金屬有機(jī)框架與大腸桿菌雜合體光驅(qū)產(chǎn)氫研究

李佳璐,沈俊峰,曾翠平,侯燕萍,王 博

(1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院,廣西 南寧 530004;2.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院,廣東 深圳 518005)

0 引言

工業(yè)文明的快速發(fā)展使得人類(lèi)生活水平不斷提高,然而不斷加速的化石燃料開(kāi)采與消耗導(dǎo)致能源危機(jī)日趨嚴(yán)重,環(huán)境日益惡化[1]。因此,必須采取有效措施加大對(duì)太陽(yáng)能等清潔能源的轉(zhuǎn)化利用。開(kāi)發(fā)光能驅(qū)動(dòng)的能源與化學(xué)品生產(chǎn)途徑有助于解決環(huán)境和能源問(wèn)題,促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[2]。二十一世紀(jì)以來(lái),氫氣作為環(huán)境友好型能源的代表受到了人們的廣泛關(guān)注。目前主流的制氫工藝為化石能源重整制氫,該工藝技術(shù)成熟,成本也相對(duì)低廉,但是其制氫原料主要以石油、天然氣等化石資源為主,生產(chǎn)過(guò)程會(huì)排放大量的溫室氣體并污染環(huán)境[3]。生物體可通過(guò)代謝過(guò)程將水、有機(jī)廢物或生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為氫氣,該過(guò)程綠色無(wú)污染。由于生物體自我復(fù)制的特性,生物催化劑的成本相對(duì)較低,且制氫過(guò)程可以在常溫常壓下進(jìn)行,因此具有巨大的開(kāi)發(fā)潛力和產(chǎn)業(yè)前景[4]。然而,目前生物制氫工藝尚未完全成熟,其工業(yè)化受產(chǎn)氫效率低下的制約,仍需進(jìn)行深入研究。半導(dǎo)體材料光催化分解水制氫是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化利用的最理想方式之一,近年來(lái)該技術(shù)得到了越來(lái)越多研究人員的關(guān)注[5,6]。這種方法理論上簡(jiǎn)單高效,且光催化劑具有光收集效率強(qiáng)和吸光范圍大等優(yōu)點(diǎn)。然而,很多光催化劑存在制備過(guò)程繁雜、帶隙過(guò)寬,在制氫過(guò)程中催化劑易發(fā)生光腐蝕等缺點(diǎn)。因此,當(dāng)前基于生物制氫及材料光解水制氫的兩個(gè)領(lǐng)域都存在明顯的自身發(fā)展限制。

近年來(lái),人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向?qū)⒍邇?yōu)點(diǎn)相結(jié)合的材料-生物雜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)由高效光敏劑和高選擇性催化中心組成,光敏劑通常為無(wú)機(jī)半導(dǎo)體、有機(jī)半導(dǎo)體、光敏染料、量子點(diǎn)等材料,而催化中心則使用純酶或細(xì)菌細(xì)胞[7,8]。此類(lèi)雜合系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)非常高的產(chǎn)品選擇性,而且光敏材料的選擇也足夠豐富,從而可以使流向催化中心的電荷流最大化,生物體自我修復(fù)特性也賦予了雜合系統(tǒng)更高的穩(wěn)定性。同時(shí),部分微生物易于進(jìn)行代謝工程改造從而生成更高價(jià)值的產(chǎn)品,擴(kuò)展性強(qiáng),有較好的研究和應(yīng)用前景[9]。2016年楊等人通過(guò)將培養(yǎng)液中的鎘離子和半胱氨酸通過(guò)生物轉(zhuǎn)化途徑合成了硫化鎘(CdS)納米粒子,并沉淀在產(chǎn)乙酸菌表面,從而誘導(dǎo)產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)生自光敏作用,實(shí)現(xiàn)了光照下合成乙酸[10]。2017年王等人將CdS納米顆粒沉淀在大腸桿菌(Escherichiacoli)表面,在一定的光強(qiáng)輻照下,雜合系統(tǒng)的表觀量子效率最高可以達(dá)到9.59%,高于許多光合細(xì)菌[11]。在2018年姜等人在大腸桿菌表面形成了硫化銀(AglnS2)/硫化銦(In2S3)的固態(tài)異質(zhì)結(jié),構(gòu)建了AglnS2/ In2S3@E.coli雜合系統(tǒng)收集光能從而生產(chǎn)氫氣[12]。同年,趙等人在大腸桿菌上利用表面展示技術(shù)優(yōu)化了硫化鎘納米粒子的合成方法,光驅(qū)產(chǎn)氫效果得以進(jìn)一步提升[13]。人們也設(shè)計(jì)了相比于納米材料尺寸更小的量子點(diǎn)材料用于構(gòu)建雜合系統(tǒng),例如2021年羅等人通過(guò)將硫銦銅(CuInS2)/硫化鋅(ZnS)量子點(diǎn)遞送到希瓦氏菌ShewanellaoneidensisMR-1細(xì)胞中,實(shí)現(xiàn)了光驅(qū)產(chǎn)氫[14]。2022年,氮化碳(C3N4)量子點(diǎn)材料也被用于與大腸桿菌構(gòu)建雜合體進(jìn)行光驅(qū)產(chǎn)氫研究[15]。除此之外,人工染料(如曙紅Y)亦可作為光敏劑穿過(guò)膜并與大腸桿菌中細(xì)胞色素P450的血紅素結(jié)構(gòu)域結(jié)合,從而有效地提升電子轉(zhuǎn)移效率[16]。

金屬有機(jī)框架材料(metal-organic framework, MOF)作為新興的功能材料,可通過(guò)金屬離子和有機(jī)配體進(jìn)行自組裝而獲得。它不僅具有類(lèi)似沸石分子篩規(guī)則孔道的晶態(tài)結(jié)構(gòu),同時(shí)具有比傳統(tǒng)多孔材料更高的比表面積,由于有機(jī)成分的存在又使其兼具可設(shè)計(jì)性、孔徑大小可調(diào)性、孔道表面易功能化等優(yōu)點(diǎn)[17]。MOF材料在氣體吸附、電極材料制備、催化領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用[18]。2018年楊等人使用MOF包裹熱醋酸分枝桿菌以保護(hù)細(xì)胞。MOF外殼對(duì)活性氧自由基(Reactive oxygen species)分解的催化活性使嚴(yán)格厭氧細(xì)菌在21%的氧氣濃度下的死亡數(shù)量較之前減少了五倍,并使細(xì)菌能夠在氧化應(yīng)激條件下通過(guò)CO2固定連續(xù)生產(chǎn)乙酸鹽[19]。然而,當(dāng)前MOF作為捕光材料與細(xì)菌進(jìn)行雜合的研究鮮有報(bào)道,故MOF材料在材料-微生物雜合系統(tǒng)的應(yīng)用有待進(jìn)一步探索。前期光驅(qū)產(chǎn)氫研究中,大腸桿菌已體現(xiàn)出拓展性強(qiáng)、易培養(yǎng)和易改造等優(yōu)點(diǎn),但也存在電子傳遞效率不高,電子傳遞機(jī)理不清等問(wèn)題[20]。近年來(lái)基于鋯氧簇構(gòu)建的MOF材料被廣泛應(yīng)用于光催化研究領(lǐng)域[21,22],在本文中,我們將基于內(nèi)消旋-(4-羧基苯基)卟吩(TCPP)及氯化鋯(ZrCl4)合成金屬有機(jī)框架PCN-222,并構(gòu)建MOF材料與大腸桿菌的雜合體,研究MOF材料的光電響應(yīng)性質(zhì)以及大腸桿菌在光照下的產(chǎn)氫性能。進(jìn)一步通過(guò)研究細(xì)胞內(nèi)能量變化分析能量傳遞機(jī)理,為未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化該雜合體平臺(tái)提供重要參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料、菌株以及培養(yǎng)基

無(wú)水氯化鋯(ZrCl4)、苯甲酸(C6H5COOH)、N,N二乙基甲酰胺(DEF)、內(nèi)消旋-(4-羧基苯基)卟吩(TCPP),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;Ag /AgCl 參比電極、Pt 對(duì)電極,上海越磁電子科技有限公司;NAD+/NADH檢測(cè)試劑盒,上海碧云天生物技術(shù)有限公司。實(shí)驗(yàn)中使用的大腸桿菌E.coli為野生型MG1655菌株,培養(yǎng)過(guò)程中分別使用LB培養(yǎng)基、BC培養(yǎng)基(磷酸氫二銨10 g/L、硫酸鉀2 g/L、氯化鈉0.3 g/L、七水硫酸鎂0.2 g/L、七水硫酸亞鐵4 mg/L、七水硫酸鋅0.9 mg/L、無(wú)水硫酸銅0.4 mg/L、無(wú)水硫酸錳0.2 mg/L、二水氯化鈣0.8 mg/L、十水硼砂0.09 mg/L、五水亞硒酸鈉0.6 mg/L、七鉬酸銨0.4 mg/L、硫酸鎳銨0.9 mg/L,pH調(diào)整至7)、SBC培養(yǎng)基(磷酸氫二銨10 g/L、硫酸鉀2 g/L、氯化鈉0.3 g/L)。

1.2 PCN-222的合成和形貌與成分表征

將ZrCl4(0.12 g, 0.515 mmol)和C6H5COOH(4.05 g, 33.16 mmol)溶解在 24 mL DEF中并超聲處理1 h.將混合物在烘箱中于 90 ℃加熱 2 h.向加熱的溶液中加入TCPP(0.06 g, 0.075 mmol),超聲溶解20 min,將混合物放置于反應(yīng)釜內(nèi)在120 ℃烘箱中加熱反應(yīng)48 h.冷卻至室溫后,過(guò)濾得到紫色板狀晶體。使用掃描電子顯微鏡(蔡司EVO 18型,德國(guó))表征PCN-222的微觀形貌。使用X射線衍射儀(XRD,理學(xué)Rigaku D/MAX 2500V,日本)分析材料結(jié)構(gòu)。使用傅立葉紅外光譜(FTIR,Thermo Scientific iN10,美國(guó))進(jìn)行材料測(cè)試。使用X射線光電子能譜儀(XPS,Thermo Scientific Nexsa,美國(guó))分析PCN-222的元素組成。使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-Vis,島津Shimadzu UV-3600,日本)測(cè)定PCN-222在200～800nm范圍內(nèi)的吸光度。

1.3 PCN-222的電化學(xué)性能表征

制備工作電極:裁剪邊長(zhǎng)為2×1厘米的長(zhǎng)方形碳紙,取5 mg材料融于990 μL異丙醇及10 μL Nafion溶液中,超聲后將液體均勻的涂抹在碳紙的兩面,晾干后用電極夾夾緊。將工作電極、參比電極(Ag/AgCl參比電極),對(duì)電極(Pt絲電極)安裝在電解槽中(石英,體積50 mL),加入30 mL 0.5 mol/L的Na2SO4電解質(zhì)溶液。光照條件為L(zhǎng)ED白光,光照強(qiáng)度為38.93 W/m2.在電化學(xué)工作站(CHI660E,上海華辰,中國(guó))上分別進(jìn)行光電流測(cè)試(i-t)以及交流阻抗(EIS)測(cè)試。

1.4 PCN-222@E.coli雜合體系的構(gòu)建與表征

用槍頭或接種環(huán)挑取野生型Mg1655E.coli的單菌落放入50 mL離心管,其中放入5 mL LB培養(yǎng)基。放入37 ℃搖床,過(guò)夜。將活化后的E.coli加入新鮮LB,將OD調(diào)為0.1在37 ℃搖床進(jìn)行擴(kuò)培,經(jīng)過(guò)七個(gè)小時(shí)取出。將E.coli離心,使用PBS離心清洗兩次。把菌放入BC培養(yǎng)基,并在體系中加入30 mM葡萄糖。把材料按經(jīng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化后的比例(3 mg/20 mL)加入培養(yǎng)基內(nèi)。將裝有菌和PCN-222的250 mL三角瓶放入?yún)捬豕迌?nèi),同時(shí)迅速將厭氧袋放入其中。將厭氧罐放入37 ℃培養(yǎng)箱中的攪拌器之上(轉(zhuǎn)速為250 rpm),過(guò)夜。使用臺(tái)式場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Pharos,Phenom,中國(guó))對(duì)雜合體系的表面形貌進(jìn)行拍攝,并對(duì)樣品中的Zr、C、N、O元素進(jìn)行能譜(15 kV)掃描。使用Zetasizer pro(Blue/Red)電位儀(英國(guó)Malvern公司)對(duì)雜合體系的表面電位進(jìn)行分析。

1.5 產(chǎn)氫檢測(cè)與細(xì)胞內(nèi)還原力水平檢測(cè)

將E.coli從LB中離心,再使用滅菌PBS離心清洗兩次。把菌放入SBC培養(yǎng)基(含20 mM葡萄糖)。將培養(yǎng)基分裝成每份20 mL后放入50 mL光反應(yīng)瓶,充入氮?dú)獠⑹褂脽崛勰z將其密封。將密封好的光反應(yīng)瓶放入多通道(自動(dòng)控溫)光催化反應(yīng)系統(tǒng)(PCX50C Discover,泊菲萊,中國(guó))開(kāi)始反應(yīng),將光強(qiáng)調(diào)至20%,溫度調(diào)整至37 ℃.反應(yīng)一共進(jìn)行四小時(shí),每個(gè)小時(shí)進(jìn)行一次取樣。用微量進(jìn)樣針(100 μL)抽取頂空體積100 μL手動(dòng)打進(jìn)氣相色譜儀(GC9790Ⅱ,福立,中國(guó))進(jìn)樣口,進(jìn)行氫氣含量測(cè)量,方法為外標(biāo)法,載氣為氬氣(純度> 99.99%),流量為30 mL/min,檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD檢測(cè)器),柱溫箱溫度為80 ℃,出峰位置在5 min左右。分別用NAD+/NADH檢測(cè)試劑盒檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)NADH/NAD+.使用96孔板(Tecan Safire Abs,瑞士)測(cè)定吸光度,并使用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算單個(gè)化合物的濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCN-222的合成與表征

從掃描電子顯微鏡(SEM)顯示的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)可以觀察到,本研究中所合成材料呈現(xiàn)出長(zhǎng)度不一的中空棒狀形態(tài)和較為粗糙的表面。X射線衍射(XRD)圖像(圖1b)顯示,該樣品主要特征衍射峰出現(xiàn)在2°～10°之間。所獲得的XRD圖案與先前文獻(xiàn)中所報(bào)道的PCN-222一致[21],表明成功合成了PCN-222.傅里葉變換紅外(FTIR)光譜(圖1c)顯示,在3 400 cm-1出現(xiàn)的寬峰歸因于羥基的拉伸振動(dòng)峰,表明樣品中存在結(jié)合水或者游離水。在1 000 cm-1處存在-COOH的振動(dòng)峰表明在制備的PCN-222結(jié)構(gòu)中存在TCPP化合物。1 800～1 400 cm-1處出現(xiàn)的的振動(dòng)峰可歸因于PCN-222中C=0與N-H的對(duì)稱(chēng)振動(dòng)和不對(duì)稱(chēng)振動(dòng)峰,與先前報(bào)道的文獻(xiàn)一致[23]。使用X射線光電子能譜(XPS)研究了PCN-222的化學(xué)組成。從0到1 300.0 eV的XPS光譜描繪了Zr 3d、C 1s、N 1s、O 1s的特征結(jié)合能特征(圖1d)。綜上所述,本研究成功基于內(nèi)消旋-(4-羧基苯基)卟吩(TCPP)及氯化鋯(ZrCl4)合成了金屬有機(jī)框架PCN-222材料,并將基于此材料進(jìn)一步構(gòu)建與大腸桿菌E.coli的雜合體以展開(kāi)探索。

圖1 a)掃描電子顯微鏡圖;b)X射線衍射譜圖;c)傅里葉變換紅外光譜圖;d)X射線光電子能譜圖

2.2 PCN-222@E.coli雜合體的構(gòu)建與表征

為了驗(yàn)證PCN-222與大腸桿菌E.coli的雜合情況,采用掃描電子顯微鏡、能量色散X射線光譜(EDS)圖譜研究了PCN-222@E.coli雜合體系。從圖2a的SEM圖像可以清晰看出,PCN-222的表面以及周?chē)忌⒙渲竽c桿菌,且有大量大腸桿菌團(tuán)聚在PCN-222表面。圖1b的Zr元素的EDS圖譜分析證實(shí)了SEM圖中的高亮棒狀物體為PCN-222,因?yàn)閆r元素為PCN-222的獨(dú)有元素。而圖2c～e為C、N、O元素,這是PCN-222與大腸桿菌二者都具備的元素,這三張圖顯示PCN-222與大腸桿菌之間形成了較為緊密的接觸。通過(guò)Zeta電位儀測(cè)得PCN-222的表面電位為21.7 mV,大腸桿菌表面電位為-69.58 mV,雜合體的表面電位為-51.36 mV(圖2f)。由此可見(jiàn),PCN-222與E.coli二者表面存在正負(fù)電荷相互吸引力,促進(jìn)了PCN-222@E.coli雜合體系的形成,也是大腸桿菌團(tuán)聚在PCN-222表面的主要成因。

圖2 a)PCN-222-@E.col雜合體在2 μm比例下的 SEM 圖像;b、c、d、e)Zr,C,N,O四種元素的X射線能譜面掃分析;f)PCN-222、E.coli、PCN-222-@E.coli雜合體的zeta電位圖

2.3 PCN-222的光電活性研究

材料的光電化學(xué)活性是決定材料-生物雜合系統(tǒng)光能轉(zhuǎn)化效率的決定性因素。為了進(jìn)一步了解PCN-222的光電特性,使用紫外可見(jiàn)漫反射(UV-Vis)并通過(guò)光電流測(cè)試(i-t)、電化學(xué)阻抗測(cè)試(EIS)等多種測(cè)試技術(shù)對(duì)PCN-222進(jìn)行測(cè)試。UV-Vis一般可用于催材料表面的光吸收性能的測(cè)定,PCN-222的紫外可見(jiàn)漫反射光譜如圖3a所示。PCN-222在200～800 nm范圍內(nèi)具有相對(duì)較強(qiáng)的吸收,表明可以在可見(jiàn)光下進(jìn)行電子躍遷。氮化碳(C3N4)是一種典型的聚合物半導(dǎo)體,其帶隙符合光解水制氫的熱力學(xué)要求,并且也被廣泛應(yīng)用于半人工及人工光合領(lǐng)域[24]。圖3b和圖3c為在三電極體系下,將所制備的PCN-222或C3N4涂覆于碳紙表面作為工作電極,Ag/AgCl為參比電極、鉑絲作為對(duì)電極,進(jìn)行了i-t以及EIS測(cè)試后得到的圖像。如圖3b所示,PCN-222在重復(fù)的光開(kāi)/關(guān)循環(huán)中保持著快速、穩(wěn)定、重復(fù)性強(qiáng)的光電流響應(yīng),并且與C3N4相比,PCN-222具有更高的光電流,這表明PCN-222具備更優(yōu)越的光響應(yīng)和更高的電子遷移效率。除了i-t外,本文還利用EIS技術(shù)表征了PCN-222的性能。從圖3c可知,無(wú)論在光照或者黑暗條件下,從PCN-222獲得的電化學(xué)阻抗Nyquist譜圖均顯著低于C3N4,說(shuō)明使用PCN-222與E.coli組成雜合系統(tǒng),有利于形成材料與細(xì)菌表面快速的界面電荷轉(zhuǎn)移。為了進(jìn)一步驗(yàn)證PCN-222捕獲的光能是否被傳遞到大腸桿菌中,我們使用光致發(fā)光光譜(PL)研究了PCN-222@E.coli雜合體在非生物和生物界面上的電子轉(zhuǎn)移。如圖3d所示,在單獨(dú)的大腸桿菌細(xì)胞中沒(méi)有觀察到熒光信號(hào),而與單獨(dú)使用PCN-222相比,PCN-222與大腸桿菌雜合后導(dǎo)致熒光信號(hào)強(qiáng)度有所下降。這表明大腸桿菌作為電子受體,從PCN-222端獲取了光電子,并有效抑制了電子與光生空穴的復(fù)合速率。由此可見(jiàn),本研究中所合成的PCN-222材料具有廣譜的捕光性能和優(yōu)異光電化學(xué)活性,且在與E.coli組成的雜合系統(tǒng)中,可以有效地將光生電子傳遞給活細(xì)胞,為雜合體高效轉(zhuǎn)化利用光能進(jìn)行氫氣合成奠定了重要基礎(chǔ)。

圖3 a)PCN-222的紫外-可見(jiàn)光光譜圖;b)PCN-222與C3N4的光電流測(cè)試;c)PCN-222與C3N4化學(xué)阻抗測(cè)試圖譜;d)PCN-222、E.coli、PCN-222@E.coli雜合體的光致發(fā)光圖譜

2.4 雜合體光驅(qū)產(chǎn)氫性能和胞內(nèi)能量分析

為了驗(yàn)證雜合體系的光驅(qū)產(chǎn)氫性能,通過(guò)設(shè)置黑暗或光照條件(使用光照強(qiáng)度為38.93 W/m2的發(fā)光二極管照射)、間隔一小時(shí)取樣的方式檢測(cè)了其在反應(yīng)四個(gè)小時(shí)內(nèi)的氫氣產(chǎn)量。在相同的條件下,純PCN-222在黑暗或光照下均未檢測(cè)到H2產(chǎn)生。如圖4a所示,黑暗及光照組的產(chǎn)氫量在4 h內(nèi)都呈上升趨勢(shì)。在黑暗條件下,純菌組的4 h氫氣產(chǎn)量為591.75 μmol/L,雜合體略高于純菌組(1 040.31 μmol/L)。在光照條件下,純菌組4 h的氫氣產(chǎn)量為1 330.47 μmol/L,而雜合體在光照下的4 h氫氣產(chǎn)量達(dá)到了3 865.7 μmol/L,達(dá)到了黑暗下純菌組的6.5倍。據(jù)報(bào)道,光電子可以通過(guò)膜結(jié)合蛋白的直接電子轉(zhuǎn)移或通過(guò)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)間接介導(dǎo)。且NAD+可以作為光電子受體轉(zhuǎn)化為NADH,為厭氧發(fā)酵等氧化還原反應(yīng)提供關(guān)鍵的還原動(dòng)力,當(dāng)還原力過(guò)剩時(shí),將以H2的形式釋放[25]。因此,我們進(jìn)一步檢測(cè)了不同條件下細(xì)菌體內(nèi)的NADH與NAD+的比值(NADH/NAD+)。從圖4b中可見(jiàn),雜合體在光照的4小時(shí)內(nèi)胞內(nèi)還原力顯著提升,而其他對(duì)照組則變化不明顯。該結(jié)果與圖4a中雜合體的氫氣產(chǎn)量結(jié)果相吻合。因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明來(lái)自PCN-222的光電子將NAD+還原為NADH,從而提升大腸桿菌的氫氣產(chǎn)量。結(jié)合光電子轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)果及其在生物產(chǎn)氫中的作用,根據(jù)上述結(jié)果,我們提出了PCN-222@E.coli雜合體產(chǎn)氫的機(jī)理機(jī)制,如圖4c所示。由于靜電相互作用,表面帶正電的PCN-222與帶負(fù)電的E.coli自組裝成PCN-222@E.coli雜合體系。在適度的光照下PCN-222會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì),其表面的光生電子可以通過(guò)細(xì)胞膜傳輸?shù)紼.coli體內(nèi),而E.coli額外獲得的這些光生電子提高了胞內(nèi)的還原力水平(即NADH/NAD+),導(dǎo)致過(guò)量的還原力以氫氣的形式釋放,因此氫氣的產(chǎn)量得以提升。

圖4 a)PCN-222@E.coli雜合體與大腸桿菌在光照和黑暗條件下四個(gè)小時(shí)內(nèi)的氫氣產(chǎn)量;b)PCN-222@E.coli雜合體與純大腸桿菌在黑暗和光照下培養(yǎng)0、1、2、3、4h的NADPH/NADP+;c)雜合體的產(chǎn)氫機(jī)理示意圖

3 結(jié)論

在本研究中,我們合成了PCN-222并通過(guò)一系列的技術(shù)手段對(duì)其基本性能進(jìn)行表征,隨后通過(guò)PCN-222與大腸桿菌的靜電吸附結(jié)合構(gòu)建了PCN-222@E.coli雜合體。通過(guò)研究雜合體系的產(chǎn)氫能力來(lái)檢驗(yàn)PCN-222對(duì)大腸桿菌能量傳遞的效果,從而驗(yàn)證金屬有機(jī)框架-大腸桿菌雜合體在光驅(qū)產(chǎn)氫路徑開(kāi)發(fā)方面的可拓展性。最后進(jìn)行了胞內(nèi)能量傳遞機(jī)理研究,為未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化該雜合體平臺(tái)提供重要參考。