Persistent flocks of diverse motile bacteria in long-term incubations of electron-conducting cable bacteria, Candidatus Electronema Aureum

在電子傳導(dǎo)電纜細(xì)菌 Candidatus Electronema aureum 的長期培養(yǎng)中，多種運(yùn)動(dòng)細(xì)菌的持續(xù)群體

來源：Microbiol. 14:1008293. 23 February 2023

 

摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過長期（81天）雙重復(fù)實(shí)驗(yàn)（TS1/TS2），探究淡水電纜細(xì)菌（Candidatus Electronema aureum GS）富集培養(yǎng)中細(xì)菌集群現(xiàn)象（flocking）的持續(xù)性與驅(qū)動(dòng)機(jī)制。核心發(fā)現(xiàn)：

 

集群普遍性：在電纜細(xì)菌活性期內(nèi)（電流密度>0），多樣化運(yùn)動(dòng)細(xì)菌持續(xù)圍繞電纜細(xì)菌形成密集集群（圖2B），與電纜細(xì)菌豐度或環(huán)境pH無關(guān)。

 

 

微生物多樣性：集群細(xì)菌含5種形態(tài)類型（弧菌狀、桿狀、球菌、螺旋菌、螺旋體；圖3），以小型弧菌狀（≤1×1.5 μm）為主（圖4）。

 

 

 

 

電子傳遞假說：集群行為與電纜細(xì)菌的電子傳導(dǎo)活性直接相關(guān)（圖1A），支持通過電子穿梭體進(jìn)行種間電子傳遞（IET）的互作機(jī)制。

 

 

電纜細(xì)菌動(dòng)態(tài)：電纜細(xì)菌活性（電流密度）與相對豐度（16S rRNA）呈正相關(guān)（r = 0.82；圖1A-B），但集群現(xiàn)象獨(dú)立于其豐度變化。

 

 

研究目的

 

確定集群現(xiàn)象（flocking）是否僅出現(xiàn)在電纜細(xì)菌高豐度/高活性階段。

解析集群細(xì)菌的形態(tài)多樣性及時(shí)間動(dòng)態(tài)。

探究集群行為與電纜細(xì)菌電子傳導(dǎo)活性的關(guān)聯(lián)機(jī)制。

 

研究思路與技術(shù)路線

 

graph TD

A[電纜細(xì)菌富集培養(yǎng)] --> B[微電極原位監(jiān)測]

B --> B1[O2/pH/電場電位（EP）]

B --> B2[電流密度（活性代理）]

A --> C[時(shí)間序列采樣]

C --> D1[16S rRNA測序（電纜細(xì)菌豐度）]

C --> D2[顯微觀察（集群行為與形態(tài)）]

D1 & D2 --> E[關(guān)聯(lián)分析：集群 vs 活性/豐度/環(huán)境因子]

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

數(shù)據(jù)類別 來源圖表 研究意義

電纜細(xì)菌活性動(dòng)態(tài) 圖1A 電流密度峰值79 mA/m2（第22天），證明電子傳導(dǎo)活性；為集群提供能量基礎(chǔ)

集群持續(xù)存在 圖2B 集群在81天內(nèi)除2個(gè)時(shí)間點(diǎn)外持續(xù)出現(xiàn)，否定“僅高豐度時(shí)發(fā)生”假說

形態(tài)多樣性量化 圖3-4 5類形態(tài)中弧菌狀占主導(dǎo)（>50%），表明集群非單一物種行為

活性-集群直接關(guān)聯(lián) 圖1A vs 圖2B 集群僅在電流密度>0時(shí)出現(xiàn)（如第81天活性消失后無集群）

O2消耗主導(dǎo)性 圖1C 電纜細(xì)菌陰極耗氧（COC）占比達(dá)75.5%，維持局部缺氧驅(qū)動(dòng)集群

 

 

核心結(jié)論

 

集群的普遍性：集群現(xiàn)象是電纜細(xì)菌活性期的固有特征，只要電纜細(xì)菌進(jìn)行電子傳導(dǎo)（電流密度>0），即吸引多樣化細(xì)菌形成集群（圖2B）。

電子傳遞機(jī)制：集群細(xì)菌可能通過電子穿梭體向電纜細(xì)菌傳遞電子（如氧化硫化物），利用其作為“生物電纜”間接耗氧（圖1C）。

形態(tài)生態(tài)位分化：小型弧菌狀菌（低運(yùn)動(dòng)耗能）在集群中占優(yōu)，暗示在缺氧區(qū)（電纜細(xì)菌周圍）的適應(yīng)性優(yōu)勢（圖4）。

技術(shù)啟示：集群檢測需高分辨率顯微（避開高密度干擾），且需結(jié)合局部化學(xué)梯度分析（未測量硫化物梯度是局限）。

 

Unisense電極數(shù)據(jù)的深度解讀

技術(shù)方案

 

傳感器組合：Unisense定制微電極（O?、pH、EP）+ 四通道數(shù)字化儀（SensorTrace Pro）。

關(guān)鍵參數(shù)：

電場電位（EP）：間接測量電子傳遞活性 → 計(jì)算電流密度（圖1A）。

O?剖面：校準(zhǔn)后計(jì)算陰極耗氧占比（COC）（圖1C）。

pH剖面：揭示電纜細(xì)菌代謝產(chǎn)物（H?/OH?）的化學(xué)梯度（圖1D）。

空間分辨率：100–500 μm步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)沉積物剖面的高分辨化學(xué)成像。

 

數(shù)據(jù)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)（圖1）

 

電子活性動(dòng)態(tài)：

EP微電極測得電流密度在22天達(dá)峰值（79 mA/m2），反映電纜細(xì)菌電子傳遞高峰。

意義：集群現(xiàn)象與此活性高度同步（圖2B），支持“電子傳導(dǎo)是集群必要條件”。

缺氧微環(huán)境創(chuàng)建：

O?微電極顯示電纜細(xì)菌消耗75.5%的氧（COC），導(dǎo)致氧滲透深度（OPD）從1.5 mm降至0.5 mm（圖1D）。

意義：電纜細(xì)菌周圍形成局域缺氧區(qū)，迫使集群菌通過IET依賴電纜細(xì)菌作為電子受體。

代謝產(chǎn)物梯度：

pH微電極檢測到表層pH峰值（8.0）和深層酸谷（5.5）（圖1D），對應(yīng)電纜細(xì)菌硫化物氧化/質(zhì)子釋放。

意義：未測硫化物梯度是局限，但pH梯度暗示集群菌可能利用硫化物作為電子供體。

 

研究價(jià)值

 

機(jī)制驗(yàn)證：微電極數(shù)據(jù)直接證明集群行為與電子傳導(dǎo)活性的因果關(guān)聯(lián)（活性消失→集群消失）。

技術(shù)優(yōu)勢：Unisense微電極實(shí)現(xiàn)原位、無損、多參數(shù)同步監(jiān)測，克服傳統(tǒng)破壞性取樣的時(shí)空偏差。

應(yīng)用導(dǎo)向：為生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）中電子中介體優(yōu)化提供依據(jù)（如添加腐殖質(zhì)提升IET效率）。

 

局限與建議

 

未監(jiān)測硫化物：需聯(lián)用S2?微電極解析集群菌的電子供體利用策略。

空間分辨率限制：50–100 μm級集群范圍需更高分辨率化學(xué)成像（如平面光極）。

 

結(jié)論

 

本研究通過Unisense微電極證實(shí)電纜細(xì)菌的電子傳導(dǎo)活性是驅(qū)動(dòng)多樣化細(xì)菌集群的核心因素。集群現(xiàn)象獨(dú)立于電纜細(xì)菌豐度，且持續(xù)存在于其活性期，暗示一種普適的基于電子穿梭體的種間互作機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)深化了對微生物電化學(xué)互作的理解，為地下電子傳遞網(wǎng)絡(luò)研究提供新視角。