希瓦氏菌（Shewanella）是全球分布最广泛的微生物之一，以具有奇特的电子传递能力而著称，它即可接受附着物的电子或光电子，也可传输胞内电子到周围的附着物上，从而成为全球生物地球化学循环的重要参与者，在环境修复和生物电化学领域具有巨大的应用潜力。由于缺乏广泛共识的六种经典CO₂固定途径，Shewanella长期被认为无法将所接受的电子用于自养生长，这在一定程度上限制了人们对Shewanella全新功能的想象。

近期，在中南大学柴立元院士领衔的国家自然科学基金委创新群体项目（52121004）的支持下，中南大学林璋教授团队报道了生物合成CdS纳米颗粒在光照下所产生的光电子可被Shewanella oneidensis MR-1（MR-1）吸收，并通过近年来新发现的一种固碳途径-还原甘氨酸途径进行光自养生长。这种生物-化学系统（MR-1@CdS）可将CO₂转化为乙酸，并能稳定运行5个月以上，远超过其他只能维持数小时或数天的自养型生物-化学光合作用系统。

首先通过外源Cd²⁺和S₂O₃^2-调控MR-1沉淀CdS纳米颗粒以构建生物-化学光合作用系统（MR-1@CdS）。生化表征和同位素标记实验证实，光激发CdS诱导了MR-1通过CO₂固定实现生物质积累和乙酸生产。进一步研究发现，光照下，被激发的CdS作为电子供体为MR-1生长提供能量，外源S₂O₃^2-则作为空穴牺牲剂以维持光生电子-空穴对的持续分离。

值得一提的是，MR-1在光照下可自养生长；在黑暗中则以前期光照下产生的过量乙酸进行异养生长。特别是光化学氧化和微生物还原的耦合形成了硫物种转化的独特循环，从而调节了MR-1@CdS系统的能量代谢和pH平衡，进而形成了迄今为止持续周期最长（长达数月）的从太阳能到化学能的持续转化系统。

进一步的分子机制研究给出了整体的微观拼图：金属硫化物在光激发下将光能转化为光电子。MR-1通过多种电子传递途径高效吸收光电子，并在该过程中产生ATP和还原力以驱动还原甘氨酸途径实现CO₂固定。此外，电子还会转移到亚硫酸盐还原酶和硫代硫酸盐还原酶以进行硫还原。这些还原的硫物种分泌到细胞外，进而改善光生空穴的氧化动力学，促进光生电子-空穴对的分离。金属硫化物的光电转化和生物代谢作用协同耦合了硫氧化和CO₂还原，从而实现生物混合系统的可持续光自养生长和乙酸合成。

总之，本工作证实了Shewanella在CdS等地球常见的半导体硫化物的协助下可进行自养生长，为Shewanella的环境功能增加了浓墨重彩的一笔。MR-1@CdS自养系统的构建为CO₂微生物高值转化提供一个极具前景的平台，并为碳-硫生物地球化学循环提供了全新的见解。在全球有色金属矿产资源大规模开发利用的过程中，这种由半导体矿物辅助微生物进行可持续光能转化的独特模型可能会对矿区环境演变带来新的认识和解读，并为矿业固体废物的利用和环境修复带来新思路。