微生物會(huì)導(dǎo)電的觸手，見(jiàn)沒(méi)見(jiàn)過(guò)，想不想要！

出品：科普中國(guó)

作者：劉茜、馬旅雁（中國(guó)科學(xué)院微生物研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

我們現(xiàn)代人的生活時(shí)時(shí)刻刻都離不開(kāi)電，如黑夜里照明用的電燈、工作使用的電腦等；自然界中也存在電，如天空中的強(qiáng)烈放電現(xiàn)象——閃電等。還有什么能導(dǎo)電呢？

微生物！

早在1910年，英國(guó)植物學(xué)家就發(fā)現(xiàn)某些微生物的培養(yǎng)液能夠產(chǎn)生電流，并制造出了世界上第一個(gè)微生物電池。目前，科學(xué)家們已發(fā)現(xiàn)了上百種與電有關(guān)聯(lián)的微生物，并將這些微生物命名為電化學(xué)活性微生物。

不僅如此，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)在一些電化學(xué)活性微生物中有一種神奇的“導(dǎo)電觸手”，可以幫助這些微生物進(jìn)行遠(yuǎn)距離的電子傳遞。這種“導(dǎo)電觸手”就是微生物的導(dǎo)電納米線。

你用愛(ài)發(fā)電，它們用線導(dǎo)電

2005年，科學(xué)家首次在一種叫作硫還原地桿菌的微生物中，發(fā)現(xiàn)了這種**可以將電子從細(xì)胞內(nèi)部傳遞至細(xì)胞外部的“導(dǎo)電觸手”，**并將其命名為導(dǎo)電納米線。

**導(dǎo)電納米線是一種微生物自己合成的、直徑為納米級(jí)別的線狀結(jié)構(gòu)。**隨著研究的不斷深入，科學(xué)家們還在嗜熱發(fā)酵菌、藍(lán)細(xì)菌、沼澤紅假單胞菌、硫酸鹽還原菌、嗜酸氧化亞鐵硫桿菌等諸多微生物中發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)電納米線，可見(jiàn)導(dǎo)電納米線的廣泛存在。

微生物的“導(dǎo)電觸手”

（圖片來(lái)源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert，翻譯：作者）

有趣的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)微生物中的導(dǎo)電納米線類(lèi)型和數(shù)量并不相同。如目前已知的奧奈達(dá)希瓦氏菌中的導(dǎo)電納米線是由細(xì)胞外膜與周質(zhì)空間延伸物組成的。

而硫還原地桿菌中有三種導(dǎo)電納米線，它們都由蛋白質(zhì)組成，且這三種導(dǎo)電納米線的導(dǎo)電性能并不相同，其中一種導(dǎo)電納米線的導(dǎo)電性能比另一種導(dǎo)電納米線強(qiáng)1000倍。

導(dǎo)電不是白導(dǎo)的

導(dǎo)電納米線在微生物的生命活動(dòng)中，到底起到了什么作用呢？科學(xué)家們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電納米線主要有兩類(lèi)作用：參與微生物的生理代謝和介導(dǎo)微生物間的共生關(guān)系。

微生物的導(dǎo)電納米線（Microbial nanowires）

（圖片來(lái)源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert）

參與微生物的生理代謝：比如硫還原地桿菌的導(dǎo)電納米線可以將細(xì)胞內(nèi)的電子，傳輸給距離其較遠(yuǎn)的不可溶含鐵礦物，將三價(jià)鐵還原，從而完成呼吸過(guò)程，并從中儲(chǔ)存生命活動(dòng)所需能量，這一過(guò)程也被稱為鐵呼吸。

介導(dǎo)微生物間的共生關(guān)系：導(dǎo)電納米線可以幫助微生物將電子傳遞給相鄰的其他微生物，比如，金屬還原地桿菌可以通過(guò)導(dǎo)電納米線，將自己氧化乙醇產(chǎn)生的電子傳遞給硫還原地桿菌，而硫還原地桿菌則利用得到的電子還原富馬酸，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微生物在富含乙醇和富馬酸環(huán)境中的共生。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)金屬還原地桿菌還可以通過(guò)導(dǎo)電納米線將氧化乙醇產(chǎn)生的電子傳遞給甲烷古菌，而甲烷古菌則利用得到的電子將二氧化碳還原為甲烷，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微生物的共生。

微生物的導(dǎo)電觸手，這就用上了

隨著對(duì)導(dǎo)電納米線的不斷研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它具有很高的導(dǎo)電性能及穩(wěn)定性，所以在生物新能源、生物材料及環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域都有著很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。

產(chǎn)生納米線的細(xì)菌

（圖片來(lái)源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert）

1.生物新能源

這是導(dǎo)電納米線最有前景的應(yīng)用之一，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電納米線可以用于研發(fā)微生物燃料電池和生物電池。

微生物燃料電池是一種利用微生物將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)了多種裝置，僅需通過(guò)對(duì)電化學(xué)活性微生物的培養(yǎng)，即可以獲得電能。同時(shí)科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)基因工程手段促進(jìn)某些微生物中導(dǎo)電納米線的表達(dá)后，可以進(jìn)一步提高微生物燃料電池的產(chǎn)電量。

除此之外，還有科學(xué)家嘗試對(duì)微生物產(chǎn)生的導(dǎo)電納米線進(jìn)行收集純化，制備了基于導(dǎo)電納米線的微型生物電池，這種電池的電流密度甚至高于固體金屬電池。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步佐證了導(dǎo)電納米線在生物新能源領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.生物材料

硫還原地桿菌的導(dǎo)電納米線在溶液及高溫環(huán)境中，依然具有良好的電子傳遞能力，且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，適合用于構(gòu)建新型綠色無(wú)污染的生物電子器件，例如心臟起搏器中的電池或電路元件等；科學(xué)家還嘗試將硫還原地桿菌的導(dǎo)電納米線與聚乙烯醇制成復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料具有更高的熱穩(wěn)定性及更大的導(dǎo)電范圍。

3.環(huán)境修復(fù)

微生物導(dǎo)電納米線可以對(duì)環(huán)境中的有毒金屬進(jìn)行轉(zhuǎn)化和遷移，在重金屬污染土壤修復(fù)方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如，硫還原地桿菌的導(dǎo)電納米線可以將有毒的可溶性六價(jià)鈾U（VI）還原為不可溶的四價(jià)鈾U（IV），且還原后的四價(jià)鈾會(huì)附著于導(dǎo)電納米線表面，從而實(shí)現(xiàn)鈾的富集與固定；集胞藻（一種藍(lán)細(xì)菌）的導(dǎo)電納米線可以幫助沉積重金屬砷等。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，科學(xué)家們對(duì)導(dǎo)電納米線日益深入的研究，不僅拓寬了大家對(duì)微生物的認(rèn)識(shí)，還加深了微生物與環(huán)境互作的了解，同時(shí)還為微生物在生物修復(fù)、生物新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

編輯：孫晨宇