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土壤并非沉寂无声的世界，在看似静止的泥沙与矿物之间，隐藏着一个巨大的能量循环体系。

近日，Environmental and Biogeochemical Processes 刊登了昆明理工大学潘波团队与美国马萨诸塞大学邢宝山团队合作的一篇题为“A bio-photovoltage soil-microbe battery for antibiotic degradation in the dark”的研究成果，他们发现土壤中的细菌与铁矿物可形成一种“天然电池”，即便在没有阳光的黑暗环境中，也能持续分解污染物。这项研究揭示了自然界中一种全新的能量储存与释放机制，也为污染治理与碳循环研究带来了新启发。

太阳能是地球表层生态系统的根本能量来源，植物通过光合作用将光能转化为有机物，为微生物提供能量，然而，在光线难以穿透的饱和土层与沉积物中，光能的作用似乎被中断了。

近几年，科学家逐渐意识到，非光合微生物同样可以“借光而生”，它们能从外源光敏物质（如金属氧化物）中获取光激发电子，从而参与能量代谢。这种现象被称为生物光电化学过程（biophotoelectrochemistry），意味着光能可能通过矿物介导的电子传递网络，一直影响到地下乃至缺光环境的化学反应。

然而，一个关键问题长期未解：这些瞬时产生的光电子寿命很短，这是否意味着微生物能否像电容器一样把光能储存起来，在黑暗中慢慢释放？

带着这个问题，研究团队选取了常见土壤细菌——巨型芽孢杆菌（Bacillus megaterium），并让它与铁矿物（赤铁矿Fe₂O₃、针铁矿FeOOH）共培养。结果令人惊喜：细菌与矿物结合后形成的生物膜竟然能像电池一样“充电”和“放电”。实验中，这些铁-细菌复合膜能够在光照下吸收光子，积累电荷；当灯关掉进入黑暗，它们又能缓慢释放电子，持续进行化学反应，驱动污染物降解。

图 | 显微镜观察显示，这种复合膜具有层状结构，细菌与矿物紧密结合，形成复杂的界面网络

电化学测试进一步证明，这种复合系统具备明显的光电记忆效应——光照后产生的电位在黑暗中仍能保持一段时间，显示出类似电容器的储能行为。研究者将其形象地称为“地球化学电容效应”。

进一步分析显示，铁矿物与细菌的协同作用是关键所在，单独的 Fe₂O₃ 或细菌体系几乎没有光电容性，而复合体系的总积累电荷高达8.06 μC/cm²，净电荷从 2.87 增加到 4.08 μC/cm²，储能能力比单一组分高出几倍。原来，细菌能通过自身代谢调节铁的化学状态。它会将三价铁还原为二价铁，从而建立起一个 Fe(II)/Fe(III) 循环系统，让光生电子被捕获并暂时储存。细菌越多，这种循环越活跃，系统储能越强。

图 | 细菌改变了铁矿物的化学状态，形成Fe(II)/Fe(III) 混合结构与磷酸铁复合物，为电子储存提供通道

为了验证这种能量储存能否真的能驱动污染物降解，研究者在光照后将抗生素四环素和氯霉素引入体系。结果令人惊讶：经过 60 分钟光照后的样品，即使在全黑条件下，也能在 1 小时内降解 20% 的四环素和 22% 的氯霉素，比仅光照 20 分钟的系统高出约 50% 至 70%。这说明铁-细菌生物膜确实能实现“白天充电、夜里放电”，把光能转化为化学能，并在黑暗中完成污染物的分解。

为了探索储能的化学本质，研究人员利用光谱和X射线技术分析了复合物结构。结果显示，细菌不仅让铁的化学价态发生变化，还促使矿物表面生成新的结构，比如磷酸铁，这些结构能像电子仓库一样储存电荷。

同时，细菌的代谢产物——如含氮配位键、胺基、磷酸基等——也参与了矿物的改性，提升了电子传递效率。电化学测试表明，复合体系的电阻比单一组分低了上千倍，界面电容增加了 5-9 倍，电子迁移速率显著加快。

研究者提出，整个过程可类比为一个“生物光压电池”：光照阶段，铁矿物吸收光子产生电子，细菌通过细胞外多糖和电子穿梭体将这些电子储存在Fe(II) 中；暗相阶段，储存的电子被逐步释放，经由细胞膜传递给有机污染物，完成还原反应。

从生态学角度看，这项研究改变了人们对地下世界的认知，过去我们以为，太阳能只在光照层中起作用；而如今看来，即使在地表以下几厘米甚至更深的沉积层中，微生物与矿物也能协同形成“隐形电网”，储存、转移并利用能量。

这种机制可能在地球早期生命的能量循环中就已存在，也可能在现代生态系统的碳、氮、铁循环中发挥着重要作用。此外，传统污染治理（如地下水或污泥处理）常需要持续供能，而这种“天然电池”能在没有光照的情况下持续工作，主动分解抗生素、农药等污染物，特别适合封闭、缺氧、难治理的环境，这种光-暗交替下的能量转化机制也为缺光环境中的污染修复提供了新思路。

参考链接：

1.https://phys.org/news/2025-10-soil-bacteria-minerals-natural-battery.html

2.https://www.maxapress.com/article/doi/10.48130/ebp-0025-0006