近日，福建农林大学周顺桂教授团队和中国科学技术大学熊宇杰教授团队在化学及环境领域权威期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Sustainable Conversion of Microplastics to Methane with Ultrahigh Selectivity by Biotic-Abiotic Hybrid Photocatalytic System”的研究论文。微生物光电产甲烷是一种新型的微生物产甲烷模式，即产甲烷菌利用半导体（矿物）等光活性物质产生的还原力（光生电子、氢气等）进行自养代谢产甲烷。牺牲试剂是微生物光电产甲烷不可缺少的电子供体，驱动反应的持续高效进行。然而目前，对于微生物光电产甲烷牺牲试剂的研究还处于初步阶段，特别是寻找新型廉价易得的牺牲试剂以替代传统昂贵的化学牺牲试剂，是微生物光电产甲烷研究的重点及难点。作者通过产甲烷菌模式菌株Methanosarcina barkeri（M. b）和聚合氮化碳（CDPCN）构建了M. b-CDPCN光电产甲烷，首次证实微塑料能够作为微生物光电产甲烷的牺牲试剂，有效实现微塑料的高效甲烷化。相关研究成果拓展了微生物光电产甲烷的科学内涵，也为环境废弃物的资源化再利用提供了新的途径和思路。
图片摘要
Methanogen-semiconductor biohybrids drive sustainable conversion of microplastics to CH4 under illumination, which addresses a long-standing challenge of photocatalysis by fully utilizing photogenerated electrons and holes without the need of using expensive and unsustainable chemical sacrificial quenchers.
引言
微生物光电产甲烷是一种新型的产甲烷模式，其创新性地耦合了光活性物质优异的光捕获特性及产甲烷微生物特异性催化能力,在太阳能驱动下实现高效产甲烷过程。然而需要指出的是，微生物光电产甲烷需要以牺牲试剂作为持续电子供体，从而驱动反应的进行。然而目前，常用的牺牲试剂包括半胱氨酸、硫代硫酸钠、碘化钾等，其普遍存在制备工艺复杂、成本昂贵、可能造成二次污染风险等问题。因此寻找新型廉价易得的牺牲试剂以替代传统化学牺牲试剂，是微生物光电产甲烷研究的重点及难点。
塑料制品以其功能多样、加工简单和成本低廉等优势而成为工业生产和日常生活中不可缺少的材料。然而，伴随而来的塑料废物的数量逐年增加，这不仅给人类健康和生态安全带来了巨大风险，同时也造成了严重的资源浪费。虽然热解和加氢裂解等传统技术被广泛用于塑料废物的再利用，但是它们仍然受限于高能源需求和潜在的温室气体排放风险。能否将微塑料作为微生物光电产甲烷的牺牲试剂，以驱动反应的持续高效进行目前尚未证实，相关机制深入探究仍是一个巨大挑战。基于此，作者通过产甲烷菌模式菌株Methanosarcina barkeri（M. b）和聚合氮化碳（CDPCN）构建了M. b-CDPCN光电产甲烷系统，首次发现了微塑料能够作为牺牲试剂实现持续高效甲烷化，甲烷产物选择性接近100%；证实了光生电子（光还原机制）和空穴（光氧化机制）同时介导M. b-CDPCN降解微塑料产甲烷过程，阐明了其能量转移和电荷传递机制；评估了M. b-CDPCN光电产甲烷系统对于实际塑料废物的甲烷化潜能。研究结果有望为微塑料等环境废弃物的资源化再利用提供新的途径和思路。
图文导读
（1）M. b-CDPCN光电产甲烷系统的构建
首先，我们将制备的CDPCN添加至处于对数生长期的M. b（OD600 ≈ 0.2）中，经过3天暗反应，构建了M. b-CDPCN光电产甲烷系统。SEM（图1A）和TEM（图1B）显示，CDPCN纳米颗粒与M. b紧密相连。CLSM（图1C）也证实，CDPCN特有的蓝色荧光的分布与M. b的形状高度一致。紫外-可见光谱（UV-vis）进一步表明，碳点掺杂导致PCN的禁带宽度从2.73 eV减小到2.68 eV（图1D），这可能归因于掺杂的碳点与PCN芳香杂环之间形成了离域π键。此外，结合XPS价带谱可知，碳点掺杂导致PCN的价带和导带位置均向正电位方向偏移（图1E），从而有效提高微生物光电产甲烷系统的氧化能力。
图1：M. b-CDPCN光电产甲烷系统的表征。（A）SEM图像；（B）TEM切片图像；（C）CLSM图像；带隙图（D）和能带图（E）。
（2）降解微塑料产甲烷性能
为探究M. b-CDPCN光电产甲烷系统降解微塑料产甲烷性能，我们在系统中加入经热预处理（180 oC, 1 h）的聚乳酸（PLA）。结果如图2A所示，在0.8 mW/cm2的光强条件下光照24天后，系统CH4产量达到了6.97±0.12 mmol·g-1。该优异的产甲烷性能能够持续5个周期（120天），且第5周期时的CH4产率和选择性分别达到了9.39 mmol·g-1和99.1%（图2B）。此外，作者采用12小时光暗循环来模拟自然的昼夜循环（图2C）。结果显示，CH4产量在光照及黑暗期均持续增加。这可能归因于光照下产生的还原性物质和中间产物能够被M. b在黑暗时利用。更为重要的是，在光暗循环过程中CH4产生速率持续加快。这是因为PLA能够通过光氧化途径产生的高浓度的有机中间产物，如丙酮酸和乙酸等。这些不断累积的有机物能够有效充当M. b的碳源和能量来源。
图2：光驱动M. b-CDPCN光电产甲烷系统降解PLA产甲烷。（A）M. b-CDPCN连续5周期降解PLA产甲烷性能（共120天）；（B）平均甲烷产率和选择性；（C）12小时光暗循环产甲烷性能（数值代表平均产甲烷速率）。
（3）活性物质表征及功能
我们进一步探究了M. b-CDPCN光电产甲烷系统中的活性物质，以了解该系统优异产CH4性能的内在机制。原位电子顺磁共振（EPR）结果显示，光照能够激发光电产甲烷系统产生h+（图3A）、·O2-（图3B）和·OH（图3C）。UV-vis光谱进一步显示，该系统还能产生H2O2（图3D），且H2O2浓度随着·O2-强度的增加而降低（图3E）。这暗示·O2-可能是H2O2转化的中间产物。猝灭实验结果显示，在TBA、SOD和过氧化氢酶存在条件下，M. b-CDPCN光电产甲烷系统的CH4产率分别降低了42%、20%和12%（图3F）。这表明在PLA甲烷化过程中，h+和ROS均发挥了关键作用，其贡献大小顺序依次为·OH > h+ >·O2- > H2O2。
图3：活性物质的表征及其在微生物产甲烷过程中的作用。（A）h+，（B）·O2-和（C）·OH的原位EPR光谱；（D）以邻联甲苯胺为H2O2指示剂的UV-vis光谱；（E）光照12天后·O2-、·OH和H2O2的浓度；（F）不同ROS猝灭试剂条件下产甲烷性能。
（4）光氧化产CH4过程
光催化氧化产物可作为M. b的潜在碳源（图4A）。因此我们对体系反应至不同时期的中间产物进行了研究。PLA的光催化氧化通常可通过两条途径进行（图4B）。1H核磁共振谱显示，PLA在热预处理后水解成单体乳酸和少量未识别的产物（图4C）。在光照下，伴随着乳酸的特征峰消失，这些产物通过氧化脱羧途径产生乙醇、乙醛和乙酸等复杂产物（图4B和4C）。微生物裂解实验和二维核磁共振光谱进一步证实，乳酸还能够通过丙酮酸途径被氧化成乙醛和乙酸，进而用于产甲烷（图4D和4E）。
图4：光催化氧化中间产物表征。（A）M. b利用光催化氧化产物示意图；（B）PLA光催化转化途径；（C）PLA光催化氧化1H NMR光谱；体系在6天光照后的（D）gCOSY和（E）gHMBC光谱。
（5）光还原产CH4过程
光生电子可用于M. b还原CO2产甲烷（图5A）。电流I-t曲线显示， M. b-CDPCN光电产甲烷系统在光照下光电流强度立即增加到5.5 μA（图5B）。同位素标记实验进一步证实，PLA降解产甲烷过程中存在光生电子驱动CO2还原产CH4（图5C）。超快瞬时吸收光谱（TAS）实验显示，光照导致700 nm处出现了黑暗时没有的特征光致吸收峰（图5D和5E），该吸收峰归属于CDPCN中的电子积累。在PLA存在条件下，这些电子的衰减动力学显著加速（图5F），这可能归因于空穴清除剂所引发的更快的电荷复合动力学。在引入M. b之后，光激发电子的衰减动力学进一步加快（图5F），这可能是由于M. b表面丰富的电子接受活性位点能够促进光生电子的捕获与利用。
图5：光生电子表征及其在产甲烷中的作用。（A）M. b利用光生电子产甲烷途径示意图；（B）微生物光电产甲烷系统I-t曲线（20/20s）；（C）NaH13CO3为碳源的质谱分析；黑暗（D）和光照（E）条件下M. b-CDPCN的瞬时吸收光谱和（F）电子复合动力学。
（6）转录组分析
我们还进行了转录组分析，以厘清M. b-CDPCN光电产甲烷系统降解PLA产甲烷过程的能量转移和电荷传递机制。如图6所示，M. b中酰基辅酶A合成酶和CO脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶（Cdh/ACS）的表达显著上调，表明它们在乙酸产甲烷过程中发挥重要作用。此外，在M. b中还检测到显著提高的丙酮酸-铁氧还蛋白氧化还原酶（Por）活性，从而证明其能够将生物体内产生的丙酮酸氧化为乙酰辅酶A，并通过乙酰基-辅酶A途径进一步转化为甲烷。此外，CO2还原产甲烷过程的关键基因的表达也显著上调，包括甲酰甲烷呋喃脱氢酶（Fmd）、亚甲基四氢甲烷蝶呤脱氢酶（Mtd）和甲基转移酶亚单位（Mtr）等。
图6：M. b-CDPCN光电产甲烷系统转录组分析。
实际应用性
为了进一步探究M. b-CDPCN光电产甲烷系统的实际应用性，我们选择了不同类型的实际微塑料进行光催化系统降解产甲烷实验，其来源包括一次性手套（PS）、矿泉水瓶（PET）、塑料薄膜（PUR）以及塑料袋（PLA）等。虽然这些实际微塑料中存在填充剂、交联剂和抗氧化剂，但在24天的光照下，其甲烷产率仍然分别达到0.17、0.16、0.88和1.78 mmol·g-1（图7A）。SEM图像显示，M. b-CDPCN光电产甲烷系统导致微塑料光滑表面转变为明显的凹坑和裂纹特征（图7B）。
图7：M. b-CDPCN光电产甲烷系统降解不同类型的实际微塑料产CH4性能。（A）24天光照下的CH4产量；（B）实际PLA微塑料表面变化。
小结
在本研究中，我们通过构建的M. b-CDPCN首次证实微塑料能够作为微生物光电产甲烷的牺牲试剂，从而实现高效的产甲烷性能，甲烷选择性接近100%。机理分析表明，光氧化和光还原机制同时调控了M. b-CDPCN降解微塑料产甲烷过程。转录组分析进一步证实了M. b-CDPCN光电产甲烷系统降解PLA产甲烷过程的能量转移和电荷传递机制。研究结果有望为微塑料等废弃物的资源化利用提供重要的见解。
本文以福建农林大学叶捷副教授为第一作者，福建农林大学教授周顺桂和中国科学技术大学讲席教授熊宇杰为通讯作者，福建农林大学为第一完成单位。本研究得到了国家杰出青年科学基金（41925028，21725102）、国家自然科学基金（42177206）、福建省自然科学基金（2020J06017）的资助。
作者简介
叶捷：福建农林大学副教授、博士生导师。主要从事水/土界面微生物光电化学及产甲烷效应方面的研究。先后主持福建省杰出青年科学基金、福建省高校杰出青年科研人才计划、国家自然科学基金（3项）等科研项目10余项。以第一作者或通讯作者共发表SCI论文30余篇（其中Nat. Commun.1篇，Angew. Chem. 2篇，ES&T 1篇，Water Res. 3篇）。获授权国家发明专利5项。兼任《工业水处理》、《环境工程学报》杂志青年编委及《Frontiers in Microbiology》客座主编。
周顺桂：福建农林大学资源与环境学院院长、特聘教授（二级），博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者（2019），国家万人计划创新领军人才（2018）。主要从事有机固体废物资源化利用、土壤微生物电化学方面的基础理论与应用研究。主持国家自然科学基金9项（包括杰青、优青、重大研究计划、联合基金重点、面上及青年项目）、国家863、国家科技支撑计划课题、国家重点研发计划课题等重要科研项目30余项。以第一或通讯作者发表 SCI 论文150余篇（其中，Nature Communications、Science Advances、ISME Journal、Angewandte Chemie、Nano Energy、ES&T、Water Research等IF5-years>8.0论文80余篇），论文SCI他引超10000次，个人H指数60，入选 “中国高被引学者”榜单。获授权国家发明专利50余件、美国发明专利2件。曾获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、大北农科技奖、国家科技进步二等奖（排名第五）、广东省科学技术一等奖（排名第一）、广东省自然科学一等奖（排名第二）、广东省专利优秀奖（排名第一）、中国产学研合作创新成果奖一等奖（第一）、广东青年五四奖章、福建运盛青年科技奖、福建紫金科技创新奖、国务院政府特殊津贴。
熊宇杰：中国科学技术大学讲席教授、博士生导师。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获化学物理学士学位，2004年获无机化学博士学位，师从谢毅院士。2004至2011年先后在美国华盛顿大学（西雅图）、伊利诺伊大学香槟分校、华盛顿大学圣路易斯分校工作。2011年辞去美国国家纳米技术基础设施组织的首席研究员职位，回到中国科学技术大学任教授，建立独立研究团队。2017年获国家杰出青年科学基金资助，入选英国皇家化学会会士（FRSC）。2018年获聘长江学者特聘教授，入选国家万人计划科技创新领军人才。2022年当选东盟工程与技术科学院外籍院士（FAAET（F））、新加坡国家化学会会士（FSNIC）。现任ACS Materials Letters副主编。主要从事基于催化过程的生态系统重构研究。迄今为止，在Science等国际刊物上发表260余篇论文，总引用34,000余次（H指数95），入选科睿唯安全球高被引科学家榜单和爱思唯尔中国高被引学者榜单。2012年获国家自然科学二等奖（第三完成人），2014-2016和2018年四次获中国科学院优秀导师奖，2015年获中美化学与化学生物学教授协会杰出教授奖，2019年获英国皇家化学会Chem Soc Rev开拓研究者讲座奖，2021年获安徽省自然科学一等奖（第一完成人）。