近日，清华大学深圳国际研究生院副教授李兵团队在微生物光电化学促进磷酸盐高效矿化领域取得系列研究进展。生物杂化体（biohybrids）耦合光敏剂优异的光捕获特性及生物催化剂高效的催化能力，可利用太阳能高效驱动特定的化学转化过程，因此成为目前国内外研究的热点。尽管已有研究表明微生物EPS在维持生物杂化体稳定性方面具有重要作用，但其在生物-无机界面光生电子传递过程中的具体机制仍长期缺乏直接证据。

非生物-微生物界面间光生电子转移机制（蛋白质、氧化还原物质加速电子转移；多糖阻碍电子转移）

团队采用飞秒瞬态吸收光谱（fs-TAS）技术，结合EPS组分定向分离技术，构建了原位表征体系。研究结果表明，EPS中的蛋白质和氧化还原活性物质（如细胞色素、核黄素）能够显著提升光生电子在生物-无机界面的传递速率，而多糖组分则表现出抑制效应。该发现可能为阐释海洋沉积物界面能量转化与物质循环过程提供新的理论视角。

基于上述发现，针对传统磷回收技术存在的微生物代谢效率低、化学法依赖外加碱剂成本高等技术瓶颈，研究团队构建了由希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）与光敏半导体材料CNx组成的新型生物杂化系统。研究发现，在光照条件下，该系统能够通过EPS实现光生电子高效传递至微生物胞内，显著提升代谢效率，促进磷酸铵镁（鸟粪石）的生成。同时，光生空穴驱动活性氧（ROS）生成，有效促进有机质和抗生素类污染物的降解。上述两个因素协同突破了传统磷回收过程面临的技术瓶颈，展现出高效、绿色、环境友好的应用潜力，为磷酸盐高效资源回收利用提供了新范式。

微生物杂合体在光照下同步实现抗生素降解和磷回收：光生ROS降解抗生素减小对微生物活性抑制，光生电子传递给菌体加强微生物代谢

上述发现不仅揭示了微生物界面电子转移在人工体系中驱动磷矿物形成的潜力，也为理解海洋环境中磷酸盐矿物的自然生成路径提供了可借鉴模型，拓展了对海洋磷循环与成矿过程的模拟手段。

相关成果分别以“水环境胞外聚合物介导的微生物光电化学过程中界面电子转移的调控机制”（Unlocking interfacial electron transfer in biophotoelectrochemical processes: Role of extracellular polymeric substances in aquatic environments）和“光驱动生物杂合体介导的养殖水体磷酸铵镁微生物成矿”（Light-driven biohybrid for phosphorus recovery via struvite biomineralization in tetracycline-laden livestock wastewater）为题，发表在《水研究》（Water Research）上。

两篇论文的第一作者分别为清华大学深圳国际研究生院博士后胡安东和2024级博士生杨尚，通讯作者为李兵，其他合作者包括清华大学教授黄跃飞、福建农林大学教授周顺桂和叶捷等。该工作得到了国家自然科学基金和深圳市可持续发展专项的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123375

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.123745

文/图：李兵

编辑：叶思佳

审核：林洲璐