矿物电子驱动光磷酸化对光合细菌进化和生态环境变化的潜在影响

《Journal of Advanced Research》：A mineral-electron-driven photophosphorylation has potential impacts on photosynthetic bacteria evolution and ecological environment changes

　　

在本研究中，研究人员报告了从火山岩中激发的光电子可以进入沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris K7）的光合链，并参与矿物电子驱动光磷酸化反应。研究人员发现矿物光电子能够促进细菌细胞中光合系统的发展。进一步研究证实，尽管当细菌细胞与火山岩连接时，细菌细胞捕获的光子能量较少，但更多的矿物光电子能够沿光合链传递并与ATP生成偶联。研究人员将这种新型光合途径命名为“矿物辅助光磷酸化”（mineral-assisted photophosphorylation）。在该途径的支持下，光合细菌的碳同化效率显著提高。由矿物光电子支持的光合细菌额外碳固定可能加速环境中的碳循环，从而对生态环境变化产生影响。

**论文解读文章：矿物电子驱动光磷酸化对光合细菌进化和生态环境变化的潜在影响**

**研究背景与问题**
岩石圈与大气圈、水圈和土壤圈紧密相关，其中的矿物与细菌在时空尺度上存在密切相互作用。矿物通过元素氧化还原反应为细菌提供能量，例如某些还原性金属化合物的氧化被认为是原始细菌最早的能量来源。此外，许多金属硫化物和氧化物矿物具有半导体特性，可在光照下释放光电子。这些光电子携带的能量是自然界中继太阳能和价电子能之后的另一种重要能量形式。已有研究证实，细菌细胞能够捕获半导体材料释放的光电子，并用于还原力生成，但这类光电子是否能整合到细菌内源电子传递链（如呼吸链或光合链）中，形成新的电子流从而驱动ATP生成，仍不清楚。光合细菌作为重要的初级生产者，自34亿年前以来对地球演化和生物圈能量供给发挥了关键作用，其代谢活动显著影响全球碳、氮、硫循环。火山岩富含半导体矿物，其广泛分布可能为光合细菌提供额外电子来源，但这一机制尚缺乏直接证据。因此，本研究旨在探索火山岩激发的光电子是否能够进入光合细菌的光合系统并参与能量代谢，进而影响细菌生长、碳固定及生态环境。

**研究内容与结论**
研究人员以沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris K7）为模型，构建了细菌-火山岩颗粒体系，通过光电化学测试、生长曲线测定、ATP和NADPH/NADP⁺比值分析、基因表达检测、光合色素含量测定、原子力显微镜（AFM）、循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）、电化学阻抗谱（EIS）及超快瞬态吸收光谱（TA）等技术，系统研究了矿物光电子对光合细菌能量代谢和碳固定的影响。结果表明，火山岩颗粒在光照下可释放低电位光电子，这些光电子能进入细菌光合链，并驱动ATP生成，该途径被命名为“矿物辅助光磷酸化”。在矿物光电子支持下，细菌细胞生长速率提高两倍以上，光合色素（如细菌叶绿素a和类胡萝卜素）含量显著增加，光合系统相关基因（如bchP、crtB、pufL、CYC、pioB、qor）表达上调，反应中心复合物RC-LH1的尺寸增大、电化学活性增强、电子传递效率提高，而捕光复合物LH2的尺寸和活性相应降低。此外，矿物光电子促进了CO₂固定，使甘油醛-3-磷酸（G3P）含量增加，表明碳同化效率提升。该研究发表在《Journal of Advanced Research》。

**主要技术方法**
研究人员利用光电化学测试（光电流测量）验证火山岩颗粒与细菌间的电子传递；通过原子力显微镜（AFM）表征光合蛋白复合物LH2和RC-LH1的形态变化；采用循环伏安法（CV）、线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）评估蛋白质的电化学活性及电化学表面积（ECSA）；运用超快瞬态吸收光谱（TA）分析能量转移动力学；通过qRT-PCR检测光合相关基因表达；使用高效液相色谱或分光光度法测定ATP、NADPH/NADP⁺比值、光合色素和G3P含量。样本来源为沼泽红假单胞菌（Rhodopseudomonas palustris K7）实验室培养体系，未涉及临床或野外样本队列。

**研究结果**
**Determination of the growth rate of bacterial cells under different treatments**
**Photoelectrochemical activity of the lava particles and electron transfer to R. palustris K7**：火山岩颗粒富含Fe、Ti、Mn基半导体矿物，在光照下释放低电位光电子，细菌-火山岩体系产生20–30 nA稳定电流，表明电子转移发生。
**Effect of external photoelectrons on bacterial growth under different light conditions**：在全波长光照下，连接火山岩的细菌细胞生物量积累更高；在部分波长（>700 nm缺失）光照下，单独培养的细菌生长极差（144 h后仅0.49×10⁶ cells/mL），而连接火山岩的体系达到1.14×10⁶ cells/mL，且细胞分裂相关基因FtsZ表达上调。
**ATP and NADPH/NADP⁺ ratio measurements**：连接火山岩的细胞中NADPH/NADP⁺比值升高，表明矿物光电子参与还原力生成；全波长光照下ATP含量为对照组的1.84倍；部分波长光照下，连接火山岩的细胞ATP含量恢复，弥补了能量缺口。
**Development of the photosynthetic system of bacterial cells with/without lava connection**
**Gene expression analysis of components in the photosynthetic system**：在全波长光照下，连接火山岩的细胞中bchP、crtB、pufL表达分别上调16%、17%、37%；部分波长光照下，连接火山岩的细胞中这三个基因表达量分别为单独培养的7.8、8.07、13.58倍。CYC、pioB、qor在部分波长光照下表达下降，但连接火山岩后恢复。
**Changes in the bacteriochlorophyll-a and carotenoid contents**：全波长光照下，连接火山岩的体系细菌叶绿素a（Bchl-a）浓度为1.31 nmol/mL，单独培养为0.50 nmol/mL；部分波长光照下，连接火山岩的体系Bchl-a从0.16增至2.40 nmol/mL，单独培养仅0.62 nmol/mL。类胡萝卜素含量变化趋势类似。
**Electron and energy transfer characteristics in the photoreaction center**
**Structural and electrochemical characterization of LH2 and RC-LH1**：AFM显示，连接火山岩后LH2平均直径从4.48 nm降至3.97 nm，RC-LH1从4.12 nm增至5.23 nm。CV显示LH2电容降低6.00%，RC-LH1电容升高（221.59 μF vs 217.99 μF）；LSV显示RC-LH1在低电位下电流强度增加；ECSA分析显示LH2降低4.27%，RC-LH1增加4.78%；EIS显示RC-LH1电阻降低近50%，LH2电阻升高。
**Ultrafast transient absorption spectroscopy of LH2 and RC-LH1**：TA显示，在622 nm探测下，连接火山岩后LH2的激发态衰减时间从3.81 ps延长至14.45 ps，表明光捕获效率降低；而RC-LH1的衰减时间缩短至约1.33 ps，表明电荷转移加速。
**CO₂ assimilation in the R. palustris K7-lava particles system**：培养72 h后，连接火山岩的体系CO₂残留量更低（6.42 mg/L vs 6.98 mg/L），细胞数量更多（6.75×10⁶ vs 4.81×10⁶ cells），G3P含量更高（7.32 nmol/mL vs 2.20 nmol/mL），表明每个细胞用于碳固定的电子数增加2.34倍以上。

**讨论与结论**
**讨论**：火山喷发形成的熔岩生态系统有机底物匮乏，自养细菌（如光合细菌）在早期定殖中起关键作用。尽管光合细菌利用光能进行CO₂固定已知，但矿物光电子可能作为重要的补充电子来源。多项证据表明，光电子可从反应中心位点进入光合系统，并沿光合链传递驱动ATP合成：①外源光电子电位低于RC-P870*，理论上可流入；②AFM显示RC-LH1直径增大，表明电子通量增加；③TA显示RC-LH1衰减动力学加快，表明电荷分离和转移增强；④qRT-PCR显示反应中心蛋白表达上调；⑤抑制剂HQNO（阻断醌池位点电子传递）可抑制ATP合成增强效应，提示光电子进入位点在醌池上游、反应中心附近。因此，研究人员将这一新发现的途径命名为“矿物辅助光磷酸化”。光合细菌由此获得额外能量优势，可在含半导体矿物的环境中占据稳定生态位。地球表面广泛分布的Fe、Mn氧化物涂层和悬浮颗粒可产生大量光电子（估算每平方米岩石涂层每秒产生2.23×10¹⁶个光电子），构成全球尺度的光捕获系统，拓宽太阳能利用。光合细菌从34亿年前至今对地球生物地球化学产生根本性改变，其碳固定效率提升可能加速环境碳循环，并影响生态系统的变化。
**结论**：本研究揭示了半导体矿物与光合细菌之间的新关系。火山岩激发的光电子可被光合细菌捕获并用于ATP生成。当外源光电子可用时，细菌细胞生长速率提高两倍以上。光电子正向促进光合色素合成和光合系统形成，发育良好的反应中心具有更高的电子接受、储存和传递效率，使更多光电子进入光合链以产生更多ATP。在矿物光电子支持下，细菌细胞碳固定能力增强，可能加速环境碳循环。矿物光电子对碳同化的促进可能直接加速光合细菌的进化速率，而光合细菌更高的进化速率和代谢活性反过来可能自其进化之初就影响了含半导体矿物生态系统的变化。