電燈、電腦、手機(jī)……在人們的日常生活中，時(shí)時(shí)刻刻都離不開電。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，能發(fā)電的不只有煤炭、石油、天然氣、水能等常規(guī)能源，還可以通過微生物等新型能源發(fā)電。目前，科學(xué)家們已經(jīng)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)家們還在一些電化學(xué)活性微生物中發(fā)現(xiàn)了微生物納米導(dǎo)線，可以幫助微生物進(jìn)行遠(yuǎn)距離的電子傳遞。微生物納米導(dǎo)線依附于細(xì)菌等微生物表面，看上去，就像微生物的一頭飄逸的“秀發(fā)”。

微生物納米導(dǎo)線的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是百余年來細(xì)菌發(fā)電領(lǐng)域的里程碑事件，推動(dòng)了電微生物學(xué)的形成與發(fā)展。借助微生物納米導(dǎo)線，微生物胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的電子可以長距離輸送到胞外受體或其他微生物，改變了電子傳遞鏈僅僅局限于細(xì)胞胞內(nèi)的認(rèn)識(shí)。

【資料圖】

隨著研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)微生物納米導(dǎo)線具有很高的導(dǎo)電性及穩(wěn)定性，在生物新能源、生物材料及環(huán)境修復(fù)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大。

今天，讓我們一起了解細(xì)菌發(fā)電和細(xì)菌發(fā)電背后的微生物納米導(dǎo)線。

微生物納米導(dǎo)線：有生命的“電線”

■謝嘯天 孫多傳 朱嘉凱

微生物納米導(dǎo)線示意圖。資料圖片

科研人員研制的“空氣發(fā)電機(jī)”裝置概念圖。資料圖片

微生物納米導(dǎo)線應(yīng)用概念圖。資料圖片

細(xì)菌與電的不解之緣

電，從1752年本杰明·富蘭克林在雷雨中放風(fēng)箏后，開始加快了走進(jìn)人類生活的步伐。

細(xì)菌，從1683年列文虎克在顯微鏡下第一次觀察到它后，便讓人類對(duì)它所處的微觀世界愈發(fā)著迷。

電和細(xì)菌，一個(gè)是自古就有的自然現(xiàn)象，一個(gè)是地球上最古老的生命體，兩者結(jié)合到一起，又會(huì)擦出怎樣的“火花”？

1910年的一天，英國植物學(xué)家馬克·皮特正站在實(shí)驗(yàn)桌前，瞪大雙眼緊緊盯著插在細(xì)菌培養(yǎng)皿中與鉑電極相連的電流表。不一會(huì)兒，當(dāng)他看到電流表表盤跳動(dòng)的指針時(shí)，再也抑制不住內(nèi)心的激動(dòng)。此時(shí)，培養(yǎng)皿中的細(xì)菌正將電子排出體外。

這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)一時(shí)，讓眾多同行驚訝萬分，馬克·皮特當(dāng)時(shí)也信心滿滿地認(rèn)為，自己的這一發(fā)現(xiàn)注定將開啟一個(gè)全新的時(shí)代。

可事與愿違，不知是細(xì)菌的小“體格”滿足不了電能需求，還是細(xì)菌發(fā)電的方式不能滿足人類對(duì)持續(xù)穩(wěn)定電流的需要，在大工業(yè)生產(chǎn)時(shí)代，細(xì)菌發(fā)電在與水電、風(fēng)電、太陽能發(fā)電等清潔能源的較量中敗下陣來，人類對(duì)細(xì)菌發(fā)電的探索暫時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)。

時(shí)隔70多年后，這座“休眠的火山”終于醒來。1984年，美國科研人員成功制造了一種能在太空中使用的微生物燃料電池，其燃料主要是宇航員的尿液等排泄物，雖然它的放電率極低，但在“寸土寸金”的宇宙飛船上變廢為寶，這為細(xì)菌發(fā)電打開了一個(gè)思路。

幾乎同一時(shí)期，英國化學(xué)家彼得·彭托在細(xì)菌發(fā)電方面取得了重大突破。他在細(xì)菌培養(yǎng)液中加入糖和芳香族化合物等，并向其中不斷注入空氣，獲得了2安培的電流并能持續(xù)發(fā)電幾十天。

后來，人們成功實(shí)現(xiàn)了利用重金屬、有機(jī)污水、海藻纖維甚至啤酒廢料等作為原料的細(xì)菌發(fā)電。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)電能的需求度越來越高、越來越多樣化，綠色、有機(jī)的細(xì)菌發(fā)電方式，重新點(diǎn)燃了人類對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱情。

能發(fā)電還能導(dǎo)電

上世紀(jì)80年代末，微生物學(xué)家德里克·洛夫利在波托馬克河的泥漿中發(fā)現(xiàn)了首株胞外呼吸菌，這令他異常興奮，因?yàn)榧?xì)菌的胞外呼吸意味著電子可以“穿過”細(xì)胞膜（細(xì)胞壁）被傳遞至胞外受體，即細(xì)菌存在著導(dǎo)電的可能性。

功夫不負(fù)有心人。21世紀(jì)初，德里克·洛夫利和他的團(tuán)隊(duì)首次在一種叫硫還原地桿菌的細(xì)菌表面，發(fā)現(xiàn)了可以將電子從細(xì)胞內(nèi)部傳遞至細(xì)胞外部的菌毛，他將其命名為“導(dǎo)電菌毛”，也叫“微生物納米導(dǎo)線”。從外觀上看，這些導(dǎo)線就像細(xì)菌長出了一頭飄逸的“秀發(fā)”。

這種會(huì)導(dǎo)電的“秀發(fā)”是一類由微生物合成的，具有導(dǎo)電性的纖維狀表面附屬結(jié)構(gòu)。通過 “發(fā)絲”，微生物胞內(nèi)代謝產(chǎn)生的電子可以輸送到胞外受體或其他微生物。

“發(fā)絲”在微生物的生命活動(dòng)中，到底有什么作用呢？研究人員發(fā)現(xiàn)，它主要有兩類作用：參與微生物的生理代謝和介導(dǎo)微生物間的共生關(guān)系。

參與微生物的生理代謝。比如硫還原地桿菌的“發(fā)絲”可以將細(xì)胞內(nèi)的電子傳遞給附近的含鐵礦物，將鐵還原，在完成自身呼吸過程中儲(chǔ)存生命活動(dòng)所需能量。

介導(dǎo)微生物間的共生關(guān)系。一些細(xì)菌的“秀發(fā)”還可以為其他微生物傳遞電子，在特殊環(huán)境中構(gòu)建命運(yùn)共同體。比如，金屬還原地桿菌就可以通過“發(fā)絲”，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。

由此可見，細(xì)菌通過“發(fā)絲”導(dǎo)電是為了自身生存，而人類卻由此推開了一扇嶄新的科學(xué)研究之門：微生物納米導(dǎo)線的發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為是百余年來細(xì)菌發(fā)電領(lǐng)域的里程碑事件，推動(dòng)了電微生物學(xué)的形成與發(fā)展。

這一發(fā)現(xiàn)，改變了以往細(xì)菌發(fā)電領(lǐng)域電子傳遞鏈僅僅局限于細(xì)胞內(nèi)的認(rèn)識(shí)，從而極大地拓展了細(xì)菌與外界環(huán)境的作用范圍，為細(xì)菌發(fā)電提供了更廣闊的應(yīng)用前景。

目前，細(xì)菌發(fā)電領(lǐng)域吸引了大量研究者的目光，各國研究成果如雨后春筍般層出不窮。如今，僅發(fā)現(xiàn)的天然“微生物納米導(dǎo)線”就有數(shù)十種之多。但值得關(guān)注的是，一些細(xì)菌“秀發(fā)”能導(dǎo)電雖然已毋庸置疑，但這些“發(fā)絲”的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)功能尚不清楚，對(duì)它的電子傳遞機(jī)制研究界仍存在分歧。

理論指導(dǎo)實(shí)踐，一切技術(shù)應(yīng)用都離不開基礎(chǔ)科學(xué)研究的支撐。有爭論才會(huì)有發(fā)展，關(guān)于細(xì)菌導(dǎo)電機(jī)理的爭論，必將加快促進(jìn)微生物納米導(dǎo)線導(dǎo)電理論的成熟并推動(dòng)其走向多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊

近些年，人們對(duì)微生物納米導(dǎo)線的研究愈發(fā)深入。截至目前，微生物納米導(dǎo)線的“觸角”已經(jīng)涉及生物新能源、生物材料、生物修復(fù)及人體健康監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域，成為新興電微生物學(xué)領(lǐng)域研究的前沿與熱點(diǎn)。

——生物新能源。

自從微生物納米導(dǎo)線被發(fā)現(xiàn)后，科研人員在細(xì)菌發(fā)電領(lǐng)域有了新突破，這被認(rèn)為是最有前景的應(yīng)用之一。比如，德里克·洛夫利和他的團(tuán)隊(duì)研制出了一種“空氣發(fā)電機(jī)”，僅利用細(xì)菌“秀發(fā)”從空氣里的水分子中提取電子就能發(fā)電。與其他發(fā)電方式相比，“空氣發(fā)電機(jī)”不受環(huán)境制約，幾乎可以在地球上的任何環(huán)境中工作。但目前，因制造成本、材料等多種因素制約，該產(chǎn)品還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。不過隨著基因工程等技術(shù)手段的不斷發(fā)展，微生物的產(chǎn)電量正在持續(xù)提高。未來這項(xiàng)技術(shù)甚至可能應(yīng)用在房間的墻壁上，為整個(gè)建筑提供電力。

——生物材料。

研究發(fā)現(xiàn)，硫還原地桿菌的“秀發(fā)”在高溫環(huán)境中，依然具有良好的導(dǎo)電能力。相比于傳統(tǒng)金屬導(dǎo)電材料，微生物納米導(dǎo)線的生物相容性、耐腐蝕性更強(qiáng)，這些特點(diǎn)非常適合在人體內(nèi)部使用的心臟起搏器或在海洋、土壤中使用的傳感器等電子器件。據(jù)報(bào)道，科學(xué)家還將硫還原地桿菌的納米導(dǎo)線與聚乙烯醇制成復(fù)合導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)了更高的熱穩(wěn)定性，應(yīng)用范圍將會(huì)更加廣泛。

——環(huán)境修復(fù)。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視，但治理被污染的土壤、水體以及垃圾處理等環(huán)境修復(fù)工作一直是個(gè)難題。在這個(gè)方面，細(xì)菌“秀發(fā)”能夠派上大用場。研究表明，微生物納米導(dǎo)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，硫還原地桿菌的納米導(dǎo)線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾等放射性元素的富集與固定，這個(gè)方法在鈾污染水體的修復(fù)中已經(jīng)被應(yīng)用。

——人體健康監(jiān)測。

一次偶然機(jī)會(huì)，科研人員在導(dǎo)致下頜骨壞死的微生物被膜中，發(fā)現(xiàn)了大量的微生物納米導(dǎo)線，他們猜測納米導(dǎo)線的大量表達(dá)是加速下頜骨壞死的重要因子。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，微生物胞外電子傳遞可能直接影響人體相關(guān)疾病的發(fā)生。這些研究讓人類對(duì)微生物納米導(dǎo)線與人體健康的關(guān)系有了新的理解，為疾病的預(yù)防與治療提供了一個(gè)全新思路。

目前，人類對(duì)細(xì)菌“秀發(fā)”的認(rèn)識(shí)可能只是冰山一角。今后，隨著研究的持續(xù)深入，這縷“秀發(fā)”對(duì)人類社會(huì)生活的參與度一定會(huì)越來越高，為我們的日常生活帶來更多驚喜與改變。（作者：謝嘯天 孫多傳 朱嘉凱）

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