第一作者：Xin Fang、Shafeer Kalathil
通讯作者：Erwin Reisner
通讯单位：英国剑桥大学化学系
研究亮点：
1. 制备了具有多孔结构三维电极用于细菌培养，利用细菌与电极之间的电子交换耦合细胞内的代谢过程与细胞外氧化还原反应。
2. 构建了生物杂化电极用于电能产生与化学合成。并与人工制备的半导体光电极配合，实现太阳光驱动的化学反应，合成生物代谢产物或者功能材料。
成果简介
Reisner课题组长期从事人工光合作用研究，致力于探索利用生物催化剂参与人工光合作用的新途径。近期，Reisner教授团队采用反蛋白石氧化铟锡（IO-ITO）电极作为微生物利用硫还原地杆菌进行电发生和电合成的平台。
要点1：三维多孔电极内培养地杆菌制备生物杂化电极
本文主要的研究对象是硫还原地杆菌（Geobacter sulfurreducence）（图1A）。这是广泛存在于河流、土壤中的一类厌氧微生物。这类细菌能将呼吸代谢产生的电子跨膜传递给细胞外的不溶性电子受体，也可以接收外界供给的电子参与细胞内的生物化学反应。这类可以和外界进行电子交换的微生物统称为电活性（electroactive）微生物。本文的思路是在三维多孔电极内培养地杆菌（图1B），利用所得的生物杂化电极（hybrid electrode）参与电催化反应或者人工光合作用。
图1. IO-ITO电极与硫还原地杆菌
要点2：IO-ITO电极作为微生物电生成的平台
本文使用氧化铟锡（Indium tin oxide, ITO）纳米粒子作为电极材料，通过模板法制备出孔径为10 μm的三维多孔电极（图1B）。所得的电极具有高表面积，良好的导电性和亲水性，较宽的电化学窗口。在三电极体系中，对ITO电极施加+0.1 V vs. SHE （pH 7.4）的正电位，溶液（含细菌生长需要的醋酸盐）中的浮游细菌会附着在电极表面以输出多余电子（图1C, D）。这些地杆菌在电极表面增殖，电流密度因此不断升高，最终达到3 mA cm−2的平台值。
随着醋酸盐的消耗，细菌代谢活性降低，电流密度开始下降（直到补充新的醋酸盐，图2B），但细菌数量维持不变（图2C, 黄色线）。剖面观察可见杂化电极内部的菌群以及附着在ITO电极表面的地杆菌（图2D, E）。细胞染色试验表明电极内部的细菌仍然维持了细胞活性（图2G）。3 mA cm−2这个数值有什么意义呢？如果考虑电极的厚度（60 μm），那么体积电流密度就是500 mA cm−3。这一数值不仅远超其他电极体系，而且接近单个细菌的电流输出极限（1000 mA cm−3），说明杂化电极内部含有高密度的地杆菌菌群并且维持了较高的代谢速率。
图2. 硫还原地杆菌在IO-ITO电极内的培养
要点3：生物杂化电极参与的电催化反应
本文以富马酸盐（fumarate）还原为例展示了生物杂化电极参与的电催化反应。给电极施加负电位，地杆菌从电极表面获得电子，在细胞内部把可溶性的富马酸盐还原为琥珀酸盐（succinate）。通过电流和核磁，可以动态监测反应过程中的速率变化和物质变化（图3A,B）。根据反应产物和电流测算，反应过程中的法拉第效率接近100%（图3C），说明电极提供的电子完全用于还原富马酸盐，没有参与副反应。除此之外，该生物杂化电极还可用于合成功能材料。例如，在−0.3 V vs. SHE（pH 7.2）的电位下，地杆菌可以将获得的电子转移给胞外的氧化石墨烯，还原后的氧化石墨烯团聚在溶液中（图3D）。传统的电化学法还原氧化石墨烯需要较大的负电位（< −0.7 V vs. SHE， pH 7.2），能耗高且伴随副反应（如产氢），能量利用效率低。而生物杂化电极基于地杆菌自身的电子输出特性，在温和的条件下就可以完成反应。
作为一个可以独立使用的具有生物催化活性的电极，该杂化电极还可以和光阳极配对，参与人工光合作用。本文使用了两种光阳极——染料敏化的TiO2和BiVO4（图3E−J），在太阳光照下都能自主驱动富马酸盐的还原，不需要额外施加偏压（图3H，K）。
图3. 生物杂化电极用于电化学合成及人工光合作用
小结
本文展示了一个集成微生物和光电化学体系的示范案例，这个工作整合了材料学，微生物学，电化学，光催化等领域的研究方法，统筹使用了各领域的技术手段，呈现了一个典型的多学科交叉领域的研究范式，希望能为后续生物杂化体系的开发及在人工光合作用的应用提供解决思路和前瞻方案。
参考文献
Fang X, et al. A three-dimensional hybrid electrode with electroactive microbes for efficient electrogenesis and chemical synthesis. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020.
DOI:10.1073/pnas.1913463117
http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1913463117
