微米级零价铁增强地芽孢杆菌-红假单胞菌共培养的光依赖无机碳同化

《Bioresource Technology》：Microscale zero-valent iron enhances light-dependent inorganic carbon assimilation in a Shewanella oneidensis– Rhodopseudomonas palustris coculture

　　

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  微米级铁矿物桥接电子传递以驱动光养型CO₂固定。
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  微米级铁在电子传递效率与微生物生物相容性之间取得平衡。
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  矿物介导的电子传递超越了可溶性Fe(II)穿梭机制。
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  电子流与还原力需求及碳同化过程耦联。
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  该概念为光照厌氧生物界面的碳捕集提供了理论依据。

引言

过去50年间大气CO₂浓度的非线性增长推动了创新微生物碳封存策略的开发。生物技术为将CO₂转化为高附加值化学品提供了可持续途径（Liu et al., 2020）。在众多微生物底盘中， anoxygenic光养细菌Rhodopseudomonas palustris（沼泽红假单胞菌）因其代谢多样性而被广泛应用（Larimer et al., 2003, McKinlay and Harwood, 2010）。该菌可进行光自养和光异养生长，能够利用多种电子供体（如H₂、Fe(II)、乙酸、丙酮酸）高效同化CO₂，且环境足迹小（Bose et al., 2014, Guzman et al., 2019, Haas et al., 2022）。

尽管潜力巨大，纯培养R. palustris的碳固定效率往往受限于电子供体的有限可用性和缓慢的摄取动力学。例如，通过胞外电子摄取（EEU）途径从固体矿物中提取电子时，生物量产率比光异养条件下低数个数量级，同时细胞倍增时间延长（通常超过70–100小时）（Bose et al., 2014, Gupta et al., 2021）。虽然零价铁（ZVI）是一种丰富且热力学有利的电子供体，但光养菌对其利用可能受到矿物-细胞界面电子传递效率低下的限制（Lovley, 2022, Shi et al., 2016）。近期研究表明，尽管ZVI可作为固相电子供体将纯培养R. palustris的光自养CO₂固定量提高至多15%，但由于生物-ZVI界面的表面钝化和次优氧化还原电位，其未能实现黑暗条件下的CO₂固定（Lu et al., 2025）。电微生物学领域的最新进展表明，建立微生物联合体可有效绕过这一物理限制（Ha et al., 2017, Liu et al., 2021）。引入以卓越的胞外电子传递（EET）能力著称的电活性细菌（EAB），如Shewanella oneidensis（嗜沙门氏菌），为改善矿物-细胞界面的电子传递提供了潜在手段。具体而言，S. oneidensis MR-1通过c型细胞色素、导电附属物和可溶性黄素穿梭体介导EET（Gao et al., 2025, Gorby et al., 2006, Marsili et al., 2008）。鉴于R. palustris也可从 poised电极或电共生伙伴接受电子以固定CO₂（Guzman et al., 2019, Liu et al., 2021），我们推测S. oneidensis可促进ZVI来源的还原当量向R. palustris的转移以支持CO₂固定。因此，选择这两株菌作为定义明确的模型联合体，将矿物相关EET与光驱动CO₂同化相结合。这一实验组装的合作体系基于功能互补性，而非自然环境中已确立的专性互利共生关系。该配对提供了一个易于操作的系统，用于考察电活性伙伴如何影响光养碳同化，从而为矿物辅助碳固定联合体的设计提供信息。然而，Fe⁰驱动的这一协同关联是否以及如何促进R. palustris的CO₂固定和生长，仍有待探索。

为充分利用该生物-无机系统，必须解决两个科学谜题。首先是ZVI颗粒的尺寸效应。虽然纳米级ZVI（nZVI）反应活性极高，被广泛认为是一种更优的电子供体（Dong et al., 2019），但它往往通过氧化应激和膜破坏引发严重的纳米毒性（Li et al., 2022, Sun et al., 2019）。微米级ZVI（mZVI）可能提供更均衡且持续的电子供应，并具有更优的生物相容性（Xu et al., 2024）。其次，需要阐明共培养体系中根本性的电子传递路径。此处，ZVI主要作为固体电子供体引入，同时Fe⁰氧化也可能提供可溶性Fe(II)。尽管已知R. palustris可通过氧化可溶性Fe(II)进行光铁营养生长（Haas et al., 2022），铁颗粒可能额外提供导电界面以促进S. oneidensis与R. palustris之间的电子传递。因此，核心机制问题在于：ZVI主要通过提供可溶性Fe(II)还是通过矿物介导的种间电子传递来支持CO₂固定。这些角色可能共存，细胞色素、导电附属物和可溶性介导物可能参与后者途径（Gorby et al., 2006, Tang et al., 2019, Thapa et al., 2025）。

因此，本研究旨在探究S. oneidensis与R. palustris共培养体系中的ZVI驱动光-电协同作用。通过整合生理学、电化学和宏转录组学分析，我们拟：(1)比较纳米级和微米级ZVI（nZVI和mZVI）在碳同化和细胞毒性方面的差异，(2)考察可溶性Fe(II)介导的电子传递与矿物介导的种间电子传递的可能贡献，以及(3)评估两株菌互补功能如何将铁相关电子传递与CO₂固定联系起来。

章节摘要

微生物菌株、预培养与材料

R. palustris（CGMCC 1.2180）和S. oneidensis MR-1（ATCC 700550）购自中国普通微生物菌种保藏中心（中国北京）。在30°C、150 rpm条件下，S. oneidensis在Luria-Bertani（LB）肉汤中进行好氧预培养；R. palustris则在含有10 mM丁酸钠的确定成分淡水矿物培养基中进行厌氧预培养，光照条件为4000 lux，温度为30°C。分别收集两株菌对数生长后期的细胞并洗涤。将两个细胞悬液

颗粒尺寸对共培养生长、碳同化和膜完整性的影响

初步实验证实，200 mg/L的ZVI是在电子供体能力与生物相容性之间取得平衡的最佳剂量（图S1）。为严格阐明光电协同联合体中的协同相互作用，建立了平行的单培养和共培养体系。值得注意的是，在添加ZVI的单培养体系中，S. oneidensis MR-1在厌氧光照且未添加有机底物的条件下，OD₆₀₀略有增加（图S2）。ZVI腐蚀可产生H₂

结论

微米级铁矿物提供了生物相容的电子传递界面，增强了光照下S. oneidensis与R. palustris共培养体系中的光自养CO₂固定。与nZVI相比，mZVI兼具持续电子传递和较低膜损伤的特点，在反应活性与细胞相容性之间实现了更有利的平衡。生理学、同位素、电化学、形态学和宏转录组学证据将这一响应与增强的胞外传递联系起来

CRediT作者贡献声明

Zhengyang Lu（陆正阳）：撰写——初稿、软件、方法学、调查研究、形式分析、数据整理、概念构思。Yanwen Shen（沈延文）：撰写——审阅与编辑、可视化、监督指导、软件、资源、项目管理、经费获取。Xiaohong Guan（关晓红）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督指导、资源、项目管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家重点研发计划（项目编号：2021YFA1201701）和国家自然科学基金（项目编号：22278266）的资助。

Zhengyang Lu|Yanwen Shen|Xiaohong Guan