非光合微生物利用光能通过矿物光催化剂生长

北京大学工学院，2012-4-6

北京大学工学院吴晓磊教授、北京大学地球与空间科学学院鲁安怀教授和李艳博士研究团队与中国地质大学（北京）董海良教授等，近期在矿物与微生物交互作用这一国际新型前沿交叉学科研究领域取得了创新性研究成果，并于2012年4月3日在《自然》子刊《自然•通讯》（Nature Communications，2012，卷期 DOI：10.1038/ncomms1768）上发表了题为“Growth of non-phototrophic microorganisms on solar energy through mineral photocatalysis”的全文（Article形式）。鲁安怀教授为第一作者，吴晓磊教授与董海良教授为共同通讯作者。

传统理论认为，化能营养型微生物由于缺少光合色素而无法转化与利用光能，而只能通过氧化化学物质获取价态电子能量来维持其生命活动，该研究成果对这一理论的普适性提出了质疑。

该联合研究团队以自然界常见的半导体矿物，包括金红石（TiO2）、针铁矿（FeOOH）和闪锌矿（ZnS）等为介质，进行了多年研究，结果发现：可见光催化产生的光生电子，可显著促进化能营养型微生物的生长，而且这种促进作用与光子能量（波长）和光子－电子转化效率呈正相关关系。在光强下为8 mW/cm2的情况下，当光波波长从620 nm依次递减到420 nm时，光子-电子转化效率可从0.17 %升高到0.33 %，而非光合化能自养氧化亚铁硫杆菌（Acidothiobacillus ferrooxidans）的细胞数量可增加一个数量级，相应地，整个体系的光能-生物质能转化效率由0.13 ‰提高到0.18 ‰；在相同条件下，非光合化能异养型微生物粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）的细胞量可增加三个数量级。类似地，可见光催化产生的光生电子还可显著改变天然红壤中微生物群落结构：将天然红壤微生物群落中的A. faecalis的相对比例由初始不到5%，显著提高到70%左右，从而使A. faecalis成为该微生物群落中的优势种群。这些工作展示了一种新发现的、但可能是在自然界一直存在的微生物利用光能的新方式：即非光合微生物可以通过矿物的介导转化和利用光能进行生命活动。

该研究成果可能会改变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，也为认识地球早期生物质能量的获取途径提供了新思路，具有重要的理论意义。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。

吴晓磊教授多年来一直致力于微生物生态、环境生物技术、生物质能转化和利用、流域环境修复和生态等方面的研究，积累了丰富的研究经验，并取得了卓越的研究成果，在国际学术期刊发表了多篇文章。他还担任国家湿地保护与修复技术中心主任、北京城市固体废弃物资源化技术与管理重点实验室副主任、北京大学微生物生态与生物技术实验室主任、北京大学清洁能源研究院副院长等职务。