日本国立研究开发法人海洋研究开发机构（JAMSTEC）等研究团队证实，栖息于冲绳深海热液喷口周边的微生物利用电能，将二氧化碳转化为有机物并实现增殖。这种合成反应相当于把“光合作用”中的“光能”替换为“电能”，这意味着即便在光照、有机物匮乏的环境中，只要能够利用微弱电能，也能维持生命活动。
在覆盖地球的岩盘——板块边界所在的深海底，存在热液喷口，渗入的海水被地热加热，以高温水的形式喷出。喷口周围会形成由冷却析出的沉淀物堆积而成烟囱状的“热液烟囱体（chimney）”。
喷出热液的深海热液喷口周围沉淀的导电性岩石，能将硫化氢或氢气中释放的电子传导至海水侧（供图：JAMSTEC）
已知在实验室培养的微生物中，有些能将细胞内摄入的电能作为能量，通过CO₂合成有机物，即“电合成”。不过，自然环境中是否存在进行电合成的微生物，此前并不明确。
JAMSTEC的山本正浩副主任研究员（微生物学）等人于2017年证实，烟囱体周边会产生放电现象，形成约600毫伏的电位差（约为普通干电池1.5伏的40%）。研究团队认为，若在实验室复刻同等环境，在完全去除有机物的条件下，取自热液喷口岩石样本中的微生物如果仍能增殖，便可证明自然界存在电合成微生物。
将取自深海热液喷口的岩石碎块用金属丝缠绕后放入人工海水中并通电，观测微生物的增殖情况（供图：JAMSTEC）
研究人员将岩石碎块置于人工海水培养液中，在水温15℃、CO₂浓度10%的通气环境下通电，每周观测一次培养液内微生物的种类与细胞增殖情况。实验结果显示，硫微杆菌属（Thiomicrorhabdus）细菌SREC-4菌株大量增殖，成为样本中占比最高的存活微生物。
模拟深海热液喷口附近通电情况的实验中，硫微杆菌属细菌SREC-4株的细胞浓度（左）以及基于基因解析得出的菌群占比时序变化（供图：JAMSTEC）
为验证增殖的SREC-4菌株确实会在细胞内固定CO₂并转化为有机物，研究人员对该菌株进行荧光染色标记其位置。再借助二维高分辨二次离子质谱仪（NanoSIMS），定位细胞内被同位素标记的CO₂来源碳元素，发现与染色位置完全吻合。这一结果证明，SREC-4菌株能够在细胞内摄取CO₂并合成有机物。
荧光染色后呈黄色的为SREC-4株的细胞（左）。结合显示CO₂作为有机物被摄入位置的同位素成像（右），可见SREC-4株细胞与CO₂摄入位置一致（供图：JAMSTEC）
作为支撑自然界生命活动的能量来源，植物利用太阳光制造有机物的光合作用广为人知。但在容易发生电子授受的“氧化还原边界”，电合成成为可能。山本副主任研究员表示：“在赶海挖掘时由白色沙层过渡至黑色沙层的区域，以及产出金属矿物的矿山等地，都属于氧化还原，这类氧化还原环境其实我们身边就存在。深海热液喷口是典型的氧化还原边界，今后我们还将继续探寻其他自然环境中具备电合成能力的细菌”。
本研究与横滨市立大学、东京大学共同开展，相关成果已发表在英国学术期刊《The ISME Journal》电子版的6月23日刊上。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：The ISME Journal
论文：Electrosynthetic bacterial growth under conditions simulating electric discharge in deep-sea hydrothermal fields
DOI：10.1093/ismejo/wrag108
