(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＯ２を還元して燃料前駆体にすることができる半導電性生体ハイブリッド触媒を提供する。【解決手段】ＣＯ２を還元して燃料前駆体にすることができる半導電性生体ハイブリッド触媒であって、エンテロバクター・アエロゲネスなどの電気活性微生物と前駆体金属成分、電子促進剤（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｆａｃｉｌｉｔａｔｏｒ）、および染料分子を含む半導電性粒子と、からなり、半導電性粒子が、電気活性微生物の細胞表面上に位置する、半導電性生体ハイブリッド触媒を開示する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＯ２を還元して燃料前駆体にすることができる半導電性生体ハイブリッド触媒であって、
該触媒は、
（ａ）エンテロバクター・アエロゲネスＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピＭＴＣＣ  ９０２６、およびシュードモナス・アルカリフィラＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される電気活性微生物と、
（ｂ）前駆体金属成分、電子促進剤、および染料分子を含む半導電性粒子と、からなり、
前記半導電性粒子が、前記電気活性微生物の細胞表面上に位置する、半導電性生体ハイブリッド触媒。
【請求項２】
請求項１に記載の半導電性生体ハイブリッド触媒を用いてＣＯ２を燃料前駆体にバイオアシスト変換するための方法であって、
該方法は、
（ａ）請求項１に記載の半導電性生体ハイブリッド触媒を透明なリアクター内の培養培地に添加するステップと、
（ｂ）前記培養培地中にＣＯ２を吹き込み、前記透明なリアクターを＞４００ｎｍの波長を有する光源で照射するステップと、
（ｃ）前記燃料前駆体を前記培養培地から回収するステップと、を含み、
前記燃料前駆体が、メタノール、エタノール、酢酸、ブタノール、イソプロパノール、酪酸、およびカプロン酸からなる群から選択される、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の半導電性ハイブリッド触媒を用いてバイオガスを燃料前駆体にバイオアシスト変換するための方法であって、
該方法は、
（ａ）請求項１に記載の半導電性生体ハイブリッド触媒をガラスカラム内の培養培地に添加するステップと、
（ｂ）前記培養培地にバイオガスを吹き込み、前記ガラスカラムを＞４００ｎｍの波長を有する光源で照射するステップと、
（ｃ）前記燃料前駆体を前記培養培地から回収するステップと、を含み、
前記燃料前駆体が、メタノール、エタノール、および酢酸の混合物を含む、方法。
【請求項４】
半導体生体ハイブリッド触媒を合成するための方法であって、
該方法が、
（ａ）エンテロバクター・アエロゲネスＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピＭＴＣＣ  ９０２６、およびシュードモナス・アルカリフィラＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される電気活性微生物を選択的に培養するステップと、
（ｂ）少なくとも１種の塩、少なくとも１種の２Ｄ材料、および電子促進剤を表面指向剤の存在下で混合して、半導電性ハイブリッド溶液を得るステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）の半導電性ハイブリッド溶液をステップ（ａ）の電気活性微生物の培養物に添加して、イニシエーター培養物を得るステップと、
（ｄ）対イオン前駆体をステップ（ｃ）のイニシエーター培養物に供給するステップと、
（ｅ）前記半導体生体ハイブリッド触媒を前記培養物から分離するステップと、を含み、
前記塩が、ＣｕＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＺｎＢｒ２、ＧａＣｌ３、ＩｎＣｌ３、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＳｎＣｌ２、ＳｎＣｌ４、Ｃｄ（ＮＯ３）２、Ｇａ（ＮＯ３）３、Ｌｎ（ＮＯ３）３、Ｚｎ（ＮＯ３）２、Ｆｅ（ＮＯ３）３、ＣｄＣＯ３、ＣｄＳＯ４、ＦｅＳＯ４、ＺｎＳＯ４、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｄＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、Ｆｅ（ＯＨ）３、Ｚｎ（ＯＨ）２、ＦｅＯＯＨ、ＦｅＯ（ＯＨ）、Ｃｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、過塩素酸鉄、過塩素酸銅、銅ＥＤＴＡ錯体、ニッケルアルキルアミン錯体、鉄ピペリジン錯体、カドミウムピリジン錯体、鉄ビピリジン塩、および鉄ａｃａｃ錯体からなる群から選択され、
前記２Ｄ材料が、グラフェン、多孔質グラフェン、ｇＣ３Ｎ４、単層ＣＮＴ、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＳｎＳ２、フォスフォレン、グラフェンナノ粒子、ＴｉＣ、およびボロフェンからなる群から選択され、
前記電子促進剤が、ニュートラルレッド、アゾ染料、鉄ポルフィリン錯体、シッフ塩基錯体、多層ＣＮＴ、Ｃｄ（ＩＩ）またはＣｕ（ＩＩ）イミダゾール錯体、およびルテニウム錯体からなる群から選択され、
前記表面指向剤が、Ｔｗｅｅｎ、ラウリル硫酸ナトリウム、ｐ−１７２、ラウリルジメチルアミンオキシド、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ポリエトキシル化アルコール、ポリオキシエチレンソルビタン、オクトキシノール（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ１００）、Ｎ，Ｎ−ジメチルドデシルアミン−Ｎ−オキシド、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ポリオキシル１０ラウリルエーテル、Ｂｒｉｊ  ７２１、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ポリオキシルヒマシ油（Ｃｒｅｍｏｐｈｏｒ）、ノニルフェノールエトキシレート（Ｔｅｒｇｉｔｏｌ）、シクロデキストリン、レシチン、および塩化メチルベンゼトニウム（Ｈｙａｍｉｎｅ）からなる群から選択され、
前記対イオン前駆体が、気体材料または有機硫黄化合物である、方法。
【請求項５】
前記気体材料が、Ｈ２Ｓ含有ガス、工業排煙、およびバイオガスからなる群から選択される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記有機硫黄化合物が、メタンチオール、エタンチオール、プロパンチオール、ブタンチオール、チオフェノール、エタンジチオール、１，３−プロパンジチオール、１，４−ブタンジチオール、チオフェン、２−メルカプトエタノール、３−メルカプトプロパノール、４−メルカプトフェノール、ジチオトレイトール、システイン、ホモシステイン、メチオニン、チオセリン、チオトレオニン、チオチロシン、グルタチオン、２−チオウラシル、６−メチル−２−チオウラシル、４−チオウラシル、２，４−ジチオウラシル、２−チオシトシン、５−メチル−２−チオシトシン、５−フルオロ−２−チオシトシン、２−チオチミン、４−チオチミン、２，４−ジチオチミン、６−チオグアニン、８−チオアデニン、２−チオキサンチン、６−チオキサンチン、６−チオヒポキサンチン、６−チオプリン、硫化ジメチル、硫化ジエチル、硫化ジフェニル、ビオチン、シスチン、リポ酸、二硫化ジフェニル、二硫化鉄、２−ヒドロキシエチルジスルフィド、チオ酢酸、トリメチルスルホニウム、ジフェニルメチルスルホニウムクロリド、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、チオケトン、チオアミド、チオシアネート、イソチオシアネート、チオカルバメート、およびジチオカルバメートからなる群から選択される、請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導電性生体触媒によって媒介される二酸化炭素還元方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油精製所および石炭火力発電所は、主要な人為的ＣＯ２排出源であり、世界中で毎年９０億メートルトンを超えるＣＯ２が放出される原因となっている。ＣＯ２を燃料および他の付加価値化学物質へ持続可能に変換することは、現在のエネルギーシナリオにおいて非常に重要である。自然の光合成は、１３０ＴＷの太陽エネルギーを採取し、ＣＯ２の還元から年間最大１１５０億メートルトンのバイオマスを生成している。このプロセスの巨大な潜在力によって、研究者は、太陽エネルギーを採取することによってＣＯ２を付加価値化学物質に変換することができる生体模倣系を開発しようと駆り立てられている。
【０００３】
ＣＯ２を生体触媒によって多炭素化合物に変換するための様々なプロセスが先行技術に開示されている。ある種の微生物学的方法は、電極と微生物との間で電子を往復させることができる電極と電気化学的に相互作用することが示されている。
【０００４】
特許文献１は、電流を使用して水および二酸化炭素から多炭素化学物質および燃料を微生物生成するための方法を記載している。半反応は、外部電源からの電流の印加によって駆動される。生成された化合物には、アセテート、ブタノール、２−オキソブチレート、プロパノール、エタノール、およびホルメートが含まれる。この特許は、炭素源として二酸化炭素、およびエネルギー源として電流を使用して有機化合物を生成するための系および方法を開示している。カソード上のバイオフィルムは電子を受容することができ、カソードでの半反応において二酸化炭素を炭素含有化合物および水に変換することができる。しかし、この方法は、その複雑性および外部電力に対する高い要求のために、工業規模ではかなり高価である。
【０００５】
特許文献２は、炭素系生成物を生成する、工学操作された数種のＣＯ２固定屈化性微生物を開示している。この発明は、（ａ）該微生物は、気体の二酸化炭素、気体の水素、合成ガス、またはすべての組み合わせで増殖することができること、（ｂ）該微生物は、１０重量％の脂質を生成する屈化性細菌であることを示しており、（ｃ）ジェット燃料、ディーゼル燃料、およびバイオディーゼル燃料に有用な化学物質を製造する方法または化学物質の前駆体を生成する方法も開示している。かかる方法で得られる化学物質には、６〜３０個の間の炭素鎖長を有する、アルカン、アルケン、アルキン、脂肪酸アルコール、脂肪酸アルデヒド、不飽和化された炭化水素、不飽和脂肪酸、ヒドロキシル酸、または二酸が含まれる。この方法の主な不利点は、Ｈ２ガスおよび合成ガス（これがＣＯを含有するため）を必要とすることである。これらのガスは両方ともエネルギー分子であることから、大規模ではこれらの取り扱いがかなり問題となる。さらに、この方法はエネルギー集約的である。
【０００６】
特許文献３は、二酸化炭素を多段階で生物学的および化学的に捕捉して無機炭素からバイオ燃料または他の有用な工業、化学、医薬、バイオマス製品を含めた有機化学物質に変換するための方法を記載している。この発明における１つまたは複数のプロセスステップは、化学合成を通して無機炭素を有機化合物に固定するために化学的独立栄養微生物を利用する。この発明の追加的特徴は、化学合成による炭素の固定に使用される電子供与体が化学的または電気化学的手段によって生成されるか、または無機もしくは廃棄物源から生成されるプロセスステップであると記載される。報告される方法は、多段階が関与するために非常に複雑である。その上、多段階の化学的および生化学的プロセスの同期化は、工業的適用を考慮すると高価である。
【０００７】
特許文献４は、二酸化炭素を捕捉し、捕捉した二酸化炭素を電気化学的に有機生成物に変換するための方法を記載している。方法は、（ａ）電気化学セルの第１の区画に溶媒を導入し、ここで、二酸化炭素がグアニジン、グアニジン誘導体、ピリミジン、またはピリミジン誘導体で捕捉されてカルバミン酸両性イオンが形成されること、（ｂ）アノードとカソードの間の電位は、カソードがカルバミン酸両性イオンを生成物混合物に還元するのに十分であることを含むことができる。この方法は、運用に外部電気バイアスを必要とする。これは、該方法の大規模適用を考慮すると高価になり得る。カソードおよびアノードに使用される材料によって、運用プロセスにさらなる経費が追加される。
【０００８】
特許文献５は、生体ハイブリッド触媒を含む遺伝子改変非光合成微生物を記載している。この生体ハイブリッド触媒は、電気活性微生物の表面に結合した半導体ナノ粒子からなり、光を使用して二酸化炭素から有機化合物を光合成することができる。しかし、これは、該半導電性材料と組み合わせた電子促進分子の使用を何も開示していない。
【０００９】
特許文献６は、廃水中の有機化合物の化学燃料への変換を記載している。より具体的には、該発明は、２つの半導体光電極を従来の微生物燃料電池（ＭＦＣ）デバイスに統合することによる、太陽光アシスト微生物電気水素生成に関する。
【００１０】
ＣＯ２を化学物質に変換するための微生物電気合成が、様々な論文によって報告されている。例えば、非特許文献１、非特許文献２は、最適化された設計系によるＣＯ２からのアセテートの微生物電気合成（ＭＥＳ）の強化を表している。著者らは、（ａ）プロトンの可用性が高くなるとアセテートの生成速度が大幅に増加し（ｐＨ５．２が最適であることが見出された）、それによって阻害剤を添加しなくてもメタン生成活性が抑制されると思われること、（ｂ）ＳＨＥに対して−１．１Ｖという低い電位をカソードに印加しても、アセテートの形態で９９％の電子の回収を−２００Ａｍ−２前後の電流密度で実現したことを主張している。これらの電流密度によって、アセテートの生成速度は、ｐＨ６．７で最大１３３０ｇｍ−２日−１となる。（ｃ）直径約０．６ｍｍのマクロ孔径を有する高度に開口したマクロポーラス網状ガラス質炭素電極を使用することが、バイオフィルム形成に利用可能な総表面積と；バルク液体と電極とバイオフィルム表面との間の有効な物質移動との良好なバランスを実現するのに最適であることが見出され、（ｃ）著者らは、合成バイオガス混合物を二酸化炭素源として使用すると、純粋なＣＯ２と同様の高ＭＥＳ性能が得られることを実証した。幾つかの利点にもかかわらず、この方法は、運用に外部からの電源供給を要求する。工業規模での適用を考慮すると、プロセス全体は高価であり得る。カソードおよびアノードに使用される合成材料は面倒であり、運用プロセスにさらなる経費が追加される。
【００１１】
さらに、ＣＯ２捕捉に光合成微生物を使用することには幾つかの制限がある。光の強度および波長が生産性に影響を及ぼすこと、大量の水、肥料としての多量のリン、厳密なｐＨおよび温度条件が要求されること、窒素（例えば、硝酸塩、尿素、およびアンモニア）がバイオマス生産を最も制限する栄養素であること、撹拌（例えば、エアレーション、ポンピング、および機械的撹拌）が必要であることから、細胞培養の運用費が増加する。したがって、生産性を向上させるために遺伝子改変手段は高度に不可欠である。さらに、藻類などの光合成微生物を増殖させるために使用されるバイオリアクターまたは池は、各細胞が炭素固定および細胞増殖のために十分な光を受け取ることができるように、高い表面積対体積比を有していなければならない。さもなければ、表面上の細胞による光の遮断によって、細胞は容積の中心方向の暗闇の中に位置するままとなり、これによって細胞は正味のＣＯ２放出物となる。藻類および藍色細菌技術を効率的に実践するためのこのような高い表面積対体積比の要求は、一般に、大きい土地占有面積（池）または高い材料費（バイオリアクター）のいずれかをもたらす。藻類のバイオリアクターの建設に使用することができる材料の種類は、光源と藻類の生育環境との間にある壁が透明である必要があるという要求によって制限される。この要求により、コンクリート、鋼鉄、および土工などの、通常、大規模なプロジェクトにおける使用に好ましいと思われる建設材料の使用が制約される。一方、アセチルコエンザイム経路を有する従属栄養細菌は、極めて速く増殖し、強靭な性質である。これらの増殖要求もはるかに緩い。幾人かの研究者は、無機半導電性ナノ粒子が細菌の表面上に合成されると、これらの光合成能力を向上させることができることを示している。例えば、原理の証明として、非特許文献３は、（ａ）ハイブリッド半導体ナノワイヤ−細菌系は、太陽エネルギーの入力のみを使用して、ＣＯ２を、燃料、ポリマー、および錯体医薬前駆体などの多様な目標化学物質に中性のｐＨで還元することができること、（ｂ）高表面積のシリコンナノワイヤアレイは、光エネルギーを採取して、嫌気性細菌、スポロミュサ・オバータ（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｏｖａｔａ）に還元当量を供給して、好気条件下（２１％  Ｏ２）で、低過電圧（η＜２００ｍＶ）、高ファラデー効率（最大９０％）で長期間安定に（最大２００時間）酢酸を光電気化学的に生成すること、（ｃ）遺伝子操作された大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ  ｃｏｌｉ）を使用して、ｎ−ブタノール、ポリヒドロキシブチレート（ＰＨＢ）ポリマー、および３種の異なるイソプレノイド天然物などの付加価値化学物質を得ることができることを実証している。
【００１２】
別の手法では、非特許文献４は、無機半導体の効率的な集光と高特異性生体触媒との組み合わせについて実証している。非光合成細菌、Ｍｏｏｒｅｌｌａ  ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａは、硫化カドミウムナノ粒子で自己光増感させると、二酸化炭素から酢酸を光合成する。硫化カドミウムナノ粒子は、細胞代謝を持続させるための集光剤として機能した。同グループは、ＣＯ２から酢酸を酸素発生型光合成することができるハイブリッドタンデム無機−生物学的ハイブリッド系も設計した。光還元触媒は、チオールアミノ酸のシステイン（Ｃｙｓ）を消費してジスルフィド型のシスチン（ＣｙＳＳ）に酸化するＣｄＳナノ粒子で光増感される、細菌モーレラ・サーモアセティカ（Ｍｏｏｒｅｌｌａ  ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ）からなる。ＣｙＳＳ／Ｃｙｓレドックスシャトルを再生するために、共触媒Ｍｎ（ＩＩ）フタロシアニン（ＭｎＰｃ）に担持された光酸化触媒ＴｉＯ２が、水の酸化をＣｙＳＳの還元と共役させる。混合系Ｍ．ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ−ＣｄＳ＋ＴｉＯ２−ＭｎＰｃは、完全な酸素発生型人工光合成への有望な生体模倣アプローチを実証している。
【００１３】
さらに別の文献において、非特許文献５は、半導体の広帯域の光吸収を活用して太陽エネルギーを捕捉し、続いて生体内の代謝経路を利用してこの太陽エネルギーをＣＯ２に由来する有価化学物質に変換することによって、無機材料と生物学的触媒との強みを合わせる光合成バイオハイブリッド系（ＰＢＳ）に関する研究を提供している。この研究から、かかる系が該文献において実証されていることが開示され、ＰＢＳの概念への幾つかのアプローチが提案された。
【００１４】
さらなる文献において、非特許文献６は、可視光をエネルギー源として使用する水分解によってＨ２を生成することができる、酵素修飾されたハイブリッドナノ粒子に関する研究を記載している。ここでは、電気活性デスルホミクロビウム・バキュラツム（Ｄｅｓｕｌｆｏｍｉｃｒｏｂｉｕｍ  ｂａｃｕｌａｔｕｍ）由来の［ＮｉＦｅＳｅ］−ヒドロゲナーゼがＲｕ色素増感ＴｉＯ２に結合され、上記の目的に使用される。
【００１５】
微生物半導電性ハイブリッドの顕著な欠点の１つは、半導電性ナノ粒子からの細胞外電子が、直接電子移動を介して細胞内構造体に有効に移動できないことである。これによって、ＣＯ２から燃料へ変換における微生物の効率が妨げられる。この方法では、商業的価値のある高級炭素化合物が得られていない。その上、この方法は連続的ではない。さらに、ＣＯ２の可溶化は、生物学的ＣＯ２変換の間の顕著な問題である。特に、ほとんどの科学者は、ＭＦＣを様々な生成物にＣＯ２を変換する方法として考えていることは明らかである。しかし、この方法に関連する２つの主な制限は、（１）外部電気刺激を大規模に適用して使用することはコスト集約的であること、（ｂ）電極および関連材料が高コストであることである。
【００１６】
遺伝子操作されたシアノバクター（ｃｙｎｏｂａｃｔｏｒ）のような光合成細菌がＣＯ２変換に関して研究されているが、かかる事例に関する野生株は報告されていない。ナノワイヤ細菌系を使用する、ＰＥＣに基づく系が使用されるが、この方法はスケールアップが面倒であり、電極の合成はかなりコスト集約的である。ＣＯ２を変換するために半導電性材料に直接統合された微生物に関する報告がある。しかし、細菌表面と集光剤との間に有効な接触がないために、容易に電子移動することができず、結果的に低収率でアセテートを生成するに過ぎない。
【００１７】
したがって、当技術分野には、工業規模でＣ１以上の炭素化合物を容易な方式で連続的に生成するための微生物的方法に対する必要性がある。また、多くの困難を伴わずに運用することができる独立型の方法に対する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【特許文献１】米国特許第９，１７５，４０８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１５／００１７６９４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１２０１０４号明細書
【特許文献４】米国特許第８，６５８，０１６号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２０１８／０１７９５１２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１８／０２３００２８号明細書
【非特許文献】
【００１９】
【非特許文献１】Ｋ．Ｐ．Ｎｅｖｉｎ  ｅｔ  ａｌ．ＭＢｉｏ，１（２），１０３−１１０（２０１０）
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｄｉｎ  ｅｔ  ａｌ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１６，５０（４），ｐｐ  １９８２−１９８９
【非特許文献３】Ｌｉｕ  ｅｔ  ａｌ．“Ｎａｎｏｗｉｒｅ  ｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｈｙｂｒｉｄｓ  ｆｏｒ  ｕｎａｓｓｉｓｔｅｄ  ｓｏｌａｒ  ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ  ｆｉｘａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｖａｌｕｅ−ａｄｄｅｄ  ｃｈｅｍｉｃａｌｓ”  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．，２０１５，１５，３６３４−３６３９
【非特許文献４】Ｓａｋｉｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．“Ｓｅｌｆ−ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｎｏｎｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  ｂａｃｔｅｒｉａ  ｆｏｒ  ｓｏｌａｒ−ｔｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ”  Ｓｃｉｅｎｃｅ，３５１，２０１６，７４−７７
【非特許文献５】Ｓａｋｉｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ．“Ｃｙｂｏｒｇｉａｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｄｅｓｉｇｎ  ｆｏｒ  Ｓｏｌａｒ  Ｆｕｅｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：Ｔｈｅ  Ｅｍｅｒｇｉｎｇ  Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｂｉｏｈｙｂｒｉｄ  Ｓｙｓｔｅｍｓ”  Ａｃｃ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，２０１７，５０（３），ｐｐ４７６−４８１
【非特許文献６】Ｒｅｉｓｎｅｒ  ｅｔ  ａｌ．“Ｖｉｓｉｂｌｅ  Ｌｉｇｈｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｈ２  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｓｅｓ  Ａｔｔａｃｈｅｄ  ｔｏ  Ｄｙｅ−Ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ  ＴｉＯ２  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ”  Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，２００９，１３１（５１），ｐｐ１８４５７−１８４６６
【発明の概要】
【００２０】
本開示は、ＣＯ２を還元して燃料前駆体にすることができる半導電性生体ハイブリッド触媒であって、
（ａ）エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）ＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＭＴＣＣ  ９０２６、およびシュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）ＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される電気活性微生物と、
（ｂ）前駆体金属成分、電子促進剤（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｆａｃｉｌｉｔａｔｏｒ）、および染料分子を含む半導電性粒子と、からなり、
半導電性粒子が、電気活性微生物の細胞表面上に位置する、半導電性生体ハイブリッド触媒に関する。
【００２１】
本開示の一実施形態によれば、半導体生体ハイブリッド触媒を合成するための方法であって、
（ａ）エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）ＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＭＴＣＣ  ９０２６、および、シュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）ＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される電気活性微生物を選択的に培養するステップと、
（ｂ）少なくとも１種の塩、少なくとも１種の２Ｄ材料、および電子促進剤を表面指向剤（ｓｕｒｆａｃｅ  ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ  ａｇｅｎｔ）の存在下で混合して、半導電性ハイブリッド溶液を得るステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）の半導電性ハイブリッド溶液をステップ（ａ）の電気活性微生物培養物に添加して、イニシエーター培養物（ｉｎｉｔｉａｔｏｒ  ｃｕｌｔｕｒｅ）を得るステップと、
（ｄ）対イオン前駆体をステップ（ｃ）のイニシエーター培養物に供給するステップと、
（ｅ）半導体生体ハイブリッド触媒を培養物から分離するステップと、を含み、
塩が、ＣｕＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＺｎＢｒ２、ＧａＣｌ３、ＩｎＣｌ３、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＳｎＣｌ２、ＳｎＣｌ４、Ｃｄ（ＮＯ３）２、Ｇａ（ＮＯ３）３、Ｌｎ（ＮＯ３）３、Ｚｎ（ＮＯ３）２、Ｆｅ（ＮＯ３）３、ＣｄＣＯ３、ＣｄＳＯ４、ＦｅＳＯ４、ＺｎＳＯ４、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｄＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、Ｆｅ（ＯＨ）３、Ｚｎ（ＯＨ）２、ＦｅＯＯＨ、ＦｅＯ（ＯＨ）、Ｃｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、過塩素酸鉄、過塩素酸銅、銅ＥＤＴＡ錯体、ニッケルアルキルアミン錯体、鉄ピペリジン錯体、カドミウムピリジン錯体、鉄ビピリジン塩、および鉄ａｃａｃ錯体からなる群から選択され、
２Ｄ材料が、グラフェン、多孔質グラフェン、ｇＣ３Ｎ４、単層ＣＮＴ、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＳｎＳ２、フォスフォレン、グラフェンナノ粒子（Ｇｒ−Ｎｐ）、ＴｉＣ、およびボロフェンからなる群から選択され、
電子促進剤が、ニュートラルレッド、アゾ染料、鉄ポルフィリン錯体、シッフ塩基錯体、多層ＣＮＴ、Ｃｄ（ＩＩ）またはＣｕ（ＩＩ）イミダゾール錯体、およびルテニウム錯体からなる群から選択され、
表面指向剤が、Ｔｗｅｅｎ、ラウリル硫酸ナトリウム、ｐ−１７２、ラウリルジメチルアミンオキシド、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ポリエトキシル化アルコール、ポリオキシエチレンソルビタン、オクトキシノール（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ１００）、Ｎ，Ｎ−ジメチルドデシルアミン−Ｎ−オキシド、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ポリオキシル１０ラウリルエーテル、Ｂｒｉｊ  ７２１、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ポリオキシルヒマシ油（Ｃｒｅｍｏｐｈｏｒ）、ノニルフェノールエトキシレート（Ｔｅｒｇｉｔｏｌ）、シクロデキストリン、レシチン、および塩化メチルベンゼトニウム（Ｈｙａｍｉｎｅ）からなる群から選択され、
対イオン前駆体が、気体材料または有機硫黄化合物である、方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】遊離細胞状態での微生物によるＣＯ２還元のための連続系の概念図である。
【図２】バイオフィルム状態での微生物によるＣＯ２還元のための連続系の概念図である。
【図３】連続光照射下でのＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）による燃料および化学物質へのＣＯ２変換のグラフ図である。ここでは、ＥＡ−１は、エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）を指す。
【図４】間欠光照射下でのＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）による燃料および化学物質へのＣＯ２変換のグラフ図である。ここでは、ＥＡ−１は、エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）を指す。
【図５】間欠光照射条件での連続的ＣＯ２還元系についての生成物プロファイルの線グラフである。
【図６】間欠光照射条件での連続ＣＯ２還元系についての生成物プロファイルの線グラフである。ここでは、ＥＡ−２は、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種を指す。
【図７】様々な微生物、半導電性、２Ｄ材料、および電子促進剤条件で得られた生成物プロファイルのグラフ図である。ここでは、ＥＡ−１およびＥＡ−２はそれぞれ、エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）およびシェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種を指す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、半導電性生体ハイブリッド触媒を使用してＣＯ２を燃料前駆体に変換するための、光アシスト方法を開示する。本発明はまた、生体ハイブリッド触媒として使用するために半導電性粒子を微生物細胞表面上に合成する方法を開示する。
【００２４】
本出願において提供される燃料前駆体の生成方法は、単純で自己持続的である。本発明の半導電性で生体のハイブリッド触媒は、ワンポットのバイオリアクター内でＣＯ２を化学物質に有効に変換することができる。特に、本発明の方法は、外部供給源からの追加の電気を要求せず、要求される電子は、細胞表面上に結合した半導電性材料によって生体ハイブリッド触媒の微生物に供給することができる。さらに、半導電性イオンおよびＣＯ２／Ｈ２Ｓガスを供給することによって、連続法を実現することができる。
【００２５】
バイオガスは、有機性廃棄物の嫌気性発酵から生じる。粗バイオガスは、典型的には、硫化水素（０．００５〜３％）、酸素（０〜１％）、アンモニア（＜１％）、微量のシロキサン（０〜０．０２％）、および水分を伴う、メタン（７０〜８０％）と二酸化炭素（２０〜３０％）との混合物を有する。バイオガスを精製するためには、その主な気体不純物、例えばＣＯ２およびＨ２Ｓの濃度を除去する必要がある。上で考察したように、本出願に開示するプロセスは、ＣＯ２とＨ２Ｓの両方が微生物によって利用されるものである。したがって、本出願は、バイオガスのアップグレードに極めて有用であることが見出されている。
【００２６】
本発明によれば、半導電性粒子は、以下のステップに従って電気活性微生物の細胞の表面上に合成された：
ａ．アセチル−ＣｏＡ経路を有する電気活性微生物を選択し、該微生物を培養培地中で増殖させるステップと、
ｂ．少なくとも１種の塩および少なくとも１種の２Ｄ材料および電子促進剤を使用して、表面指向剤の存在下で、半導電性ハイブリッド溶液をｉｎ  ｖｉｔｒｏで調製するステップと、
ｃ．半導電性ハイブリッド溶液を増殖中の微生物培養物に添加するステップと、
ｄ．ＣＯ２／Ｈ２Ｓガスまたは任意の有機供給源から対イオンを供給することによって、微生物の表面上に半導電性生体ハイブリッド触媒を確立するステップと、
ｅ．半導電性生体ハイブリッド触媒を分離して、これを透明なリアクター内の培養培地に添加するステップと、
ｆ．ステップ‘ｅ’でのインキュベーション中にＣＯ２を吹き込み、指定の温度および光強度／継続時間でリアクターに光を供給するステップと、
ｇ．細胞を分離し、培養ブロスから少なくとも１種の多炭素分子を有するブロスを得るステップと、
ｈ．細胞を再循環させるステップ。
【００２７】
本発明は、半導体、２Ｄ材料、および電子促進剤の間の界面組成物の最適化をさらに開示する。本発明は、微生物との間の界面を横切る光生成電荷キャリアの寿命および転送効率を引き上げるための概念的に新しい戦略を提供できると思われる。結果的に、電子密度が増加し、それによって高分子量生成物が形成される。さらに、制御された光の照射（本発明に利用されるような）によって、最終生成物の収率が増加する。
【００２８】
本発明の１つまたは複数のプロセスステップに使用することができる電気活性微生物の属として、以下のうちの１種または複数が挙げられるが、これらに限定されない：エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）、セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種、アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）、アシディフィリウム・クリプツム（Ａｃｉｄｉｐｈｉｌｉｕｍ  ｃｒｙｐｔｕｍ）、ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）、ロドフェラックス・フェリレデューセンス（Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘ  ｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ）、キュープリアビダス・ネカター（Ｃｕｐｒｉａｖｉｄｕｓ  ｎｅｃａｔｏｒ）、シェワネラ・オネイデンシス（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ  ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ）、シェワネラ・プトレファシエンス（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ  ｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓ）、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）、シュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）、シュードモナス・フルオレッセンス（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｓ）、アゾトバクター・ビネランディイ（Ａｚｏｔｏｂａｃｔｅｒ  ｖｉｎｅｌａｎｄｉｉ）、大腸菌（Ｅｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ  ｃｏｌｉ）、アエロモナス・ハイドロフィラ（Ａｅｒｏｍｏｎａｓ  ｈｙｄｒｏｐｈｉｌａ）、アクチノバチルス・サクシノゲネス（Ａｃｔｉｎｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｕｃｃｉｎｏｇｅｎｅｓ）、肺炎桿菌（Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ  ｐｎｅｕｍｏｎｉａ）、クレブシエラ（Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ）属種ＭＥ１７、クレブシエラ・テリジェナ（Ｋｌｅｂｓｉｅｌｌａ  ｔｅｒｒｉｇｅｎａ）、エンテロバクター・クロアカエ（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ｃｌｏａｃａｅ）、サイトロバクター（Ｃｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ）属種ＳＸ−１、ゲオサイクロバクター・エレクトロディフィルス（Ｇｅｏｐｓｙｃｈｒｏｂａｃｔｅｒ・ｅｌｅｃｔｒｏｄｉｐｈｉｌｕｓ）、ゲオバクター・スルフレデュセンス（Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ  ｓｕｌｆｕｒｒｅｄｕｃｅｎｓ）、ゲオバクター・メタリレデュセンス（Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ  ｍｅｔａｌｌｉｒｅｄｕｃｅｎｓ）、ゲオバクター・ｌｏｖｌｅｙｉ（Ｇｅｏｂａｃｔｅｒ  ｌｏｖｌｅｙｉ）、デスルフロモナス・アセトキシダンス（Ｄｅｓｕｌｆｕｒｏｍｏｎａｓ  ａｃｅｔｏｘｉｄａｎｓ）、デスルホビブリオ・デスルフリカンス（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ  ｄｅｓｕｌｆｕｒｉｃａｎｓ）、デスルホビブリオ・パクエシイ（Ｄｅｓｕｌｆｏｖｉｂｒｉｏ  ｐａｑｕｅｓｉｉ）、デスルホブルブス・プロピオニカス（Ｄｅｓｕｌｆｏｂｕｌｂｕｓ  ｐｒｏｐｉｏｎｉｃｕｓ）、アルコバクター・ブツレリ（Ａｒｃｏｂａｃｔｅｒ  ｂｕｔｚｌｅｒｉ）、アシディチオバチルス・フェロオキシダンス（Ａｃｉｄｉｔｈｉｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｆｅｒｒｏｏｘｉｄａｎｓ）、スポロミュサ・オバータ（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｏｖａｔａ）、スポロミュサ・スフェロイデス（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｓｐｈａｅｒｏｉｄｅｓ）、スポロミュサ・シル��セティカ（Ｓｐｏｒｏｍｕｓａ  ｓｉｌｖａｃｅｔｉｃａ）、サーミンコーラ（Ｔｈｅｒｍｉｎｃｏｌａ）属種ＪＲ、ゲオトリックス・フェルメンタンス（Ｇｅｏｔｈｒｉｘ  ｆｅｒｍｅｎｔａｎｓ）、クロストリジウム・リュングダリイ（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ｌｊｕｎｇｄａｈｌｉｉ）、クロストリジウム・アセティクム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ  ａｃｅｔｉｃｕｍ）、クロストリジウム（Ｃｌｏｓｔｒｉｄｉｕｍ）属種ＥＧ３、モーレラ・サーモアセティカ（Ｍｏｏｒｅｌｌａ  ｔｈｅｒｍｏａｃｅｔｉｃａ）、サーミンコーラ・フェリアセティカ（Ｔｈｅｒｍｉｎｃｏｌａ  ｆｅｒｒｉａｃｅｔｉｃａ）、バチルス・サブティリス（Ｂａｃｉｌｌｕｓ  ｓｕｂｔｉｌｉｓ）、ラクトコッカス・ラクティス（Ｌａｃｔｏｃｏｃｃｕｓ  ｌａｃｔｉｓ）、ラクトバチルス・ペントーサス（Ｌａｃｔｏｂａｃｉｌｌｕｓ  ｐｅｎｔｏｓｕｓ）、エンテロコッカス・フェシウム（Ｅｎｔｅｒｏｃｏｃｃｕｓ  ｆａｅｃｉｕｍ）、ブレビバチルス（Ｂｒｅｖｉｂａｃｉｌｌｕｓ）属種ＰＴＨ１、コリネバクテリウム・グルタニカム（Ｃｏｒｙｎｅｂａｃｔｅｒｉｕｍ  ｇｌｕｔａｍｉｃｕｍ）。
【００２９】
本発明の一実施形態では、電気活性微生物として、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）（ＡＴＣＣ  ４９１８８）、（ＡＴＣＣ  ２９２４３）、（ＡＴＣＣ  ２１９０９）、（ＡＴＣＣ  ４９２３７）、（ＡＴＣＣ  ４９１８７）、ＤＳＭ−１４３９６、ＤＳＭ−２０１５０、ＭＴＣＣ−９０２６、ＭＴＣＣ−８７４８、アシディフィリウム・クリプツム（Ａｃｉｄｉｐｈｉｌｉｕｍ  ｃｒｙｐｔｕｍ）（ＡＴＣＣ  ３３４６３）、ＤＳＭ−２３８９、ＤＳＭ−２３９０、ＤＳＭ−２６１３、ＤＳＭ−９４６７、ロドシュードモナス・パルストリス（Ｒｈｏｄｏｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ｐａｌｕｓｔｒｉｓ）（ＡＴＣＣ  ３３８７２）、（ＡＴＣＣ  １７００１）、（ＡＴＣＣ  １７０１０）、（ＡＴＣＣ  １７００７）、ＤＳＭ−１２７、ＤＳＭ−１３１、ＤＳＭ−８２８３、ロドフェラックス・フェリレデューセンス（Ｒｈｏｄｏｆｅｒａｘ  ｆｅｒｒｉｒｅｄｕｃｅｎｓ）（ＡＴＣＣ  ＢＡＡ−６２１）、ＤＳＭ−１５２３６（ＡＴＣＣ  ＢＡＡ−１８５２）、キュープリアビダス・ネカター（Ｃｕｐｒｉａｖｉｄｕｓ  ｎｅｃａｔｏｒ）（ＡＴＣＣ  １７６９７）、（ＡＴＣＣ  ４３２９１）、（ＡＴＣＣ  １７６９９）、ＭＴＣＣ−１４７２、ＤＳＭ−１１０９８、ＤＳＭ−１３４３９、ＤＳＭ−１５４４３、シェワネラ・オネイデンシス（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ  ｏｎｅｉｄｅｎｓｉｓ）（ＡＴＣＣ  ７００５５０）、（ＡＴＣＣ  ＢＡＡ−１０９６）、（ＡＴＣＣ  ７００５５０Ｄ）、シェワネラ・プトレファシエンス（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ  ｐｕｔｒｅｆａｃｉｅｎｓ）ＭＴＣＣ−８１０４、（ＡＴＣＣ  ８０７１）、（ＡＴＣＣ  ８０７２）、ＤＳＭ−９４３９、ＤＳＭ−１８１８、ＤＳＭ−５０４２６、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）、（ＡＴＣＣ  １０１４５）、（ＡＴＣＣ  １５４４２−ＭＩＮＩ−ＰＡＣＫ）、（ＡＴＣＣ  ９０２７−ＭＩＮＩ−ＰＡＣＫ）、ＤＳＭ−１００４６５、ＤＳＭ−１０２２７３、ＤＳＭ−１０２２７５、ＭＴＣＣ−１０３６、ＭＴＣＣ−１６８８、シュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）ＭＴＣＣ−６７２４、ＤＳＭ−１７７４４、ＤＳＭ−２６５３３が挙げられる。
【００３０】
本発明の別の実施形態では、電気活性微生物は、エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）ＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＭＴＣＣ  ９０２６、およびシュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）ＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される。
【００３１】
別の態様では、本発明は、バイオアシスト方法によって生成される半導体組成物を対象とする。一実施形態では、半導電性粒子は、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＳｎＳ、ＣｄＳｅ、ＺｎＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、またはＣｄＳ−ＺｎＳなどの組成物を有する。前駆体金属成分は、イオン形態の１種類または複数種類の金属を含有する。ここに適用可能な前駆体金属化合物の幾つかの例として、金属ハロゲン化物（例えば、ＣｕＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＺｎＢｒ２、ＧａＣｌ３、ＩｎＣｌ３、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＳｎＣｌ２、およびＳｎＣｌ４）、金属硝酸塩（例えば、Ｃｄ（ＮＯ３）２、Ｇａ（ＮＯ３）３、Ｉｎ（ＮＯ３）３、Ｚｎ（ＮＯ３）２、およびＦｅ（ＮＯ３）３）、金属過塩素酸塩（過塩素酸銅）、金属炭酸塩（例えば、ＣｄＣＯ３）、金属硫酸塩（例えば、ＣｄＳＯ４、ＦｅＳＯ４、およびＺｎＳＯ４）、金属酸化物（例えば、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｄＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２）、金属水酸化物（例えば、Ｆｅ（ＯＨ）３およびＺｎ（ＯＨ）２）、金属オキシ水酸化物（例えば、ＦｅＯＯＨ、またはＦｅＯ（ＯＨ）、およびこれらの代替形態）、鉄および銅ＥＤＴＡ錯体、金属アミン（例えば、金属アルキルアミン、鉄、亜鉛、およびニッケルのピペリジン、ピリジン、またはビピリジン塩錯体）、金属カルボン酸塩（例えば、酢酸カドミウム）、ならびに鉄、銅、カドミウム、およびニッケルの金属アセチルアセトネート（すなわち、金属−ａｃａｃ）錯体が挙げられる。
【００３２】
本発明の別の実施形態では、２Ｄ材料は、グラフェン、多孔質グラフェン、グラフェンナノ粒子、ｇＣ３Ｎ４、単層ＣＮＴ、ＭｏＳ２、ＴｉＣ、ＷＳ２、ＳｎＳ２、フォスフォレン、およびボロフェンからなる群から選択される。
【００３３】
本発明のさらなる実施形態では、電子促進剤は、ニュートラルレッド、アゾ染料、ポルフィリン錯体、シッフ塩基錯体、多層ＣＮＴ、Ｃｄ（ＩＩ）イミダゾール錯体、Ｃｕ（ＩＩ）イミダゾール錯体、およびルテニウム錯体からなる群から選択される。
【００３４】
本発明のさらに別の実施形態は、表面指向剤が、ポリソルベート（Ｔｗｅｅｎ）、ドデシル硫酸ナトリウム（ラウリル硫酸ナトリウム）、ラウリルジメチルアミンオキシド、臭化セチルトリメチルアンモニウム（ＣＴＡＢ）、ポリエトキシル化アルコール、ポリオキシエチレンソルビタン、オクトキシノール（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ１００）、Ｎ，Ｎ−ジメチルドデシルアミン−Ｎ−オキシド、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（ＨＴＡＢ）、ポリオキシル１０ラウリルエーテル、Ｂｒｉｊ  ７２１、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ポリオキシルヒマシ油（Ｃｒｅｍｏｐｈｏｒ）、ノニルフェノールエトキシレート（Ｔｅｒｇｉｔｏｌ）、シクロデキストリン、レシチン、および塩化メチルベンゼトニウム（Ｈｙａｍｉｎｅ）からなる群から選択されることを提供する。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態では、対イオン前駆体が、Ｈ２Ｓ含有ガス、工業排煙、バイオガスからなる群から選択される気体供給源であることが提供される。別の実施形態では、対イオン前駆体は適切な有機硫黄化合物であり、これらとして、炭化水素メルカプタン（例えば、メタンチオール、エタンチオール、プロパンチオール、ブタンチオール、チオフェノール、エタンジチオール、１，３−プロパンジチオール、１，４−ブタンジチオール、チオフェン）、アルコール含有メルカプタン（例えば、２−メルカプトエタノール、３−メルカプトプロパノール、４−メルカプトフェノール、およびジチオトレイトール）、メルカプトアミノ酸（例えば、システイン、ホモシステイン、メチオニン、チオセリン、チオトレオニン、およびチオチロシン）、メルカプトペプチド（例えば、グルタチオン）、メルカプトピリミジン（例えば、２−チオウラシル、６−メチル−２−チオウラシル、４−チオウラシル、２，４−ジチオウラシル、２−チオシトシン、５−メチル−２−チオシトシン、５−フルオロ−２−チオシトシン、２−チオチミン、４−チオチミン、２，４−ジチオチミン、ならびにこれらのヌクレオシドおよびヌクレオチド類似体）、メルカプトプリン（例えば、６−チオグアニン、８−チオアデニン、２−チオキサンチン、６−チオキサンチン、６−チオヒポキサンチン、６−チオプリン、ならびにこれらのヌクレオシドおよびヌクレオチド類似体）、チオエーテル（例えば、硫化ジメチル、硫化ジエチル、硫化ジフェニル、ビオチン）、ジスルフィド（例えば、シスチン、リポ酸、二硫化ジフェニル、二硫化鉄、および２−ヒドロキシエチルジスルフィド）、チオカルボン酸（例えば、チオ酢酸）、チオエステル、スルホニウム塩（例えば、トリメチルスルホニウム、またはジフェニルメチルスルホニウムクロリド）、スルホキシド（例えば、ジメチルスルホキシド）、スルホン（例えば、ジメチルスルホン）、チオケトン、チオアミド、チオシアネート、イソチオシアネート、チオカルバメート、ジチオカルバメートが挙げられる。
【００３６】
本発明の一実施形態は、ＣＯ２を還元して燃料前駆体にすることができる半導電性生体ハイブリッド触媒
（ｃ）エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）ＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＭＴＣＣ  ９０２６、およびシュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）ＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される電気活性微生物と、
（ｄ）前駆体金属成分、電子促進剤、および染料分子を含む半導電性粒子と、からなり、
半導電性粒子が、電気活性微生物の細胞表面上に位置する、半導電性生体ハイブリッド触媒を提供する。
【００３７】
本発明のさらなる実施形態は、半導電性生体ハイブリッド触媒を用いてＣＯ２を燃料前駆体にバイオアシスト変換するための方法であって、
（ａ）本発明の半導電性生体ハイブリッド触媒を透明なリアクター内の培養培地に添加するステップと、
（ｂ）培養培地中にＣＯ２を吹き込み、透明なリアクターを＞４００ｎｍの波長を有する光源で照射するステップと、
（ｃ）培養培地から燃料前駆体を回収するステップと、を含む、方法を提供する。
【００３８】
本発明のさらに別の実施形態は、燃料前駆体が、メタノール、エタノール、酢酸、ブタノール、イソプロパノール、酪酸、およびカプロン酸からなる群から選択されることを提供する。
【００３９】
本発明の別の実施形態では、半導電性生体ハイブリッド触媒を用いてＣＯ２を燃料前駆体にバイオアシスト変換するための方法であって、
（ａ）本発明の半導電性生体ハイブリッド触媒を透明なリアクター内の培養培地に添加するステップと、
（ｂ）培養培地中にＣＯ２を吹き込み、透明なリアクターを＞４００ｎｍの波長を有する光源で照射するステップと、
（ｃ）培養培地から燃料前駆体を回収するステップと、を含み、
燃料前駆体が、メタノール、エタノール、酢酸、ブタノール、イソプロパノール、酪酸、およびカプロン酸からなる群から選択される、方法が提供される。
【００４０】
本発明のさらなる実施形態は、半導電性ハイブリッド触媒を用いてバイオガスを燃料前駆体にバイオアシスト変換するための方法であって、
（ａ）本発明の半導電性生体ハイブリッド触媒をガラスカラム内の培養培地に添加するステップと、
（ｂ）培養培地中にバイオガスを吹き込み、ガラスカラムを＞４００ｎｍの波長を有する光源で照射するステップと、
（ｃ）培養培地から燃料前駆体を回収するステップと、を含み、
燃料前駆体がメタノール、エタノール、および酢酸の混合物を含む、方法を提供する。
【００４１】
本発明のさらに別の実施形態は、半導体生体ハイブリッド触媒を合成するための方法であって、
（ａ）エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）  ＭＴＣＣ  ２５０１６、セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０１７、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２０、アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種ＭＴＣＣ  ２５０２２、シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ＭＴＣＣ  １０３６、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＡＴＣＣ  ４９１８８、オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ＭＴＣＣ  ９０２６、およびシュードモナス・アルカリフィラ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｌｃａｌｉｐｈｉｌａ）ＭＴＣＣ  ６７２４からなる群から選択される電気活性微生物を選択的に培養するステップと、
（ｂ）少なくとも１種の塩、少なくとも１種の２Ｄ材料、および電子促進剤を表面指向剤の存在下で混合して、半導電性ハイブリッド溶液を得るステップと、
（ｃ）ステップ（ｂ）の半導電性ハイブリッド溶液をステップ（ａ）の電気活性微生物培養物に添加して、イニシエーター培養物を得るステップと、
（ｄ）対イオン前駆体をステップ（ｃ）のイニシエーター培養物に供給するステップと、
（ｅ）半導体生体ハイブリッド触媒を培養物から分離するステップと、を含み、
塩が、ＣｕＣｌ２、ＣｄＣｌ２、ＺｎＣｌ２、ＺｎＢｒ２、ＧａＣｌ３、ＩｎＣｌ３、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＳｎＣｌ２、ＳｎＣｌ４、Ｃｄ（ＮＯ３）２、Ｇａ（ＮＯ３）３、Ｌｎ（ＮＯ３）３、Ｚｎ（ＮＯ３）２、Ｆｅ（ＮＯ３）３、ＣｄＣＯ３、ＣｄＳＯ４、ＦｅＳＯ４、ＺｎＳＯ４、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｄＯ、Ｇａ２Ｏ３、Ｌｎ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＳｎＯ、ＳｎＯ２、Ｆｅ（ＯＨ）３、Ｚｎ（ＯＨ）２、ＦｅＯＯＨ、ＦｅＯ（ＯＨ）、Ｃｄ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、過塩素酸鉄、過塩素酸銅、銅ＥＤＴＡ錯体、ニッケルアルキルアミン錯体、鉄ピペリジン錯体、カドミウムピリジン錯体、鉄ビピリジン塩、および鉄ａｃａｃ錯体からなる群から選択され、
２Ｄ材料が、グラフェン、多孔質グラフェン、ｇＣ３Ｎ４、単層ＣＮＴ、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＳｎＳ２、フォスフォレン、グラフェンナノ粒子（Ｇｒ−Ｎｐ）、ＴｉＣ、およびボロフェンからなる群から選択され、
電子促進剤が、ニュートラルレッド、アゾ染料、鉄ポルフィリン錯体、シッフ塩基錯体、多層ＣＮＴ、Ｃｄ（ＩＩ）またはＣｕ（ＩＩ）イミダゾール錯体、およびルテニウム錯体からなる群から選択され、
表面指向剤が、Ｔｗｅｅｎ、ラウリル硫酸ナトリウム、ｐ−１７２、ラウリルジメチルアミンオキシド、臭化セチルトリメチルアンモニウム、ポリエトキシル化アルコール、ポリオキシエチレンソルビタン、オクトキシノール（Ｔｒｉｔｏｎ  Ｘ１００）、Ｎ，Ｎ−ジメチルドデシルアミン−Ｎ−オキシド、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、ポリオキシル１０ラウリルエーテル、Ｂｒｉｊ  ７２１、デオキシコール酸ナトリウム、コール酸ナトリウム、ポリオキシルヒマシ油（Ｃｒｅｍｏｐｈｏｒ）、ノニルフェノールエトキシレート（Ｔｅｒｇｉｔｏｌ）、シクロデキストリン、レシチン、および塩化メチルベンゼトニウム（Ｈｙａｍｉｎｅ）からなる群から選択され、
対イオン前駆体が、気体材料または有機硫黄化合物である、方法を提供する。
【００４２】
本発明の別の実施形態は、気体材料がＨ２Ｓ含有ガス、工業排煙、およびバイオガスからなる群から選択されることを提供する。
【００４３】
本発明のさらなる実施形態は、有機硫黄化合物が、メタンチオール、エタンチオール、プロパンチオール、ブタンチオール、チオフェノール、エタンジチオール、１，３−プロパンジチオール、１，４−ブタンジチオール、チオフェン、２−メルカプトエタノール、３−メルカプトプロパノール、４−メルカプトフェノール、ジチオトレイトール、システイン、ホモシステイン、メチオニン、チオセリン、チオトレオニン、チオチロシン、グルタチオン、２−チオウラシル、６−メチル−２−チオウラシル、４−チオウラシル、２，４−ジチオウラシル、２−チオシトシン、５−メチル−２−チオシトシン、５−フルオロ−２−チオシトシン、２−チオチミン、４−チオチミン、２，４−ジチオチミン、６−チオグアニン、８−チオアデニン、２−チオキサンチン、６−チオキサンチン、６−チオヒポキサンチン、６−チオプリン、硫化ジメチル、硫化ジエチル、硫化ジフェニル、ビオチン、シスチン、リポ酸、二硫化ジフェニル、二硫化鉄、２−ヒドロキシエチルジスルフィド、チオ酢酸、トリメチルスルホニウム、ジフェニルメチルスルホニウムクロリド、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、チオケトン、チオアミド、チオシアネート、イソチオシアネート、チオカルバメート、およびジチオカルバメートからなる群から選択されることを提供する。
【００４４】
微生物に使用される培地組成物は、微量栄養素、ビタミン、例えば、０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ）から構成することができる。
【００４５】
培地の適正な運転ｐＨは、リン酸塩緩衝液を使用して培地のｐＨを変動させることによって評価した。系のｐＨは３から１１まで変動し得ることが見出された。微生物は、このｐＨの範囲内で生成物の形成に何も影響を及ぼすことなく適切に増殖することが見出された。
【００４６】
一実施形態では、反応培地の温度を２５から５５まで変動させ、微生物集団および炭化水素形成に及ぼす影響を観察すると、温度の変動には本質的に影響を受けなかった。別の実施形態では、特許請求する方法における発酵ステップは、適切な炭素源が供給されるならば暗所でも機能することができる。
【００４７】
別の実施形態では、本発明は、混合栄養モードで実行することができる。
【００４８】
別の実施形態では、本発明は、従属栄養モードで実行することができる。
【００４９】
別の実施形態では、様々なＣＯ２供給源を生物変換に使用した。二酸化炭素含有ガスの供給源は、有機化合物中へのストリーム、大気、もしくは水、および／または溶存もしくは固体形態の無機炭素を含んでもよい。これらのプロセスステップでは、二酸化炭素を含有する排煙、もしくはプロセスガス、もしくは空気、または溶解した二酸化炭素、炭酸イオン、もしくは炭酸水素イオンとしての溶液中の無機炭素（海水などの水溶液が含まれる）、または固相中の無機炭素、例えば、これらに限定されないが、炭酸塩および炭酸水素塩が、栄養培地および微生物を含有する容器または密閉箱にポンプで送り込まれるか、さもなければ添加される。
【００５０】
光は、微生物培養物の光栄養性能に必須の基質である。光のスペクトル品質と強度の両方が微生物の性能に重要である。光源は、直射日光、ＬＥＤ光、４００ｎｍより高い波長を有する光源であり得る。幾つかの実施形態では、連続光およびせん光を培養培地に供給した。せん光は、１：５秒の暗期と明期の比率で与えた。間欠性の光源を用いると全収率が有意に強化されたことが見出された。したがって、連続光は、恐らく微生物中での電子閉じ込めを飽和させ、それによって生成物の形成が減少すると思われる。その一方で、間欠光は、微生物細胞によって電子が完全に使用されるのに必須な暗周期の部分があるために適切である。
【００５１】
半導体光触媒は、太陽光によって照射され、半導体のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光子を吸収する。次いで、光生成された電子−正孔対が生成される。光生成された正孔は酸化性であるのに対し、光生成された電子は還元性である。還元性電子は、続いて電子キャリアを介して微生物細胞内に入り、ＣＯ２還元プロセスを支援する。
【００５２】
本発明によれば、半導電性生体触媒によって媒介される二酸化炭素還元プロセスの運転プロセスは、バッチモードまたは連続的であり得る。
【００５３】
バッチモードでは、活性培養物（５ｍｌ）を遠心分離し、リン酸塩緩衝液（ｐＨ＝７．５）で洗浄し、半導電性生体触媒合成用に１ｍｌの緩衝液中に希釈した。半導電性生体触媒ハイブリッドは、金属対種を変えることによって別の経路によって調製した。２０ｍｌの新鮮な培地および１ｍｌの微生物培養物（リン酸塩緩衝液で希釈したもの）を含有する血清ビンに、０．２重量％の金属対種および２ｍＭの金属イオン（５ｍｌ）を入れた。２４時間の接種後に、半導電性生体触媒が形成したために、培養培地は色を変える。同様に、Ｈ２Ｓに媒介される合成の場合は、５０ｐｐｍのＨ２Ｓ（残部はＮ２）ガスを、フィルターを通して２ｍＭの金属イオンを含有する２０ｍｌの培地に２ｍＬ／分の速度で１０秒間送り、培養物を３０℃で２４（時間）接種した。
【００５４】
すべての光合成測定は、ＣＯ２を炭素源として使用して、７２時間の接合期間の間実施した。ある一組の実験では、ＣＯ２（９９．９９％）を連続モードで２４時間／日、フィルターを通して２０ｍｌ／時でパージした。連続的または間欠的に光子束を供給するために可視光を用いた。半導電性生体ハイブリッド触媒を含有する血清ビンを光源に曝露した。血清ビンから１ｍｌの培養物を抜き出して、１５，０００ｒｐｍで５分間遠心分離し、水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）、ＤＢ−ＦＦＡＰキャピラリーカラム（フィルム厚０．２５ｍｍ）、および自動注入装置を備えたＡｇｉｌｅｎｔモデル６８５０ガスクロマトグラフ（ＧＣ）システムを使用して、上清を定量化した。
【００５５】
微生物への電子の移動は、電極から直接または電子メディエーターを通して間接的に発生し得る主たる推進力である。本発明の生体ハイブリッド触媒（例えば、実施例１のＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）微生物ハイブリッドなど）を合成したとき、全生成物収率は、ｇ−Ｃ３Ｎ４およびＮＲの電子検出特性のために有意に増加する。系は、システム的に何も要求せずに独立して機能することができるので、本発明の系の利点は、プロセスが容易なことである。ＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）微生物ハイブリッドの場合、ＺｎＳは潜在的な電子受容体として作用し、ｇ−Ｃ３Ｎ４の独特な２Ｄ構造および優れた電子特性は、光照射時に半導体のバンドギャップ光励起から光生成された電子を受容／輸送する能力の助けとなる。ニュートラルレッドは、ＺｎＳとｇ−Ｃ３Ｎ４の間の界面を横切る光生成電荷キャリアの経路または効率を最適化する助けとなる。言い換えれば、可視光照射下で、半導体ＺｎＳから、そのバンドギャップ光励起に起因する電子正孔対が生成される。ｇ−Ｃ３Ｎ４シートの優れた電子導電性のために、ｇ−Ｃ３Ｎ４プラットフォームは、ＺｎＳから光生成された電子を受容し、往復させることができる。ＺｎＳとＧＲの間の中間層マトリックスにＮＲが存在すると、半導体ＺｎＳから電子導電性ｇ−Ｃ３Ｎ４、微生物表面への光生成電子の移動経路を最適化することができると思われ、それによって電荷キャリア（電子−正孔対）の寿命が延長される。これが、ひいては半導電性生体ハイブリッド触媒の光活性の向上に貢献すると思われる。
【００５６】
連続モード運転の場合、図２に示すように３つ以上の異なるリアクターを並行して運転しなければならない。
ａ．リアクターＲ１内で、微生物培養物を栄養培地中で調製した。培地に、０．２ｍＭの塩溶液および０．２重量％の金属対種またはＨ２Ｓガスを連続法で供給した（０．１ｍＬ／分）。半導電性生体ハイブリッド触媒の形成が、３０℃での２４時間の接種後に起こる。微生物培養物の増殖を、ＯＤ分析によってモニタリングした。
ｂ．リアクターＲ２内で、磁性発泡体上に固定化された炭酸脱水酵素の存在によってＣＯ２の水和が起きる。ＣＯ２溶解液をＲ２に連続的に供給する。
ｃ．リアクターＲ１からの細胞を遠心分離し、ＯＤがＲ２に達するまでリアクターＲ３に移送した。その後、リアクターＲ２からの可溶性ＣＯ２を１ｍＬ／分の流量で放出した。
ｄ．リアクターＲ３に、光源を連続または間欠法によってすべての側面から供給した。間欠光は、１秒：５秒の暗期と明期の比率で供給した。反応を２４時間継続し、細胞を遠心分離によって生成物から分離し、再計算してリアクターＲ１に送った。
【００５７】
本発明の基本的態様について記載してきたが、以下の非限定的な実施例は、その特定の実施形態を例示する。
【実施例】
【００５８】
実施例１
ＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）（ＥＡ−１）（ＭＴＣＣ  ２５０１６）によるＣＯ２変換
ａ．電気活性微生物の選択および培養
電気活性エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）（ＥＡ−１）（ＭＴＣＣ  ２５０１６）微生物を単離し、最適化培地中で培養した。すべてのガラス器具および試料は、１２１℃で１５分間の加圧滅菌によって滅菌した。培地組成物は以下の通りであった：（０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ、０．５％グルコース）。培養物を３０℃で増殖させた。６６０ｎｍでのＯＤをＵＶ可視分光光度計で測定することによって細胞増殖をモニタリングした。
【００５９】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
１０：０．１の流量でＨ２Ｓを通すことによって、ＺｎＳ半導電性粒子を微生物の表面上に合成した。典型的には、１００ｍｌの脱イオン水中に０．１ｍｇのｇ−Ｃ３Ｎ４を超音波処理によって分散させ、これに０．２ｍＭのＺｎ（ＮＯ３）２を添加した。分散させた材料に、５００μＬのＴｗｅｅｎ２０を表面指向剤として添加した。１時間の超音波処理の後、０．０１ｍＭのニュートラルレッドを添加した。この材料をＡと名付けた。加圧滅菌したチューブ内で活性微生物培養物（５ｍｌ）（ＣＦＵ＝２．３×１０８）を遠心分離し、リン酸塩緩衝液（ｐＨ＝７．５）中で洗浄し、微生物−ＺｎＳハイブリッド合成用に１ｍｌの緩衝液中に希釈した。Ｈ２Ｓに媒介される生体ハイブリッド合成では、５０ｐｐｍのＨ２Ｓ（残部はＮ２）ガスを、フィルターを通して４ｍｌのＡを含有する２０ｍｌの培地に０．１ｍＬ／分の速度で３０秒間送り、得られた明るい白濁した溶液を３０℃で２４（時間）接種した。
【００６０】
ｃ．生体ハイブリッド触媒の分析
すべての光合成測定は、ＣＯ２を炭素源として使用して、５日間の接合期間の間実施した。ある一組の実験では、ＣＯ２（９９．９９％）を連続モードで５時間／日、フィルターを通して２０ｍｌ／時でパージした。光子束を供給するために波長ｔ（λ＞４００ｎｍ）の可視光を用いた。供給は、生体ハイブリッド触媒がそれらの代謝活性でＣＯ２を利用するような様々な条件下で光が供給されるように為された。ある一組の実験では、一定の太陽光を２４時間与え、別の組では、明期：暗期の比率が１：３秒である間欠光源を与えた。その時々に血清ビンから１ｍｌの培養物を抜き出し、１５，０００ｒｐｍで５分間遠心分離し、水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）、ＤＢ−ＦＦＡＰキャピラリーカラム（フィルム厚０．２５ｍｍ）、および自動注入装置を備えたＡｇｉｌｅｎｔモデル６８５０ガスクロマトグラフ（ＧＣ）システムを使用して上清を定量化した。
【００６１】
まず第一に、５日間のコロニー形成単位（ＣＦＵ）アッセイによって決定された生存率（初期の５．９±０．４×１０９ＣＦＵｍｌ−１から１．７±０．４×１０９細胞ｍｌ−１まで）から、ＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）微生物ハイブリッド系が実験条件で持続可能に増殖する潜在能力を有することが示される。
【００６２】
ｄ．生体ハイブリッド触媒による炭化水素変換の分析
ＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）微生物ハイブリッドによる太陽光線から燃料および炭化水素への変換を確認するために、微生物ＺｎＳおよび光をシステム的に取り除いた一連の対照実験を実施した。光の非存在下では、生成物の形成は起こらない。しかし、光が与えられると（一定光および間欠光的の両方で）、一連の単一および複数の炭素生成物、すなわち、メタノール、エタノール、酢酸が得られる。エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）だけを使用する対照実験を実施したときに、連続光および間欠光の両方で生成物の形成が観察されなかったことから、微生物は非光合成的であることが示される。図５に示すように、異なる組み合わせの幾つかの厳密な制御を試みた。制御条件で極めて低い濃度のメタノール、酢酸が、一定光および間欠光条件の両方で得られることが見出された。しかし、生成物の形成は、エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）＋ＺｎＳ＋ｇ−Ｃ３Ｎ４＋ＮＲからなる半導電性生体ハイブリッド触媒を使用したときに驚くほど強化された。０．８９ｇ／Ｌのメタノール、０．０８７ｇ／Ｌのエタノール、および０．２１３ｇ／Ｌの酢酸が一定光源下で得られた（図３）。間欠光源では、１．０８０ｇ／Ｌのメタノール、０．０６１ｇ／Ｌのエタノール、および０．０９８ｇ／Ｌの酢酸となり、生成の有意な強化が存在する（図５）。詳細な実験条件を表１に示す。
【００６３】
【表１】
2019170370.tif 000002
【００６４】
実施例２
ＳｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種（ＥＡ−２）（ＭＴＣＣ  ２５０２０）によるＣＯ２変換
連続モードの運転の場合、図２および３に示すような３つのリアクターシステムを使用した。
【００６５】
ａ．電気活性微生物の選択および培養
実施例−１に示したように、シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種（ＥＡ−２）（ＭＴＣＣ  ２５０２０）微生物は、０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌの培地からなるリアクターＲ１内で増殖させた。
【００６６】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
別の容器に、０．２ｍＭのＳｎＣｌ２、０．１ｇのＭｏＳ２、および５００μＬの単層ＣＮＴ溶液（２ｍｇ／ｍｌ）を１００ｍｌの脱イオン水中に添加することによって、半導電性ハイブリッドを調製した。この溶液に、０．１ｍｌのＴｗｅｅｎ２０を表面指向剤として添加した。溶液全体を１時間超音波処理して、均一に分散した溶液を得た。この溶液を１００℃で１５分間加圧滅菌し、Ａと名付けた。
【００６７】
微生物培養物を含有するリアクターＲ１に、溶液Ａを０．１ｍＬ／分の流量で供給した。同時に、Ｈ２Ｓガスを連続法で供給した（０．１ｍＬ／分）。半導電性生体ハイブリッド触媒の形成が、３０℃での２４時間の接種後に生じる。ＳｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種微生物ハイブリッドの微生物培養物の増殖は、ＯＤ分析によってモニタリングした。
【００６８】
ｃ．生体ハイブリッド触媒の分析
ＳｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種の微生物ハイブリッドは、電子顕微鏡的研究を使用して特徴付けた。ＳｎＳは、太陽光を採取する生体適合性半導体として作用する。効率的な２Ｄ材料としてのＭｏＳ２は電子移動に有用であり、よって電子−正孔再結合を低減させる。ここではＣＮＴ（複層）は、電子を半導体ハイブリッドから微生物の細胞に移送する促進剤として作用する。
【００６９】
リアクターＲ２内で、磁性発泡体上に固定化された炭酸脱水酵素の存在によってＣＯ２の水和が起きる。ＣＯ２（９９．９９９％）を１ｍＬ／分の流量で下からリアクターに供給し、リアクターは固定化されたＣＡを含有する。ＣＯ２溶解液を０．５ｍＬ／分の流量でＲ２に連続的に供給する。
【００７０】
リアクターＲ１からの細胞を遠心分離し、Ｒ２におけるＯＤが２の値に達するまでリアクターＲ３に移送した。このリアクターを３００ｒｐｍで連続して撹拌した。その後、リアクターＲ２からの可溶性ＣＯ２を１ｍＬ／分の流量でリアクターＲ３に放出した。
【００７１】
リアクターＲ３に、光源を連続または間欠法によってすべての側面から供給した。間欠光は、１秒：５秒の暗期と明期の比率で与えた。反応を１５日間連続して継続し、２４時間毎に細胞を遠心分離によって生成物から分離し、再計算してリアクターＲ１に送った。
【００７２】
ｄ．生体ハイブリッド触媒による炭化水素変換の分析
生成物プロファイル（図５および６）から、生成物の形成が、使用する微生物に応じて変動することが見出された。ＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４／ニュートラルレッド  エンテロバクター・アエロゲネス（Ｅｎｔｅｒｏｂａｃｔｅｒ  ａｅｒｏｇｅｎｅｓ）（ＥＡ−１）を含有する半導電性生体ハイブリッド触媒の場合、間欠光条件においてメタノールが顕著な生成物として得られた（約１．０５ｇ／Ｌ／日）。それと同時に、より低い状態の酢酸（約０．０９５ｇ／Ｌ／日）およびエタノール（約０．０６ｇ／Ｌ／日）の形成も観察された。しかし、異なる半導電性生体ハイブリッド触媒、ＳｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  シェワネラ（Ｓｈｅｗａｎｅｌｌａ）属種（ＥＡ−２）を使用すると（同じ条件）、エタノールが顕著な生成物（約１．００ｇ／Ｌ／日）であり、それに加えて低濃度のメタノール（０．０４８ｇ／Ｌ／日）および酢酸（０．１２ｇ／Ｌ／日）が生成した。さらに、生成物の濃度が、使用する電気活性微生物、半導電性材料、２Ｄ材料、電子促進剤に応じて変動することが観察された。生成物形成の比較表は、図７に含まれる。
【００７３】
【表２】
2019170370.tif 000003
【００７４】
実施例３
ＺｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）ｓｐ（ＥＡ−２）（ＭＴＣＣ  ２５０１７）によるＣＯ２変換
ａ．電気活性微生物の選択および培養
電気活性セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種（ＥＡ−２）（ＭＴＣＣ  ２５０１７）微生物を単離し、最適化培地中で培養した。すべてのガラス器具および試料は、１２１℃で１５分間の加圧滅菌によって滅菌した。培地組成物は以下の通りであった：（０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ、０．５％グルコース）。培養物を３０℃で増殖させた。６６０ｎｍでのＯＤをＵＶ可視分光光度計で測定することによって細胞増殖をモニタリングした。
【００７５】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
別の容器に、０．２ｍＭのＺｎＣｌ２、０．１ｇのＭｏＳ２、および０．１ｍｇの多層ＣＮＴを１００ｍｌの脱イオン水中に添加することによって、半導電性ハイブリッドを調製した。この溶液に、０．２ｍｇのｐ−１７２界面活性剤を添加した。溶液全体を３０分間超音波処理して、均一に分散した溶液を得た。この溶液を１２１℃で１５分間加圧滅菌した。
【００７６】
十分に増殖したセラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）ｓｐ培養物（ＣＦＵ＝２．３＊１０８）１ｍｌに、加圧滅菌した導電性ハイブリッド溶液４ｍｌを添加し、３５℃で２４時間インキュベートした。それと同時に、ＣＯ２およびＨ２Ｓを１０：０．１の流量で、実施例１に示した手順の通りに培地にパージした。培地の色がゆっくりと（４８時間後）薄い白色に変化したことから、ＺｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種のハイブリッドの形成が示された。微生物ハイブリッドの増殖は、ＯＤ分析によってもモニタリングした。
【００７７】
ｃ．生体ハイブリッド触媒の分析
次いでＺｎＳ／ＭｏＳ２／ＣＮＴ  セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）属種のハイブリッドを一定光源と間欠光源（５秒間の明期および２秒間の暗期）の両方に曝露した（λ＞４２０ｎｍ）。生成物を、３時間経つ毎にＧＣによって分析した。生成物のプロファイルを表３に示す。
【００７８】
実施例４
ＣｄＳ／ＺｎＳ／ｇ−Ｃ３Ｎ４  アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種（ＭＴＣＣ  ２５０２２）によるＣＯ２変換
ａ．電気活性微生物の選択および培養
電気活性アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種（ＭＴＣＣ  ２５０２２）微生物を単離し、最適化培地中で培養した。すべてのガラス器具および試料は、１２１℃で１５分間の加圧滅菌によって滅菌した。培地組成物は以下の通りであった：（０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ、０．５％グルコース）。培養物を３０℃で増殖させた。６６０ｎｍでのＯＤをＵＶ可視分光光度計で測定することによって細胞増殖をモニタリングした。
【００７９】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
別の容器に、０．２ｍＭのＣｄＣｌ２、０．２ｍＭのＺｎＣｌ２、０．１ｇのｇ−Ｃ３Ｎ４、および０．１ｇのニュートラルレッドを１００ｍｌの脱イオン水中に添加することによって、半導電性ハイブリッドを調製した。この溶液に、表面指向剤として作用させるためにラウリルジメチルアミンオキシド（０．２ｍｇ）を添加した。溶液全体を３０分間超音波処理して、均一に分散した溶液を得た。この溶液を１２１℃で１５分間加圧滅菌した。
【００８０】
１ｍｌのアルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種培養物（ＣＦＵ＝２．３＊１０８）に、加圧滅菌したｇ−Ｃ３Ｎ４／Ｚｎ＋／Ｃｄ２＋１００ｍｌを添加し、３５℃で２４時間インキュベートした。それと同時に、ＣＯ２およびＨ２Ｓを１０：０．１の流量で、実施例１に示した手順の通りに培地にパージした。培地の色がゆっくりと（４８時間後）薄い白色に変化したことから、ｇＣ３Ｎ４／ＣｄＳ／ＺｎＳ  アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種のハイブリッドの形成が示された。微生物ハイブリッドの増殖は、ＯＤ分析によってもモニタリングした。
【００８１】
ｃ．生体ハイブリッド触媒の分析
次いでｇＣ３Ｎ４／ＣｄＳ／ＺｎＳ  アルカリゲネス（Ａｌｃａｌｉｇｅｎｅｓ）属種のハイブリッドを間欠光源（５秒間の明期および２秒間の暗期）に曝露した。生成物を、３時間経つ毎にＧＣによって分析した。生成物のプロファイルを表３に示す。
【００８２】
実施例５
ＣｄＳ／ＴｉＣ／ｇ−Ｃ３Ｎ４  シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）（ＭＴＣＣ−１０３６）によるＣＯ２変換
ａ．電気活性微生物の選択および培養
電気活性シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）（ＭＴＣＣ−１０３６）微生物を単離し、最適化培地中で培養した。すべてのガラス器具および試料は、１２１℃で１５分間の加圧滅菌によって滅菌した。培地組成物は以下の通りであった：（０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ、０．５％グルコース）。培養物を３０℃で増殖させた。６６０ｎｍでのＯＤをＵＶ可視分光光度計で測定することによって細胞増殖をモニタリングした。
【００８３】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
別の容器に、０．１ｍｇのｇ−Ｃ３Ｎ４および０．１ｍｇのナノＴｉＣを１００ｍｌの脱イオン水中に添加し、続いて超音波処理によって１時間分散させることによって、半導電性ハイブリッドを調製した。続いて、この溶液に０．２ｍＭのＣｄＣｌ２も添加し、さらに３０分間分散させた。この溶液に、表面指向剤として作用させるために０．２ｍｇのポリエトキシル化アルコールを添加した。溶液全体を３０分間超音波処理して、均一に分散した溶液を得た。この溶液を１２１℃で１５分間加圧滅菌した。
【００８４】
１ｍｌのシュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）培養物（ＣＦＵ＝２．３＊１０８）に、加圧滅菌したｇ−Ｃ３Ｎ４／ＴｉＣ／Ｃｄ２＋１００ｍｌを添加し、３５℃で２４時間インキュベートした。それと同時に、ＣＯ２およびＨ２Ｓを１０：０．１の流量で、実施例１に示した手順の通りに培地にパージした。培地の色がゆっくりと（４８時間後）薄い白色に変化したことから、ｇＣ３Ｎ４／ＣｄＳ／ＴｉＣ  シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ハイブリッドの形成が示された。微生物ハイブリッドの増殖は、ＯＤ分析によってもモニタリングした。
【００８５】
ｃ．生体ハイブリッド触媒の分析
次いでｇＣ３Ｎ４／ＣｄＳ／ＴｉＣ  シュードモナス・エルギノーザ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｎａｓ  ａｅｒｕｇｉｎｏｓａ）ハイブリッドを間欠光源（５秒間の明期および２秒間の暗期）に曝露した。培地のｐＨは、リン酸塩緩衝液を使用して７．０に維持した。生成物を、３時間経つ毎にＧＣによって分析した。生成物のプロファイルを表３に示す。
【００８６】
実施例６
ＣｄＳ／ＴｉＣ／Ｇｒ−Ｎｐ  オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）微生物（ＭＴＣＣ−９０２６）によるＣＯ２変換
ａ．電気活性微生物の選択および培養
電気活性オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）微生物（ＭＴＣＣ  ９０２６）を単離し、最適化培地中で培養した。すべてのガラス器具および試料は、１２１℃で１５分間の加圧滅菌によって滅菌した。培地組成物は以下の通りであった：（０．４０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．４０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３３ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０５ｇ／ＬのＣａＣｌ２、０．２５ｇ／ＬのＫＣｌ、０．６４ｇ／ＬのＫ２ＨＰＯ４、２．５０ｇ／ＬのＮａＨＣＯ３、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ、０．５％グルコース）。培養物を３０℃で増殖させた。６６０ｎｍでのＯＤをＵＶ可視分光光度計で測定することによって細胞増殖をモニタリングした。
【００８７】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
別の容器に、０．１ｍｇのグラフェンナノ粒子（Ｇｒ−Ｎｐ）および０．１ｍｇのナノＴｉＣを１００ｍｌの脱イオン水中に添加し、続いて超音波処理によって１時間分散させることによって、半導電性ハイブリッドを調製した。続いて、この溶液に０．２ｍＭのＣｄＣｌ２も添加し、さらに３０分間分散させた。この溶液に、電子促進剤としての０．１ｍｇのルテニウム錯体、および表面指向剤として作用させるために０．２ｍｇのラウリル硫酸ナトリウムを添加した。溶液全体を３０分間超音波処理して、均一に分散した溶液を得た。この溶液を１２１℃で１５分間加圧滅菌した。
【００８８】
１ｍｌのオクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）培養物（ＣＦＵ＝２．３＊１０８）に、加圧滅菌したＧｒ−Ｎｐ／ＴｉＣ／Ｃｄ２＋１００ｍｌを添加し、３５℃で２４時間インキュベートした。それと同時に、ＣＯ２およびＨ２Ｓを１０：０．１の流量で、実施例１に示した手順の通りに培地にパージした。培地の色がゆっくりと（４８時間後）薄い白色に変化したことから、Ｇｒ−Ｎｐ／ＣｄＳ／ＴｉＣ  オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ハイブリッドの形成が示された。微生物ハイブリッドの増殖は、ＯＤ分析によってもモニタリングした。
【００８９】
ｃ．生体ハイブリッド触媒の分析
次いでＧｒ−Ｎｐ／ＣｄＳ／ＴｉＣ  オクロバクテリウム・アンスロピ（Ｏｃｈｒｏｂａｃｔｒｕｍ  ａｎｔｈｒｏｐｉ）ハイブリッドを間欠光源（５秒間の明期および２秒間の暗期）に曝露した。培地のｐＨは、リン酸塩緩衝液を使用して７．０に維持した。生成物を、３時間経つ毎にＧＣによって分析した。生成物のプロファイルを表３に示す。
【００９０】
【表３】
2019170370.tif 000004
【００９１】
実施例７
微生物と塩と１種の２Ｄ材料との組み合わせを使用するＣＯ２変換
ａ．実施例−１の記載と同様の方法を使用することによって、様々な組み合わせの半導電性生体ハイブリッド触媒を合成し、最終生成物を分析した。
ｂ．半導電性生体ハイブリッド触媒を合成する間に、２種以上の塩、２Ｄ材料、および電子促進剤を、最終濃度が実施例−１の記載と同じになるように、必要とされる度に等モル量で添加した。
ｃ．すべての実験について、温度を３０℃に、ＣＯ２流量を１ｍＬ／分に固定した。
ｄ．間欠光源（波長＞４００ｎｍ）を使用してすべての実験を実施した。
ｅ．生成物濃度を表４に示す。
【００９２】
【表４】
2019170370.tif 000005
【００９３】
実施例８
粗バイオガスの供給材料としての使用
以下の実施例は、供給材料としてのバイオガスの使用について記載しており、これは、本発明を使用する有価生成物へのＣＯ２変換と共に、バイオガスのアップグレードのための方法として使用することができる。
【００９４】
ａ．電気活性微生物の選択および培養
電気活性セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）ｓｐ（ＥＡ−２）（ＭＴＣＣ  ２５０１７）を単離し、最適化培地中で培養した。すべてのガラス器具および試料は、１２１℃で１５分間の加圧滅菌によって滅菌した。培地組成物は以下の通りであった：（０．６０ｇ／ＬのＮａＣｌ、０．２０ｇ／ＬのＮＨ４Ｃｌ、０．３５ｇ／ＬのＭｇＳＯ４・７Ｈ２Ｏ、０．０９ｇ／ＬのＣａＣｌ２、微量ミネラル（１０００．０ｍｇ／ＬのＭｎＳＯ４・Ｈ２Ｏ、２００．０ｍｇ／ＬのＣｏＣｌ２・６Ｈ２Ｏ、０．２ｍｇ／ＬのＺｎＳＯ４．７Ｈ２Ｏ、２０．０ｍｇ／ＬのＣｕＣｌ２・２Ｈ２Ｏ、２０００．０ｍｇ／Ｌのニトリロ酢酸）、およびビタミン（ピリドキシン・ＨＣｌ  １０．０ｍｇ／Ｌ、チアミン・ＨＣｌ  ５．０ｍｇ／Ｌ、リボフラビン５．０ｍｇ／Ｌ、ニコチン酸５．０ｍｇ／Ｌ、ビオチン２．０ｍｇ／Ｌ、葉酸２．０ｍｇ／Ｌ、ビタミンＢ１２  ０．１ｍｇ／Ｌ、０．５％グルコース）。培養物を３０℃で増殖させた。６６０ｎｍでのＯＤをＵＶ可視分光光度計で測定することによって細胞増殖をモニタリングした。
【００９５】
ｂ．半導電性ハイブリッド溶液の調製
別の容器に、０．１ｍｇのグラフェンナノ粒子（Ｇｒ−Ｎｐ）および０．１ｍｇのナノＴｉＣを１００ｍｌの脱イオン水中に添加し、続いて超音波処理によって１時間分散させることによって、半導電性ハイブリッドを調製した。続いて、この溶液に０．２ｍＭのＣｄＣｌ２も添加し、さらに３０分間分散させた。この溶液に、電子促進剤としての０．１ｍｇのルテニウム錯体、および表面指向剤として作用させるために０．２ｍｇのラウリル硫酸ナトリウムを添加した。溶液全体を３０分間超音波処理して、均一に分散した溶液を得た。この溶液を１２１℃で１５分間加圧滅菌した。１ｍｌのセラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）ｓｐ（ＥＡ−２）（ＭＴＣＣ  ２５０１７）（ＣＦＵ＝２．２×１０８）に、加圧滅菌したＧｒ−Ｎｐ／ＴｉＣ／Ｃｄ２＋２５０ｍｌを添加し、３５℃で２４時間インキュベートした。
【００９６】
ｃ．ＣＯ２およびＨ２Ｓの供給源としての粗バイオガスの使用
２５０ｍｌのＧｒ−Ｎｐ／ＣｄＳ／ＴｉＣ  セラチア（Ｓｅｒｒａｔｉａ）ｓｐ（ＥＡ−２）をガラスカラム（０．５メートル）内に入れた。６０％のＣＨ３、４０％のＣＯ２、および３００ｐｐｍのＨ２Ｓの組成を有する粗バイオガスを、１ｍＬ／分の流量、６５０秒の滞留時間で培地にパージした。カラムを間欠光源（５秒間の明期および２秒間の暗期）に曝露した。培地のｐＨは、リン酸塩緩衝液を使用して７．０に維持した。
【００９７】
ｄ．生成物の分析
出口ガスをテドラーバッグ中に収集し、ＧＣによって分析した。その結果から、出口ガスの濃度は９８％のＣＨ３および２％のＣＯ２であったことが示される。
【００９８】
２４時間後にカラムリアクターから５ｍｌの生成物を収集し、遠心分離し、ＧＣによって分析した。間欠光では、１．８７ｇ／Ｌのメタノール、０．６１ｇ／Ｌのエタノール、および０．９５ｇ／Ｌの酢酸が得られたことが見出された。
【図１】
2019170370.tif 000006
【図２】
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【図３】
2019170370.tif 000008
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019170370.tif 000012
【外国語明細書】
2019170370000001.pdf