主要观点总结
文章介绍了关于生物固氮作用的研究，重点探讨了固氮微生物如何利用辉钼矿（MoS₂）中的钼（Mo）进行固氮的过程。研究通过共培养实验，探究了含Mo矿物的生物可利用性以及微生物风化并摄取矿物营养元素的潜在机制。该研究成果对于理解早期地球生物固氮过程的繁衍具有重要意义。
关键观点总结
关键观点1: 固氮微生物通过固氮酶催化将大气中的氮气还原为活性氨氮，是地球上生物可利用氮的主要来源。
大多数固氮微生物使用Mo依赖型固氮酶进行固氮。
关键观点2: 辉钼矿可以作为Mo源，支持不产氧光合微生物在厌氧固氮条件下的生长。
辉钼矿中Mo的生物可利用性与该菌株的固氮效率直接相关。
关键观点3: 不产氧光合微生物主要通过分泌金属载体和表达相关转运蛋白，从辉钼矿中获取Mo离子，完成氮的固定过程。
共培养实验表明微生物与辉钼矿的相互作用有助于微生物从矿物中获取金属元素。
关键观点4: 本研究为早期固氮微生物摄取矿物中的Mo元素进行氮的固定提供了机理上的解释，对太古宙贫Mo海洋中生物固氮过程的繁衍提供了合理的假说。
该研究对于现代陆地相似环境中的固氮作用具有指导意义。
正文
生物固氮作用是指固氮微生物通过固氮酶催化，将大气中的惰性氮气（N₂）还原为活性氨氮（NH₃）的过程，这一过程是地球上生物可利用氮的主要来源。固氮酶是一种金属酶。由于以FeMo-co作为金属活性中心的Mo依赖型固氮酶具有较高的催化效率，大多数固氮微生物使用Mo依赖型固氮酶进行固氮，而金属钒（V）和铁（Fe）则可作为替代的金属辅助因子。
与现代海洋中含有丰富溶解态M
o不同，
太古宙海洋中溶解态Mo含量极低，少量Mo来源于海底热液喷口等环境，而Mo主要赋存于辉钼矿（MoS₂）、黄铁矿（FeS₂）等硫化物矿物结构中
。在厌氧环境下，这些矿物被认为难以被微生物所利用。传统观点认为，由于太古代海洋富Fe，故Fe依赖型固氮酶的起源早于Mo和V依赖型固氮酶。然而，中太古代氮同位素地质记录与微生物分子钟模型结果均显示，利用Mo的固氮菌为最古老的固氮微生物，其在中太古代已经起源，而固氮过程的繁盛是早期地球生物圈扩大以及产氧过程累积的必要条件之一。在产氧光合作用起源之前，不产氧光合微生物或为早期地球初级生产力的主要贡献者之一。这是否暗示含Mo矿物能够作为不产氧光合微生物生物酶中Mo离子的来源，从而促进固氮酶的演化以及固氮过程的产生。
针对上述科学问题，本课题组
博士生周馨怡
，在
盛益之教授
和
董海良教授
的指导下，选取早期环境模式不产氧光合细菌
Rhodopseudomonas palustris
与辉钼矿（MoS₂），在严格厌氧条件下进行微宇宙共培养实验。通过监测微生物固氮速率、矿物金属溶出与微生物细胞内金属元素含量的变化、微生物分泌的金属载体类型与浓度、矿物-微生物相互作用过程及矿物表面有机化学组分变化、以及微生物固氮和摄取金属元素过程中相关蛋白的表达情况，
探究含Mo矿物的生物可利用性以及微生物风化并摄取矿物营养元素的潜在机制
。
这是本课题组继 Sheng et al., 2023 ES&T 后，关于早期厌氧环境中矿物-微生物相互作用驱动固氮过程的又一篇论文。
研究取得了以下创新性认识：
（1）
辉钼矿可以作为Mo源，支持不产氧光合微生物在厌氧固氮条件下的生长
，且辉钼矿中Mo的生物可利用性与该菌株的固氮效率直接相关（图1）。
图1 在不同固体Mo源（辉钼矿）浓度条件下，微生物固氮速率、Mo离子溶出以及细胞内Mo离子含量
（2）不产氧光合微生物
R. palustris
主要通过分泌金属载体Rhodopetrobactin 以及表达相关转运蛋白，从辉钼矿中获取Mo离子
，完成氮的固定过程（图2、图5）。
图2 微生物分泌金属载体、金属载体与Mo螯合物的类型与含量
（3）SEM电子显微镜观察发现，
微生物与辉钼矿直接接触，并紧贴在矿物的表面
，这有利于促进微生物从矿物中获取金属元素（图3）。TOF-SIMS结果显示，辉钼矿与
R. palustris
共培养前后的表面化学发生变化，辉钼矿表面存在金属载体的碎片，表明
金属载体的吸附有利于矿物Mo元素的释放
（图4）。
图3
R.palustris
与辉钼矿相互作用的SEM扫描电镜图以及元素分布图
图4 ToF-SIMS图谱揭示了辉钼矿与
R.palustris
细胞相互作用前后表面Mo (a, b), S (c, d), c (e, f), C₇H₆O₃⁻ (g, h)的变化
图5 蛋白组学结果显示
R.palustris
在固氮过程以及摄取金属元素过程中相关的蛋白表达情况
