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    北京大学鲁安怀研究团队在矿物与微生物交互作用研究中取得创新性进展

    日期 2012-04-24   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第9期
    (总第615期)

      北京大学地球与空间科学学院鲁安怀教授研究团队,与主要合作者北京大学工学院吴晓磊教授和中国地质大学(北京)董海良教授等,在矿物与微生物交互作用这一国际前沿交叉学科研究方向上所取得的创新性研究进展,于2012年4月3日全文(Article形式)发表在《自然》子刊《自然•通讯》上。

      长期以来,人们一直认为地球上微生物生命活动的能量来源主要是太阳能和化学物质(包括有机物和无机物)储存的能量。相应地,光能营养与化能营养成为地球上微生物生长代谢的两种基本的能量营养模式。传统的经典理论认为,光能营养型微生物由于含有光合色素,可利用太阳能将二氧化碳、水和其它无机物质合成为自身组成部分与营养物质。而化能营养型微生物由于缺少光合色素,自身不能直接转化与利用太阳光能量,只能从物质化学反应中通过元素化合价变化获取价态电子能量。

      鲁安怀教授等人的研究成果对这些理论的普适性提出了挑战。他们发现,自然界常见的半导体矿物如金红石(TiO2)、针铁矿(FeOOH)和闪锌矿(ZnS)等,在可见光下发生光催化作用所产生的光生电子,可沿着半导体矿物与微生物之间所形成的长程电子传递链最终传递给微生物,刺激并促进非光合化能自养型微生物氧化亚铁硫杆菌(A. ferrooxidans)和非光合化能异养型微生物粪产碱杆菌(A. faecalis)的大量生长,并能显著改变土壤微生物群落构成。实验研究证实,半导体矿物日光催化作用促进非光合化能型微生物的生长量,与光子能量(波长)和光子-电子转化效率呈密切正相关关系。在固定光强(8 mW/cm2)下,当波长从620 nm依次递减到420 nm时,氧化亚铁硫杆菌的细胞浓度增加一个数量级,体系光子-电子转化效率也从0.17 %升高到0.33 %。在此条件下整个体系的光能-生物质能转化效率为0.13 ‰到0.18 ‰。在模拟日光条件下,非光合化能异养型微生物粪产碱杆菌的细胞浓度较暗室无光照条件下增加三个数量级。粪产碱杆菌在天然红壤微生物群落中的比例从初始不到5%左右,5天后迅速增加到70%左右,且一直维持在该浓度水平,相应暗室模拟对照实验中该菌比例却只有8%左右浓度水平。充分表明光生电子能够显著提高微生物的代谢活性与生物化学合成速度以及底物利用能力,预示这些微生物可以利用光生电子作为能源:继光能营养型微生物和化能营养型微生物之后发现的第三种类型—“光电能营养型微生物”。

      该研究成果将会完善人类对地球上微生物生命活动、能源获取与利用方式的理解,也为探索地球早期生物质能量的获取途径提供了新思路,不但具有重要的理论意义,而且在发展新型的微生物培养技术、发酵工业技术、生物化工技术和环境生物技术等方面,具有广阔的应用前景。

      鲁安怀教授的研究团队长期得到国家自然科学基金资助,并在近期完成了负责的973项目的研究工作。本论文的研究工作由矿物学、生物学、地质微生物学与环境科学等领域研究人员多年合作完成,充分体现交叉学科研究特色。

      近年来,鲁安怀教授研究团队有关的前期研究成果业已发表在如《Elements》, 《Environment Science & Technology》, 《Mineralogical Magzine》, 《Catalysis Today》, 《Energy & Fuels》, 《Solar Energy Materials & Solar Cells》和 《Geomicrobiology Journal》等国际重要SCI刊物上,其中在多个刊物上是连续发表。该研究团队还在国际SCI刊物《Elements》上组织出版主题为“Minerals, Microbes and Remediation”国际上第一部系统综述矿物与微生物交互作用的论文集,在国际SCI刊物《Geomicrobiology Journal》上组织出版中国矿物与微生物研究专辑“Geomicrobiology Research in China: Mineral-Microbe Interactions”,在国际上相关研究领域产生了一定影响,并占有一席之地。鲁安怀教授因此连任国际矿物学协会(IMA)5位专家执行理事之一,并分工联系国际矿物学与生物学及环境科学交叉研究方向工作。

    (地球科学部 姚玉鹏)




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