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| 利用太阳能从富亚磷酸盐废水和二氧化碳中生物合成化学品 |
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2026年4月13日，上海交通大学 技术学院/张江高等研究院合成科学创新研究中心倪俊团队在Nature Sustainability期刊发表了一篇题为“Solar-driven biosynthesis of chemicals from phosphite-rich wastewater and carbon dioxide”的研究成果。论文通讯作者是倪俊；第一作者是郑皓天。
该成果报道了一种太阳能-化学能混合驱动生物合成（solar-chemical hybrid-driven biosynthesis, SCHB）策略，实现了从富含亚磷酸盐的工业废水和二氧化碳中高效、经济且可持续地合成多种化学品。基于该系统，研究团队在真实工业废水中成功实现了规模化放大，并通过技术经济性分析和生命周期评估展示了这一系统的经济与环境效益潜力。
以二氧化碳为碳源的光驱动生物合成有望摆脱传统生物制造对糖类原料的依赖，研究者们已经成功实现了多种高附加值化学品、燃料和医药前体的合成。然而，在光合培养体系中，光遮蔽导致的电子供应不足，以及在大规模开放培养中极易崩溃的污染敏感性限制了其实际工业应用。
图1：亚磷酸盐介导的生长促进和代谢重塑。
在这项工作中，研究人员开发了SCHB系统，结合了光能与无机化学能的优势，通过将基于废水的无机磷回收过程整合到光合微生物代谢路径中，实现了高效、低成本的生物催化转化。研究人员以蓝藻为底盘细胞，引入亚磷酸盐脱氢酶，使其能够利用亚磷酸盐。转录组学分析表明，亚磷酸盐的氧化有效补偿了光反应减弱带来的影响，重塑了胞内的氧化还原和能量状态。
图2：基于SCHB策略的还原性生物合成。
在通过SCHB催化获得还原性产物覆盆子酮的过程中，通过引入亚磷酸盐提供的额外电子，结合辅因子工程改造和基于人工多酶复合体理性设计工具iMARS的多酶空间邻近性优化，产量达9.64 mM，催化效率相比纯光驱动过程提升305%。此外，利用光合作用原位释放的氧气，研究人员还成功将SCHB系统应用于需氧的靛蓝及皇家紫等多种靛蓝衍生物的合成，收获的菌体沉淀可直接作为生物染料用于织物印染，避免了传统提取过程的高能耗与高污染。
图3：SCHB策略的抗污染能力检验和规模化放大。
针对杂菌污染问题，SCHB系统在与多种污染微生物的混合培养中占据98%以上的绝对优势，表明其具有良好的抗污染能力。为了克服真实废水中高盐度对细胞生长的抑制，研究团队筛选获得了钠-氢离子逆向转运蛋白作为耐盐模块，成功在500 L管式光反应器中，直接利用真实工业废水实现了SCHB体系的免灭菌放大培养，实现了多种化学品的规模化生产，同时回收了废水中70%以上的氨，收集的生物质可作为优质的肥料和饲料。
图4：SCHB生产覆盆子酮产品的技术经济分析和生命周期评估。
为了评估该技术的实际应用前景，研究团队进行了技术经济分析和生命周期评估。数据模拟显示，采用SCHB路线生产覆盆子酮具有市场竞争力，且目前的产率已经达到较优水平。生命周期评估结果表明，得益于避免使用糖类原料和对废水的资源化利用，该工艺生产每千克覆盆子酮的温室气体排放量仅为0.95千克二氧化碳当量，较传统的糖基异养生物合成降低了87%。
该研究通过整合亚磷酸盐代谢与耐盐模块，构建了一种光能-化学能混合驱动的生物合成策略。该系统能够在非灭菌条件下利用废水中的磷和氮元素生长，实现了多种化学品的可持续制造，为低成本、抗污染的高效光合细胞工厂的开发与应用提供了理论与技术基础，为迈向循环经济的生物制造开辟了新的道路。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-026-01819-6
