拓绿色能源新思路——记武汉理工大学化学化工与生命科学学院教授张甜

□ 王 辉

专家简介：

张甜，第十三批国家“千人计划”青年项目入选者，武汉理工大学全球招聘教授、化学化工与生命科学学院学科首席教授。

主要致力于生物电合成技术的开发与应用，在生物电合成，生物燃料电池及开发新型高效的生物环境修复技术等领域取得了若干创新性研究成果。迄今为止已发表国际论文30余篇，其中包括Science、Nature Biotechnology、Trends in Biotechnology（Cell子刊）、Energy&Environmental Science等。2018年获“科学中国人（2017）年度人物”称号。

伴随现代社会的高速发展，有限传统化石能源的大量消费已使人类陷入能源枯竭、全球气候变暖和环境污染的困境。如何满足日益增长的能源需求，解决能源消耗带来的严峻环境问题，已成为当今世界科学研究的重要课题之一。

在此背景下，利用生物电化学系统有效降低全球碳排放量，并将其合成为市场价值高的多碳有机化学产品和燃料的能源新技术，无疑为能源的清洁、可再生利用以及创建健康、可持续发展的社会经济和生态环境提供了一个新的思路。带着对新技术的浓厚兴趣，武汉理工大学教授张甜从理论与生产应用两方面对新生物能源技术进行了深入研究，她希望通过自己的努力能将新技术推向实际的工业化应用，并衍生出一系列具有产业化意义的生物材料和电极材料，为发展具有自主知识产权和中国特色的新型绿色生物能源技术贡献自己的一份力量。

结缘新技术

能与新型绿色生物能源技术结缘，要从张甜在国外的一些经历谈起。2007年，在武汉大学化学与分子科学学院获得物理化学专业博士学位后，张甜远赴美国在马萨诸塞州立大学微生物系从事博士后研究。在此期间，她开展了主要针对绿色新型生物能源技术的开发及应用工作，研究如何生物电合成有机化学产品及有机燃料，并同时开展了针对环境污染物的生物修复研究工作。

生物电合成，是一种绿色新型生物能源技术，即利用生物还原二氧化碳并电合成有机化学产品或有机燃料。张甜所在的Derek Lovley实验室作为生物电化学系统领域的世界著名实验室，是研究绿色新型生物能源技术的先驱。正是在这个实验室，张甜首次系统并广泛研究了以碳布(carbon cloth)、聚酯纤维(polyester)、棉布(cotton)等为基底的导电修饰电极对生物电合成醋酸系统的影响，并取得了一系列创新性的研究成果。

通过研究，她发现了导电聚合物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，纳米金属粒子Au、Pd、Ni，及碳纳米管等修饰的导电复合物电极，能将生物电合成醋酸的产量提高3～7倍的现象。她的这一发现对于发展和改良生物电合成系统起到的推动性作用不容小觑。由此形成的两篇科研论文，已分别发表在英国皇家化学协会影响因子最高期刊Energy&Environmental Science和Phys Chem Chem Phys上。

在针对环境污染的生物修复研究工作中，张甜也收获了不小的成绩。

她首次提出了利用生物电化学系统加速环境污染物，如苯、甲苯，萘酚等的完全降解技术，开创了生物电化学系统实际应用的新篇章。科研成果在Environmental Microbiology发表后，5年内引用次数达102次。

另外，在利用生物电化学系统去除海底沉积物中的硫污染物研究中，通过多次实验，张甜最终分离出了一支能厌氧氧化硫污染物，同时以电极为电子受体的脱硫单胞菌株Desulfuromonas strain TZ1。该科研成果发表在Microbiology和Environmental Science & Technology后，受到了冰岛电力公司的高度关注。2013年10月，张甜受邀前往该公司以“利用生物电化学系统进行生物脱硫”为题做了专题报告。

除此之外，张甜还首次发现了异化金属还原菌株Geobacter metallireducens在常温下能够以三价铁离子或三价铁氧化物为电子受体，厌氧完全降解有机污染物苯的现象，并同时分离出了一支能够厌氧降解芳环化合物的异化金属还原菌株Geobacter strain Ben。以此为基础，她深入研究了G.metallireducens厌氧降解有机污染物苯的途径和机理，首次从分子生物学角度提出和证明了苯在G.metallireducens中通过苯酚降解成二氧化碳的途径，并通过基因的敲除找出Geobacter中影响苯降解的关键基因。张甜的研究为开拓纯菌株厌氧降解苯的研究新领域做出了积极的贡献。

“牛刀小试”后的“大展身手”

在美国的“牛刀小试”为张甜迎来了大展身手的机会，2013年7月，她动身前往丹麦，在那儿开启了新的职业生涯，受聘于丹麦科技大学生物可持续发展系的张甜，带领着7人组成的科研团队，向新的问题发起了挑战。

以生物电合成为研究重点，张甜带领团队在研发高效新型电极材料、利用基因工程生产市场价值高的有机化学产品及有机燃料、结合生物电化学系统开发新型生物环境修复技术和有效去除环境污染物的同时进行生物发电等方面开展了坚持不懈的攻关与探索。短短4年，团队共发表国际论文17篇，参与英文书籍编著4部，取得的一系列研究成果更是极具现实意义。

通过研究，团队证明了通过将二氧化碳固定菌Sporomusa ovata在甲醇底物中进行实验室适应进化，可以加速其还原二氧化碳合成化学制品的速度的假设，为该菌株的优化及加速其工业化应用提供了有效的策略。科研成果发表在Scientific Reports后，由于研究意义重大，张甜受邀参与到由Springer出版的英文书籍the lab protocol series Methods in Molecular Biology中“Synthetic Metabolic Pathways Volume editors: Jay D. Keasling and Michael Krogh Jensen”章节的编著工作中，该著作已于2017年出版。

此外，在张甜的带领下团队还发现经过氨基化石墨烯修饰的碳布阴极是有工业化应用前景的微生物电合成电极材料，可以促进高度结构化的生物膜形成这一现象，这一发现将显著提高微生物电合成醋酸的产量。另外，首次借助基因工程，团队还发现了由金掺杂的石墨烯和单壁碳纳米管的平面透明混合/n型硅异质结构可提高太阳能电池的转换效率至8.8%的现象。科研成果发表在Electrochimica Acta上。

由于张甜连续8年从分子生物学角度对厌氧异化金属还原菌株Geobacter metallireducens降解芳环化合物的深入研究及贡献。在利用先进生物电化学技术产生生物能领域的前沿性做出的探索及在生物转化二氧化碳成有机化学产品和燃料领域的创新研究工作，2015年11月，她被邀请在Science上发表前言展望，探讨关于利用人工生物无机光合作用合成生物燃料的研究前景、应用及对人类社会的影响，并于2016年3月受邀在Nature Biotechnology上发表评论，庆祝其建刊20周年。

荆棘密布 一如既往

在美国马萨诸塞州立大学著名教授k Derek y Lovley领导的微生物电合成能源物质和微生物燃料电池国际顶尖实验室进行该领域科研工作的5年半时间里，在丹麦科技大学带领7人科研团队继续本领域科研攻关的过程中，张甜不仅在国际生物电化学系统领域获得了一定的影响力，而且还与学术及工业界的专家学者建立了良好的合作关系。以此为基础，回国后在明确的工作设想和研究目标的指引下，张甜的工作已顺利展开。

2017年9月30日，作为武汉理工大学化学化工与生命科学学院学科首席教授，张甜受邀在国际著名学术杂志Cell旗下子刊Trends in Biotechnology以“Extracellular Electron Uptake: Among Autotrophs and Mediated by Surfaces”为题发表综述文章，系统探讨了自养微生物和固态电子供体（如钢铁和电极）之间的相互作用，及其在自然界中一些重要生物过程如微生物腐蚀，和生物可持续生产技术如生物电合成中的重要性。

张甜认为这方面的深入研究有利于制定更有效的方案来解决自然界中广泛存在的微生物腐蚀问题，提高微生物电合成效率以及改进依赖于微生物种间电子传递的厌氧发酵技术。虽然在前期的研究中，张甜已获得了一些新发现，但她觉得目前关于自养微生物和固态电子供体之间的细胞外电子摄取机制表征仍不完整，基于细胞外电子摄取过程的生物技术仍处于早期发展阶段，因此其具有很大的开发潜力，而张甜已做好了准备。

科研无坦途，纵然前方荆棘密布，对科研怀抱热情，张甜仍将一如既往。