Nature子刊│生物光伏新突破！中科院团队模拟海洋微生物生态系统结构，制造小型化仿生海洋电池 - 海洋微生物生态学

海洋微生物生态系统可以被视为一个由太阳能充电的巨大海洋电池，它提供了一种制造生物太阳能电池的模型。生物太阳能电池是一种将光能转化为电能的生物电化学系统。

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2022年9月24日，中国科学院微生物研究所李寅团队联合中科院天津工业生物技术研究所朱之光团队﹑张学礼团队以及中科院青岛生物能源与过程研究所吕雪峰团队在Nature Communications 发表题为“A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems”的研究论文，论文第一作者为朱华伟博士。该研究通过模拟海洋微生物生态系统的基本结构，制造了一个由四菌合成微生物群落构成的生物太阳能电池。证明了由初级生产者、初级分解者和最终消费者组成的微生物生态系统结构对于实现高功率输出和维持系统稳定性至关重要。进一步地，通过开发导电水凝胶作为沉积物样厌氧基质，四菌微生物群落被组装到一个时空压缩的海洋电池结构中，形成小型化仿生海洋电池，可直接将光能转化为电能，并稳定运行1个月以上。该仿生海洋电池再现了海洋微生物生态系统的光电转化功能，同时克服了海洋生态系统中电子传递缓慢和网络状的问题，展现出合成微生物生态学的生物技术潜力。

覆盖地球表面约70%的海洋是一个巨大的太阳能转换器，全球约一半的初级生产来自海洋。据估计，海洋中约90%的生物质是微生物，它们在能量转换中起着核心作用。在海洋微生物生态系统中，位于水柱层透光区的初级生产者，如原绿球藻和聚球藻，通过光合作用吸收太阳能、固定二氧化碳并释放出有机质。有机质可以被生活在水柱层中的异养浮游生物所消耗，或通过下沉和掩埋作用沉积到海底沉积层中。海底沉积层是一个巨大的厌氧生物反应器，有机质在沉积层中被两类异养微生物缓慢降解并最终完全氧化。一类是初级分解者，负责将复杂的有机质降解为简单的有机化合物；另一类是最终消费者，负责将简单的有机化合物完全氧化，释放出电子用于N﹑Mn﹑Fe﹑S等元素的生物还原。通过光合固碳和有机质矿化，海洋微生物群落主导着海洋生态系统中的能量转化和生物地球化学循环。从能量角度看，海洋微生物生态系统可以看作是一个由太阳能充电的巨大电池，其中充电和放电过程循环进行。在充电阶段，位于海洋表面的光合微生物利用太阳能将二氧化碳固定为有机质。在放电阶段，存储于有机质中的能量通过异养微生物对有机质的逐级降解被释放出来，在不同微生物物种间进行流动。通过充电-放电过程的往复循环，太阳能支撑着海洋生态系统中几乎所有的生命及其代谢活动。。对这样一个太阳能生物转化系统，可形象地称之为海洋电池。海洋微生物生态系统中的大多数异养微生物生活于海底沉积层中。海洋水柱层平均深度约为4000米，但光合作用只发生在阳光可照射到的海洋表层200米范围内。这意味着有机质从初级生产到最终氧化的距离超过数千米。其次，海洋表层生产的有机质从沉降到最终氧化的时间尺度可以达到数千年。此外，海洋微生物生态系统的物种多样性高﹑种间相互作用复杂，是一个高度复杂的生物系统。巨大的时空尺度和复杂的物种组成导致海洋微生物生态系统中的电子传递非常缓慢，且呈网络状分散结构。在这项工作中，研究人员旨在通过模拟海洋微生物生态系统的基本生态结构，来开发新一代生物太阳能电池，同时克服自然生态系统结构中大时空尺度导致的电子传递效率低的问题。为此，需要将巨大而复杂的海洋电池压缩到一个紧凑而简单的电池结构中。其次，还要对海洋微生物生态系统中复杂的微生物群落组成进行简化，以保证能量的定向流动和定向转化。具体来说，研究人员设计了一个四菌合成微生物群落，由隶属于三个生态位的特定微生物组成，包括蓝藻（初级生产者）、大肠杆菌（初级分解者）﹑希瓦氏菌和地杆菌（最终消费者）。在该合成微生物群落中，蓝藻负责吸收光能，固定二氧化碳生产蔗糖；大肠杆菌负责将蔗糖分解为乳酸；希瓦氏菌和地杆菌共同将乳酸完全氧化并将电子转移给胞外电极产生电流。

海洋微生物生态系统与合成微生物群落（图源自Nature Communications）除了四菌微生物群落，研究人员同时设计了三菌微生物群落（缺失地杆菌）和两菌微生物群落（缺失大肠杆菌和地杆菌）。将三种不同组成的微生物群落分别附着在多孔电极上进行电化学评价，发现四菌合成微生物群落具有最小的系统内阻﹑最高的功率密度和最稳定的电流输出，说明保持完整的自然生态系统结构对人工微生物群落实现高效而稳定的光电转化非常关键。

合成微生物群落电化学表征（图源自Nature Communications）进一步地，研究人员开发了一种导电水凝胶作为模拟沉积层的厌氧基质。将大肠杆菌﹑希瓦氏菌和地杆菌三种需要厌氧环境的微生物封装到导电水凝胶中，形成人工沉积层。在人工沉积层上培养蓝藻，形成人工水柱层。最终，四菌合成微生物群落被组装成一个一体化的生物太阳能电池。该生物太阳能电池具有海洋电池的基本物理结构（水柱层和沉积层）和基本生态结构（初级生产者﹑初级分解者﹑最终消费者），但时空尺度显著压缩，是一个小型化的仿生海洋电池。该仿生海洋电池可以直接将光能转化为电能，持续产电达1个月以上，最大输出功率为380 μW，太阳能最高转化效率为0.32%。

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小型化仿生海洋电池与光电转化（图源自Nature Communications）总之，这项研究通过物种最小化和时空压缩化，在一个小型化电池中再现了巨大海洋电池的光电转化功能，为基于合成微生物群落的生物太阳能电池开发提供了一个新的模型，也为人工重构自然微生物生态系统，实现生物技术新应用开辟了新的道路。

全文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33358-x

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