幼时开始,相信我们每个人都有类似疑问:地球多少岁了?生命是如何诞生的?恐龙是如何灭绝的?等一系列问题让我们从小就与地球科学结下了“深厚友谊”。众所周知,46亿年前地球宝宝诞生于太阳系。然而小小的微生物,早在38.5-36亿年前的太古宙时期,便已经成为地球表面岩石矿物最为忠实的小伙伴了。微生物是地球上出现最早、适应性最强、分布最广的生命形式之一,其分布可谓“上穷碧落下黄泉”。追随地质历史的脚步,我们不难发现微生物与无机矿物之间交互作用伴随着漫长的地史时期已经发生几十亿年并持续至今,其相互作用一方面影响着地球表层物质循环与环境演变,同时也改变着微生物生命活动的演变。矿物微生物携手跨越几十亿年,见证彼此不断成长演化,其渊源之深,甚至可称之为“共同进化”。广泛开展矿物微生物之间交互作用研究,对于揭秘两者“亿年之恋”变得十分必要,且相关研究已成为近年来地质微生物领域新兴热点之一,具有极高科学价值。
然而想了解矿物微生物这跨越几十亿年的演化故事,首先需要讨论下电子传递那点事。自然界一切物质循环与能量流动的核心,均与各种微观的电子转移过程密不可分。例如为人所熟知的光合作用、呼吸作用、酶促反应以及生物体内各类信号传导等,均涉及电子传递过程。人类以及其他动植物,新陈代谢过程电子传递链在体内即可全部完成,然而,对于部分微生物来说,电子传递链终端却需要矿物的陪伴方可完成。原因何在?答案就是胞外呼吸。胞外呼吸是近年来发现的一种微生物矿物互作方式,微生物在胞内彻底氧化有机物/无机物释放电子,产生的电子经胞内呼吸链传递给胞外电子受体使其还原,并产生能量维持自身生长(Shi et al., 2016)。其中胞外电子受体,主要参与者之一便是铁锰高价氧化物矿物。简言之,微生物生长代谢需要矿物陪同,它们偷偷在对矿物“放电”。然而有意思的是他们之间这几十亿年“地下恋情”,竟然隐藏的如此之好(图1)。
图1 地表不同生境中铁锰矿物分布及其与微生物胞外电子传递模式图
至此不禁有人会问,铁锰矿物如果仅仅作为微生物胞外电子终端受体,那岂不是都被分解了?它们之间的关系似乎“并不友好”呀。事实真的如此简单吗?答案必然是否定的。近几年我们研究发现,地表红壤、戈壁岩石漆、喀斯特石林等不同生境下广泛分布铁锰氧化物矿物皆是半导体矿物(图1),其半导体属性可被日光“激活”,并与微生物互动。简言之,半导体矿物日光催化作用过程中,其吸收太阳光光子能量,价带电子跃迁至导带,转化为能量更高的光电子,具有还原性,与此同时价带留下光生空穴,具有氧化性,完成光能的捕获与转化,光生空穴与光电子与微生物实现“来电互动”,形成错综复杂关系网(图2)。很荣幸我们前期研究首次发现了喀斯特、岩石漆等样品中铁锰半导体矿物与电活性微生物分布相关性,并成功揭示出日光参与的水钠锰矿、赤铁矿等半导体矿物促进微生物胞外电子传递机制(Ren et al., 2016-2018)。小小的电子,见证了矿物微生物演化进程,更成功沟通了原本两个截然不同的领域—有机界与无机界,矿物微生物交互作用使得自然界愈加渗透与融合,其相伴的环境属性更是为科学研究打开了新的大门……
图2 日光参与下半导体矿物与微生物胞外电子传递网络图
矿物与微生物之间电子转移,可影响地球物质循环与环境演变等宏观过程,其更是地球表层系统中最为重要的地球化学动力学机制之一。阳光是地球上的能源来源与万物生长的必要条件,其对半导体矿物微生物相互作用起着举足轻重的作用,然而可惜的是以往交互作用研究中,主要关注了矿物的溶解、沉淀、矿化等过程,尚未对“光-矿-微生物”系统足够重视。半导体矿物在微生物胞外电子传递过程中扮演着极其特殊的角色,为矿物微生物相互作用研究提供了崭新视角。作为当今地球科学核心科学问题之一,矿物微生物分子反应过程亦是破解地球元素循环重要途径,具有极高科学价值。新起点,新征程,揭秘矿物微生物“亿年之恋”,我相信定会让你沉醉;开展地学微生物交叉前沿研究,期待未来你我共同努力!