光催化CO₂转化固定是近年来材料科学和催化领域的热点之一。尽管近年来取得了蓬勃发展，但对于传统无机催化剂而言， C₁产品以外的高价值液体燃料和化学品的高活性和选择性仍极具挑战性。与此形成鲜明对比的是，天然生物有机体可以通过使用大量酶来具有特异性地催化二氧化碳固定为多碳产品。已有报道启动了基于半导体的生物杂化材料，将光捕获半导体与催化生物体相结合，以实现将CO₂转化为 C₁ 产品以外的更高价值的液体燃料和化学品。这种生物基杂化材料可以结合无机半导体的高效光吸收能力和生物催化剂的高特异性催化能力，从而超越单一化学或生物途径的性能。在生物基杂化材料方面，全细胞微生物-半导体系统由于微生物的自我复制能力、易操作性和高稳定性而受到广泛关注。然而，成功培养这些细菌并保持它们在基于半导体的生物杂化系统中的稳定性，仍需要不经济的有机营养物和难以达到的完全厌氧条件，这严重限制了它们的经济可行性和实际应用的适用性。因此，开发能够降低成本以进行CO₂固定的半人工光合系统十分必要且极具有挑战性。

针对该难题，中国科大的熊宇杰教授、高超副教授团队与同济大学王磊教授课题组合作，提出了一种由专性自养细菌-排硫硫杆菌（Thiobacillus thioparus）和生物沉淀在细菌表面的 CdS 纳米粒子（NPs）组成的无机-生物杂化系统（图1）。

图1. CdS-T.thioparus 杂化体系的 HAADF-STEM 图像

该系统可以完全基于具有成本效益的无机盐实现高效的CO₂固定，并且避免了厌氧菌容易失活的限制。通过生物沉淀形成的CdS NPs和细菌之间的优化界面使得该杂化系统能够有效地从 CdS NPs接收到光生电子，从而由化学自养转变为向光能自养的生长方式。基于该机制，硫化镉-排硫硫杆菌杂化系统实现了太阳能驱动的CO₂固定，在可见光照射下以CO₂作为唯一碳源产生多碳谷氨酸合酶和生物质（图2）。

图2. 太阳能驱动CdS-T.thioparus杂化系统增强CO₂固定的可能机制

综上所述，本工作开发了一种由专性自养细菌-排硫硫杆菌和生物沉淀在细菌表面的 CdS 纳米粒子（NPs）组成的无机-生物杂化系统。该系统可以完全基于具有成本效益的无机盐实现高效的CO₂固定，并且避免了厌氧菌容易失活的限制。通过生物沉淀形成的CdS NPs和排硫硫杆菌之间的界面进行了进一步优化，这对于细菌有效地从CdS NPs接收光生电子从而将自养方式从化学自养向光能自养进行转变至关重要。

这项工作为在廉价无机体系中进一步探索太阳能驱动的自复制生物催化系统以实现CO₂固定和转化提供了重要的线索。研究成果发表在Nano Research期刊上，该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金等经费来源的支持。（文/图 中国科大）