西安交大费强团队在光驱动甲烷与CO2生物制造研究领域取得新进展

近日，西安交通大学费强团队在一碳生物制造与光催化交叉领域取得关键突破性进展，成功构建太阳能驱动的生物‑光催化耦合系统，实现将甲烷和CO₂协同转化为4-羟基苯甲酸和氢气，为分散式一碳资源高值化利用、碳减排与可再生能源开发提供了全新技术路径，彰显了生物合成与光催化技术融合的巨大潜力。相关成果以《生物-光催化协同转化甲烷和CO₂联产氢气与4-羟基苯甲酸》（Bio-Photocatalytic Synergy Enables Valorization of CH₄ and CO₂ into Hydrogen and 4-Hydroxybenzoate in Engineered Methanotrophic Bacteria）为题，作为热点文章（Hot Paper）在国际著名期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表。

我国沼气、焦炉气等分散式一碳气体资源丰富，但其单点规模小、分布分散且伴生大量CO₂，难以通过传统热催化方式实现经济高效资源化利用。近年来，以生物制造为代表的温和转化技术展现出独特优势。好氧性甲烷氧化菌（嗜甲烷菌）能够直接将甲烷转化为生物基产物，适配分散式气源的现场转化需求。然而，甲烷生物转化过程中存在还原力供应受限、代谢副产物碳损失等问题，制约了其整体碳原子经济性与产物收率。

针对上述挑战，研究团队创新性地构建了生物—光催化耦合系统。首先通过合成生物学技术调控嗜甲烷菌体内的甲烷同化途径，以优化甲酸积累和4-羟基苯甲酸合成途径之间的碳通量分配。同时，团队设计了具有生物相容性的光催化剂金属配合物，可在细胞生长条件下以甲酸为光催化底物和电子空穴猝灭牺牲剂，高效生成氢气和光生电子。其中光生电子作为还原力补充，驱动嗜甲烷菌体内的甲烷氧化与4-羟基苯甲酸合成。

为进一步降低系统碳排放，研究团队还构建了人工固碳途径，实现了光催化过程释放CO₂的高效回收，增强了全体系的碳原子经济性。通过整合光催化与生物转化技术，不仅利用可再生能源实现甲酸脱氢，还通过光生电子的定向传递解决了嗜甲烷菌还原力不足的核心瓶颈。在最优条件下，该集成系统实现了4-羟基苯甲酸产量达472.36 µg/L，氢气得率达0.59 mmol H₂/mol CH₄，系统整体碳减排程度超过50%。这一进展成功攻克了甲烷与CO₂协同转化中碳通量分配调控、光催化与生物体系兼容、碳封存效率提升、嗜甲烷菌细胞工厂还原力供给不足等关键难题，建立了分散式甲烷气源高值化利用的可行技术方案。

光驱动耦合体系转化甲烷与CO₂联产氢气和4-羟基苯甲酸

该成果精准对接“双碳”目标与可再生能源发展需求，既实现了分散式一碳资源的高效利用，又能联产清洁燃料和精细化工品。其核心技术不仅拓展了嗜甲烷菌细胞工厂的应用边界，更推动了生物制造与光催化技术的交叉融合，为构建可持续、碳中性的技术框架提供了重要支撑，有望广泛应用于化工、能源等工业领域，助力绿色低碳发展转型。

西安交通大学化工学院为该论文的第一完成单位，化工学院博士生焦子悦为第一作者，前沿院博士生高钰婧和副教授魏文欣为共同第一作者，化工学院费强教授、前沿院何刚教授和电子科技大学夏川教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西自然科学基金等项目支持。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202526097