福建農林大學周順桂團隊Nat. Commun.：微生物能量利用新途徑效益

圖片摘要

水伏能驅動的微生物生長示意圖

成果簡介

近日，福建農林大學資源與環境學院周順桂教授團隊在《Nature Communications》期刊發表了題爲“Growth of electroautotrophic microorganisms using hydrovoltaic energy through natural water evaporation”的研究論文。該研究首次證實了水蒸發可以驅動微生物生長，即水蒸發產生的水伏電子可以爲微生物提供能量並維持其代謝生長。該團隊此前已經證實，基於微生物的生物膜可以通過水蒸發產生水伏電能。然而，水伏能被微生物利用作爲能量來源維持生長和代謝的潛力，尚未見報道。本研究發現，電能微生物（Electroautotrophic Microorganism）可以直接攝取並利用水蒸發誘導的水伏胞外電子在生物膜內進行生長。該研究揭示了自然界中潛在但尚未被發現的微生物能量利用新途徑，爲深入認識微生物能量來源形式提供了新視角，爲理解地表水循環新功能提供了新認識。

能量的供給與利用是地球上一切生命形式的基本科學問題。目前公認的微生物能量來源有光能和化學能兩種：即太陽能（太陽光子）和化學能（元素價電子）。太陽光子和元素價電子也是微生物生長的兩種能量來源，被分別稱爲光能微生物和化能微生物。2004年，美國微生物科學院院士Lovley RD教授報道了一則里程碑式的發現：某些微生物可直接利用電能生長增殖（即通過電極供應的直流電，經由電極從微生物胞外傳入胞內），暗示自然界可能存在一類全新能量代謝類型的微生物——電能微生物。與光能或化能微生物的電子攝取方式不同，電能微生物所利用的電子來自細胞胞外（即胞外電子，Extracellular Electron）。水蒸發是全球水循環中普遍存在的自然物理過程，每年水蒸發量約爲520億立方米，是全球人類可利用水資源量的57倍。傳統觀點認爲：水能到電能的轉化只能通過“水勢能→機械能→電能”的過程。最新研究發現，水蒸發過程中水分子與材料親水基團的相互作用，可以實現直接將環境熱能轉化爲可持續的水伏能。該團隊前期證實，活體微生物生物膜中水蒸發也可以產生水伏電能。然而，水蒸發誘導的水伏胞外電子能否被微生物作爲一種新能源來維持生長和代謝，仍有待探索。

圖文導讀

水伏能驅動微生物的生長

爲了探索水蒸發誘導的水伏能作爲微生物代謝能量來源的潛力，我們以典型的電能微生物沼澤紅假單胞菌（Rhodopseudomonas palustris）爲模式微生物，研究其在水蒸發過程中的自養生長。結果表明，沼澤紅假單胞菌在水蒸發過程中能夠實現細胞生長，並同時實現CO₂固定和NO₃^–還原，表明水蒸發產生的水伏能能夠維持細胞的代謝活性。激光共聚焦圖像顯示，水蒸發生物膜中的活/死比可達7:1，是無水蒸發對照組的70倍。

圖1 水伏能驅動的微生物生長

生物膜中水伏電子的產生機制

沼澤紅假單胞菌生物膜通過水分蒸發產生0.52~0.87 μA的可持續短路電流和0.29~0.34 V的開路電壓，負載電流到達0.25~0.50 μA，可持續至少50天。相反，在沒有水蒸發的情況下，生物膜產生的短路電流和開路電壓可以忽略不計，這表明生物膜是直接依賴於水蒸發過程來產生電能。水伏電子的產生可能始於水分子在生物膜中的毛細管傳輸。水分子的自發蒸發導致生物膜內形成自下而上的水分梯度，從而致使水分子的向上毛細管傳輸。當水分子在生物膜的毛細管通道中流動時，生物膜中帶負電的納米通道排斥OH⁻離子，同時允許H⁺在蒸發驅動的水流中通過。這個過程建立了一個流動電勢，從而產生了一個水伏電場。

圖2 生物膜中水伏電子的產生過程

水伏電子驅動微生物生長的機制

爲了驗證沼澤紅假單胞菌在水蒸發過程中的CO₂固定，用¹³C-NaHCO₃進行了穩定同位素測定。結果表明，在水蒸發過程中，沼澤紅假單胞菌通過自養固定CO₂，並將其作爲碳源維持細胞生長。同時，NO₃⁻還原效率與水分蒸發呈線性相關，這可能歸因於持續穩定的水伏能供應支持了生物膜的代謝。總之，我們提出了一種新的微生物生長模式，其特徵是通過吸收水分蒸發過程產生的電子來維持細胞生長和代謝。水蒸發、CO₂固定和NO₃⁻還原之間的相互作用顯然對維持沼澤紅假單胞菌的細胞生長和代謝過程至關重要。轉錄組學分析表明，與胞外電子攝取途徑相關的蛋白、能量轉化組分、CO₂固定途徑和NO₃⁻還原過程相關的轉錄水平都顯著提高。以上實驗結果表明水伏電子可以充分激發微生物代謝。

圖3 水伏能驅動的微生物代謝過程

圖4 沼澤紅假單胞菌的轉錄組分析

電能微生物利用水伏電子的廣譜性

作者還研究了水伏能驅動微生物生長代謝的廣泛性，包括其他自養電能微生物、典型的異養電能微生物和非電能微生物。其中自養電能微生物的生物膜在水蒸發過程中顯示出明顯的細胞增殖，以及高的細胞存活率。相反，兩種典型的異養電能微生物和兩種非電能微生物幾乎沒有表現出明顯的生長。此外，在自養電能微生物生物膜的水伏電子累積與微生物生長和代謝過程之間存在顯著的正相關性。這些結果驗證了自養電能微生物可通過胞外電子攝取途徑利用水伏電子進行生長和代謝。

圖5 不同微生物對水伏能的利用