日本國立研究開發法人海洋研究開發機構（JAMSTEC）等研究團隊證實，棲息於沖繩深海熱液噴口周邊的微生物利用電能，將二氧化碳轉化為有機物並實現增殖。這種合成反應相當於把「光合作用」中的「光能」替換為「電能」，這意味著即便在光照、有機物匱乏的環境中，只要能夠利用微弱電能，也能維持生命活動。
在覆蓋地球的岩盤——板塊邊界所在的深海底，存在熱液噴口，滲入的海水被地熱加熱，以高溫水的形式噴出。噴口周圍會形成由冷卻析出的沉澱物堆積而成煙囪狀的「熱液煙囪體（chimney）」。
噴出熱液的深海熱液噴口周圍沉澱的導電性岩石，能將硫化氫或氫氣中釋放的電子傳導至海水側（圖片提供：JAMSTEC）
已知在實驗室培養的微生物中，有些能將細胞內攝入的電能作為能量，通過CO₂合成有機物，即「電合成」。不過，自然環境中是否存在進行電合成的微生物，此前並不明確。
JAMSTEC的山本正浩副主任研究員（微生物學）等人於2017年證實，煙囪體周邊會產生放電現象，形成約600毫伏的電位差（約為普通乾電池1.5伏的40%）。研究團隊認為，若在實驗室復刻同等環境，在完全去除有機物的條件下，取自熱液噴口岩石樣本中的微生物如果仍能增殖，便可證明自然界存在電合成微生物。
將取自深海熱液噴口的岩石碎塊用金屬絲纏繞後放入人工海水中並通電，觀測微生物的增殖情況（圖片提供：JAMSTEC）
研究人員將岩石碎塊置於人工海水培養液中，在水溫15℃、CO₂濃度10%的通氣環境下通電，每週觀測一次培養液內微生物的種類與細胞增殖情況。實驗結果顯示，硫微桿菌屬（Thiomicrorhabdus）細菌SREC-4菌株大量增殖，成為樣本中佔比最高的存活微生物。
模擬深海熱液噴口附近通電情況的實驗中，硫微桿菌屬細菌SREC-4株的細胞濃度（左）以及基於基因解析得出的菌群佔比時序變化（圖片提供：JAMSTEC）
為驗證增殖的SREC-4菌株確實會在細胞內固定CO₂並轉化為有機物，研究人員對該菌株進行螢光染色標記其位置。再借助二維高分辨二次離子質譜儀（NanoSIMS），定位細胞內被同位素標記的CO₂來源碳元素，發現與染色位置完全吻合。這一結果證明，SREC-4菌株能夠在細胞內攝取CO₂並合成有機物。
螢光染色後呈黃色的為SREC-4株的細胞（左）。結合顯示CO₂作為有機物被攝入位置的同位素成像（右），可見SREC-4株細胞與CO₂攝入位置一致（圖片提供：JAMSTEC）
作為支撐自然界生命活動的能量來源，植物利用太陽光製造有機物的光合作用廣為人知。但在容易發生電子授受的「氧化還原邊界」，電合成成為可能。山本副主任研究員表示：「在趕海挖掘時由白色沙層過渡至黑色沙層的區域，以及產出金屬礦物的礦山等地，都屬於氧化還原，這類氧化還原環境其實我們身邊就存在。深海熱液噴口是典型的氧化還原邊界，今後我們還將繼續探尋其他自然環境中具備電合成能力的細菌」。
本研究與橫濱市立大學、東京大學共同開展，相關成果已發表在英國學術期刊《The ISME Journal》電子版的6月23日刊上。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：The ISME Journal
論文：Electrosynthetic bacterial growth under conditions simulating electric discharge in deep-sea hydrothermal fields
DOI：10.1093/ismejo/wrag108
