光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的主要形式，其技術(shù)核心是利用半導體材料將太陽(yáng)能轉化為電能。隨著(zhù)能量轉化效率的不斷提升和制造成本的不斷降低，全球太陽(yáng)能光伏裝機容量累計已超過(guò)500 GW。但是，部分光伏材料含有毒元素，廢棄太陽(yáng)能電池板總量大且難以回收，且光伏器件制造過(guò)程涉及有毒有害化學(xué)品的使用。隨著(zhù)太陽(yáng)能光伏的不斷推廣使用，其對環(huán)境的潛在負面沖擊不可忽視。

生物光伏（biophotovoltaics, BPV）為太陽(yáng)能利用提供了一條生物學(xué)路徑。生物光伏利用光合微生物（如藍藻）作為光電轉換材料，具有碳中性、良好的環(huán)境相容性和潛在低成本等特點(diǎn)，有望成為環(huán)境更加友好的新一代太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)。

然而，當前BPV系統的輸出功率很低，比太陽(yáng)能光伏低3個(gè)數量級以上。其主要原因是藍藻等光合微生物雖然具有很高的光合效率，但產(chǎn)電活性很弱。在直接改造藍藻以強化其產(chǎn)電活性方面，目前尚未有成功的報道。

為了提高BPV光電轉化效率，中國科學(xué)院微生物研究所李寅研究組另辟蹊徑，設計并創(chuàng )建了一個(gè)具有定向電子流的合成微生物組，來(lái)解決藍藻直接產(chǎn)電活性微弱的問(wèn)題。

該合成微生物組由一個(gè)能夠將光能儲存在d-乳酸的工程藍藻和一個(gè)能夠高效利用d-乳酸產(chǎn)電的希瓦氏菌組成（如圖）。在這個(gè)合成微生物組中，d-乳酸是兩種微生物間的能量載體。藍藻吸收光能并固定CO2來(lái)合成能量載體d-乳酸，希瓦氏菌氧化d-乳酸進(jìn)行產(chǎn)電，由此形成一條從光子到d-乳酸再到電能的定向電子流，完成從光能到化學(xué)能再到電能的能量轉化過(guò)程。

通過(guò)在遺傳、環(huán)境和裝置層面的設計、改造和優(yōu)化，研究人員有效克服了兩種微生物之間生理不相容的問(wèn)題。由此創(chuàng )建的雙菌生物光伏系統實(shí)現了高效、穩定的功率輸出，其最大功率密度達到150 mW/m2，比目前的單菌生物光伏系統普遍提高10倍以上。采用連續流加培養方式，該雙菌生物光伏系統可穩定實(shí)現長(cháng)達40天以上的功率輸出，且平均功率密度達到135 mW/m2的較高水平，在產(chǎn)電時(shí)長(cháng)、單裝置輸出功率兩方面均達到了目前BPV系統的最高水平。

這是國際上利用具有定向電子流的合成微生物組創(chuàng )建生物光伏的首例報道，也是我國第一臺生物光伏原型裝置。該研究證明了利用具有定向電子流的合成微生物組可以顯著(zhù)提高BPV光電轉化效率，打破了人們對生物光伏效率和壽命難以提高的固有認識，為進(jìn)一步提升BPV光電轉化效率奠定了重要基礎。

該研究于9月19日在線(xiàn)發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》（Nature Communications），題為Development of a longevous two-species biophotovoltaics with constrained electron flow(DOI: 10.1038/s41467-019-12190-w)。微生物所博士研究生朱華偉為論文第一作者，研究員李寅和張延平為共同通訊作者。該研究得到中科院重點(diǎn)部署項目和國家自然科學(xué)基金的資助。