半人工光合系统结合了光催化材料的优异吸光性能和生物催化的高选择性，与基于细胞的半人工光合系统相比，光电子在光催化材料和生物酶的活性中心之间的转移更为高效，可避免因生物质积累导致的产物和能量损失。因此，非生物-生物界面间的快速定向电子转移为基于酶催化的氧化还反应原活性和选择性的调控提供了可能。

氮是生命的基本元素，氮素的转换在化学工业和自然生态系统中起着至关重要的作用，在酶水平上精确调控生物转化途径对于硝酸盐的绿色处理和可持续利用具有重大的科学和技术意义。

近日，清华大学刘锐平教授和中国科学技术大学陈洁洁教授合作，构建了一种氮化碳半导体-生物酶杂合体，利用电子定向转移使硝酸盐的还原产物稳定控制为亚硝酸盐，其选择性高达 95.3%。该研究为调控非生物-生物界面间电子转移提供了新思路，也为氮污染控制和可持续利用提供了新途径。

该研究将富含氰基的氮化碳（g-C₃N₄-CN）与反硝化酶中的硝酸还原酶（NarGH）结合，实现了硝酸盐到亚硝酸盐的高选择性转化。氰基基团为光电子从g-C₃N₄-CN纳米片转移到粗酶的中的NarGH提供了独特的途径。利用纯化的 NarGH 和亚硝酸还原酶（cd1NiR），揭示了一种依赖于酶类型的电子定向传递机制，并通过分子动力学模拟和实验研究证实了这一机制。光-酶协同还原生成亚硝酸盐还可以与其他微生物氮转化途径相耦合，如厌氧氨氧化（Anammox）和硝酸盐异化还原成铵（DNRA），使生物脱氮和合成氨效率显著提升。

这项研究提出的非生物-生物界面的电荷定向转移策略，仅需使用简单步骤获取粗酶即可调控反应的选择性，避免了复杂酶纯化制备流程，可减少酶损失和降低成本，为基于光合生物杂的硝酸盐可持续利用和其他生物转化过程的选择性调控提供了一条新途径。