海洋透光层中微生物处于寡营养与低能量供给的水圈生境中，该研究发现这些微生物通过“开源”（获取不同形式外部能量）、“节流”（提高能量的转化效率）和“协作”（微生物种群之间互营共生）等能量利用新策略，以满足寡营养环境中微生物生长代谢的能量供给。水圈微生物利用透光层中来源于陆地矿物膜的悬浮颗粒物半导体矿物转化太阳能产生的光电子能量，属于微生物光电能营养新类型，可催生人工微生物体系的发展。

中文标题：海洋透光层中微生物能量利用新策略

英文原题：Novel energy utilization mechanisms of microorganisms in the hydrosphere

通讯作者、第一作者：鲁安怀，北京大学

共同第一作者：刘   佳，北京大学

关键词：海洋透光层；半导体矿物悬浮颗粒物；矿物光电子能量；微生物胞外电子传递；碳氮硫元素循环与效应

近日，北京大学鲁安怀教授负责的多家单位专家参与完成了水圈生境中微生物能量利用方式的研究成果。针对寡营养、低能量供给的特殊水圈生境，研究提出了水圈微生物能量转换和代谢新途径、调控新机制与生态新效应，为水圈碳氮硫元素循环的微生物驱动机制提供了新知识。

研究成果

海洋透光层是一个极为复杂的开放系统，其中所充满的阳光、水、有机酸、无机盐、矿物、微生物和动植物等无时无刻不在发生着人们尚未充分认识到的多种自然作用。但不像陆地系统中能量和营养物质较为丰富，水圈生境中能量和营养物质的供给有限，寡营养与低能量供给广泛存在。相应地水圈微生物能量利用产生了新策略（图1）。

研究人员发现陆地上矿物膜中铁锰钛氧化物半导体矿物通过地表径流作用可汇入海洋悬浮颗粒物，在海洋透光层形成天然光催化系统转化太阳能产生新型的光电子能量。从水圈透光层纵深至底部沉积物，系统揭示了水圈透光层中天然光催化系统的组成和特征及其微生物利用半导体矿物光电子能量的分子机制、电活性微生物新型胞外电子传递和细胞感知与适应电势梯度的分子机理以及微生物长距离电子传递的网络结构及其形成作用机制与碳氮硫元素循环关系。建立了水圈寡营养、低能量供给生境中微生物能量代谢的新模型：水圈微生物通过“开源”（获取不同形式外部能量）、“节流”（提高能量的转化效率）和“协作”（微生物种群之间互营共生）等能量利用新策略实现生存的目的。

研究意义

该研究成果为深入理解水圈微生物驱动碳氮硫元素循环的能量利用机制提供了新思路，有助于认识不同元素循环耦合过程中在微生物胞内、群体间和生态系统中的能量代谢基础，可丰富关于生命与地球环境相互作用及共进化的认识，并为保护与利用水圈微生物驱动碳氮硫元素循环的生态功能提供科技支撑。海洋透光层中非光合微生物光电能营养新类型，可催生人工微生物体系的发展。

引用本文

Anhuai Lu, Jia Liu, Meiying Xu, et al., Novel energy utilization mechanisms of microorganisms in the hydrosphere. Fundamental Research. 5(4) (2025) 1584-1596.

原文链接（复制到浏览器中查看）：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325824000372

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