模拟海洋微生物生态系统结构的小型仿生海洋电池 - 海洋微生物生态学

中国科学院微生物研究所联合中科院天津工业生物技术研究所以及中科院青岛生物能源与过程研究所于2022年在Nature Communications上发表题为“A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems”研究论文，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。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。 * \! g# T$ O. D

第一部分：内容解读

摘要：海洋微生物生态系统被视为由太阳能充电的巨大海洋电池，它为制造生物太阳能电池提供了一个模型。生物太阳能电池是一种将光转化为电能的生物电化学系统。我们通过模拟海洋微生物生态系统的生态结构，制造了一个由四个物种微生物群落组成的生物太阳能电池。我们证明了这种由初级生产者、初级降解者和最终消费者组成的生态结构对于实现高功率密度和稳定性至关重要。此外，使用导电水凝胶作为沉积物状厌氧基质，将四种微生物群落组装成时空压实细胞，形成小型化的仿生海洋电池。该电池直接将光转化为电能，最大功率为380 μW，可稳定运行一个多月。这种仿生电池中再现了海洋微生物生态系统的光电转换功能，克服了缓慢和网络状的电子转移，显示出合成微生物生态学的生物技术潜力。

研究背景：

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【初级生产者，是指能利用二氧化碳、水和营养物质，通过光合作用固定太阳能，合成有机物质的绿色生物】。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。这样一个太阳能生物转化系统被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。

图1. a. 由初级生产者、初级降解者和最终消费者构成的海洋微生物生态系统示意图。b. 为光电转换设计了三个合成微生物群落，包括两个物种（C+S）、三个物种（C+E+S）和四个物种（C+E+S+G）系统。选择蓝藻（cyanobacteria）的蔗糖分泌菌株作为主要生产者，选择大肠杆菌（E. coli）作为主要降解剂，而希瓦氏菌（S. oneidensis）和地杆菌（G. sulfurreducens）作为最终消费者。电力由希瓦氏菌和地杆菌通过厌氧呼吸产生，电极作为末端电子受体。在3个合成微生物群落中，4个物种微生物群落是完全模仿海洋微生物生态系统结构的系统，构成了小型化仿生海洋电池的基础。

方法部分：

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。构建附着在多孔电极上的合成群落：为了构建合成微生物群落，使用了质子交换膜分离的双室电化学装置（图2a、b）。碳布用作阴极，RPPy或碳布用作阳极。在阳极室接种大肠杆菌、奥希瓦氏菌和地杆菌。将装置在2000°C的黑暗中孵育且不摇动。为了测量产生的电流，阳极和阴极通过510 Ω或2638 Ω的外部电阻连接，并记录外部电阻两端的电压。小型仿生海洋电池的制造：为了构建小型化的仿生海洋电池，采用了单室电化学装置（图2c、d）。碳布和铂催化剂用作空气阴极。在腔室中，当温度降至~30 °C时，将大肠杆菌、奥希瓦氏菌和地杆菌的细胞加入到40 mL导电水凝胶中，然后在冰上混合和固化。阳极（导电水凝胶）和空气阴极通过2000 Ω的外部电阻连接。将整个设备置于照明培养箱并以250 rpm磁力搅拌。并记录外部电阻两端的电压。

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图2. 本研究中使用的设备和示意照片。a，双室装置示意图。b，双室装置的照片，包括阳极和阴极室。c、单室装置示意图。d，单室装置的照片，显示阳极室和空气阴极。阳极室是由导电水凝胶层和蓝藻层组成。

结果与讨论：

首先在双室电化学装置的合成微生物组中（图2a和b），经过工程改造的蓝藻能够在光能驱动下利用二氧化碳合成蔗糖，将光能存储于蔗糖中；经过工程改造的大肠杆菌负责将蔗糖转化为乳酸；希瓦氏菌和地杆菌则通过接续氧化作用，将乳酸完全氧化为二氧化碳，并将电子转移到胞外电极产生电流，实现光能到电能的转化。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，发现四菌微生物组在系统内阻、最大功率密度和稳定性等方面显著优于缺失地杆菌的三菌微生物组，以及缺失大肠杆菌和地杆菌的两菌微生物组（图3），说明保持海洋微生物生态系统的三级生态结构，对实现高效生物光电转化至关重要。由四菌微生物组构成的生物光伏系统在时空分离模式下的最大功率密度达到 1.7 W/m2，比作者在前期工作中报道的双菌生物光伏系统提高了一个数量级。即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。

图3. 合成微生物群落电化学表征

基于上述结果，将含有初级分解者（大肠杆菌）和终端消费者（希瓦氏菌和地杆菌）的人工沉积层，与含有初级生产者（蓝藻）的水柱层组装在一起，研究人员最终制造出了一个一体化的生物太阳能电池（图2c和d、图4），可以直接将光能转化为电能，并稳定运行 1 个月以上。研究人员进而发现，蓝藻光合作用产生的氧气，会被兼性厌氧的大肠杆菌和希瓦氏菌用于好氧呼吸，同时抑制希瓦氏菌和严格厌氧的地杆菌产电。为解决这一矛盾，研究人员阻断了大肠杆菌和希瓦氏菌的好氧呼吸途径，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，形成能够隔氧且能进行电子传递的人工沉积层。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（图4c），太阳能最高转化效率为0.32%。

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图4. 小型化仿生海洋电池与光电转化（a. 用单室电化学装置制造的小型仿生海洋电池示意图。b. 直接由光供电的小型仿生海洋电池的发电。C. 小型仿生海洋电池的极化曲线和功率曲线。d. 小型仿生海洋电池的整体能量平衡。）

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第二部分：贡献解读

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背景问题：

从能源的角度来看，海洋微生物生态系统可以看作是太阳能充电的巨大可充电电池，其中充放电过程循环进行为所有生物体提供能量，并维持它们在海洋微生物生态系统中的生命。然而海洋微生物生态系统中的大多数异养微生物生活在海底的上层沉积层，但光合作用只发生在阳光到达的顶部200米处，这意味着从初级生产到最终氧化的距离超过数千米。此外，海洋电池是一个高度复杂的系统，这导致毛细管状电子流在微生物物种之间转移，从而降低电子转移效率。所以，本研究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生物太阳能电池，克服了大时空尺度导致的低电子转移效率。同时，简化了海洋中复杂的微生物群落，以确保定向和有针对性的电子流。 - I+ f5 A& U2 u$ G8 Y0 p! w8 j' E& h1 Q

核心发现：

本研究生物太阳能电池模拟了海洋电池的基本物理结构和生态结构（图5），显著压缩时空尺度，物种数量（三个生态位的特定微生物组成）实现最小化，可以视为一个小型化的仿生海洋电池。该研究证明了一个物种最小化和时空压缩的合成微生物组可以再现海洋生态系统的光电转化功能，克服了电子传递缓慢和网络状的问题，展现了合成微生物生态系统的生物技术潜力。由于改变了海洋生态系统中分散且迟缓的电子传递模式，该仿生海洋电池的太阳能利用效率高于海洋生态系统的能量效率。 ' V8 i7 D1 x( O! s {

图5. 海洋微生物生态系统与小型化仿生海洋电池的结构比较

第三部分：重要启示

启示1：通过简化海洋微生物生态系统的基本生态结构来开发海洋电池

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。仿生海洋电池的创建，不仅将生物光伏效率提高到一个新的水平，为开发高效稳定的生物太阳能电池提供了新的路径，也进一步展现了合成生态学的生物技术潜力。

启示2：微生物引起的长距离电子传递

海洋微生物生态系统中的大多数异养微生物生活在海底的上层沉积层，但光合作用只发生在阳光到达的顶部200米处，在充电过程中，海洋表面的光合微生物利用太阳能将二氧化碳固定成有机物。在放电过程中，带电的能量通过异养微生物逐步降解有机物流入生态系统的不同微生物物种，最终释放出二氧化碳。这意味着从海洋表层初级生产到最终氧化的电子传递距离超过数千米。目前已有研究指出海洋环境中存在电缆细菌可以连接海洋表层氧气氧化区和深层硫化还原区之间电子传递，实现电子在厘米尺度上的长距离传递。不论是本研究提出的三个生态位的特定微生物组成的生态系统，还是电缆细菌的介导，长距离电子的运输都离不开微生物的作用。放眼沉积环境，如海底沉积物、地下环境，人为调控/构建微生物的组成，将有助于长距离电子过程发生，从而有效利用地球深层的能量。 4 w# g1 q0 |- b

第四部分：疑问

疑问1：本研究提出的三个生态位的特定微生物组成的生态系统是否适用于地下环境？

本研究中提出的海洋微生物生态系统包括初级生产者、初级降解者和最终消费者，其中，初级生产者是能利用二氧化碳、水和营养物质，通过光合作用固定太阳能，合成有机物质的绿色生物。在地表环境/土壤环境中同样存在初级生产者，地下环境介质中也广泛存在希瓦氏菌和地杆菌。据此推测，本研究提出的仿生海洋电池的微生物结构也可以额在地下环境中满足，即有可能开发仿生地下环境电池。原文来源：Zhu, H., Xu, L., Luan, G. et al. A miniaturized bionic ocean-battery mimicking the structure of marine microbial ecosystems. Nat. Commun. 13, 5608 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-33358-x本文由中国地质大学（武汉）生物地质与环境地质国家重点实验室袁松虎教授课题组博士生张妍婷解读。受作者能力所限，本文难免有不当之处，敬请各位读者谅解。如疑义、建议或其他方面的学术交流，请与袁松虎教授联系，邮箱yuansonghu622@cug.edu.cn. 0 @& H9 B6 V4 b