近期，任南琪院士团队路璐课题组与中国科学院深圳先进技术研究院合成所高翔课题组合作成果以“Solar-driven waste-to-chemical conversion by wastewater-derived semiconductor biohybrids” 为题，发表于《自然-可持续性》（Nature Sustainability）。城市水资源与水环境国家重点实验室为论文第一完成单位和通讯单位。
哈工大（深圳）土木与环境工程学院博士后皮姗姗为论文第一作者，实验室成员路璐教授和中国科学院深圳先进技术研究院合成所副研究员高翔为共同通讯作者。
针对“减污降碳协同增效”国家重大需求，以及目前工业废水资源化循环利用产品价值不高、产物转化率低的问题，研究团队基于合成生物学原理与技术，协同利用实际工业废水中多种污染物“自组装”半导体−微生物杂合体，以太阳光赋能微生物合成代谢，实现废水污染物到化学品的高效、定向增值转化。
该研究利用前沿合成生物学技术将特定的合成代谢途径导入底盘细胞，构建基因工程菌，使其能够“定制”合成化学品，将实际工业废水中的多种有机废物（碳水化合物、甘油、有机酸等）定向转化为高价值化学品丁二醇；同时将好氧硫酸盐还原途径导入工程菌内，使其将废水中的硫酸盐还原为H2S，并与废水中的重金属离子反应在细胞膜上形成纳米级金属硫化物半导体颗粒。该半导体颗粒在可见光照射下产生的光生电子将进入细胞体内，为合成代谢进行“电赋能”，可将产物转化率提高约200%。在世界上首次利用废水污染物“自组装”半导体−基因工程菌杂合体，并实现高效、产物可控的有机碳增值转化。目前该研究已在实验室规模得到验证，并在5~30 L规模上开展扩大化研究，以多种有机废水和重金属废水为原料，获得了较高的化学品产量和超过99%的有机物、重金属去除率。生命周期分析（LCA）表明，与传统石油精炼和纯糖生物发酵相比，本研究提出的生物制造路径，温室气体排放和生产成本更低。
该研究融合了最新的合成生物学和人工光合理论与技术，可根据需求定向合成产物，并可针对实际废水特性选取最合适的底盘细胞和构建策略，所构建工程菌相较于传统发酵微生物具有生长快速（繁殖时代时间小于10分钟）、耐高盐（~50 g/l）、抗高污染、底物利用广泛、对氧气不敏感等优点，具有较大的规模化应用潜力。该项研究开创了一种废水中多污染物协同利用及高效原位转化的新范式，将太阳能和生物制造相结合，创造了一种可持续的化学品生产方法，有望为实现清洁生产、减少碳排放和提高废物资源利用率带来新的可能性。
图1.基于废水污染物协同利用的半导体材料-细菌杂合体光驱生物制造
图2.半导体材料-细菌杂合体光电子赋能强化合成代谢
图3.生命周期分析显示杂合体的光驱化学品生产路线更具优势
