃料、精细化学品和药品以及功能材料等方面得到了广泛的关注与应用^[12]。

利用聚合物对微生物细胞进行表面包覆，可以在复杂条件下稳定微生物活性，助力微生物催化。苏宝连等^[35]利用PDA在全细胞催化剂黏红酵母（Rhodotorula glutinis）表面进行自组装形成PDA纳米涂层。PDA涂层能够提高黏红酵母细胞稳定性，使全细胞生物催化剂在不对称还原方面表现出良好的催化活性和可重复使用性（5次循环后催化活性比天然细胞高8倍）（图6a）。吴昌柱等^[52]在基因重组的大肠杆菌（Escherichia coli）表面包裹PDA，开发了一种可进行多功能合成的全细胞催化剂。PDA能够帮助大肠杆菌抵御紫外光、高温、有机溶剂、有机-水两相界面张力的影响，维护细菌的代谢活性。由于大肠杆菌能够高水平地表达多种酶，PDA稳定大肠杆菌代谢活性有助于其更好的进行单酶、多酶以及化学-酶耦合的催化反应。另外，PDA涂层使微生物细胞在水-有机两相中保持稳定，让全细胞催化剂能够在乳液界面充分利用催化反应空间，以实现高效的界面生物催化（图6b）。

聚合物还能作为界面层在微生物表面偶联其他功能性材料。曲晓刚等^[73]利用PAH和PSS在粪产碱菌（Alcaligenes faecalis）表面进行生物矿化，形成掺有四氧化三铁纳米颗粒的磷化钙矿物层。该矿物层能够使微生物催化剂耐受长时间有机溶剂胁迫，使其在高达30次的催化反应循环后仍然保持高选择性和细胞活力。同时由于掺杂的四氧化三铁纳米颗粒具有磁性，所以可以利用远程磁场轻易地实现原位产物分离和生物催化剂回收。Aksan 等^[34]使用大肠杆菌作为模型生物催化剂，在其表面涂覆多层带相反电荷的PDADMAC和二氧化硅纳米颗粒，使微生物催化剂耐受干燥、冻融、高温暴露、渗透休克以及溶菌酶攻击和原生动物的捕食。同时二氧化硅纳米颗粒能够增加生物催化剂外膜的通透性，在催化3,4-二羟基苯乙酸转化为α-羟基-δ-羧甲基顺式半醛的反应中速率提升2倍。表面引入功能涂层极大地增强了生物催化剂的稳定性，使其能在60 ℃的高温下运行并进一步将反应速率提高到了21倍（图6c）。

目前，微生物已经成为某些化学品与药品的重要生产途径。但是由于生物催化剂自身脆弱的特性，限制了其应用范围。构建聚合物-微生物杂合体，将聚合物或聚合物黏合的其他功能材料用作微生物的保护层，有助于微生物参与的化学转化在复杂体系中持续稳定的运行，并且还能赋予生物催化剂一些特殊的性能^[35,43,73]，从而拓宽生物催化的应用空间。尽管全细胞生物催化领域已经取得了很多成果，但工程菌株的品质和特性并非完全可控，微生物细胞工厂依然存在发酵系统不稳定、传质效率低、产物产量低且分离困难等挑战^[88,89]。因此，系统地设计开发提高微生物产量的新技术新策略至关重要。

4 结论与展望

将聚合物材料的物理化学特性与微生物的生物合成功能进行耦合构建杂合体可以强化微生物催化，用于生产燃料、化学品、功能材料等，将太阳能等绿色可再生能源以化学能的形式存储起来。本文系统总结了不同类型的聚合物-微生物杂合体的构筑，并从增强光能利用、加速电子传递、稳定生物活性三个方面详细综述了聚合物-微生物杂合体生物催化性能的提升。对杂合体系进行系统性设计有助于进一步提升其催化性能并拓展其应用场景。

首先，对微生物和聚合物材料进行系统设计提升二者之间的物理、化学、生物匹配性。通过现代合成生物学手段对天然微生物进行改造和筛选，使其更好地适配聚合物材料的光电特性以及对目标产物的合成。同时，对聚合物的尺寸、形貌及组成进行调控，使其增强与微生物的匹配。对于能量转移机制的研究可以指导功能聚合物材料-微生物杂合体系的设计。可以利用瞬态吸收光谱、拉曼光谱、傅里叶红外光谱等光谱技术分析聚合物-微生物杂合体界面的物质与能量转移过程，以此探究不同的杂合体界面结构对能量转移机制和生物代谢路径的影响机理。

其次，优化微生物催化反应体系中反应底物在微生物界面的传质。微生物表面包裹的聚合物涂层可能会影响微生物对反应底物的接触以及对营养组分和代谢产物的摄取和排出，降低生物催化效率和影响微生物繁殖等生命活动。因此，聚合物-微生物杂合体的构建过程中，需要增强聚合物界面传质。可以设计对微生物细胞具有可逆黏附的聚合物涂层以实现可控的物质与能量传递方式。另外，可以调控聚合物材料在微生物表面的覆盖度、厚度、孔隙率或使用聚合物微纳米颗粒在微生物表面构建聚合物-微生物杂合体。

最后，功能聚合物材料-微生物杂合体在半人工光合作用、生物电合成以及界面催化领域都展现出了优势，在CO₂固定与转化、电能存储与释放以及燃料与化学品的生产等方面具有很大的应用潜力。然而，杂合体的规模化培养与应用也面临能量转换效率低、聚合物材料成本高、长期稳定性不足以及与生物反应器难兼容等问题。在后续的研究中，需要开发廉价高效的功能聚合物材料并评价其在生物催化反应体系中的长期稳定性，同时也需要开发适合杂合体催化反应的生物反应器，探讨其规模化应用的前景。

目前，对功能材料与微生物的杂合系统尤其是聚合物-微生物杂合体的研究仍处于初级阶段。随着材料、化学和生物学科的不断发展，以及研究人员在该领域的不断深入探索，相信未来会有更多具有应用潜力的功能材料-微生物杂合系统被开发出来。

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