Interaction of living cable bacteria with carbon electrodes in bioelectrochemical systems

活電纜細(xì)菌與生物電化學(xué)系統(tǒng)中碳電極的相互作用

來源：August 2024 Volume 90 Issue 8

1. 摘要核心內(nèi)容

 

發(fā)現(xiàn)：活體電纜細(xì)菌（Electronema aureum GS）能被+200 mV的碳電極（碳?xì)?碳纖維）吸引，并在生物電化學(xué)系統(tǒng)（BES）中主動遷移至電極表面。

關(guān)鍵現(xiàn)象：

通電時電纜細(xì)菌向電極聚集，斷電時撤回（動態(tài)可逆響應(yīng)）。

qPCR和SEM證實(shí)通電電極表面電纜細(xì)菌豐度顯著高于對照組。

意義：首次證實(shí)電纜細(xì)菌具有電活性，可通過電極替代自然電子受體（如O?），為純培養(yǎng)、代謝研究及生物電子應(yīng)用（如生物傳感、生物修復(fù)）提供新途徑。

 

2. 研究目的

 

核心問題：驗(yàn)證電纜細(xì)菌能否與電極發(fā)生胞外電子傳遞（EET），探究其在缺氧環(huán)境下利用電極作為電子受體的能力。

應(yīng)用目標(biāo)：開發(fā)基于電纜細(xì)菌的BES技術(shù)，用于環(huán)境修復(fù)（如石油污染物降解）和生物電子設(shè)備。

 

3. 研究思路

 

模型構(gòu)建：

使用淡水沉積物中富集的單菌株電纜細(xì)菌（E. aureum GS）。

設(shè)計(jì)兩種BES：

三電極系統(tǒng)（圖1a）：碳?xì)止ぷ麟姌O（+200 mV vs. Ag/AgCl），用于電流監(jiān)測、qPCR、電化學(xué)分析和SEM。

 

微流控trench slide系統(tǒng)（圖4a）：集成碳纖維電極和顯微觀察，實(shí)時追蹤細(xì)菌運(yùn)動。

 

對照組：

滅菌沉積物（無活性細(xì)菌）。

無外加電位電極（開路控制）。

驗(yàn)證鏈：

電流生成 → 細(xì)菌電極附著（qPCR/SEM） → 實(shí)時運(yùn)動響應(yīng)（顯微鏡） → 機(jī)制初探（CV分析）。

 

4. 測量數(shù)據(jù)及意義

(1) 電流生成（圖1b-c）

 

數(shù)據(jù)：

活菌沉積物電流從17 μA升至78 μA（圖1b），滅菌對照組僅4.75 μA。

向滅菌沉積物添加10根活菌絲后，電流從2 μA升至8 μA（圖1c）。

意義：證實(shí)電纜細(xì)菌可直接貢獻(xiàn)電流，且極少量細(xì)菌即可驅(qū)動電化學(xué)響應(yīng)。

 

(2) 細(xì)菌豐度與附著（圖2, 圖3, 圖S2）

 

qPCR（圖2）：

通電電極表面電纜細(xì)菌基因拷貝數(shù)比沉積物高70倍，比無電位電極高640倍。

 

SEM（圖3a-c）：

細(xì)菌纏繞電極表面（長度>150 μm），細(xì)胞連接清晰；對照組無附著（圖3d）。

 

Trench slide驗(yàn)證（圖S2）：

僅通電電極鄰近沉積物中檢測到活菌遷移。

意義：電位驅(qū)動細(xì)菌特異性電極定植，排除被動吸附可能。

 

(3) 實(shí)時運(yùn)動響應(yīng)（圖4b-c, 視頻S1-S5）

 

動態(tài)過程（trench slide系統(tǒng)）：

通電時細(xì)菌數(shù)小時內(nèi)聚集于電極（圖4b, 視頻S1）。

斷電后10小時撤回（圖4c）；重新通電后2小時再次聚集（圖S3）。

機(jī)械穩(wěn)定性（視頻S4-S5）：

細(xì)菌與電極形成牢固連接（耐受機(jī)械擾動）。

意義：首次記錄活體電纜細(xì)菌對電位的動態(tài)行為響應(yīng)，證明其主動趨電性。

 

(4) 電化學(xué)機(jī)制初探（圖1d）

 

循環(huán)伏安（CV）（圖1d）：

活菌電極在0.22 V和-0.05 V出現(xiàn)氧化還原峰（無菌無峰）。

意義：提示可能存在氧化還原介體或新型EET途徑（不同于Geobacter的細(xì)胞色素特征）。

 

5. Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

實(shí)驗(yàn)設(shè)置（圖4a）

 

設(shè)備：Unisense picoammeter + 定制trench slide微反應(yīng)器。

電極：碳纖維工作電極（+200 mV vs. 氯化Ag偽參比電極）。

監(jiān)測：實(shí)時電流（50–100 nA）與顯微視頻同步記錄。

 

關(guān)鍵數(shù)據(jù)與意義

 

實(shí)時電流-行為關(guān)聯(lián)（視頻S1-S3）：

電流隨細(xì)菌聚集逐漸上升（50–100 nA），斷電歸零。

意義：直接關(guān)聯(lián)細(xì)菌空間分布與電活性，證明電子傳遞依賴活菌-電極接觸。

 

缺氧生存證據(jù)：

細(xì)菌在無O?環(huán)境存活>100小時，僅依賴電極作為電子受體。

意義：揭示電纜細(xì)菌在缺氧下通過EET維持代謝，拓展其生態(tài)位（如地下沉積物）。

 

趨電性動態(tài)響應(yīng)：

開關(guān)電位觸發(fā)快速遷移（小時級），證明電位是定向信號。

意義：為開發(fā)細(xì)菌定向操控技術(shù)（如生物修復(fù)靶向遞送）提供原理驗(yàn)證。

 

6. 結(jié)論

 

電纜細(xì)菌具有電活性，能利用電極作為替代電子受體。

其趨電行為是動態(tài)可逆的，由電位調(diào)控。

EET機(jī)制可能涉及直接接觸（纏繞電極）和/或氧化還原介體（CV峰）。

應(yīng)用潛力：

生物傳感：利用細(xì)菌-電極響應(yīng)實(shí)時監(jiān)測污染物。

生物修復(fù)：電極驅(qū)動細(xì)菌降解缺氧區(qū)污染物（如石油烴）。

電子合成：耦合BES生產(chǎn)高附加值化學(xué)品。

 

7. 研究創(chuàng)新點(diǎn)

 

方法學(xué)：首創(chuàng)trench slide-BES聯(lián)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單菌水平電化學(xué)-行為聯(lián)動分析。

理論突破：推翻"電纜細(xì)菌僅依賴O?/NO??"的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示其EET能力。

應(yīng)用導(dǎo)向：為未純培養(yǎng)微生物的BES利用提供范式，推動電纜細(xì)菌資源化。