出品：科普中國

作者：劉茜（中國科學院微生物研究所）

(資料圖片)

我們現(xiàn)代人的生活時時刻刻都離不開電，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，如天空中的強烈放電現(xiàn)象——閃電等。還有什么能導電呢？

微生物！

早在1910年，英國植物學家就發(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微生物電池。目前，科學家們已發(fā)現(xiàn)了上百種與電有關聯(lián)的微生物，并將這些微生物命名為電化學活性微生物。

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

你用愛發(fā)電，它們用線導電

2005年，科學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胞內部傳遞至細胞外部的“導電觸手”，并將其命名為導電納米線。

導電納米線是一種微生物自己合成的、直徑為納米級別的線狀結構。隨著研究的不斷深入，科學家們還在嗜熱發(fā)酵菌、藍細菌、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)了導電納米線，可見導電納米線的廣泛存在。

微生物的“導電觸手”

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

有趣的是，科學家們發(fā)現(xiàn)不同種類微生物中的導電納米線類型和數(shù)量并不相同。如奧奈達希瓦氏菌中只有一種由細胞外膜與周質空間延伸物組成的導電納米線。

而硫還原地桿菌中有三種導電納米線，且這三種導電納米線的導電性能并不相同，其中一種導電納米線的導電性能比另一種導電納米線強1000倍。

導電不是白導的

導電納米線在微生物的生命活動中，到底起到了什么作用呢？科學家們通過研究發(fā)現(xiàn)，導電納米線主要有兩類作用：參與微生物的生理代謝和介導微生物間的共生關系。

微生物的導電納米線（Microbial nanowires）

（圖片來源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert）

參與微生物的生理代謝：比如硫還原地桿菌的導電納米線可以將細胞內的電子，傳輸給距離其較遠的不可溶含鐵礦物，將三價鐵還原，從而完成呼吸過程，并從中儲存生命活動所需能量，這一過程也被稱為鐵呼吸。

介導微生物間的共生關系：導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導電納米線，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，從而實現(xiàn)兩個微生物在富含乙醇和富馬酸環(huán)境中的互利共生。

科學家發(fā)現(xiàn)金屬還原地桿菌還可以通過導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，從而實現(xiàn)兩個微生物的互養(yǎng)共生。

微生物導的電，這就用上了

隨著對導電納米線的不斷研究，科學家們發(fā)現(xiàn)它具有很高的導電性能及穩(wěn)定性，所以在生物新能源、生物材料及環(huán)境修復等領域都有著很強的應用潛力。

產(chǎn)生納米線的細菌

（圖片來源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert）

1.生物新能源

這是導電納米線最有前景的應用之一，科學家們發(fā)現(xiàn)，導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物中的化學能直接轉換為電能的裝置?？茖W家們設計了多種裝置，僅需通過對電化學活性微生物的培養(yǎng)，即可以獲得電能。同時科學家們還發(fā)現(xiàn)，通過基因工程手段促進某些微生物中導電納米線的表達后，可以進一步提高微生物燃料電池的產(chǎn)電量。

除此之外，還有科學家嘗試對微生物產(chǎn)生的導電納米線進行收集純化，制備了基于導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)進一步佐證了導電納米線在生物新能源領域具有很好的發(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，且具有一定的機械強度，適合用于構建新型綠色無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；科學家還嘗試將硫還原地桿菌的導電納米線與聚乙烯醇制成復合材料，發(fā)現(xiàn)該復合材料具有更高的熱穩(wěn)定性及更大的導電范圍。

3.環(huán)境修復

微生物導電納米線可以對環(huán)境中的有毒金屬進行轉化和遷移，在重金屬污染土壤修復方面具有重要的應用價值。例如，硫還原地桿菌的導電納米線可以將有毒的可溶性六價鈾U（VI）還原為不可溶的四價鈾U（IV），且還原后的四價鈾會附著于導電納米線表面，從而實現(xiàn)鈾的富集與固定；集胞藻（一種藍細菌）的導電納米線可以幫助沉積重金屬砷等。

結語

近年來，科學家們對導電納米線日益深入的研究，不僅拓寬了大家對微生物的認識，還加深了微生物與環(huán)境互作的了解，同時還為微生物在生物修復、生物新能源等領域的應用奠定了理論基礎。

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