微生物靠吃电子来减少二氧化碳

　　来自华盛顿大学的一个研究小组展示了一种叫做沼泽红假单胞菌的光营养微生物是如何从金属氧化物或铁锈等导电物质中吸收电子以减少二氧化碳的。图：Bose laboratory, Washington University 

　　来自圣路易斯华盛顿大学的这项新研究解释了一个细胞过程：让热爱阳光的微生物“吃”电，即转移电子到体内来固定二氧化碳，从而促进其生长。 

　　生物学助理教授Arpita Bose和实验室博士生Michael Guzman及其研究团队进行了该研究，展示了自然生成的沼泽红假单胞菌如何从金属氧化物或铁锈等导电物质中吸收电子。该研究已于3月22日发表在《自然通讯》杂志上。

　　先前Bose曾进行过一项研究，她发现沼泽红假单胞菌TIE-1可以消耗铁锈等物体的电子，这一过程称为细胞外电子吸收。沼泽红杆菌是光营养菌，意味着它是利用光的能量来进行某些代谢过程。

　　Bose研究的正是微生物代谢及其对生物地球化学循环的影响，她说道：“这是第一次清楚地显示出了生物体吃电与固碳之间的关系。”

　　这项机制有助于人们利用微生物的自然能力进行可持续的能源储存，或实行其它的生物能源应用。

　　Bose表示：“在野外的区域，比如马萨诸塞州伍兹霍尔的一座生锈的桥上，都能发现沼泽红假单胞菌的菌株。你可以在任何地方找到这些生物。这表明细胞外的电子摄取过程实际上可能非常普遍。”

　　Guzman补充道：“最主要的挑战是，沼泽红假单胞菌是一种厌氧生物，所以你得在无氧的环境中培植它，以便它获取光能。但另一方面，这个有机体中有许多其它有机体所没有的多功能性。”

　　研究人员发现，摄取电子后，电子会进入到对光合作用很重要的膜中的蛋白质里。更令人惊讶的是，当他们删除了这种微生物固碳的能力时，它吃电子的能力也下降了90%。

　　“它是真的想用这个系统来固碳，”Bose说，“如果你取走了它这种天生的能力，它就再也不想吃电子了。”

　　Bose表示：“这种微生物为其氧化还原池充了电，储存电子并使其高度还原。为了排出它，细胞减少了二氧化碳。所有这些工作的能量都来自阳光。整个过程不断重复，细胞只用电、二氧化碳和阳光就能制造出生物分子。”

　　该团队克服了许多技术障碍来完成这项研究。来自麦凯维工程学院的Mark Meacham设计制造了微流体装置，使研究人员能够深入研究细胞内的活动。该团队还得到了其他合作者的支持，包括地球与行星科学部的David Fike，他用了二次离子质谱法来确定微生物使用二氧化碳的过程。

　　Guzman说：“很长一段时间以来，人们都知道微生物可以与环境中电极的类似物相互作用，也就是带电的矿物质。但没有人真正理解这种过程如何由光自养生物来完成，例如那些能固碳并利用光来产生能量的生物。这项研究填补了人们对该领域理解不足的空白。”

　　Bose的实验室正致力于利用这些微生物制造生物塑料和生物燃料。

　　Bose表示：“我们希望这种将电和光结合起来减少二氧化碳的能力，能够帮助找到解决能源危机的可持续解决方案。”