富顺复合微生物肥料效果好，复旦毕业生开创全新领域

你能想象，阳光加上水就可以合成生物有机肥料吗？

通常，绿色植物能够利用太阳光能，同化二氧化碳（CO2）和水（H2O）制造有机物质并释放氧气，这一过程就是大家耳熟能详的光合作用。但加州大学洛杉矶分校化学与生物化学系助理教授刘翀基于材料学和生物学的协同作用，研发出一种人工光合作用生物无机混合体系。

刘翀专门设计的这种模仿植物功能的装置，可以收集太阳能来产生电流，随后电流将水分解为氧气和氢气，水中的细菌再将氢气和空气中的二氧化碳和氮气转化为生物肥料或燃料。

12 月 10 日，《麻省理工科技评论》全球青年科技领袖峰会在鲁迅故里浙江绍兴举行，“35 岁以下科技创新 35 人” （Innovators Under 35）2020 年中国区榜单在峰会上正式发布，来自浙江江山的 34 岁的刘翀凭借这一研究成果成功入选。

图 | 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”2020 年中国区榜单入选者刘翀

“作为首位将细菌与金属或其他无机材料结合起来复制光合作用能量生成化学反应的人，刘翀开创了一个全新的领域。” 刘翀的博士生导师杨培东曾这样评价刘翀。

将“开创”这个颇具重量感的词汇，“戴在“年仅 34 岁的刘翀头上，乍看起来似乎显得十分不协调。

但刘翀告诉《麻省理工科技评论》中国，“从 2016 年开始一直到 2019 年，我一直在这个体系不断进行深入研究。” 事实上，早在研究生时期，他就率先开创了生物无机混合体系，提出了无机生物混合体系的概念，后来依次在 2016 年论证了该方法比自然界的光合作用有更高的能量效率；在 2017 年明确了如何将这个方法推广到合成生物有机肥料；2019 年则证实了该方法可实际应用及其产业化的前景。从始至终，他的研究目的只有一个，就是要找到解决化工可持续发展的方案。

2016 年 6 月，刘翀以第一作者身份在《科学》杂志上发表论文，标题为Water splitting–biosynthetic system with CO2 reduction efficiencies exceeding photosynthesis，该论文称基于一种生物相容性丰富的地球无机催化剂系统，其团队开发了一种混合的水分离生物合成系统，这种人工光合作用系统可以在低驱动电压下将水分解为分子氢和分子氧（H2和O2）。

在 O2 存在的环境中，罗尔斯通氏菌（Ralstonia eutropha）接触催化剂得以生长，并且通过消耗 H2 逐渐将低浓度的 CO2 合成生物质、燃料或化学产品。此系统在生产细菌生物量和液体杂醇化物时，具有高达 50% 的二氧化碳减排能源效率，每千瓦电可净化 180 克二氧化碳。而将这种混合装置与光伏系统结合，将再次实现约 10% 的二氧化碳减排能源效率，从而大大提高了光合作用转换的效率，实现高于自然光合系统的高 CO2 减排效率。

图 | 从二氧化碳和水中高效合成选择性生产的化学品

2017 年 5 月，刘翀再次以第一作者身份在《美国科学院院报》（PNAS）发表了一篇题为Ambient nitrogen reduction cycle using a hybrid inorganic–biological system 的论文，论证了在单个反应器中，催化水分解产生的氢气与 H2 氧化细菌自养黄色杆菌（Xanthobacter autotrophicus，该细菌将 N2 和 CO2 还原为固体生物质）结合，进而 N2 和 H2O 合成 NH3 的过程。其中，自养黄色杆菌的活细胞可以直接用作生物肥料，以提高萝卜这种典型作物的生长，使其贮藏根质量增加约 1440%。

图 | 使用自养黄色杆菌生物肥料的萝卜

加入谷氨酸合成酶抑制剂后，自养黄色杆菌中的固氮酶（N2ase）生成的 NH3 则从生物量形式转换为细胞外合成氨生产。N2 还原反应的驱动力较小，周转数为 9 × 109 cell–1，周转率为 1.9×104 s -1·cell-1，且无需耗费化学试剂或 CO2 以外的碳原料。刘翀指出这种方法可以由可再生电力提供动力，让氨和生物肥料的可持续性和分布式生产成为可能。

2019 年 5 月，Nature Catalys 杂志上与 Roselyn M. Rodrigues 等人合作发表了论文Perfluorocarbon nanoemulsion promotes the delivery of reducing equivalents for electricitydriven microbial CO2 reduction，表示无机催化剂与 CO2 固定微生物结合后，可实现高效的电力驱动 CO2 减排。然而，主要从电极向微生物传递还原当量的 H2 等介质的低溶解度会限制最终的产量上限。

对此，刘翀等人经研究发现，引入生物相容性全氟碳纳米乳液（PFC纳米乳液）来作为 H2 的载体后，CO2 还原成乙酸的产量提高了 190%。以产乙酸菌鼠孢菌属卵状卵形隐藻（acetogen Sporomusa ovata）为模型体系，4 天的时间里，平均乙酸盐滴定度达到了 6.4±1.1g l−1 (107 mM)，接近 100% 的法拉第效率。这相当于 1.1 mM h−1 的生产率，是生物电化学系统中的最高水平。

机理研究表明，全氟碳纳米乳的非特异性结合将 H2 转移和后续氧化动力学提升了三倍以上。刘翀等人的研究证明，引入纳米尺度的气体载体是可行的，可有效缓解电力驱动的微生物二氧化碳还原为化学产品的产量瓶颈问题。而且这种具有生物相容性的催化系统可实现高能效，从而确保产生最少的有毒金属和最小的活性氧物质。

图 | PFC 纳米乳液的引入提高了 CO2 减排效率

之所以选用 PFC 纳米乳液，是因为 PFC 分子具有生物惰性且该乳液制备方法简单，并且 PFC 分子呈刚性，能与弱分子相互作用，具有更好的气体溶解能力，从而有效帮助提升 H2 的溶解度。

他说，这项研究相当于是替代了一部分的光合作用。他们利用了生物酶合成有机物分子的能力，同时使用无机材料加强了太阳能转化成电能的能力。

为什么选择合成有机肥料呢？其解释称，生物肥料的相对利润附加值比较高，能够让大家更容易接受这项技术。

在他看来，除了合成有机肥料，这项技术还可以用于合成有机燃料以及药物分子。

尽管目前这个装置的光能利用效率已经超过植物的光合作用效率，但刘翀希望继续提高能量利用效率，毕竟通过氢气来转移能量会有损失。

刘翀希望未来应用场景是在每个人的家里，可以实现足不出户就合成出人们所需要的复杂化合物，比如肥料、燃料以及药物分子。

刘翀表示，本质上，这项研究是关于材料跟微生物之间在微观尺度上的相互作用以及能量交换。由此他想到了接下来的研究计划，即肠道微生物的分布研究。

肠道微生物菌群是一个非常复杂的体系。微生物在人体内并非均匀的，而是有规律的分布，有的细菌喜欢在肠道表面，而有的细菌喜欢在肠道内部。他认为现在研究的手段过于单一，那么利用材料领域的知识，可以丰富人们研究肠道微生物菌群的手段，从而增加我们对其的理解。

在他的设想中，如果设计出一个基于纳米材料的平台，就可以迅速甄别出人体微生物的分布，这会对医学进步有巨大帮助。

鹄飞举万里，一飞翀昊苍。翀，音冲，有向上直飞之意。

刘翀父母当初为儿子取这样的名字，就是希望他能够一飞冲天，直抵苍穹大展自己的雄心抱负。

可据刘翀说，他父母从小对其教育都非常“佛系”，别说是手把手辅导作业，连他主动请教问题都是敷衍了事，从不会真正帮他搬开学习过程中遇到的“绊脚石“，更没有给他报过一次辅导班，简直就是完全的放养政策。

刘母后来意味深长地说，这么做就是为了让孩子清醒地认识到，“学习上的事儿，谁都不可以靠，爸爸妈妈一样靠不住，所以只能靠自己，独立直面所有大大小小的难题。”

没想到，刘翀竟然真的靠自己在学海里赤手空拳地拼出了一番天地：2004 年，他以优异成绩被保送进复旦大学化学系激励班；2008 年复旦大学毕业后，他花 5 年时间获得加州大学伯克利分校博士学位，随后在哈佛大学做博士后；自 2015 年始，他陆续在《科学》、《美国国家科学院院刊》、《自然・催化》、《纳米快报》等国际顶尖杂志上发表文章，其研究也被《科学》、《科学美国人》、《洛杉矶时报》、《福布斯》等众多媒体报道。2018 年，他入选美国《科学新闻》“2017 年度美国十大杰出青年科学家”。

如今他是加州大学洛杉矶分校化学和生物化学系助理教授，并成功组建了自己的创新研究实验室。未来刘翀还会走多远飞多高，恐怕我们都无从知晓。但单就他如今取得的成绩而言，这个浙江江山人起码没有辜负父母的起码，做到了人如其名。