近期，来自科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）的研究人员利用光活化量子点激活微生物细胞内的特定酶研制出了一种纳米生物混合有机体系（nanobio-hybrid organisms, Nanorgs）。Nanorgs可以吸收二氧化碳等有害气体并将其转化为可生物降解的塑料、汽油、氨和生物柴油。研究人员表示，该技术可以改善环境中二氧化碳的分布，有朝一日可能实现用塑料和燃料取代碳密集型制造业。

由Prashant Nagpal教授带领的一个研究小组在2013年开始探索量子点在抵消碳生产方面的潜力，这项研究的目标是探究量子点是否可以作为一种“火花塞”，促使具有转换能力的微生物细胞内触发酶在非自然情况下转换空气中的二氧化碳和氮。此项工程中，活细胞和纳米材料之间的界面需要通过亲和结合和自组装进行化学偶联、人工材料的光电态与细胞过程之间需要进行能量耦合和界面设计需具有生物相容性。

图1 科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）研究人员研制的由纳米生物混合微生物产生的一克可生物降解塑料。在此致谢提供图片的科罗拉多大学博尔德分校Nagpal实验室

研究人员发现，当他们将定制的量子点扩散到土壤中常见微生物的细胞中时，即使是少量阳光的间接照射也会激活微生物对二氧化碳的“食欲”，致使微生物在没有其他任何能源的情况下也能进行生化转化。

该研究团队证明了七个不同的核-壳量子点可以与细菌中的目标酶位点结合，其激发范围为紫外线到近红外（NIR）。当被光线照射时，这些量子点可以驱动以二氧化碳、水和氮为底物的不同生物燃料和化学品的可再生生产。其原理为：量子点利用它们富含锌的壳层面与蛋白质亲和结合；纳米生物混合有机体催化光诱导空气-水-二氧化碳反应还原为生物燃料（如异丙醇和2,3-丁二醇）、化学物质（如甲酸和氨）以及可降解生物塑料。

在水中处于休眠状态的微生物将转化的产物释放到表面，在水表面的产物可以被撇去并被收集用于制造。量子点和不同波长组合会产生不同的产物：绿色波长导致细菌消耗氮气以产生氨，而红色波长促使微生物消耗二氧化碳以产生塑料。研究人员表示，他们的研究显示出一种可规模化技术的应用前景。研究发现，即使微生物“工厂”连续几个小时处于被激活状态，它们也几乎没有显示出衰竭或耗尽的迹象，这表明细胞可以再生并减小了其被替换的需要。

图2 科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）的助理教授Prashant Nagpal。在此致谢提供图片的Casey A. Cass

教授Nagpal表示，未来的理想设想是让单户住宅和企业将排放的二氧化碳直接输送到附近的蓄水池，在蓄水池内微生物能将二氧化碳转化为一种生物塑料，住宅和企业所有者将能够销售这些产品以得到微薄的利润，同时基本上能够抵消他们自己的碳足迹。

Nagpal说：“如果我们能够转换当地甚至一小部分沟渠、池塘内的二氧化碳，它都将对城镇的碳排放量产生相当大的影响。”他还表示，当前研究团队的重点是优化转换过程并培养本科生作为新动力，Nagpal计划将项目设置为秋季学期的本科实验室实验，这个计划将由科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）卓越工程基金会资助，这是他所带领的学生坚持多年的项目。Nagpal说：“这是一段漫长的旅程，他们的工作非常宝贵，我认为这些结果表明此项研究是值得的。”此项研究发表在美国化学学会杂志上： 详情点击。

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