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微生物会导电的触手,见没见过,想不想要!
小杨 / 2023-05-25


百欧博伟生物:我们现代人的生活时时刻刻都离不开电,如黑夜里照明用的电灯、工作使用的电脑等;自然界中也存在电,如天空中的强烈放电现象——闪电等。还有什么能导电呢?

微生物!

早在1910年,英国植物学家就发现某些微生物的培养液能够产生电流,并制造出了世界上第一个微生物电池。目前,科学家们已发现了上百种与电有关联的微生物,并将这些微生物命名为电化学活性微生物。

不仅如此,科学家们还发现在一些电化学活性微生物中有一种神奇的“导电触手”,可以帮助这些微生物进行远距离的电子传递。这种“导电触手”就是微生物的导电纳米线。

你用爱发电,它们用线导电

2005年,科学家首次在一种叫作硫还原地杆菌的微生物中,发现了这种可以将电子从细胞内部传递至细胞外部的“导电触手”,并将其命名为导电纳米线。

导电纳米线是一种微生物自己合成的、直径为纳米级别的线状结构。随着研究的不断深入,科学家们还在嗜热发酵菌、蓝细菌、沼泽红假单胞菌、硫酸盐还原菌、嗜酸氧化亚铁硫杆菌等诸多微生物中发现了导电纳米线,可见导电纳米线的广泛存在。

有趣的是,科学家们发现不同种类微生物中的导电纳米线类型和数量并不相同。如目前已知的奥奈达希瓦氏菌中的导电纳米线是由细胞外膜与周质空间延伸物组成的。

而硫还原地杆菌中有三种导电纳米线,它们都由蛋白质组成,且这三种导电纳米线的导电性能并不相同,其中一种导电纳米线的导电性能比另一种导电纳米线强1000倍。

导电不是白导的

导电纳米线在微生物的生命活动中,到底起到了什么作用呢?科学家们通过研究发现,导电纳米线主要有两类作用:参与微生物的生理代谢和介导微生物间的共生关系。

参与微生物的生理代谢:比如硫还原地杆菌的导电纳米线可以将细胞内的电子,传输给距离其较远的不可溶含铁矿物,将三价铁还原,从而完成呼吸过程,并从中储存生命活动所需能量,这一过程也被称为铁呼吸。

介导微生物间的共生关系:导电纳米线可以帮助微生物将电子传递给相邻的其他微生物,比如,金属还原地杆菌可以通过导电纳米线,将自己氧化乙醇产生的电子传递给硫还原地杆菌,而硫还原地杆菌则利用得到的电子还原富马酸,从而实现两个微生物在富含乙醇和富马酸环境中的共生。

科学家发现金属还原地杆菌还可以通过导电纳米线将氧化乙醇产生的电子传递给甲烷古菌,而甲烷古菌则利用得到的电子将二氧化碳还原为甲烷,从而实现两个微生物的共生。

微生物的导电触手,这就用上了

随着对导电纳米线的不断研究,科学家们发现它具有很高的导电性能及稳定性,所以在生物新能源、生物材料及环境修复等领域都有着很强的应用潜力。

1、生物新能源

这是导电纳米线最有前景的应用之一,科学家们发现,导电纳米线可以用于研发微生物燃料电池和生物电池。

微生物燃料电池是一种利用微生物将有机物中的化学能直接转换为电能的装置。科学家们设计了多种装置,仅需通过对电化学活性微生物的培养,即可以获得电能。同时科学家们还发现,通过基因工程手段促进某些微生物中导电纳米线的表达后,可以进一步提高微生物燃料电池的产电量。

除此之外,还有科学家尝试对微生物产生的导电纳米线进行收集纯化,制备了基于导电纳米线的微型生物电池,这种电池的电流密度甚至高于固体金属电池。这一发现进一步佐证了导电纳米线在生物新能源领域具有很好的发展潜力。

2、生物材料

硫还原地杆菌的导电纳米线在溶液及高温环境中,依然具有良好的电子传递能力,且具有一定的机械强度,适合用于构建新型绿色无污染的生物电子器件,例如心脏起搏器中的电池或电路元件等;科学家还尝试将硫还原地杆菌的导电纳米线与聚乙烯醇制成复合材料,发现该复合材料具有更高的热稳定性及更大的导电范围。

3、环境修复

微生物导电纳米线可以对环境中的有毒金属进行转化和迁移,在重金属污染土壤修复方面具有重要的应用价值。例如,硫还原地杆菌的导电纳米线可以将有毒的可溶性六价铀U(VI)还原为不可溶的四价铀U(IV),且还原后的四价铀会附着于导电纳米线表面,从而实现铀的富集与固定;集胞藻(一种蓝细菌)的导电纳米线可以帮助沉积重金属砷等。

结语

近年来,科学家们对导电纳米线日益深入的研究,不仅拓宽了大家对微生物的认识,还加深了微生物与环境互作的了解,同时还为微生物在生物修复、生物新能源等领域的应用奠定了理论基础。

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