基于g-C3N4-罗伊氏乳杆菌光驱动生物杂化系统高效转化木质纤维素水解液生产1,3-丙二醇

针对传统1,3-丙二醇(1,3-PDO)生产能耗高、底物依赖性强的问题，研究人员构建了g-C3N4-罗伊氏乳杆菌(L. reuteri)光驱动生物杂化系统。该系统在模拟光照下使1,3-PDO产量提升66%，NADH/NAD+比率提高98.3%，并成功应用于大麻秸秆水解液发酵，为木质纤维素生物精炼提供了可持续解决方案。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，如何利用可再生资源高效生产高附加值化学品成为科研热点。1,3-丙二醇(1,3-PDO)作为化妆品、医药和可降解聚酯的重要原料，其传统化学合成法存在能耗高、污染大的缺陷，而微生物发酵法又面临转化效率低、氧化还原失衡等瓶颈。更棘手的是，木质纤维素等廉价原料的水解液中常含有抑制微生物生长的毒性物质，这使得生物炼制过程雪上加霜。

针对这些挑战，加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)的研究团队独辟蹊径，将目光投向了一种新兴的光能-生物耦合策略。他们创新性地构建了石墨相氮化碳(g-C₃N₄)与罗伊氏乳杆菌(L. reuteri)的生物杂化系统，通过可见光驱动实现了木质纤维素水解液向1,3-PDO的高效转化，相关成果发表在《Bioresource Technology》上。

研究人员首先通过尿素热聚合法合成g-C₃N₄光催化剂，利用大麻秸秆甘油预处理获得低抑制物的水解液，随后采用多尺度表征技术（包括SEM、CLSM、光电流测试等）解析生物界面相互作用，并通过监测NADH/NAD⁺比率和ATP水平阐明代谢调控机制。

在"光驱动生物杂化策略增强合成培养基中1,3-PDO生产"部分，优化实验显示5%接种量和1 g/L g-C₃N₄浓度下，光照3小时即可使1,3-PDO产量达到11.3 g/L，较黑暗对照提升66%。电化学测试揭示该系统的电子转移效率比纯催化剂提高3倍以上。

"生物杂化系统表征"章节通过荧光显微镜和菌落计数证实，短时光照不会损害细胞活性。更关键的是，光照下NADH/NAD⁺比率和ATP水平分别激增98.3%和378.5%，这为解释产量提升提供了代谢层面的证据。机理研究表明，g-C₃N₄的导带电位(-0.53 V vs NHE)足以驱动NAD⁺还原，从而打破天然代谢的氧化还原限制。

在最具应用价值的"木质纤维素水解液生物杂化系统"实验中，尽管水解液中抑制剂使代谢速率降低，但光照系统仍实现9.6 g/L的1,3-PDO产量，显著优于对照组的5.9 g/L。值得注意的是，该研究采用的甘油预处理技术使水解液中抑制剂浓度低于0.1 g/L，为后续工业化应用奠定了基础。

这项研究开创性地将光催化材料与GRAS(一般认为安全)菌株结合，不仅为1,3-PDO生产提供了新范式，更拓展了木质纤维素生物炼制的新思路。其科学价值在于揭示了外源光电子调控微生物氧化还原平衡的普适性机制，而技术突破则体现在将太阳能转化效率与生物催化特异性完美结合。未来通过反应器设计放大和菌株代谢工程改造，这种光-生物杂化策略有望成为生物制造领域的颠覆性技术。