藏在海岸帶微生物世界中的“神祕電纜”

在現代社會，電纜是我們日常生活中不可或缺的基礎設施，承擔着電力和信息的傳輸功能，支撐着通信、交通及工業發展。然而，除了我們所熟知的電纜之外，還有一種神奇的“電纜”存在於海岸帶微生物世界中--被稱爲“電纜細菌”。這些電纜細菌通過細長的絲狀結構將電子在環境介質中傳遞，並可形成類似電纜的電流傳輸網絡。它們不僅在自然界中發揮着重要作用，也爲科學家研究能源傳輸與環境清潔提供了全新的視角。

什麼是電纜細菌？

電纜細菌（Cable Bacteria）是一種由單細胞首尾相連而成、長至數釐米的絲狀細菌，在分類學術上屬於脫硫球莖科（Desulfobulbaceae）；其最顯著的特點是能夠在釐米尺度上進行電子轉移，主要分佈於海牀、潮間帶等海岸帶沉積環境。

電纜細菌最早的發現可以追溯到2010年，世界著名電微生物學家、丹麥奧胡斯大學的Lars Peter Nielsen教授團隊在一處海灘發現了一個有趣的現象：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，而這兩個過程之間的距離竟然達到1-3釐米。我們知道化學反應通常需要反應物質相互接觸才能發生，這意味着反應物質必須在一定的空間內相互碰撞纔能有效地發生反應。因此，他們推測爲這種釐米級別的長距離電子轉移可能是由微生物和一些非生物的導電材料共同完成。2012年，Nielsen教授團隊的Pfeffer等在Nature發文報道上述過程中的長距離電子轉移是由一種多細胞的長絲狀細菌介導完成；這些細菌能夠橫跨數釐米寬的區域，並且具備特殊的脊狀導電結構；電子正是依靠這些“導電脊”在細菌的細胞內部進行長距離傳遞。隨後，研究人員則根據這種新發現的細菌外形酷似電纜的特點而將其命名爲“電纜細菌”。

沉積物中的絲狀電纜細菌（圖片源自於Nielsen團隊文章）

電纜細菌分佈和作用

自電纜細菌首次被報道以來，研究人員在以海岸帶爲主的多種自然環境中發現了它們的存在，主要有海洋沉積物、鹽沼、季節性缺氧河口、潮下泥灘、潮間帶、紅樹林等海岸帶區域；此外，稻田、深海環境、甚至地下水等環境也發現了電纜細菌的存在。電纜細菌的廣泛分佈表明它們具有強大的環境適應性，暗示其在生態系統中可能扮演着多樣化角色。根據研究報道，電纜細菌不僅參與了硫、鐵、碳、氮、磷等元素的生物地球化學循環，還在有機污染物降解、礦物形成、溶氧增加、甲烷排放減少、生物多樣性保護等環境生態過程中起到關鍵作用。

電纜細菌的電導特性源於其獨特的生物結構和代謝方式。與大多數細菌不同，電纜細菌的“電纜”結構使得它們能夠在長距離上沿着細菌體表傳遞電子，依靠“電流”來驅動環境中的生物化學反應。近年來，科學家們開始探索如何利用這些微生物的特殊能力。例如，電纜細菌能夠在水體和沉積物中幫助降解硫化氫等污染物，科學家們正在探索如何利用這些細菌進行黑臭水體的修復；此外，電纜細菌能夠通過傳遞電子來生成電流，這使得它們在生物電池、電子設備與傳感器等研究中具有重要應用前景，期待未來科學家們可以設計出基於電纜細菌的工業產品。

電纜細菌的挑戰與未來

儘管電纜細菌具有巨大的應用潛力，但是目前在研究和應用過程中仍面臨許多挑戰。首先，電纜細菌的培養條件非常嚴格，對溫度、pH值和營養物質等要求較高，這限制了它們的實際應用。其次，如何優化電纜細菌的導電性能，也是當前研究中的難題。

電纜細菌的發現爲我們揭示了一個全新的生物電傳導世界。這些微小的細菌不僅在自然界中扮演着重要的生態角色，也爲現代科技提供了新的靈感。未來，隨着生物技術的進步，電纜細菌的應用前景將更加廣闊。

作 者：張海坤 副研究員 中國科學院煙臺海岸帶研究所