復旦畢業生開創「全新領域」，利用太陽能合成生物有機肥料

你能想像，陽光加上水就可以合成生物有機肥料嗎？

通常，綠色植物能夠利用太陽光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）製造有機物質並釋放氧氣，這一過程就是大家耳熟能詳的光合作用。但加州大學洛杉磯分校化學與生物化學系助理教授劉翀基於材料學和生物學的協同作用，研發出一種人工光合作用生物無機混合體系。

劉翀專門設計的這種模仿植物功能的裝置，可以收集太陽能來產生電流，隨後電流將水分解為氧氣和氫氣，水中的細菌再將氫氣和空氣中的二氧化碳和氮氣轉化為生物肥料或燃料。

12 月 10 日，《麻省理工科技評論》全球青年科技領袖峰會在魯迅故裡浙江紹興舉行，「35 歲以下科技創新 35 人」 （Innovators Under 35）2020 年中國區榜單在峰會上正式發布，來自浙江江山的 34 歲的劉翀憑藉這一研究成果成功入選。

圖 | 《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」2020 年中國區榜單入選者劉翀

開創生物無機混合體系，利用太陽能合成生物有機肥料

「作為首位將細菌與金屬或其他無機材料結合起來複製光合作用能量生成化學反應的人，劉翀開創了一個全新的領域。」 劉翀的博士生導師楊培東曾這樣評價劉翀。

將「開創」這個頗具重量感的詞彙，「戴在「年僅 34 歲的劉翀頭上，乍看起來似乎顯得十分不協調。

但劉翀告訴《麻省理工科技評論》中國，「從 2016 年開始一直到 2019 年，我一直在這個體系不斷進行深入研究。」 事實上，早在研究生時期，他就率先開創了生物無機混合體系，提出了無機生物混合體系的概念，後來依次在 2016 年論證了該方法比自然界的光合作用有更高的能量效率；在 2017 年明確了如何將這個方法推廣到合成生物有機肥料；2019 年則證實了該方法可實際應用及其產業化的前景。從始至終，他的研究目的只有一個，就是要找到解決化工可持續發展的方案。

2016 年 6 月，劉翀以第一作者身份在《科學》雜誌上發表論文，標題為Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis，該論文稱基於一種生物相容性豐富的地球無機催化劑系統，其團隊開發了一種混合的水分離生物合成系統，這種人工光合作用系統可以在低驅動電壓下將水分解為分子氫和分子氧（H2和O2）。

在 O2 存在的環境中，羅爾斯通氏菌（Ralstonia eutropha）接觸催化劑得以生長，並且通過消耗 H2 逐漸將低濃度的 CO2 合成生物質、燃料或化學產品。此系統在生產細菌生物量和液體雜醇化物時，具有高達 50% 的二氧化碳減排能源效率，每千瓦電可淨化 180 克二氧化碳。而將這種混合裝置與光伏系統結合，將再次實現約 10% 的二氧化碳減排能源效率，從而大大提高了光合作用轉換的效率，實現高於自然光合系統的高 CO2 減排效率。

圖 | 從二氧化碳和水中高效合成選擇性生產的化學品

2017 年 5 月，劉翀再次以第一作者身份在《美國科學院院報》（PNAS）發表了一篇題為Ambient nitrogen reduction cycle using a hybrid inorganic–biological system 的論文，論證了在單個反應器中，催化水分解產生的氫氣與 H2 氧化細菌自養黃色桿菌（Xanthobacter autotrophicus，該細菌將 N2 和 CO2 還原為固體生物質）結合，進而 N2 和 H2O 合成 NH3 的過程。其中，自養黃色桿菌的活細胞可以直接用作生物肥料，以提高蘿蔔這種典型作物的生長，使其貯藏根質量增加約 1440%。

圖 | 使用自養黃色桿菌生物肥料的蘿蔔

加入穀氨酸合成酶抑制劑後，自養黃色桿菌中的固氮酶（N2ase）生成的 NH3 則從生物量形式轉換為細胞外合成氨生產。N2 還原反應的驅動力較小，周轉數為 9 × 109 cell–1，周轉率為 1.9×104 s -1·cell-1，且無需耗費化學試劑或 CO2 以外的碳原料。劉翀指出這種方法可以由可再生電力提供動力，讓氨和生物肥料的可持續性和分布式生產成為可能。

2019 年 5 月，Nature Catalys 雜誌上與 Roselyn M. Rodrigues 等人合作發表了論文Perfluorocarbon nanoemulsion promotes the delivery of reducing equivalents for electricitydriven microbial CO2 reduction，表示無機催化劑與 CO2 固定微生物結合後，可實現高效的電力驅動 CO2 減排。然而，主要從電極向微生物傳遞還原當量的 H2 等介質的低溶解度會限制最終的產量上限。

對此，劉翀等人經研究發現，引入生物相容性全氟碳納米乳液（PFC納米乳液）來作為 H2 的載體後，CO2 還原成乙酸的產量提高了 190%。以產乙酸菌鼠孢菌屬卵狀卵形隱藻（acetogen Sporomusa ovata）為模型體系，4 天的時間裡，平均乙酸鹽滴定度達到了 6.4±1.1g l−1 (107 mM)，接近 100% 的法拉第效率。這相當於 1.1 mM h−1 的生產率，是生物電化學系統中的最高水平。

機理研究表明，全氟碳納米乳的非特異性結合將 H2 轉移和後續氧化動力學提升了三倍以上。劉翀等人的研究證明，引入納米尺度的氣體載體是可行的，可有效緩解電力驅動的微生物二氧化碳還原為化學產品的產量瓶頸問題。而且這種具有生物相容性的催化系統可實現高能效，從而確保產生最少的有毒金屬和最小的活性氧物質。

圖 | PFC 納米乳液的引入提高了 CO2 減排效率

之所以選用 PFC 納米乳液，是因為 PFC 分子具有生物惰性且該乳液製備方法簡單，並且 PFC 分子呈剛性，能與弱分子相互作用，具有更好的氣體溶解能力，從而有效幫助提升 H2 的溶解度。

他說，這項研究相當於是替代了一部分的光合作用。他們利用了生物酶合成有機物分子的能力，同時使用無機材料加強了太陽能轉化成電能的能力。

為什麼選擇合成有機肥料呢？其解釋稱，生物肥料的相對利潤附加值比較高，能夠讓大家更容易接受這項技術。

材料與微生物間的能量交換是不變的研究焦點

在他看來，除了合成有機肥料，這項技術還可以用於合成有機燃料以及藥物分子。

儘管目前這個裝置的光能利用效率已經超過植物的光合作用效率，但劉翀希望繼續提高能量利用效率，畢竟通過氫氣來轉移能量會有損失。

劉翀希望未來應用場景是在每個人的家裡，可以實現足不出戶就合成出人們所需要的複雜化合物，比如肥料、燃料以及藥物分子。

劉翀表示，本質上，這項研究是關於材料跟微生物之間在微觀尺度上的相互作用以及能量交換。由此他想到了接下來的研究計劃，即腸道微生物的分布研究。

腸道微生物菌群是一個非常複雜的體系。微生物在人體內並非均勻的，而是有規律的分布，有的細菌喜歡在腸道表面，而有的細菌喜歡在腸道內部。他認為現在研究的手段過於單一，那麼利用材料領域的知識，可以豐富人們研究腸道微生物菌群的手段，從而增加我們對其的理解。

在他的設想中，如果設計出一個基於納米材料的平臺，就可以迅速甄別出人體微生物的分布，這會對醫學進步有巨大幫助。

劉翀其人

鵠飛舉萬裡，一飛翀昊蒼。翀，音衝，有向上直飛之意。

劉翀父母當初為兒子取這樣的名字，就是希望他能夠一飛沖天，直抵蒼穹大展自己的雄心抱負。

可據劉翀說，他父母從小對其教育都非常「佛系」，別說是手把手輔導作業，連他主動請教問題都是敷衍了事，從不會真正幫他搬開學習過程中遇到的「絆腳石「，更沒有給他報過一次輔導班，簡直就是完全的放養政策。

劉母后來意味深長地說，這麼做就是為了讓孩子清醒地認識到，「學習上的事兒，誰都不可以靠，爸爸媽媽一樣靠不住，所以只能靠自己，獨立直面所有大大小小的難題。」

沒想到，劉翀竟然真的靠自己在學海裡赤手空拳地拼出了一番天地：2004 年，他以優異成績被保送進復旦大學化學系激勵班；2008 年復旦大學畢業後，他花 5 年時間獲得加州大學伯克利分校博士學位，隨後在哈佛大學做博士後；自 2015 年始，他陸續在《科學》、《美國國家科學院院刊》、《自然・催化》、《納米快報》等國際頂尖雜誌上發表文章，其研究也被《科學》、《科學美國人》、《洛杉磯時報》、《福布斯》等眾多媒體報導。2018 年，他入選美國《科學新聞》「2017 年度美國十大傑出青年科學家」。

如今他是加州大學洛杉磯分校化學和生物化學系助理教授，並成功組建了自己的創新研究實驗室。未來劉翀還會走多遠飛多高，恐怕我們都無從知曉。但單就他如今取得的成績而言，這個浙江江山人起碼沒有辜負父母的起碼，做到了人如其名。