英文原题：Perspective: Roles of rare earth elements in Bacteria

作者：Changqing Liu*, Xiangbo Yin, Huub J.M. Op den Camp, Tobias J. Erb*

01 论文信息

论文信息

Liu C, Yin X, Op den Camp H J, etal. Perspective: Roles of rare earth elements in Bacteria[J].Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.02.007

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Perspective: Roles of rare earth elements in Bacteria

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Green Carbon文章 | 德国马普陆地微生物所Tobias J. Erb教授、刘长青博士：稀土金属在细菌中的作用

02 背景简介

稀土元素（Rare Earth Elements, REEs）包括镧系元素及钪（Sc）、钇（Y），因其独特的物理化学性质而被广泛应用于电动汽车、计算机、智能手机、电池、磁体、显示屏和催化剂等高新技术领域。同时，REEs 也在医学和生物化学研究中具有重要应用，例如作为核磁共振成像（MRI）的对比剂。长期以来，人们普遍认为稀土元素对生命体系并非必需。然而，这一传统观点在近十余年内发生了根本性改变。随着在甲基营养菌和甲烷氧化菌中发现依赖镧系元素的甲醇脱氢酶（XoxF 型 MDH），REEs首次被证明在生物代谢中发挥着不可或缺的作用。尤其是从火山酸性泥泉中分离的甲烷氧化菌 Methylacidiphilum fumariolicum SolV，其生长完全依赖镧系金属（Lanthanides, Ln），这一发现颠覆了“稀土元素对生物体惰性”的传统认知，也为理解微生物在极端环境中的适应机制和全球碳循环提供了新的视角。

近日，来自德国马普陆地微生物研究所的刘长青博士、德国马普陆地微生物研究所所长Tobias J. Erb在Green Carbon发表题为 "Perspective: Roles of rare earth elements in Bacteria" 综述论文。该研究系统梳理了REEs在细菌生命活动中的新兴角色，特别是Ln在甲醇脱氢酶（Methanol Dehydrogenase, MDH）中的关键作用，揭示了稀土元素从“非必需元素”到“生命必需因子”的科学转变。文章进一步总结了 XoxF 型 MDH 的结构特点、催化机理及进化意义，指出它们与传统的钙依赖型 MxaFI-MDH 在功能上存在显著差异。研究强调，REEs在细菌代谢中的广泛作用，可能为未来开发新型金属依赖酶、拓展人工代谢途径以及提升二氧化碳捕获与转化效率提供重要基础。

03 文章简介

镧系金属必需性被证实

来自火山酸性环境的嗜热甲烷氧化菌Methylacidiphilum fumariolicum SolV（图1A）对Ln表现出严格的营养依赖。生长曲线（图1B）显示，随外源Ce(III) 浓度从0提高到5–320nM，菌体生长（OD₆₀₀）由几乎停滞转为快速增殖，明确表明Ln是其关键生长因子，而非可有可无的微量元素。

图1. 嗜热甲烷氧化菌及生长曲线

分子机制被揭示

XoxF型MDH的晶体结构（图2）显示，在活性中心Ce³⁺与PQQ辅基紧密配位，并由多残基（如Glu/Asp/Asn）稳定。这一结构证据解释了为何某些甲基营养/甲烷氧化菌必须依赖Ln来完成甲醇氧化，从根本上颠覆了“REEs对生命惰性”的传统认识。

图2. XoxF型MDH的晶体结构

微生物对镧系金属的高效吸收与选择性利用

在天然水样（Königstein water）和人工废液混合物（Artificial WasteMix）的循环实验中，REEs在多轮循环中被细菌显著吸收，总浓度分别降低了约78%和69%。条形图显示了不同Ln的相对消耗比例，结果提示微生物对轻稀土（如La、Ce、Pr）和重稀土（如Dy、Er、Yb、Lu）的利用存在差异。这说明微生物不仅具备高效的稀土吸收与富集能力，还在利用过程中表现出对不同元素的选择性偏好，为生物富集和资源回收提供了新思路。

图3. 甲烷氧化菌在天然水样和人工废液混合物中选择性提取Ln

微生物可直接利用工业来源稀土

The Skovran Lab展示了甲基营养菌 Methylobacterium extorquens AM1 在含有计算机硬盘磁体的环境中也能生长。这意味着微生物能够直接利用来自电子废弃物中的Ln作为代谢所需的因子，显示了其在稀土资源生物回收和绿色再利用方面的潜在应用价值。

图4. 甲基营养菌能在计算机硬盘磁体上生长

微生物已进化出多样化的Ln摄取和转运系统

多种甲基营养菌和甲烷氧化菌已经被发现依赖Ln来完成一碳化合物的氧化，并且演化出多样化的Ln摄取与利用机制。例如，Methylorubrum extorquens AM1 通过 LutH/LutE₂F₂转运系统和金属络合剂高效摄取 Ln，进一步由LanM蛋白结合和转移至XoxF型MDH，实现甲醇向甲醛的高效氧化。在极端酸性生态系统中分离的Methylacidiphilum fumariolicum SolV，则可能利用CirA类转运系统摄取Ln，并依赖XoxF型MDH将甲醇直接氧化为甲酸，绕过甲醛这一常见中间体，展现了Ln参与的独特代谢途径。这些发现表明，Ln不仅是MDH的重要辅因子，而且在多种代谢中均发挥作用，显著提高了催化效率和底物亲和力。Ln的存在改变了传统的一碳代谢格局，并通过调控不同类型的脱氢酶拓展了微生物的代谢多样性。这一进展不仅加深了我们对全球碳循环中金属元素作用的理解，也为发展基于Ln的绿色生物催化与碳捕获利用技术提供了新的科学基础。

图5. 多样化的Ln摄取和转运系统

总结及展望

近年来的研究表明，Ln在微生物代谢中扮演着超越传统认知的重要角色。最初的发现集中于 Ln 作为PQQ依赖型XoxF型MDH的关键辅因子，但随后的研究不断拓展了这一领域。例如，在 Beijerinckiaceae bacterium RH AL1中，Ln 不仅影响甲醇代谢，还对鞭毛和趋化系统以及聚羟基烷酸酯（PHA）的合成产生显著作用，提示 Ln在细菌生理过程中发挥更为广泛的功能。此外，放射性锕系元素如锔（Cm）和镅（Am）在 Methylacidiphilum fumariolicum SolV中也被证实可替代Ln支持生长，这一现象为我们理解f 区元素的生物学作用提供了全新视角。

尽管取得了显著进展，但我们对Ln的生物学功能认识仍处于起步阶段。其在细胞内的获取机制、跨膜转运途径以及调控网络仍需深入探索。未来的研究方向包括：从不同环境中分离更多Ln 依赖型甲基营养菌及非甲基营养菌，以揭示Ln在生态系统中的普遍性与多样性；解析Ln相关酶与蛋白的分子机制，拓展其在合成生物学中的应用潜力；并推动基于微生物的稀土元素开采与循环利用新技术的发展。随着研究的深入，Ln有望成为连接基础科学与绿色技术的重要纽带，在全球碳循环调控与可持续发展中发挥关键作用。

04 作者简介

Tobias J. Erb教授

Tobias J. Erb教授，德国马普陆地微生物研究所所长，长期致力于微生物碳代谢研究，尤其关注二氧化碳转化的生物化学与合成生物学。他的研究聚焦于全球碳循环中关键二氧化碳固定酶 RuBisCO的进化，并探索自然界尚未演化出的新型酶与代谢途径，以提升碳捕获与转化效率。他率先构建首个人工二氧化碳固定代谢途径，展示了人工叶绿体，并重建了RuBisCO的分子进化过程。Erb教授已在Nature、Science、Cell等国际顶尖期刊发表论文250余篇，先后当选EAM、EMBO与德国国家科学院院士，并获得2024年莱布尼茨奖和ERC Advanced Grant。他的研究成果不仅拓展了合成生物学的前沿，还为应对气候变化和发展高效碳循环技术奠定了重要基础。

刘长青 博士

刘长青，博士，2018年硕士毕业于中国科学院青岛生物能源与过程研究所，2023年博士毕业于荷兰拉德堡德大学（奈梅亨）环境微生物学专业，博士课题为酸性火山生态系统中的甲烷氧化菌。2023年加入德国马普陆地微生物研究所Tobias J. Erb课题组，开展橡树叶表面微生物群落的碳源利用机制研究，重点探索新型微生物、新的代谢途径与新酶的功能，以及镧系金属在细菌中的作用机制。至今已在Environmental Microbiology、Biotechnology Advances、Biotechnology for Biofuels、Microbial Cell Factories、Carbohydrate Polymers、Antonie van Leeuwenhoek等国际期刊发表论文20余篇。

尹相博 博士

尹相博，博士，2017 年硕士毕业于华东师范大学苔藓植物课题组，2022 年博士毕业于加拿大魁北克大学环境科学专业，2023 年博士后入职加拿大国家科学研究院（INRS）从事微生物降解矿区废水中环烷酸的研究，2024 年加入德国马尔堡大学植物生态地理团队，从事橡树表面叶际微生物群落结构的研究。 目前的研究方向为植物与微生物的相互作用，苔藓植物生态学，以及人类活动与生物多样性保护。至今已发表SCI 论文17 篇，其中第一或通讯作者身份在Science (letter) 、Global Change Biology、Communications Earth & Environment、Ecological Indicators等知名期刊发表10 篇。

Huub J.M. Op den Camp教授

Huub J.M. Op den Camp 教授，荷兰拉德堡德大学（奈梅亨）生态微生物学荣誉教授，于2022年正式退休，并因其在环境微生物学领域的杰出贡献被授予荷兰王国狮子勋章骑士，这是荷兰最高学术与文化荣誉之一。他的研究主要聚焦于甲烷氧化菌的多样性与代谢途径、酸性火山生态系统的微生物群落，以及碳、氮、硫等元素的生物地球化学循环。Op den Camp教授率先发现并系统研究了嗜酸嗜热的 Verrucomicrobia甲烷氧化菌，揭示了这些极端环境微生物在全球甲烷循环中的关键作用。同时，他的团队首次证明Ln是XoxF型MDH必需的辅因子，开创了REEs在微生物代谢研究中的新方向，并对理解微生物金属利用机制产生了深远影响。迄今，Op den Camp教授已在Nature、Nature Microbiology、Nature Communication、 Water Research、ISME等国际顶尖期刊发表论文400余篇，他的研究不仅拓展了基础科学前沿，也为气候变化研究与环境治理提供了重要启示。

05 Green Carbon

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