電燈、電腦、手機……在人們的日常生活中，時時刻刻都離不開電。科學家研究發現，能發電的不只有煤炭、石油、天然氣、水能等常規能源，還可以通過微生物等新型能源發電。目前，科學家們已經發現了上百種與電有關聯的微生物，并將這些微生物命名為電化學活性微生物。

不僅如此，科學家們還在一些電化學活性微生物中發現了微生物納米導線，可以幫助微生物進行遠距離的電子傳遞。微生物納米導線依附于細菌等微生物表面，看上去，就像微生物的一頭飄逸的“秀發”。

(資料圖片僅供參考)

微生物納米導線的發現，被認為是百余年來細菌發電領域的里程碑事件，推動了電微生物學的形成與發展。借助微生物納米導線，微生物胞內代謝產生的電子可以長距離輸送到胞外受體或其他微生物，改變了電子傳遞鏈僅僅局限于細胞胞內的認識。

隨著研究的深入，科學家們發現微生物納米導線具有很高的導電性及穩定性，在生物新能源、生物材料及環境修復等領域的應用潛力巨大。

今天，讓我們一起了解細菌發電和細菌發電背后的微生物納米導線。

微生物納米導線：有生命的“電線”

■謝嘯天 孫多傳 朱嘉凱

微生物納米導線示意圖。資料圖片

科研人員研制的“空氣發電機”裝置概念圖。資料圖片

微生物納米導線應用概念圖。資料圖片

細菌與電的不解之緣

電，從1752年本杰明·富蘭克林在雷雨中放風箏后，開始加快了走進人類生活的步伐。

細菌，從1683年列文虎克在顯微鏡下第一次觀察到它后，便讓人類對它所處的微觀世界愈發著迷。

電和細菌，一個是自古就有的自然現象，一個是地球上最古老的生命體，兩者結合到一起，又會擦出怎樣的“火花”？

1910年的一天，英國植物學家馬克·皮特正站在實驗桌前，瞪大雙眼緊緊盯著插在細菌培養皿中與鉑電極相連的電流表。不一會兒，當他看到電流表表盤跳動的指針時，再也抑制不住內心的激動。此時，培養皿中的細菌正將電子排出體外。

這個重大發現轟動一時，讓眾多同行驚訝萬分，馬克·皮特當時也信心滿滿地認為，自己的這一發現注定將開啟一個全新的時代。

可事與愿違，不知是細菌的小“體格”滿足不了電能需求，還是細菌發電的方式不能滿足人類對持續穩定電流的需要，在大工業生產時代，細菌發電在與水電、風電、太陽能發電等清潔能源的較量中敗下陣來，人類對細菌發電的探索暫時進入休眠狀態。

時隔70多年后，這座“休眠的火山”終于醒來。1984年，美國科研人員成功制造了一種能在太空中使用的微生物燃料電池，其燃料主要是宇航員的尿液等排泄物，雖然它的放電率極低，但在“寸土寸金”的宇宙飛船上變廢為寶，這為細菌發電打開了一個思路。

幾乎同一時期，英國化學家彼得·彭托在細菌發電方面取得了重大突破。他在細菌培養液中加入糖和芳香族化合物等，并向其中不斷注入空氣，獲得了2安培的電流并能持續發電幾十天。

后來，人們成功實現了利用重金屬、有機污水、海藻纖維甚至啤酒廢料等作為原料的細菌發電。隨著社會的發展，人類對電能的需求度越來越高、越來越多樣化，綠色、有機的細菌發電方式，重新點燃了人類對相關領域的研究熱情。

能發電還能導電

上世紀80年代末，微生物學家德里克·洛夫利在波托馬克河的泥漿中發現了首株胞外呼吸菌，這令他異常興奮，因為細菌的胞外呼吸意味著電子可以“穿過”細胞膜（細胞壁）被傳遞至胞外受體，即細菌存在著導電的可能性。

功夫不負有心人。21世紀初，德里克·洛夫利和他的團隊首次在一種叫硫還原地桿菌的細菌表面，發現了可以將電子從細胞內部傳遞至細胞外部的菌毛，他將其命名為“導電菌毛”，也叫“微生物納米導線”。從外觀上看，這些導線就像細菌長出了一頭飄逸的“秀發”。

這種會導電的“秀發”是一類由微生物合成的，具有導電性的纖維狀表面附屬結構。通過 “發絲”，微生物胞內代謝產生的電子可以輸送到胞外受體或其他微生物。

“發絲”在微生物的生命活動中，到底有什么作用呢？研究人員發現，它主要有兩類作用：參與微生物的生理代謝和介導微生物間的共生關系。

參與微生物的生理代謝。比如硫還原地桿菌的“發絲”可以將細胞內的電子傳遞給附近的含鐵礦物，將鐵還原，在完成自身呼吸過程中儲存生命活動所需能量。

介導微生物間的共生關系。一些細菌的“秀發”還可以為其他微生物傳遞電子，在特殊環境中構建命運共同體。比如，金屬還原地桿菌就可以通過“發絲”，將自己氧化乙醇產生的電子傳遞給硫還原地桿菌，而硫還原地桿菌則利用得到的電子還原富馬酸，從而實現兩個微生物在富含乙醇和富馬酸環境中的共生。

由此可見，細菌通過“發絲”導電是為了自身生存，而人類卻由此推開了一扇嶄新的科學研究之門：微生物納米導線的發現，被認為是百余年來細菌發電領域的里程碑事件，推動了電微生物學的形成與發展。

這一發現，改變了以往細菌發電領域電子傳遞鏈僅僅局限于細胞內的認識，從而極大地拓展了細菌與外界環境的作用范圍，為細菌發電提供了更廣闊的應用前景。

目前，細菌發電領域吸引了大量研究者的目光，各國研究成果如雨后春筍般層出不窮。如今，僅發現的天然“微生物納米導線”就有數十種之多。但值得關注的是，一些細菌“秀發”能導電雖然已毋庸置疑，但這些“發絲”的生物學、生態學功能尚不清楚，對它的電子傳遞機制研究界仍存在分歧。

理論指導實踐，一切技術應用都離不開基礎科學研究的支撐。有爭論才會有發展，關于細菌導電機理的爭論，必將加快促進微生物納米導線導電理論的成熟并推動其走向多領域的實際應用。

多領域應用前景廣闊

近些年，人們對微生物納米導線的研究愈發深入。截至目前，微生物納米導線的“觸角”已經涉及生物新能源、生物材料、生物修復及人體健康監測等多個領域，成為新興電微生物學領域研究的前沿與熱點。

——生物新能源。

自從微生物納米導線被發現后，科研人員在細菌發電領域有了新突破，這被認為是最有前景的應用之一。比如，德里克·洛夫利和他的團隊研制出了一種“空氣發電機”，僅利用細菌“秀發”從空氣里的水分子中提取電子就能發電。與其他發電方式相比，“空氣發電機”不受環境制約，幾乎可以在地球上的任何環境中工作。但目前，因制造成本、材料等多種因素制約，該產品還停留在實驗室階段。不過隨著基因工程等技術手段的不斷發展，微生物的產電量正在持續提高。未來這項技術甚至可能應用在房間的墻壁上，為整個建筑提供電力。

——生物材料。

研究發現，硫還原地桿菌的“秀發”在高溫環境中，依然具有良好的導電能力。相比于傳統金屬導電材料，微生物納米導線的生物相容性、耐腐蝕性更強，這些特點非常適合在人體內部使用的心臟起搏器或在海洋、土壤中使用的傳感器等電子器件。據報道，科學家還將硫還原地桿菌的納米導線與聚乙烯醇制成復合導電材料，實現了更高的熱穩定性，應用范圍將會更加廣泛。

——環境修復。

隨著經濟社會發展，人們對環境保護越來越重視，但治理被污染的土壤、水體以及垃圾處理等環境修復工作一直是個難題。在這個方面，細菌“秀發”能夠派上大用場。研究表明，微生物納米導線可以對環境中的有毒金屬進行轉化和遷移，在重金屬污染土壤修復方面具有重要的應用價值。例如，硫還原地桿菌的納米導線可以實現對鈾等放射性元素的富集與固定，這個方法在鈾污染水體的修復中已經被應用。

——人體健康監測。

一次偶然機會，科研人員在導致下頜骨壞死的微生物被膜中，發現了大量的微生物納米導線，他們猜測納米導線的大量表達是加速下頜骨壞死的重要因子。后經研究發現，微生物胞外電子傳遞可能直接影響人體相關疾病的發生。這些研究讓人類對微生物納米導線與人體健康的關系有了新的理解，為疾病的預防與治療提供了一個全新思路。

目前，人類對細菌“秀發”的認識可能只是冰山一角。今后，隨著研究的持續深入，這縷“秀發”對人類社會生活的參與度一定會越來越高，為我們的日常生活帶來更多驚喜與改變。（作者：謝嘯天 孫多傳 朱嘉凱）

來源：中國軍網-解放軍報