光催化劑應用于微生物復合碳轉化體系的研究進展＊

張玉茹 郭 萌 古 淼 王文靜

（河北大學生命科學學院，保定，071002）

溫室氣體CO2的大量排放導致全球氣候變化，成為人類面臨的重大挑戰.應對該挑戰，我國做出了2030年“碳達峰”、2060年“碳中和”的鄭重承諾和戰略部署.碳捕集、利用與封存技術（CCUS）是我國實現雙碳目標的關鍵性技術之一[1]，預計到2050年CCUS 技術可減排11—27 億t CO2[2].因其環境友好和節約能源的特征，光催化CO2還原技術成為新興CCUS 技術.光催化CO2還原技術利用太陽能和光催化劑在常溫常壓下將CO2轉化成高附加值化學制品或燃料.在CO2還原反應過程中，光催化劑受光激發產生光生電子-空穴，電子遷移至光催化劑表面，與吸附CO2發生還原反應，將其還原為CO、CH4、CH3OH 等高能量密度的燃料[3?7].光催化劑是光催化CO2還原技術的核心，其活性決定CO2利用的性能及應用潛力.

近年來，通過添加助催化劑、元素摻雜、構建異質結等改性方法[8?10]，光催化劑的催化效果有所提高.但因光生電子-空穴易復合、主要生成C1產物等問題，其催化效率及選擇性尚不滿足實際需求[11].光催化劑也存在制備成本較高、人工合成經濟性差等應用瓶頸.相對而言，通過卡爾文循環、厭氧乙酰-輔酶A（Wood-Ljungdahl）等固碳途徑，自然界部分自養微生物可以將CO2轉化為C2及C2+等多碳產物，并具有自我復制及修復等獨特優勢.由于微生物將固碳作用優先用于光合生長，而非合成代謝產物，其碳合成轉化較低[12].構建光催化劑-微生物雜化體系有望突破傳統光催化劑高成本、低選擇性和天然固碳途徑低轉化效率等瓶頸，實現太陽能捕獲、催化反應活性和選擇性方面優勢互補[13].在光催化劑-微生物雜化體系中，光激發半導體產生電子，電子被微生物膜上的轉運蛋白轉運到細胞內部[14]，為天然固碳途徑提供充足的還原力[15]，從而利用CO2和太陽光生產高價值燃料和化學品，如圖1 所示.

圖1 光催化劑-微生物復合體系的基本原理Fig.1 Basic principles of photocatalyst-microorganism hybrid system

相對于光催化技術及單獨微生物的碳轉化研究，半導體-微生物雜化體系的研究開展較晚.自2016年楊培東課題組報道了硫化鎘-熱醋穆爾氏菌（CdS-Moorellathermoacetica）雜化體系[16]，為之后光催化劑-微生物復合體系碳轉化提供了更多思路和參考，但此領域的研究才開展幾年時間.目前，以楊培東[16]和Daniel G.Nocera[17]課題組為代表的美國研究團隊在該領域處于領先地位，在《Science》等發表多篇論文，但國內在該新興領域尚處于萌芽階段[18?21].現有少量報道匯總了半導體-微生物雜化體系的演變、發展[22?23]及CdS-微生物復合體系的光電應用[24]，但尚缺乏對不同光催化劑構建微生物復合體系及其碳轉化應用的系統歸納、總結.含金屬、非金屬基及復合光催化劑在化學組成、光吸收特性及光催化性能等方面存在巨大差異，將大大影響構建復合體系的性能.

本文分類總結了不同光催化劑構建的微生物復合體系（圖2），說明復合體系中光催化劑的引入方法、光催化劑的作用途徑及碳轉化產物、效率等關鍵因素，以啟發和指導雜化體系中光催化劑的選擇及優化；光催化劑-微生物界面的電荷轉移決定雜化體系效率，本文分析了這一關鍵問題，以促進光催化劑與微生物的深度耦合.

圖2 不同光催化劑與微生物構成的復合體系及其碳轉化應用Fig.2 The hybrid systems composed of different photocatalysts and microorganisms for carbon conversion

1 含金屬光催化劑（Metal containing photocatalyst）

1.1 CdS 光催化劑

金屬硫化物由硫的3p 軌道構成價帶，擁有較高能級和較窄帶隙，表現出良好的可見光激發性能，成為代表性光催化劑[25-26].CdS 是典型的Ⅱ—Ⅵ族直接帶隙半導體，具有合適的禁帶寬度（2.4 eV）、氧化還原電位及可見光吸收性能，是用途最廣泛的硫化物光催化劑之一[27?28].早在1995年，Holmes 等[29?30]在含鎘離子（Cd2+）的培養基中培養產氣克雷伯氏菌（Klebsiellaaerogenes），Cd2+與細胞內半胱氨酸產生的硫結合，生成CdS 納米顆粒，該納米顆粒在細胞表面形成光保護層，并降低了重金屬鎘對細菌的毒害作用.

在2016年，楊培東課題組[16]將CdS 與M.thermoacetica結合，誘導該非光合細菌的自我光敏化.在低強度光照下，CdS 產生的光生電子穿過細胞膜參與細菌Wood-Ljungdahl 代謝途徑，將CO2成功轉化為乙酸，量子產率高達85%.該系統證明了半導體與細菌復合系統的可行性，大大提高了自然光利用率以及CO2轉化效率.將立方體型CdS 納米顆粒沉積于產乙酸梭菌（Clostridiumautoethanogenum）表面[31]，在光照下，CdS 產生的光生電子通過金屬或黃素分子穿過細胞膜參與細菌Wood-Ljungdahl 代謝途徑，C.autoethanogenum通過自養途徑將CO2轉化為乙酸鹽，光照條件下CO2轉化生產0.8 mmol·L?1乙酸鹽.

除與產乙酸菌結合生成乙酸、乙酸鹽產物，CdS 光催化劑還與其他異養菌種結合，將CO2轉化為C1及C2+產物[32].巴氏甲烷八疊球菌（Methanosarcinabarkeri）與CdS 復合體系可將CO2轉化為CH4，其生產率為0.19 μmol·h?1，量子效率達0.34%[33].可見光照射下，在CdS 與沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonaspalustris）生物雜化系統中，CdS 納米顆粒光激發驅動R.palustris將CO2轉化為生物質、類胡蘿卜素和聚β羥基丁酸酯（PHB）[34].通過自組裝將CdS 納米顆粒與大腸桿菌（Escherichiacoli）結合，使E.coli固定CO2的效率顯著提高，其產物L-蘋果酸和丁酸的產量分別增加到1.48 mol·mol?1葡萄糖和0.79 mol·mol?1葡萄糖[35].利用CdS 與排硫硫桿菌（Thiobacillusthioparus）組成雜化系統，僅靠無機鹽、太陽能和CO2可維持系統內細菌生長，依靠太陽能驅動將CO2高效轉化為多碳谷氨酸合酶和生物質[36].較大多數有機營養和厭氧培養條件，CdS-T.thioparus系統顯示出廣泛適用性和實際應用潛力.

相較于TiO2等紫外光激發的光催化劑，CdS 的可見光激發特性更適合于微生物的生長.此外，可以通過S2-與Cd2+在培養基中反應制備CdS，通過細菌中脫硫酶催化半胱氨酸釋放S2?[34]，或向培養基中加入半胱氨酸得到S2?[36]，生成CdS 納米顆粒具有較低的生物毒性且包覆在細胞表面.由于上述特性，CdS 被首先應用于光催化劑-微生物復合體系.原位組裝方法得到的CdS 與細胞結合緊密，利于光催化劑與細胞界面的電子傳遞，有效提高了微生物的碳利用效率.但該方法難以控制形貌、結構及顆粒粒度等影響CdS 光催化效率的關鍵因素，局限CdS-微生物雜化體系CO2利用效率的進一步提升.混合預合成CdS 與細菌是一種構筑雜化體系的可行途徑，方便調控CdS 自身特性及改性優化，但需解決構建緊密結合界面及界面電子傳遞的關鍵問題.

1.2 其他含金屬光催化劑

在雜化體系中，CdS 表現出誘導細胞氧化應激、對厭氧細菌具有細胞毒性，并存在鎘污染等潛在問題[37?39]，需開發其他金屬光催化劑以構建高效、低毒性無機生物光合體系.在CdS 工作的基礎上，楊培東課題組將具有良好生物相容性和優異光學性質的金納米團簇與M.thermoacetica結合，利用太陽光固定CO2生產乙酸[40].越過緩慢的跨膜質量傳輸，胞內金納米團簇的光生電子可通過Wood-Ljungdhal 途徑傳遞給細胞質，該雜化系統比CdS-M.thermoacetica具有更快的乙酸生產速率；金納米團簇抑制活性氧、維持細胞的生物活性，實現長達6 d 的持續碳固定.

金屬有機框架（MOFs）具有豐富可調的催化活性位點、較大的表面積、獨特的微孔/中孔和互連通道[41?42].同時，MOF 具有良好的生物相容性[43]，可以保護生物體免受有毒物質和紫外線照射的影響[44]，允許細胞生存所必需的分子擴散[45].在CdS 工作的基礎上，楊培東課題組將Zr-MOF 引入CdS-M.thermoacetica雜化體系，在有氧條件下，Zr-MOF 包裹雜化體系將CO2轉化為乙酸鹽的產率是未包裹雜化體系的2 倍[46].Zr-MOF 拓寬了厭氧菌的應用領域，Zr-MOF 外殼可以分解活性氧保護菌體，使其能夠在氧化應激下持續固定CO2，過量Zr-MOF 自發覆蓋新生長細胞，傳遞保護作用.MOFs 不僅可以與非光合細菌復合構建人工光合系統，還可以增強光合自養微生物的固碳能力.將ZIF-8 引入鈍頂節旋藻（Arthrospiraplatensis）系統，ZIF-8 的不飽和金屬位點提高CO2轉化為HCO3-的速度、提升相對電子傳遞率，進而增強光合作用和生物質產率[47].雖然，目前已經開發多種MOFs 材料應用于分離和提純，但與微生物體系結合的MOFs 種類非常局限，需進一步探究其他典型MOFs 的復合碳轉化應用，如多孔、結構較穩定的MOF-5、HKUST-1 等.

根據適合的禁帶寬度（1.34 eV）和光譜吸收范圍，Neel S.Joshi 團隊[48]將磷化銦（InP）光催化劑用于構建InP-異養釀酒酵母（Saccharomycescerevisiae）雜化體系.InP 的光生電子跨越細胞膜進入S.cerevisiae細胞內，促進NADPH 再生，為生產莽草酸提供還原力.該研究提出了一種增強光催化劑與細胞膜界面結合性的有效途徑，將制備的InP 進行多酚功能化，使其表面形成細胞親和基團，通過多酚與酵母菌細胞壁的相互作用，自組裝成無機生物雜化體系.表1 總結了已報道的含金屬光催化劑與微生物雜化體系，光催化劑產生光生電子、為微生物提供還原力，驅動CO2向C1、C2、C2+等產品高效轉化.

表1 含金屬光催化劑與微生物復合體系及碳轉化應用Table 1 Metal containing photocatalyst and microorganism hybrid system for carbon conversion

2 非金屬基光催化劑（Nonmetal-based photocatalysts）

石墨相氮化碳（g-C3N4）是一種非金屬光催化劑，具有類石墨烯的二維結構.不同于金屬基光催化劑，g-C3N4以含量豐富的碳、氮為構成元素，價格低廉、環境友好[49].g-C3N4的禁帶寬度為2.7 eV，可直接利用可見光，導帶和價帶電位分別為?1.1 V 和1.6 V，是還原CO2的理想半導體[50].g-C3N4可通過直接熱縮聚、水熱、離子交換熱縮聚等方法合成，再加入到微生物體系中，具有較好的可控性.同時，g-C3N4還具有生物相容性好、化學和熱穩定性高、比表面積較大等優點[51?53].將g-C3N4應用于光催化劑-微生物雜化體系，發揮其光激發及生物兼容性優勢，有利于推動其實際應用.

g-C3N4首先應用于異養微生物系統，張甜課題組構建了g-C3N4與真養產堿桿菌（Ralstoniaeutropha）組成的雜化體系[54]，生產可降解生物塑料PHB.研究表明，無電子供體時，g-C3N4-R.eutropha體系的PHB 產量是無g-C3N4時的1.2 倍，向混合體系中加入電子供體三乙醇胺（TEOA），PHB 產量提高至1.4 倍，達(6.73±0.45) g·L?1.g-C3N4光激發產生光生電子光解水產生H2，促進細胞內還原當量及能量的產生，推動R.eutropha細胞內NADPH 再生及乙酰輔酶A 轉化成PHB.在此基礎上，將g-C3N4與過氧化氫酶（Catalase）偶聯，分解附著在其表面活位的H2O2提高g-C3N4活性，同時構筑g-C3N4-catalase-R.eutropha兼性自養/異養體系，以CO2為原料，該系統的PHB 產量為(41.02±6.22)mg·L?1，是單獨R.eutropha體系的2 倍[55].PHB 產量提高是由于H2O2降解產生H2和O2促進細菌代謝，以及光催化劑與微生物之間電荷轉移電阻降低.大多數自養型雜化光合系統需要半胱氨酸等電子受體將還原當量轉移至微生物，系統的可持續性受到電子供體的限制[55]，而g-C3N4-R.eutropha雜化體系不需要電子供體運作[54]，這一優點增加其實際應用的可行性.

純g-C3N4光催化劑存在電子空穴復合較快、可見光吸收不足、低電荷遷移率等[56?58]缺點，需對其進行改性，如形貌調控、引入N/C 缺陷、元素摻雜、助催化劑修飾、構建異質結等[59?68]，以提升光催化效率.現有研究主要是構建了純g-C3N4與R.eutropha的雜化體系，需進一步研究改性g-C3N4與不同代謝路徑菌株組成的復合系統，充分發揮g-C3N4基光催化劑的光激發性能以提高菌株的生產能力.

3 復合光催化劑（Composite photocatalyst）

現有雜化體系大多將單一無機半導體作為光捕獲材料，如CdS、金納米團簇、g-C3N4等.雖然這些光催化劑不同程度地提高了微生物的CO2轉化能力，但單一光催化劑的電子-空穴易復合、光吸收能力較弱，往往需要添加空穴犧牲劑，影響其運行穩定性.針對上述問題，需對單一光催化劑進行復合改性，以提升其能量轉化效率及長期穩定性.

3.1 CdS 基復合光催化劑

CdS 半導體最早應用于生物雜化體系，但單相CdS 存在光生電子-空穴對復合率高、催化效率低等問題，研究者通過結構改性、金屬摻雜等提高其光催化性能[69].為優化CdS-M.thermoacetica體系，楊培東課題組[70]設計了Z 型串聯結構將CO2還原與O2氧化雙催化過程結合，CdS-M.thermoacetica將半胱氨酸氧化為胱氨酸用于細菌的自光敏化，負載Mn（Ⅱ）酞菁（MnPc）的TiO2作為光氧化催化劑，氧化H2O 并還原半胱氨酸.耦合TiO2-MnPc 與CdS-M.thermoacetica的Z 型結構有效分離光生電子-空穴對，保持體系的強氧化還原能力及循環穩定性.在CdS 納米粒子中摻雜Ni，使得Ni:CdS-M.barkeri體系的CH4產率比CdS-M.barkeri高約250%[71].0.75% Ni 摻雜有效吸收電子，加速雜化體系的光生電子轉移.Ni 摻雜改變了M.barkeri的代謝狀態，促進能量轉換和CO2固定的蛋白質表達，利于M.barkeri捕獲電子，提高胞內還原電位，從而推動CO2還原為CH4.

3.2 量子點光催化劑

量子點作為一種零維的半導體納米晶體，具有帶隙及載流子易調控、表面位點豐富等優勢.其直徑一般為1—10 nm，該納米級小尺寸有利于量子點被細胞攝取，成為胞內感光元件.將生物相容性量子點引入非光合細菌內，是構建胞內光催化劑與微生物雜化體系的可行途徑.Ding 等[72]預先制備一系列可調帶隙的CdS、CdSe、InP、Cu2ZnSnS4量子點，在量子點表面包覆ZnS 層，借助Zn 外殼的化學親和性，將量子點附著于細菌蛋白質，實現量子點與棕色固氮菌（Azotobactervinelandii）、鉤蟲貪銅菌（Cupriavidusnecator）的自組裝，將兩種非光合細菌轉變為利用CO2、水和N2的光合細菌.在光照激發下，該體系的化學轉化效率高達13%，量子點-C.necator實現PHB 克級量產.

利用細胞外膜和細胞質之間的周質空間，Luo 等[73]將CuInS2/ZnS 量子點轉移到希瓦氏菌（ShewanellaoneidensisMR-1）細胞中，構建了周質光敏化生物雜化體系.在S.oneidensisMR-1 細胞周質中，同時發生量子點光激發和電子傳遞過程，縮短了電子傳遞的距離，避免了跨膜過程中的額外能量損失.該系統目前用于光催化產氫，為量子點基生物碳轉化系統的設計提供參考.量子點光催化劑因其納米級尺寸優勢，易實現光催化劑與微生物的胞內結合，有效減少了跨膜傳輸限制及能耗，已報道復合體系的高轉化效率證明其具有規?；瘧玫臐摿?

3.3 其他復合光催化劑

TiO2是應用最早的光催化劑，Chen 等[7]在中空多孔的TiO2納米顆粒上沉積Pb 獲得光催化劑，再將其與嗜鹽桿菌（Halobacterium）制備的膜型囊泡結合.Pd 作為助催化劑捕獲電子，細菌膜結合蛋白積累質子并向TiO2導帶傳遞電子，該過程有效分離光生電荷將CO2還原為CH4和CO.該自上而下方法構建的雜化體系使Pb-TiO2與細菌間形成緊密的接觸界面，有利于傳質并減少電子損失.

現有報道的雜化體系，大多采用CdS 等無機半導體與微生物結合，對微生物存在生物毒性及光毒性等問題.比較而言，有機共軛半導體具有易調控的分子軌道能級及帶隙結構，有望構建高效生物混合系統用于太陽能向化學能轉化.Gai 等[74]將n 型苝二亞胺衍生物（PDI）和p 型聚芴衍生物（PFP）涂覆在M.thermoacetica菌表面，形成p-n 型π-共軛有機半導體（PFP/PDI）.有機半導體的陽離子側鏈可以插入到細胞膜中，確保電子能夠有效地轉移到細菌中.在雜化體系中，光生電子從PFP/PDI 異質結有效轉移至M.thermoacetica，驅動Wood-Ljungdahl 途徑將CO2合成乙酸，能量轉化效率達1.6%.

采用光催化劑作為電極，構建光電極-微生物雜化體系，易于通過電極修飾改善光催化劑與微生物的耦合界面，并利用電化學結構促進光生電荷分離.楊培東課題組[75]率先采用生物相容的硅納米線陣列做光陰極，與卵形鼠孢菌（Sporomusaovata）復合并向其提供電子，推動S.ovata通過Wood-Ljungdahl 途徑將CO2還原為乙酸，法拉第效率達到90%.同時，TiO2納米陣列作為光陽極，吸收光能發生析氧反應，向光陰極傳遞電子和質子.微生物的自我復制性質及納米線陣列創造的局部厭氧環境，使得該系統可以在有氧環境下穩定工作200 h.將光活性n-TiO2陽極和p-InP 陰極串聯，插入至（M.barkeri）培養液中，用離子透膜分離陰極室和陽極室，實現了無輔助光驅動CH4的產生[76].

表2 匯總了改性光催化劑、量子點、有機異質結、光陽極/光陰極等復合光催化劑與微生物構建的雜化體系，該碳轉化體系的研究非常有限，特別是有機光催化劑，亟需開發高效雜化體系提高產量，并探索不同光催化劑對微生物基因表達及細胞代謝等的影響.除碳轉化應用，光催化劑與微生物雜化體系還用于產氫，并獲得可觀的析氫速率及量子效率，如TiO2-酪酸梭菌（Clostridiumbutyricum）[77]、TiO2-E.coli[78?79]、CdS-脫硫弧菌（Desulfovibriodesulfuricans）[80]、AglnS2/In2S3-E.coli[81]、Zn 摻雜CdS-E.coli[82]、CdS-S.oneidensisMR-1[83]等體系.此外，CdS-R.palustris[84]、CdS-脫氮硫桿菌（Thiobacillusdenitrificans）[85]等體系被擴展應用于光驅動N2固定.產氫、固氮體系的研究對于碳轉化體系中光催化劑選擇、光催化劑-微生物界面構建及界面電子傳遞具有重要的指導意義.

表2 復合光催化劑與微生物復合體系及碳轉化應用Table 2 Composite photocatalyst and microorganism hybrid system for carbon conversion

4 光催化劑-微生物的界面電荷轉移（interfacial charge transfer of photocatalyst-microorganism）

將高量子效率的光催化劑與高選擇性、自我復制及修復的微生物結合，實現兩者的優勢互補[18,86]，是構建光催化劑-微生物雜化體系的核心目標.目前，雜化體系尚存在CO2還原效率低、難以長時間穩定運行等問題，深入理解光催化劑與微生物的界面上能量和電荷轉移過程，是構建穩定雜化碳轉化體系的關鍵基礎.

光催化劑與微生物間的電子轉移主要分為直接電子轉移和間接介導轉移[87].在直接電子轉移中，微生物直接從光催化劑表面獲得電子，此時需要微生物與光催化劑相互匹配，兩者之間形成緊密接觸界面.間接介導轉移則需要通過H2、甲酸、NH3及Fe2+等氧化還原介質將電子傳遞給微生物細胞[88].因氧化還原介質傳遞電子的過程會造成能力損失，直接電子轉移比間接介導轉移具有更高理論電子轉移效率.但直接電子轉移易受到光催化劑與微生物間親和性、相容性及反應環境的影響.由于電子傳遞過程涉及眾多反應，過程較為復雜，電子轉移的基本步驟及定速步驟等關鍵細節仍需探索.

當前對半導體/生物復合體系中電荷轉移及相關細胞功能的表征及分析方式主要包括三類：一是基于光譜學的表征，如瞬態吸收光譜（TA）及時間分辨紅外光譜（TRIR）等，通過對電荷轉移動力學的瞬態及時間分辨光譜表征判斷電荷吸收的途徑；二是對于光敏化細菌的遺傳分析，細胞中不同的生理過程涉及到不同的基因表達，通過在分子水平上對遺傳物質進行分析，可分辨出半導體/生物復合體系的反應路徑；三是蛋白組學和代謝組學的分析，可用于在遺傳分析的基礎上進一步闡明特定的細胞代謝路徑[89].

Kornienko 等[90]利用TA、TRIR 等光譜技術及高靈敏度質譜技術，初步探索了CdS-M.thermoacetica雜化光合體系生產乙酸過程的兩種電子轉移途徑.一是，CdS 受到光激發產生的光電子先被膜結合的氫化酶吸收，產生H2，隨后H2被氧化為NADH/NADPH，為細胞代謝提供還原當量.二是，光電子直接通過轉運蛋白進入細胞內參與酶促反應.Huang 等[91]利用基因敲除證實了膜結合蛋白介導對于微生物細胞中的光電子轉移至關重要，發現硫還原地桿菌（Geobactersulfurreducens）可以直接利用細胞外光電子.同樣，CdS NPs 光敏化的T.denitrificans[85]和M.barkeri[33]突變菌株中，耦合微生物光電化學性能受到抑制，也證實了膜結合蛋白在電子轉移中的重要作用.Zhang 等[92]利用非靶向/靶向蛋白質和代謝物定量方法探索了雜化細胞的蛋白質組和代謝組，發現鐵氧還蛋白、黃素蛋白和NADH 脫氫酶等膜結合蛋白在CdS-M.thermoacetica中上調，猜測這些蛋白質可能參與電子攝取過程.細菌代謝循環中ATP 合酶、參與三羧酸循環和糖酵解過程的蛋白質在CdS-M.thermoacetica雜化系統中均顯著上調.參與該途徑酶的上調，表明對光催化劑的光照刺激改變了細菌的整個代謝狀態.

5 結語與展望（Conclusion and outlook）

光催化劑-微生物復合體系作為新興技術起步較晚，但已成功結合多種光催化劑與微生物并獲得不同碳轉化產物.目前在微生物體系中引入光催化劑的方法主要包括原位組裝、預制備光催化劑兩種.原位組裝是CdS-微生物體系的典型構建途徑，該方法能夠將CdS 與細胞緊密結合.由于制備條件的約束，多數體系預先合成光催化劑，再將其加入到微生物中，該過程易于調節光催化劑的結構及形貌，但難于控制兩者的結合界面.通過多酚功能化、涂覆化學親和性外殼等，能促進光催化劑與細胞的結合.CdS 等含金屬光催化劑具有合適的帶隙寬度和光譜吸收范圍，其良好的光激發特性產生光生電子、為微生物提供還原力；非金屬基催化劑成本低廉、環境友好且具有較好的生物相容性；由于單一光催化劑往往需要添加空穴犧牲劑來改善其性能，將單一催化劑進行復合改性形成復合催化劑可以提升其能量轉化效率及長期穩定性.為實現復合系統的工業應用，需進一步提高其效率，以追平甚至超越1%—7%的自然光合作用效率.總結已有報道，應用于微生物復合碳轉化體系光催化劑的面臨挑戰及發展趨勢主要為：

（1）應用于微生物復合碳轉化系統的光催化劑種類非常有限，目前主要為CdS、TiO2、g-C3N4等常規光催化劑，大量高效的金屬氧化物、金屬氮或磷化合物及有機光催化劑在雜化體系的應用亟待探索.

（2）改善光催化劑自身的光吸收及電荷分離特性，借助元素摻雜、制造缺陷、添加助催化劑、構建異質結等手段，提高其在雜化體系的電荷供給能力.

（3）對光催化劑表面進行功能化修飾，提高其細胞親和性及生物相容性，使其與微生物細胞形成直接接觸界面.

（4）目前，尚缺乏對光生電子從胞外半導體到胞內受體等擴膜傳遞及介導轉移機制的深入認識，需采用原位表征及時間分辨光譜研究電子轉移的全過程，以指導光催化劑與微生物的結合界面調控.

（5）現有雜化體系的碳轉化產物主要為C1、C2、C2+等，需進一步開發新型雜化體系以生產C3+等長鏈碳氫化合物的目標產物.