在温和条件下将氮（N2）转化为氨（NH3）是一项巨大的化学挑战。基于此，华东师范大学张中海教授在Advanced Materials发表题为《Photoelectrocatalytic-Microbial Biohybrid for Nitrogen Reduction》的研究论文。基于全细胞固氮菌的生物NH3合成是最有前途的策略之一。在这里，光电化学-微生物（PEC-MB）生物杂交体的首次尝试是用于人工固定N2，其中维氏固氮杆菌（A. vinelandii）直接与聚多巴胺封装的氧化镍（NiO）纳米片（NiO@PDA）连接。凭借PDA层优异的生物粘附活性、高导电性和良好的生物相容性，丰富的A. vinelandii被有效吸附在NiO@PDA上形成NiO@PDA/A. vinelandii生物杂交体，合理设计的生物杂交体实现了1.85 µmol h-1/108个细胞（4.14 µmol h-1 cm-2）的历史最高NH3产量。此外，这种生物杂交体可以在光照下使用PEC模型运行，也可以在黑暗中使用电催化（EC）模型运行，以实现长期和连续的NH3合成。NiO@PDA/A vinelandii 生物杂交中NH3的合成增强机制，可归因于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸氢 (NADH) 和5-三磷酸腺苷（ATP）浓度的增加以及固氮酶中nifH、nifD和nifK固氮基因的过度表达。这种创新的PEC-MB生物杂交策略揭示了基本机制，并为可持续化学生产的生物-非生物光合系统的概念提供了证明。图1：NiO@PDA/A. vinelandii光电微生物生物杂交系统的示意图、NiO纳米片的SEM和TEM图像、NiO@PDA纳米片的SEM和TEM图像，以及Ni、O、N元素的EDS映射图像图2：A. vinelandii在NiO@PDA/A. vinelandii生物杂交系统中的活性和生物相容性图3：NiO@PDA/A. vinelandii生物杂交系统中氮固定机制的示意图Photoelectrocatalytic-Microbial Biohybrid for Nitrogen Reduction. Advanced Materials, （2024）. https://doi.org/10.1002/adma.202407239.
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