藏在海岸帶微生物世界中的“神秘電纜”

在現(xiàn)代社會(huì)，電纜是我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡幕A(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著電力和信息的傳輸功能，支撐著通信、交通及工業(yè)發(fā)展。然而，除了我們所熟知的電纜之外，還有一種神奇的“電纜”存在于海岸帶微生物世界中--被稱為“電纜細(xì)菌”。這些電纜細(xì)菌通過細(xì)長(zhǎng)的絲狀結(jié)構(gòu)將電子在環(huán)境介質(zhì)中傳遞，并可形成類似電纜的電流傳輸網(wǎng)絡(luò)。它們不僅在自然界中發(fā)揮著重要作用，也為科學(xué)家研究能源傳輸與環(huán)境清潔提供了全新的視角。

什么是電纜細(xì)菌？

電纜細(xì)菌（Cable Bacteria）是一種由單細(xì)胞首尾相連而成、長(zhǎng)至數(shù)厘米的絲狀細(xì)菌，在分類學(xué)術(shù)上屬于脫硫球莖科（Desulfobulbaceae）；其最顯著的特點(diǎn)是能夠在厘米尺度上進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移，主要分布于海床、潮間帶等海岸帶沉積環(huán)境。

電纜細(xì)菌最早的發(fā)現(xiàn)可以追溯到2010年，世界著名電微生物學(xué)家、丹麥奧胡斯大學(xué)的Lars Peter Nielsen教授團(tuán)隊(duì)在一處海灘發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象：海灘沉積物表面的氧氣消耗與沉積物深處硫化氫氧化速率相耦合，而這兩個(gè)過程之間的距離竟然達(dá)到1-3厘米。我們知道化學(xué)反應(yīng)通常需要反應(yīng)物質(zhì)相互接觸才能發(fā)生，這意味著反應(yīng)物質(zhì)必須在一定的空間內(nèi)相互碰撞才能有效地發(fā)生反應(yīng)。因此，他們推測(cè)為這種厘米級(jí)別的長(zhǎng)距離電子轉(zhuǎn)移可能是由微生物和一些非生物的導(dǎo)電材料共同完成。2012年，Nielsen教授團(tuán)隊(duì)的Pfeffer等在Nature發(fā)文報(bào)道上述過程中的長(zhǎng)距離電子轉(zhuǎn)移是由一種多細(xì)胞的長(zhǎng)絲狀細(xì)菌介導(dǎo)完成；這些細(xì)菌能夠橫跨數(shù)厘米寬的區(qū)域，并且具備特殊的脊?fàn)顚?dǎo)電結(jié)構(gòu)；電子正是依靠這些“導(dǎo)電脊”在細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行長(zhǎng)距離傳遞。隨后，研究人員則根據(jù)這種新發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌外形酷似電纜的特點(diǎn)而將其命名為“電纜細(xì)菌”。

沉積物中的絲狀電纜細(xì)菌（圖片源自于Nielsen團(tuán)隊(duì)文章）

電纜細(xì)菌分布和作用

自電纜細(xì)菌首次被報(bào)道以來，研究人員在以海岸帶為主的多種自然環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了它們的存在，主要有海洋沉積物、鹽沼、季節(jié)性缺氧河口、潮下泥灘、潮間帶、紅樹林等海岸帶區(qū)域；此外，稻田、深海環(huán)境、甚至地下水等環(huán)境也發(fā)現(xiàn)了電纜細(xì)菌的存在。電纜細(xì)菌的廣泛分布表明它們具有強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性，暗示其在生態(tài)系統(tǒng)中可能扮演著多樣化角色。根據(jù)研究報(bào)道，電纜細(xì)菌不僅參與了硫、鐵、碳、氮、磷等元素的生物地球化學(xué)循環(huán)，還在有機(jī)污染物降解、礦物形成、溶氧增加、甲烷排放減少、生物多樣性保護(hù)等環(huán)境生態(tài)過程中起到關(guān)鍵作用。

電纜細(xì)菌的電導(dǎo)特性源于其獨(dú)特的生物結(jié)構(gòu)和代謝方式。與大多數(shù)細(xì)菌不同，電纜細(xì)菌的“電纜”結(jié)構(gòu)使得它們能夠在長(zhǎng)距離上沿著細(xì)菌體表傳遞電子，依靠“電流”來驅(qū)動(dòng)環(huán)境中的生物化學(xué)反應(yīng)。近年來，科學(xué)家們開始探索如何利用這些微生物的特殊能力。例如，電纜細(xì)菌能夠在水體和沉積物中幫助降解硫化氫等污染物，科學(xué)家們正在探索如何利用這些細(xì)菌進(jìn)行黑臭水體的修復(fù)；此外，電纜細(xì)菌能夠通過傳遞電子來生成電流，這使得它們?cè)谏镫姵亍㈦娮釉O(shè)備與傳感器等研究中具有重要應(yīng)用前景，期待未來科學(xué)家們可以設(shè)計(jì)出基于電纜細(xì)菌的工業(yè)產(chǎn)品。

電纜細(xì)菌的挑戰(zhàn)與未來

盡管電纜細(xì)菌具有巨大的應(yīng)用潛力，但是目前在研究和應(yīng)用過程中仍面臨許多挑戰(zhàn)。首先，電纜細(xì)菌的培養(yǎng)條件非常嚴(yán)格，對(duì)溫度、pH值和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等要求較高，這限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。其次，如何優(yōu)化電纜細(xì)菌的導(dǎo)電性能，也是當(dāng)前研究中的難題。

電纜細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)為我們揭示了一個(gè)全新的生物電傳導(dǎo)世界。這些微小的細(xì)菌不僅在自然界中扮演著重要的生態(tài)角色，也為現(xiàn)代科技提供了新的靈感。未來，隨著生物技術(shù)的進(jìn)步，電纜細(xì)菌的應(yīng)用前景將更加廣闊。

作 者：張海坤 副研究員 中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所

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