研究簡介：電子傳遞對于能量產(chǎn)生和生命新陳代謝至關(guān)重要。細菌在將電子轉(zhuǎn)移到各種化學物質(zhì)和保存能量的能力方面具有多功能性。除了用細胞內(nèi)化學物質(zhì)（如氧氣、硫酸鹽或硝酸鹽）呼吸外，細菌還可以用外部接觸的化學物質(zhì)（如礦物顆粒）進行呼吸（即胞外電子傳遞，簡稱EET）。一些單細胞細菌能夠以數(shù)十微米的距離向化學物質(zhì)或其他微生物細胞進行長距離電子轉(zhuǎn)移（簡稱LDET），多細胞的電纜細胞則可以在厘米范圍內(nèi)傳輸電子。本研究主要就一種革蘭氏陽性細菌——Lysinibacillus varians GY32進行了相關(guān)研究，揭示了其在長距離胞外電子轉(zhuǎn)移（LDET）中的獨特能力。LDET是指細菌通過細胞外結(jié)構(gòu)將電子轉(zhuǎn)移到遠離細胞表面的受體，這一過程在自然生態(tài)系統(tǒng)和生物電化學應(yīng)用中具有重要意義。此前，LDET主要被認為局限于革蘭氏陰性細菌，而本研究首次在革蘭氏陽性細菌中觀察到這一現(xiàn)象。Lysinibacillus varians GY32是一種絲狀單細胞細菌，能夠形成厘米級的導電細胞網(wǎng)絡(luò)。在微生物燃料電池（MFC）中，GY32能夠利用乙酸鹽或甲酸鹽作為電子供體，將電子傳遞給石墨電極，產(chǎn)生顯著的電流。實驗表明，GY32在MFC中的最長細胞長度可達1.08毫米，遠超過其他已知單細胞細菌。這種長距離電子轉(zhuǎn)移能力不僅體現(xiàn)在MFC中，還在沉積物微生物燃料電池（SMFC）中得到驗證，表明GY32能夠在自然沉積物環(huán)境中穩(wěn)定地進行電子轉(zhuǎn)移。研究通過多種實驗手段，包括原子力顯微鏡（AFM）、透射電子顯微鏡（TEM）、循環(huán)伏安法（CV）和微電極技術(shù)等，揭示了GY32細胞表面的納米絲狀附屬結(jié)構(gòu)是其導電性的關(guān)鍵。這些納米絲狀附屬結(jié)構(gòu)具有與金相近的功函數(shù)，表明其導電性遠高于細胞包膜。此外，轉(zhuǎn)錄組分析顯示，在MFC條件下，GY32的某些c型細胞色素基因表達上調(diào)，可能參與電子轉(zhuǎn)移過程。本研究不僅擴展了對革蘭氏陽性細菌電子轉(zhuǎn)移能力的認識，還為開發(fā)新型生物電化學系統(tǒng)提供了新的思路。Lysinibacillus varians GY32的長距離電子轉(zhuǎn)移能力使其在生物傳感器、生物電池和環(huán)境修復等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。未來的研究將進一步探索其電子轉(zhuǎn)移機制，并優(yōu)化其在實際應(yīng)用中的性能。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

在微生物燃料電池（MFC）的陽極腔中，使用Unisense氧微電極（型號OX-14125）監(jiān)測培養(yǎng)基中的溶解氧濃度。在生物陰極電化學系統(tǒng)（BCES）中，氧微電極用于測量陰極腔內(nèi)的溶解氧濃度。通過監(jiān)測溶解氧濃度，確保MFC和BCES實驗在嚴格的厭氧或特定氧濃度條件下進行。這對于研究GY32在不同環(huán)境條件下的電子轉(zhuǎn)移能力至關(guān)重要。在氧氣還原實驗中，通過鼓入空氣使溶解氧濃度升高至233.8±2.7μM，并在實驗過程中持續(xù)監(jiān)測溶解氧的變化。。在BCES中，使用Unisense氫氣微電極（型號H2-25-7343）監(jiān)測陰極表面的氫氣濃度。在BCES中監(jiān)測氫氣濃度，排除了氫氣作為電子供體的可能性。測試數(shù)據(jù)支持了GY32直接利用電極作為電子供體進行Fe(III)還原的結(jié)論。

實驗結(jié)果

L.varians GY32是一種絲狀單細胞細菌，能夠在厭氧條件下以石墨電極為唯一電子受體進行呼吸，并形成長達1.08毫米的單細胞結(jié)構(gòu)，顯著超過其他已知單細胞細菌的長度。在微生物燃料電池（MFC）和沉積物微生物燃料電池（SMFC）中，GY32能夠?qū)㈦娮觽鬟f給石墨電極，產(chǎn)生穩(wěn)定的電流，表明其具有長距離電子轉(zhuǎn)移能力。在生物陰極電化學系統(tǒng)（BCES）中，GY32能夠以極化電極為電子供體，還原Fe(III)檸檬酸鹽和氧氣，表現(xiàn)出雙向胞外電子轉(zhuǎn)移能力。GY32細胞及其納米絲狀附屬結(jié)構(gòu)能夠形成導電網(wǎng)絡(luò)。通過電極陣列測試和原子力顯微鏡（AFM）測量，證實這些納米絲狀附屬結(jié)構(gòu)具有導電性，是細胞網(wǎng)絡(luò)導電性的主要來源。電化學柵極測量顯示，GY32生物膜具有氧化還原導電性質(zhì)，導電率在0.1–0.2 mS/cm之間。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，在MFC條件下，GY32的某些c型細胞色素基因表達上調(diào)，可能參與電子轉(zhuǎn)移。納米絲狀附屬結(jié)構(gòu)可能由IV型菌毛蛋白ComGD組成，其結(jié)構(gòu)特征與已知的導電菌毛相似，可能具有類似的導電機制。

圖1、實驗裝置的示意圖。泵用X表示，虛線表示管道和流動方向（箭頭）。氫化硫（H2S）濃度通過在主水槽（1）和混合水槽（2）中標有傳感器的H2S傳感器連續(xù)測量。自動反饋系統(tǒng)根據(jù)混合水槽中獲得的傳感器信息控制H2S濃度。根據(jù)測量的H2S濃度，蠕動泵（連接到0.1 M Na2S儲備溶液）開啟/關(guān)閉。

圖2、氧氣攝取量（MO2；mg O2 kg?1 h?1）在整個實驗過程中的代表性圖表。實驗包括三個階段：（1）適應(yīng)和MO2測量，以估算標準代謝率（SMR）；（2）暴露于逐漸增加的H2S濃度；（3）暴露后恢復。圖中示例為海水（33‰）中的84g大西洋鮭，估算的SMR為150.8 mg O2 kg?1 h?1。虛線表示SMR，虛線豎線表示H2S暴露的開始和結(jié)束。

圖3、A-D.四只大西洋鮭（Salmo salar）在暴露于逐漸增加的H2S濃度（μM，空心圓）期間的氧氣攝取量（MO2；mg O2 kg?1 h?1，黑色圓點）。暴露在A-B)當兩個連續(xù)的MO2值由于H2S增加而降低到低于標準代謝率時終止，C-D)和/或由于失去平衡（LOE）而在MO2下降之前終止。為H2S濃度擬合了回歸線（實線）。每個點表示10個測量值的平均值。方形虛線表示個體標準代謝率（mg O2 kg?1 h?1）。圓形虛線顯示了預定義代謝反應(yīng)指標（MO2降低/LOE）與相應(yīng)H2S濃度的交點，即所謂的H2Scrit。觀察到兩種不同的反應(yīng)類型，分別為MO2增加（B和C）或MO2不變。

圖4、從估算的標準代謝率中測得的最大氧氣消耗量（MO2peak）的百分比增加。這些值是在三種體型范圍的大西洋鮭（Salmo salar）急性氫化硫暴露恢復期間獲得的（小型=103.3±21.0 g，中型=275.3±26.3 g，大型=550.2±39.3 g）。

圖5、Geobacter、纜狀細菌和L.varians GY32的導電網(wǎng)絡(luò)比較。Geobacter可以形成由短單細胞細菌和外源導電蛋白納米線組成的導電網(wǎng)絡(luò)（即生物膜）。絲狀多細胞纜狀細菌通過細菌外膜中的細胞間納米線導電。L.varians GY32結(jié)合了絲狀形態(tài)與外源納米線狀附屬物，形成導電網(wǎng)絡(luò)。

結(jié)論與展望

長距離胞外電子轉(zhuǎn)移（LDET）已在革蘭氏陰性細菌中觀察到，并且在自然和工程過程中都發(fā)揮著重要作用。電子轉(zhuǎn)移可以通過導電的蛋白質(zhì)附屬物（如地桿菌等單細胞細菌）或?qū)щ姷募毎ぃㄈ缃z狀多細胞電纜細菌）介導。本研究表明，革蘭氏陽性細菌Lysinibacillus varians GY32（一種絲狀單細胞細菌）能夠進行雙向胞外電子轉(zhuǎn)移。在微生物燃料電池中，L.varians能夠形成厘米級的導電細胞網(wǎng)絡(luò)，并且在石墨電極上生長時，細胞長度可達到顯著的1.08毫米。原子力顯微鏡和微電極分析表明，導電性與類似菌毛的蛋白質(zhì)附屬物有關(guān)。我們的結(jié)果表明，長距離電子轉(zhuǎn)移不僅限于革蘭氏陰性細菌。Unisense微電極的高精度和高靈敏度使其能夠檢測到微小的電流和氣體（氧氣、氫氣）濃度變化，通過檢測溶解氧的濃度變化，氧微電極能夠?qū)崟r監(jiān)測實驗環(huán)境中的氧水平。通過檢測氫氣的濃度變化，氫氣微電極能夠排除氫氣作為電子供體的可能性。對于驗證GY32是否直接利用電極作為電子供體具有重要意義。這為研究GY32的長距離電子轉(zhuǎn)移提供了重要的數(shù)據(jù)支持。Lysinibacillus varians GY32通過其獨特的細胞形態(tài)和納米絲狀附屬結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出革蘭氏陽性細菌在長距離胞外電子轉(zhuǎn)移中的潛力，為未來的研究和應(yīng)用提供了新的方向。該研究首次發(fā)現(xiàn)了革蘭氏陽性細菌通過納米導線形成長距離電子傳遞網(wǎng)絡(luò)，為全面認識自然環(huán)境中的微生物長距離電子傳遞網(wǎng)絡(luò)提供了重要補充。此外，菌株GY32這種單個細胞長度超過1 mm、且包含多個核區(qū)的細胞形態(tài)也拓展了人們對細菌形態(tài)和分裂機制的認識。