光催化-生物雜合系統(tǒng)設計優(yōu)化用于燃料和化學品綠色合成

光催化-生物雜合系統(tǒng)設計優(yōu)化用于燃料和化學品綠色合成近百年來，隨著工業(yè)進程的高速發(fā)展，不可再生的化石能源濫用嚴重，導致CO2等溫室氣體過度排放，同時引發(fā)了嚴重的能源危機和各種環(huán)境問題。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，2022年《巴黎協(xié)定》首次提出全球“碳中和”概念，截至目前已有超過120個國家和地區(qū)提出了自己的碳中和達成目標。其中，將CO2轉化為碳基化學品及能源物質，以及使用清潔高效能源替代化石能源成為重中之重[1-3]。

由于自身穩(wěn)定的熱力學與動力學性能，CO2的活化并不容易[4]，目前工業(yè)常用的幾種將CO2轉化為其他碳化合物的方法，如電催化[5-9]、化學重整[10]等，反應條件一般比較苛刻，而且依靠電能的還原反應會導致額外的能量輸入，如今的電能提供依舊比較依賴于火力發(fā)電，無法完全擺脫化石燃料的污染。氫氣作為高效清潔的新型能源物質，近年來逐漸受到青睞。然而，目前制取氫氣的三種主流方法：電解水制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫和化石燃料制氫，過程同樣需要大量的能源消耗并造成溫室氣體排放，尚不能滿足綠色化學以及“碳中和”理念的要求。作為農(nóng)業(yè)氮素來源的合成氨技術，存在同樣問題。以Haber-Bosch法為代表的人工固氮途徑在鐵催化劑、高溫（500~600℃）、高壓（20~50MPa）下才可實現(xiàn)N2的轉化，此后改進的一系列方法，如Marnellos等[11]發(fā)明的常壓合成氨手段，也需將電解池溫度加熱到570℃，據(jù)統(tǒng)計，平均每生產(chǎn)1t氨，排放約2t二氧化碳氣體[12]。因此，如何利用安全清潔、可持續(xù)再生的新能源實現(xiàn)重要化學品的合成成為了人們亟待解決的問題。

地球上的能量核心——太陽能，由于具有儲量豐富、可再生、分布廣泛、安全、清潔等獨特優(yōu)勢，被國際公認為未來最具競爭性的能源之一。1976年研究人員首次發(fā)現(xiàn)了能直接利用光能，在溫和條件下催化化學反應的半導體材料，并由此開辟出光催化領域，實現(xiàn)利用太陽能安全清潔、綠色可持續(xù)地合成化學品。近年來，隨著納米技術的迅猛發(fā)展，光催化材料在光能轉換效率方面得到大幅度提升，已遠遠超過自然界的光合作用[13-14]。然而由于光催化材料本身的催化特性，傳統(tǒng)無機/有機光催化仍然存在著反應特異性較差、產(chǎn)物譜較單一、產(chǎn)物多為低碳簡單化合物等問題，不能滿足現(xiàn)階段對靶向高效生產(chǎn)長鏈高值化合物的需求[15-18]。隨著自然界的進化，生物體進化出高效的生物酶分子。通過特定的二級及三級結構，酶分子可降低催化能壘，調節(jié)催化方向，完成溫和、高效、高產(chǎn)物特異性的催化過程。與此同時，成千上萬的酶分子，通過生物體的精密調控，組成一條條精巧的代謝途徑，可精準高效地合成各種長鏈高值化合物[19-21]，這是化學催化所不可比擬的。

基于此，將光催化和生物催化耦合的光催化-生物雜合系統(tǒng)，近年來逐漸成為研究熱點。該系統(tǒng)利用光催化高效的光能轉化性能，將光能轉化為高能還原物質/電子，為生物催化提供能量和還原力，最終實現(xiàn)綠色、高效的化學品合成。根據(jù)生物催化載體的不同，光催化-生物雜合系統(tǒng)可分為光催化-生物酶雜合系統(tǒng)和光催化-微生物雜合系統(tǒng)兩大類，本文以電子傳遞機制作為劃分依據(jù)，分別對這兩類系統(tǒng)的作用方式進行分類（圖1），詳細評述各體系中光生電子的傳導方式，以及存在的優(yōu)缺點和關鍵問題，最后對該領域提出了展望。

1.3混合型光催化-生物酶雜合系統(tǒng)

銠基復合物等電子介體價格昂貴，且與生物催化劑相比周轉頻率(TOFs)低得多[48-50]，此外，為達到必要的NAD(P)H生產(chǎn)速率所需的相對較高濃度的銠配合物會導致生物質失活[51-52]。在自然界中，存在心肌黃酶（DH）、鐵氧還蛋白-NADP+還原酶（FNR）[39,53-54]等一類含F(xiàn)AD/FMN活性中心的酶，可以實現(xiàn)NAD(P)H的合成，催化效率是銠基復合物的幾倍[55-58]。同時，此類酶的活性位點有些直接暴露在表面，可直接結合光催化劑獲得光生電子，高效率再生NAD(P)H。這種耦合了直接電子傳遞與輔因子介導兩種作用而成的混合型光催化-生物酶雜合系統(tǒng)，同樣繼承了兩方的優(yōu)勢，不僅應用面廣泛、適用于活性中心暴露或不暴露兩種類型的氧化還原酶，而且避免了銠復合物對生物酶的毒害作用、降低成本的同時提升了TOFs。截至目前，人們已從例如Termotogamaritima[59]、Geobacillusstearothermophilus[60]、Bacillussubtilis[61]和Clostridiumkluyveri[56]等微生物中，獲得了不同種類的心肌黃酶。King等[39]報道了利用硒化鎘量子點（CdSe），和Fd（鐵氧還蛋白）依賴的FNR構建的雜合系統(tǒng)（圖4），表面覆蓋硫基丙酸（MPA）的量子點在Fd結合位點上表現(xiàn)出特異性吸附。光照下NADP+還原為NADPH，平均TOF為1440h-1，在NADPH作用下乙醛經(jīng)醇脫氫酶催化實現(xiàn)到乙醇的轉化，NADPH和乙醇的量子產(chǎn)量均為5%~6%。

圖4

圖4混合型光催化-生物酶雜合系統(tǒng)[39]

Fig.4Amixedphotocatalysis-enzymehybridsystem[39]

1.4維持生物酶活性的策略

由于光催化反應會產(chǎn)生大量的ROS，易導致酶失活，極大地限制了光催化-生物酶雜合系統(tǒng)的發(fā)展，所以如何在光反應中維持生物酶的活性成為了人們亟待解決的問題。加入適當?shù)碾娮訝奚w，以防止空穴氧化生成ROS是最基本的手段，此外，促進高效的靶向電子傳遞作用，也是避免ROS大量生成的途徑之一。加入共/助催化劑（如CDs或銠復合物等），可以促進對空穴或光生電子的捕獲[62]，從根源上減少ROS生成。另外，采用固定化酶手段，將游離酶包裹在MAF-7、ZIF-8等MOFs材料中[31]，將其與ROS隔絕，可在一定程度上保護生物酶活性。Jiang等[63]制備了內(nèi)部附有TiO2膜的SiO2涂層，并將醇脫氫酶（ADH）和光催化劑CdS分別固定在其外表面和內(nèi)表面，利用NAD+/NADH在TiO2膜間的穿梭作用，實現(xiàn)了光催化與酶催化的隔室化反應，SiO2涂層可使ADH免受光照傷害，并通過物理限制防止光催化產(chǎn)生的ROS影響ADH的活性。最后，通過額外加入過氧化氫酶（CAT）[64]、超氧化物歧化酶（SOD）等ROS酶，實現(xiàn)ROS的降解，一些具有類SOD、CAT活性的物質如錳卟啉結構、鉑納米粒子等[65]，也可被用于消除ROS，維持生物酶活性。

除了ROS，為盡可能維持生物酶在體外反應的活性，需要對緩沖液的類型[66]、光強、反應溫度、壓力等條件進行優(yōu)化，并且還要考慮產(chǎn)物濃度對酶活性的影響。例如利用FDH固定CO2合成甲酸時，過高的甲酸含量可能會導致pH降低，影響酶活性。此外，體系中產(chǎn)物濃度的提高也會阻礙正反應的進行。因此，實現(xiàn)體系中產(chǎn)物的及時轉移，即反應分離一體化，也是維持酶反應活性的策略之一。膜分離技術由于具有反應條件溫和、無須引入其他物質等優(yōu)勢，不會對生物酶活性造成損傷，可用于酶發(fā)酵體系中產(chǎn)物的原位分離，裝置可分為內(nèi)置式與外置式兩種，雖然可以在一定程度上解除產(chǎn)物濃度過高對酶活性造成的抑制，但是膜的高成本，與膜堵塞、污染等問題也會增加反應成本。除了提高酶活性，固定化技術也可用于酶的回收利用與連續(xù)發(fā)酵。通過包埋、吸附、共價結合、交聯(lián)和親和等作用[67]，可將酶約束在反應器中并限制其自由流動，繼而實現(xiàn)產(chǎn)物與酶的連續(xù)分離，保證酶在連續(xù)發(fā)酵過程中的活性不受產(chǎn)物濃度影響。

2光催化-微生物雜合系統(tǒng)

光催化-微生物雜合系統(tǒng)是用微生物作為生物催化載體，利用太陽能為微生物代謝提供能量和還原力的系統(tǒng)。由于微生物具有精巧的代謝途徑，就為合成各種高碳化合物提供了可能性，同時由于微生物具有一定的膜保護及自我調控能力，在體系抗逆性與穩(wěn)定性方面相對酶體系更具有優(yōu)勢。與此同時，微生物為維持必要的生長代謝，需要消耗部分能量和還原力，導致光-產(chǎn)物轉化效率降低。但在高值化學品的綠色合成方面，光催化-微生物雜合系統(tǒng)仍具有極大發(fā)展優(yōu)勢及潛力[68]。在合成生物可降解塑料PHB、長鏈脂肪酸等復雜化合物時，由于反應步驟煩瑣，導致所需的酶種類過多，而目前多酶級聯(lián)體系的構建依舊面臨很大挑戰(zhàn)，不僅存在酶的純化工藝復雜、體外反應的穩(wěn)定性較差等問題，產(chǎn)率也會隨步驟增多而顯著下降。但微生物由于內(nèi)部已經(jīng)進化出天然的代謝網(wǎng)絡以及應激機制，一般情況下，選擇合適的底盤菌就能得到完整的產(chǎn)物合成通路，且無須外部添加輔因子、ATP等生物反應的必需分子，而是由“細胞工廠”進行自發(fā)地合成及調配。

基于催化劑與微生物耦合方式的不同此系統(tǒng)可分為兩大類，即胞外光催化劑的供能體系以及注入到胞質內(nèi)的光催化劑供能體系，而前者根據(jù)電子傳遞機理的不同又可分為直接電子傳遞與化學物質介導兩種。

2.1基于直接電子傳遞的胞外能量供給模式

基于直接電子傳遞的微生物雜合系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎在于微生物表面存在能直接接收電子的物質[71-74]，或是利用膜上氫化酶直接完成H2的生成，或是通過如鐵氧還蛋白、黃素蛋白、細胞色素、OMCB等導電蛋白[75-77]或導電鞭毛等實現(xiàn)電子向胞內(nèi)的引入。例如膜上含有導電蛋白的微生物包括希瓦氏菌（Shewanella）[78]、地桿菌（Geobacter）[79]等，可以實現(xiàn)電子跳躍；而鼠孢菌（Sporomusa）[80]、穆爾氏菌（Moorella）[15]、梭菌屬（Clostridium）[81]等，可通過膜上氫化酶接收電子直接實現(xiàn)氫氣生成，而合成的氫氣也可通過介導途徑為胞內(nèi)提供還原力[82]；另外本身含有光合系統(tǒng)（PS）的微生物如紅假單胞菌（Rhodopseudomonas）[63]則可通過PS及電子傳遞鏈（PET）的作用接收外源電子，促進光合作用[83-85]。

Sakimoto等[15]通過在非光合細菌Moorellathermoacetica表面自沉淀CdS納米顆粒，使非光合微生物具有光敏性。在這個系統(tǒng)中，Moorellathermoacerica通過代謝半胱氨酸產(chǎn)生S2-，其與外加的Cd2+反應，實現(xiàn)了沉淀于微生物膜表面的CdS納米粒子的合成。在M.thermoacetica-CdS雜合系統(tǒng)中，光生電子可以直接傳遞到M.thermoacetica的胞內(nèi)并提供還原當量，利用Wood-Ljungdahl途徑來還原CO2生產(chǎn)乙酸，并隨著微生物的繁殖，膜外CdS納米粒子也可進行再沉淀作用，表明體系具有動態(tài)組裝及自我修復能力。他們后來又通過瞬態(tài)吸收(TA)光譜和時間分辨紅外(TRIR)光譜，針對此雜合系統(tǒng)的電子傳遞過程進行了系統(tǒng)性研究[圖5(a)][84]，結果發(fā)現(xiàn)雜合體系的電子轉移可能存在兩種相互競爭的途徑：直接注入到膜上可接收電子的受體蛋白如Fd、Fp等，實現(xiàn)ATP的合成并直接還原CH2-THF；而隨著反應進程，氫化酶的表達量會增加，動力學顯示電子更傾向于與膜上氫化酶或其他分子受體作用生成H2，再通過HydABC復合物的作用進入Wood-Ljungdahl途徑。Qiao等[86]針對此雜合系統(tǒng)的全局蛋白組和代謝物進行了詳細研究，實驗結果與之前提出的反應機理相符合，明確了光催化劑對微生物造成的代謝改變，Wood-Ljungdahl途徑被激活。與之類似的還有Jin等[81]的研究結果，證明了Clostridiumautoethanogenum與CdS納米顆粒形成的雜合系統(tǒng)，也可能同時存在電子向Rnf雜合體（與NADH再生相關）以及氫化酶注入（后轉到氫氣介導作用）這兩種直接電子轉移的機制。

圖5

圖5基于直接電子傳遞的胞外供能模式

Fig.5Energysupplymodelbasedondirectlyelectrontransferextracellularly

Wang等[19]依照同樣的自沉淀原理構建了CdS-Rhodopseudomonaspalustris雜合系統(tǒng)，以實現(xiàn)光催化還原CO2合成生物可降解塑料——聚β-羥基丁酸酯（PHB）。其中光合系統(tǒng)（PS）可直接接收光能，產(chǎn)生的光生電子在電子傳遞鏈（PET）以及ATP合成酶的作用下，為體系提供NADPH以及ATP。而CdS產(chǎn)生的光生電子則可通過PET實現(xiàn)向細胞內(nèi)的直接注入，進一步促進還原力再生，更有效地為細菌細胞內(nèi)的CBB循環(huán)供能，合成的3-磷酸甘油醛通過代謝轉化最終生成PHB，產(chǎn)量較R.palustris提高了47%。另外此體系也可同時實現(xiàn)N2的固定[圖5(b)]，根據(jù)光合效率（PE）的計算，CdS包覆的R.palustrisPE為6.73%，比天然細胞（2.35%）高186%，優(yōu)于許多光異養(yǎng)細菌[85]，固氮酶與卡爾文循環(huán)同時工作時，體系固定N2和CO2的比例分別為71.9%和28.1%，表面包覆CdS的光誘導電子賦予生物雜交細胞更大的生存能力。

Fu等[87]構建了一種采用n型半導體TiO2納米線陣列作為光陽極，與生物陰極聯(lián)合的雙室反應體系，利用太陽能作為唯一的能量輸入，光生電子經(jīng)由外電路直接傳遞給厭氧活性污泥中的微生物，最終實現(xiàn)CO2轉化為CH4。利用循環(huán)伏安法檢測陰極室過濾后的無細胞上清液，發(fā)現(xiàn)沒有氧化還原峰且電流可以忽略不計，排除了體系中存在可溶性電子介體的可能性，驗證了電子是從電極直接轉移到微生物的作用方式，由此導致了96%的極高法拉第效率。

2.2基于化學物質介導的胞外能量供給模式

合成生物學改造難度小、產(chǎn)物譜豐富的生產(chǎn)用工程菌株往往無法實現(xiàn)電子的直接跨膜傳遞，為了能夠和更廣泛的工程菌株進行適配，可以通過化學物質作為載體介導電子傳遞[88]，突破電子傳遞模式只能用于親電微生物的限制，實現(xiàn)更多高價值化合物的合成。常見的介導物質有甲基紫精、氫氣與甲酸等。

甲基紫精（MV）是最早用作光催化-微生物雜合系統(tǒng)的電子介體，其氧化形式（MV2+）可以通過光催化作用還原為甲基紫精陽離子(MV?+)，進而介導電子傳遞[89]。Honda等[90-91]利用TiO2作光催化劑、甲基紫精（MV）為電子介體，實現(xiàn)了無貴金屬的全細胞催化產(chǎn)氫作用，并通過改善反應條件優(yōu)化了甲基紫精的再生效率，繼而提高了光催化產(chǎn)氫率[圖6(a)]。但體系需嚴格厭氧，否則電子無法傳遞給氫化酶進行氫氣生成。而Zhao等[92]通過仿生硅礦包裹構建了核殼結構的大腸桿菌聚集體，在空氣條件下，SiO2殼中位于外層的、暴露在有氧條件下的菌體，將進行有氧發(fā)酵并逐漸消耗氧氣，而內(nèi)部的菌體則自然避免了氧氣的干擾，能夠實現(xiàn)在空氣條件下的全細胞光催化產(chǎn)氫。利用膜結合的重金屬螯合蛋白PbrR與鎘離子結合，實現(xiàn)的CdS納米粒子的原位合成與表面展示，通過加強臨近效應縮短了甲基紫精從CdS處接收電子，到將電子傳導入胞內(nèi)[NiFe]氫化酶的距離，提高了電子傳遞效率以及產(chǎn)氫性能。值得注意的是，如CdS等含有硫族元素的光催化劑，由于易被光生空穴氧化，所以存在嚴重的光腐蝕問題。醇、胺、抗壞血酸和EDTA等物質通常被作為犧牲還原劑，來清除光生空穴從而保持光催化劑的穩(wěn)定性，而Zhao等[92]就是通過添加100mmol/L的抗壞血酸，維持了系統(tǒng)的正常運轉。

圖6

圖6基于化學物質介導的胞外供能模式

Fig.6Energysupplymodelbasedonchemical-mediatedextracellularly

甲基紫精雖然有一定的應用前景，但是它們對微生物的毒害性較大。而氫氣作為清潔無害物質也同樣可以成為電子載體，在膜結合氫化酶的作用下可分解為菌體提供ATP，與此同時可溶性氫化酶也可以利用氫氣產(chǎn)生胞內(nèi)還原力NADH。Zhang等[64]在以TEOA為電子供體的情況下，采用光催化劑g-C3N4收集光能產(chǎn)生氫氣，而氫氣作為電子載體，分別在膜結合的氫化酶（MBH）與可溶性氫化酶（SH）的作用下，為RalstoniaeutrophaH16提供ATP與NAD(P)H，最終將PHB產(chǎn)量提升至1.4倍。經(jīng)過后續(xù)研究，將電子供體從對微生物有毒性的TEOA優(yōu)化為水，提高生物相容性的同時也使體系更趨近于自然光合作用[93]。同時g-C3N4-過氧化氫酶-R.eutropha這一改進體系，通過過氧化氫酶，將材料表面由水分子捕獲價帶空穴而積累的H2O2分解為H2O與O2，后者與H2均為微生物氣體發(fā)酵提供基礎，同時避免了光催化生成的H2O2對微生物造成的損害[圖6(b)]。此光催化系統(tǒng)具有優(yōu)異的光能到化學能轉化效率，氫氣產(chǎn)量可達55.72mmol/h，經(jīng)48h光發(fā)酵PHB的產(chǎn)量達到41.02mg/L。這種純粹的氫氣介導機制中，體系中的氫氣是通過光催化材料實現(xiàn)的生產(chǎn)，而非光生電子向微生物膜上氫化酶注入而得的，與前所述的體系相比這是一個根本性的不同點。

甲酸也是一種常見的電子載體[94]，其一定程度上解決了H2由于過低的水溶解度導致的傳質效率和電子傳遞速率過低的限制，甲酸在膜結合的甲酸脫氫酶與可溶性甲酸脫氫酶的作用下，可分別為菌體提供ATP與NAD(P)H，同時分解而成的CO2可直接參與CBB固碳循環(huán)。Song等[95]通過甲酸脫氫酶（Cs-FDH）實現(xiàn)CO2到甲酸的胞外轉化，而甲酸此時作為碳載體與電子載體進入細胞，可為細胞提供還原力與碳來源。最后通過異源表達1，5-二磷酸核酮糖羧化酶（Rubisco）提高固碳效率，能使CO2更有效地實現(xiàn)到PHB的生物合成，120h內(nèi)產(chǎn)量達到了485mg/L。

雖然間接介導的電子轉移模式一定程度上減少了直接電子傳遞模式對微生物提出的必要限制因素，但從電子轉移效率來看，前者在物質轉化的過程中不可避免地會導致額外的能量損失。

2.3胞內(nèi)的能量供給模式

合成代謝過程基本在細胞質中進行，胞外的電子與氧化還原穿梭分子通過膜向細胞質的傳遞過程不僅會消耗額外的能量，同時也受到膜擴散的限制[98]。為解決這一問題，Yang等[96]提出了一個新的光催化-生物雜合系統(tǒng)組裝策略，將光催化材料導入到菌體內(nèi)部，在胞內(nèi)直接實現(xiàn)還原力與能量的供給。他們將生物相容性及穩(wěn)定性良好的金納米團簇（AuNCs）導入到M.thermoacetica內(nèi)部，AuNCs直接在胞內(nèi)吸收光能，產(chǎn)生的光生電子可以直接轉移到酶及其他介質上實現(xiàn)還原力的再生[圖7(a)]。用結構照明顯微鏡（SIM）及能量色散X射線光譜（EDS）闡明了細胞攝取AuNCs的可行性及材料在胞內(nèi)的穩(wěn)定性。此外AuNCs同時具有猝滅活性氧的作用，降低了材料對菌體的傷害，提高了生物相容性，AuNCs也不存在之前CdS體系中材料的光氧化問題，因此不僅提高了能量效率，提高了乙酸產(chǎn)量，也大大改善了光反應系統(tǒng)中的穩(wěn)定性，使反應活性可以維持至少4d。

圖7

圖7基于胞內(nèi)量子點的能量供給模式

Fig.7Energysupplymodelbasedonintracellularquantumdots

注入到細胞質內(nèi)的光催化劑會與酶進行隨機結合，造成能量損失，而Ding等[97]實現(xiàn)了光催化納米量子點與生物酶的胞內(nèi)定向結合[圖7(b)]，這種直接電子傳遞機制提高了光生電子的利用效率，進一步實現(xiàn)了人工光合系統(tǒng)的優(yōu)化。通過His-tag修飾，A.vinelandii胞內(nèi)固氮酶和R.eutropha膜上氫化酶分別可實現(xiàn)與CdS@ZnSQDs的特異性結合，大大提高了NH3與H2產(chǎn)量，在1.6mW/cm2的LED燈照射下，借助膜上氫化酶及呼吸鏈反應產(chǎn)生的ATP，可使PHB產(chǎn)量提高到野生型的150%，自然光下擴大的傳統(tǒng)生物反應器的高產(chǎn)量表明了用太陽能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的可能性。Yong等[98]通過將CuInS2/ZnS量子點轉移到表達周質氫酶的Shewanellaoneidensis中，構建了一個獨特的周質光敏生物雜交系統(tǒng)[圖7(c)]。QDs光敏劑的光激發(fā)和電子轉移過程同時發(fā)生在Shewanellaoneidensis的周質中，縮短了電子輸運的距離，避免了跨膜過程中產(chǎn)生的額外能量損失，此外狹窄的周質空間使局部氫化酶濃度提高，增加了酶和光敏劑之間相互作用的概率，光生電子通過氫化酶中的Fe-S簇迅速轉移到活性中心，實現(xiàn)質子還原和H2的產(chǎn)生，產(chǎn)量是裸量子點的8.6倍。

將光催化納米粒子注入胞內(nèi)繼而實現(xiàn)還原能供給的體系還處于起步階段，電子傳遞機理尚不明確。與此同時，定向結合的模式雖然減弱了光生電子隨機傳導對微生物造成的危害，但仍無法避免空穴利用如谷胱甘肽、半胱氨酸等常見胞內(nèi)還原物質，造成代謝布局紊亂的潛在可能性，將對材料的生物相容性提出更高要求。

3總結與展望

基于酶與微生物的這兩類雜合體系互有利弊[99]：前者反應簡便快速，但生物酶不僅提取分離步驟煩瑣，在體外也極易喪失活性，導致體系穩(wěn)定性低，且簡單的單酶反應無法實現(xiàn)低成本底物到高價值化合物的轉化，而多酶級聯(lián)體系的構建困難大，且轉化率逐級降低；與此相對的，光催化-微生物雜合系統(tǒng)由于微生物可進行自體繁殖，加上各種膜結構以及應激機制的保護，其穩(wěn)定性相較酶系統(tǒng)有極大程度的提高，且通過微生物體內(nèi)代謝網(wǎng)絡的調控，可實現(xiàn)多種復雜化合物的定向合成，但是體系存在一定的構建及調控難度[100]。

雖然光催化-生物雜合系統(tǒng)的構建還存在一些問題，但經(jīng)過不斷研究也已經(jīng)初步探索出了一些可行的解決手段。材料方面，除了進行改性修飾改善電子-空穴復合率、通過整合互補技術提高太陽能利用率[101]外，重要的是要兼顧其生物相容性、光照下生物毒性、體系適配性等問題。通過外層包裹谷胱甘肽（GSH）或半胱氨酸（Cys）等配體，可顯著降低材料的生物毒性[102]。由于材料與蛋白結合可能影響蛋白三級結構致使其失活，與膜的結合涉及到吸附、膜變形甚至顆粒的內(nèi)吞封裝，大顆?？赡軙е履ご┛自斐杉毎劳鯷103]，在這一點上尺寸較小的量子點具有優(yōu)勢，而球形顆粒則被證明是微生物接受度最高的形態(tài)[104]。材料的能帶結構也是影響其生物相容性的重要因素之一，過高或過低的能帶位置會破壞生物體原本的代謝布局并產(chǎn)生大量ROS以至體系失活[38]，由此選用光電性能與電子轉移蛋白及各類輔因子相匹配的光催化劑，以及適當?shù)碾娮庸w尤為重要。另外，由于紫外線或更高能量的輻射光會導致酶失活、DNA損傷和細胞死亡，材