生物-无机复合材料体系在能源和纳米材料领域有极大的应用潜力,特别是在人工光合作用和功能复合材料方面。DNA、短肽、蛋白质、噬菌体和细菌等生物材料或生物系统都已经被成功用于复合材料的构建。然而在这些体系当中,DNA的稳定性较差且较难实现大规模生产;短肽和蛋白质的合成和纯化过程较为繁琐;噬菌体的衣壳蛋白只能融合短肽,无法提供更多的功能性;对于细菌来说,直接在细胞表面合成或者负载无机材料,细胞的表面积较小限制了无机材料的合成效率,且合成的无机材料与细胞直接接触会对其产生一定的毒害作用。总的来说,目前构建复合材料体系大多数是静态的方法,缺乏天然材料本身具备的多层次性和高阶复杂性。此外,现有的生物-无机复合材料体系由于生物模板制备或纯化步骤的繁琐性以及较低的合成效率,因此较难实现大规模生产。针对上述问题,本论文从天然的多级自组装复合材料（如牙齿、骨头和贝壳）获得灵感,提出采用自然界中研究较为透彻的大肠杆菌生物被膜作为模板,并利用其形成过程的动态自组装特征来构建新型的生物-无机复合材料。生物被膜是由自分泌的胞外基质包裹细菌组成的整体结构。本论文制备的复合材料利用并经由生物被膜的动态自组装而形成,因此具备多维、多层次性以及易于大规模生产等特征。为了更好的控制复合材料的形成,本论文还特别引入合成生物学的工具,将蓝光光控的基因环路pDawn引入大肠杆菌,利用蓝光光照来控制生物被膜蛋白CsgA的分泌和胞外自组装,从而时空调控复合材料的组装和形成。在本论文的具体实施过程中,通过基因工程的方法在生物被膜curli纤维的主亚基蛋白CsgA的C端融合了两种功能肽段:组氨酸标签His-tag和促进无机纳米材料CdS成核的肽段A7。本论文利用这两种功能肽段发展了两种友好的生物-无机复合材料体系构建方法,第一种基于组氨酸标签可以在生物被膜表面进行多种不同的纳米材料的动态自组装,另外一种基于A7矿化肽段则可以在生物被膜表面进行CdS纳米颗粒的矿化。利用构建的两种生物-无机复合材料体系,论文进一步发展了可循环利用的催化体系和人工光合作用体系。论文的第一部分,特别引入了“NTA-Metal-His”的配位化学,在纳米材料表面修饰NTA配体,从而在纳米材料和生物被膜之间建立了特异性的结合作用力。基于纳米材料和大肠杆菌共培养的方法实现了单种或多种纳米材料在生物被膜curli纤维表面的定向和复合自组装。此外,基于生物被膜的固有粘性实现了纳米材料在不同的表面或界面的涂层技术。最后,通过纳米材料在培养基中的添加顺序,实现了纳米材料在二维平面和三维曲面的层层自组装。研究表明利用这种新颖的纳米材料动态自组装技术不仅可以制备概念上的新材料,并且所制备的结构具有多样可调性,在电子装置、光电器件和可穿戴设备等领域都有着巨大的应用潜力。论文的第二部分,利用基因工程改造的光感细菌能响应外界蓝光光照的特性,实现了按人为预先设定的方式时空可控地对溶液中的无机纳米材料进行动态自组装。为此,特别地将光控基因环路pDawn引入生物被膜的分泌体系,通过蓝光来控制主亚基蛋白CsgA的产生和分泌。同时,结合论文中建立的纳米材料和生物被膜的特异结合方法,成功实现了纳米材料在二维平面的布阵自组装。由于光的空间分辨率可调,纳米材料布阵图案的形状和大小可以通过预先设计的图案掩膜来进行控制。布阵图案中纳米材料的种类则可以通过在培养基中添加的纳米材料组分来进行控制。论文的第三部分,尝试利用生物被膜体系负载无机纳米材料的方法,解决纳米催化剂在使用过程中面临的泄露和再回收的难题。为此,依据已经建立的生物-无机复合材料体系发展了两个易操作、大规模、可调控和可循环的催化反应体系:生物被膜绑定的金纳米颗粒作为催化剂还原对硝基苯酚;生物被膜固定的CdSeS@ZnS量子点用于光催化产氢。除此之外,本章节还利用氧化聚合的原理以生物被膜作为成核点在生物被膜表面合成聚吡咯,成功构建了导电复合材料。论文的第四部分,构建能表达CsgA_A7（A7是9个氨基酸组成的CdS矿化短肽）的重组大肠杆菌,并在生物被膜的培养过程中,通过在培养基中添加镉源和硫源,成功实现CdS纳米材料在生物被膜胞外纤维表面的矿化。最后,基于矿化的CdS纳米颗粒,建立了两种人工光合作用体系:光催化三甲基丙酮酸还原生成叔亮氨酸,以及光催化下的氢化酶产氢。总之,本论文利用可基因编程的细菌生物被膜技术平台,探索了生物-无机纳米复合材料的制备以及这种复合材料在电子器件、可循环纳米催化和人工光合作用等方面的应用。值得一提的是利用该方法合成的生物-无机复合材料体系中,无机组分是在生物被膜curli纤维上通过特异性绑定或通过生物仿生矿化而生成（而非细胞表面沉积或生成）,因而可以减少对细胞的损害,说明细菌生物被膜可以作为新的平台来发展界面相容的生物-无机复合材料。由于生物被膜在自然界中广泛存在,极易放大生产,并具备其他优异功能,如希瓦氏菌生物被膜具备导电能力。因此本论文构建的生物-无机复合材料体系将不仅在人工光合作用方面发挥重要作用,同样在电学、光学和器件等多方面具有较大应用前景。