拓綠色能源新思路
——記武漢理工大學化學化工與生命科學學院教授張甜

□ 王 輝

專家簡介：

張甜，第十三批國家“千人計劃”青年項目入選者，武漢理工大學全球招聘教授、化學化工與生命科學學院學科首席教授。

主要致力于生物電合成技術的開發與應用，在生物電合成，生物燃料電池及開發新型高效的生物環境修復技術等領域取得了若干創新性研究成果。迄今為止已發表國際論文30余篇，其中包括Science、Nature Biotechnology、Trends in Biotechnology（Cell子刊）、Energy&Environmental Science等。2018年獲“科學中國人（2017）年度人物”稱號。

伴隨現代社會的高速發展，有限傳統化石能源的大量消費已使人類陷入能源枯竭、全球氣候變暖和環境污染的困境。如何滿足日益增長的能源需求，解決能源消耗帶來的嚴峻環境問題，已成為當今世界科學研究的重要課題之一。

在此背景下，利用生物電化學系統有效降低全球碳排放量，并將其合成為市場價值高的多碳有機化學產品和燃料的能源新技術，無疑為能源的清潔、可再生利用以及創建健康、可持續發展的社會經濟和生態環境提供了一個新的思路。帶著對新技術的濃厚興趣，武漢理工大學教授張甜從理論與生產應用兩方面對新生物能源技術進行了深入研究，她希望通過自己的努力能將新技術推向實際的工業化應用，并衍生出一系列具有產業化意義的生物材料和電極材料，為發展具有自主知識產權和中國特色的新型綠色生物能源技術貢獻自己的一份力量。

結緣新技術

能與新型綠色生物能源技術結緣，要從張甜在國外的一些經歷談起。2007年，在武漢大學化學與分子科學學院獲得物理化學專業博士學位后，張甜遠赴美國在馬薩諸塞州立大學微生物系從事博士后研究。在此期間，她開展了主要針對綠色新型生物能源技術的開發及應用工作，研究如何生物電合成有機化學產品及有機燃料，并同時開展了針對環境污染物的生物修復研究工作。

生物電合成，是一種綠色新型生物能源技術，即利用生物還原二氧化碳并電合成有機化學產品或有機燃料。張甜所在的Derek Lovley實驗室作為生物電化學系統領域的世界著名實驗室，是研究綠色新型生物能源技術的先驅。正是在這個實驗室，張甜首次系統并廣泛研究了以碳布(carbon cloth)、聚酯纖維(polyester)、棉布(cotton)等為基底的導電修飾電極對生物電合成醋酸系統的影響，并取得了一系列創新性的研究成果。

通過研究，她發現了導電聚合物c h i t o s a、c y a n u r i c c h l o r i d e、3-aminopropyltriethoxysilane、polyaniline，納米金屬粒子Au、Pd、Ni，及碳納米管等修飾的導電復合物電極，能將生物電合成醋酸的產量提高3～7倍的現象。她的這一發現對于發展和改良生物電合成系統起到的推動性作用不容小覷。由此形成的兩篇科研論文，已分別發表在英國皇家化學協會影響因子最高期刊Energy&Environmental Science和Phys Chem Chem Phys上。

在針對環境污染的生物修復研究工作中，張甜也收獲了不小的成績。

她首次提出了利用生物電化學系統加速環境污染物，如苯、甲苯，萘酚等的完全降解技術，開創了生物電化學系統實際應用的新篇章。科研成果在Environmental Microbiology發表后，5年內引用次數達102次。

另外，在利用生物電化學系統去除海底沉積物中的硫污染物研究中，通過多次實驗，張甜最終分離出了一支能厭氧氧化硫污染物，同時以電極為電子受體的脫硫單胞菌株Desulfuromonas strain TZ1。該科研成果發表在Microbiology和Environmental Science & Technology后，受到了冰島電力公司的高度關注。2013年10月，張甜受邀前往該公司以“利用生物電化學系統進行生物脫硫”為題做了專題報告。

除此之外，張甜還首次發現了異化金屬還原菌株Geobacter metallireducens在常溫下能夠以三價鐵離子或三價鐵氧化物為電子受體，厭氧完全降解有機污染物苯的現象，并同時分離出了一支能夠厭氧降解芳環化合物的異化金屬還原菌株Geobacter strain Ben。以此為基礎，她深入研究了G.metallireducens厭氧降解有機污染物苯的途徑和機理，首次從分子生物學角度提出和證明了苯在G.metallireducens中通過苯酚降解成二氧化碳的途徑，并通過基因的敲除找出Geobacter中影響苯降解的關鍵基因。張甜的研究為開拓純菌株厭氧降解苯的研究新領域做出了積極的貢獻。

“牛刀小試”后的“大展身手”

在美國的“牛刀小試”為張甜迎來了大展身手的機會，2013年7月，她動身前往丹麥，在那兒開啟了新的職業生涯，受聘于丹麥科技大學生物可持續發展系的張甜，帶領著7人組成的科研團隊，向新的問題發起了挑戰。

以生物電合成為研究重點，張甜帶領團隊在研發高效新型電極材料、利用基因工程生產市場價值高的有機化學產品及有機燃料、結合生物電化學系統開發新型生物環境修復技術和有效去除環境污染物的同時進行生物發電等方面開展了堅持不懈的攻關與探索。短短4年，團隊共發表國際論文17篇，參與英文書籍編著4部，取得的一系列研究成果更是極具現實意義。

通過研究，團隊證明了通過將二氧化碳固定菌Sporomusa ovata在甲醇底物中進行實驗室適應進化，可以加速其還原二氧化碳合成化學制品的速度的假設，為該菌株的優化及加速其工業化應用提供了有效的策略。科研成果發表在Scientific Reports后，由于研究意義重大，張甜受邀參與到由Springer出版的英文書籍the lab protocol series Methods in Molecular Biology中“Synthetic Metabolic Pathways Volume editors: Jay D. Keasling and Michael Krogh Jensen”章節的編著工作中，該著作已于2017年出版。

此外，在張甜的帶領下團隊還發現經過氨基化石墨烯修飾的碳布陰極是有工業化應用前景的微生物電合成電極材料，可以促進高度結構化的生物膜形成這一現象，這一發現將顯著提高微生物電合成醋酸的產量。另外，首次借助基因工程，團隊還發現了由金摻雜的石墨烯和單壁碳納米管的平面透明混合/n型硅異質結構可提高太陽能電池的轉換效率至8.8%的現象。科研成果發表在Electrochimica Acta上。

由于張甜連續8年從分子生物學角度對厭氧異化金屬還原菌株Geobacter metallireducens降解芳環化合物的深入研究及貢獻。在利用先進生物電化學技術產生生物能領域的前沿性做出的探索及在生物轉化二氧化碳成有機化學產品和燃料領域的創新研究工作，2015年11月，她被邀請在Science上發表前言展望，探討關于利用人工生物無機光合作用合成生物燃料的研究前景、應用及對人類社會的影響，并于2016年3月受邀在Nature Biotechnology上發表評論，慶祝其建刊20周年。

荊棘密布 一如既往

在美國馬薩諸塞州立大學著名教授k Derek y Lovley領導的微生物電合成能源物質和微生物燃料電池國際頂尖實驗室進行該領域科研工作的5年半時間里，在丹麥科技大學帶領7人科研團隊繼續本領域科研攻關的過程中，張甜不僅在國際生物電化學系統領域獲得了一定的影響力，而且還與學術及工業界的專家學者建立了良好的合作關系。以此為基礎，回國后在明確的工作設想和研究目標的指引下，張甜的工作已順利展開。

2017年9月30日，作為武漢理工大學化學化工與生命科學學院學科首席教授，張甜受邀在國際著名學術雜志Cell旗下子刊Trends in Biotechnology以“Extracellular Electron Uptake: Among Autotrophs and Mediated by Surfaces”為題發表綜述文章，系統探討了自養微生物和固態電子供體（如鋼鐵和電極）之間的相互作用，及其在自然界中一些重要生物過程如微生物腐蝕，和生物可持續生產技術如生物電合成中的重要性。

張甜認為這方面的深入研究有利于制定更有效的方案來解決自然界中廣泛存在的微生物腐蝕問題，提高微生物電合成效率以及改進依賴于微生物種間電子傳遞的厭氧發酵技術。雖然在前期的研究中，張甜已獲得了一些新發現，但她覺得目前關于自養微生物和固態電子供體之間的細胞外電子攝取機制表征仍不完整，基于細胞外電子攝取過程的生物技術仍處于早期發展階段，因此其具有很大的開發潛力，而張甜已做好了準備。

科研無坦途，縱然前方荊棘密布，對科研懷抱熱情，張甜仍將一如既往。