土壤微生物胞外电子转移机制及效应

微生物是驱动土壤元素地球化学循环和污染物脱毒转化的 “引擎”，其本质是多物种-多介质-多界面间的电子转移反应。微生物胞外呼吸理论的出现，改变了微生物电子传递仅局限于细胞内的传统认识，为理解土壤元素循环、温室气体排放、污染物降解等关键过程提供了全新视角，是当前土壤环境领域的前沿热点。该成果历经15年探索，以土壤微生物胞外电子转移为核心，在我国率先开展了土壤胞外呼吸理论与方法研究，开创了土壤微生物电化学新方向。重要的科学发现主要包括：       1. 新菌种：发现并命名新属4个、新种36个，建立了国内首个胞外呼吸菌种资源库，填补了我国土壤胞外呼吸菌研究的空白，显著提升了我国在该领域的国际地位；率先报道陶厄氏菌、固氮螺菌等9 个菌属的Fe(III)/腐殖质还原、脱氯呼吸新功能，为我国胞外呼吸菌的功能多样性提供了直接证据。      2. 新方法：创建了系列高通量、原位在线的生物电化学方法，实现了从“基因→蛋白→细胞→生物膜”全尺度胞外电子转移性能的定量表征；创建了基于光纤探针的光谱电化学新方法，解决了生物膜电活性原位表征的难题；建立了一套定量测定土壤电活性物质电子转移容量的在线电化学方法，解决了实际土壤电活性表征的技术难题。      3. 新机制：在微生物层面，揭示了地杆菌导电菌毛的进化与组装过程，发现膜囊泡、鞭毛及核黄素介导的胞外电子传递新途径，提出了细胞色素c单独介导的胞外电子传递新机制；在土壤层面，揭示了胞外电子传递的矿物介导与腐殖质穿梭机制，为土壤胞外呼吸电子传递机制提供了全新认识。发现了土壤胞外呼吸介导的黑暗固碳与甲烷减排新效应，开发了提高胞外电子传递效率的新策略，设计构建了数种土壤微生物电池新装置，实现了规模化土壤修复工程应用。        本项目在ISME J.、Environ. Sci. Technol.等环境领域著名期刊上发表论文78篇，其中封面论文3篇、高被引论文3篇，全部论文他引4366次；5篇代表性论文总他引527次，单篇最高他引230次，被Nature、Cell和Chem. Soc. Rev.等权威期刊高度评价；显著推动了土壤学、微生物学和电化学的交叉融合，开创了我国土壤微生物电化学的研究。项目第一完成人获国家杰出青年科学基金资助，入选Elsevier中国高被引学者榜，获国家“万人计划”领军人才、中国青年科技奖、中国工程院“光华工程科技奖”等；项目其他主要完成人获国家“万人计划”青年拔尖人才、广东省科技创新领军人才和广东省杰出青年基金等；2人入围全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力排行榜”，2人被列入国际微生物电化学领域“最具影响的15名作者”，项目团队已成为该领域国际上引领研究团队之一。