研究簡介：電子傳遞對于能量產生和生命新陳代謝至關重要。細菌在將電子轉移到各種化學物質和保存能量的能力方面具有多功能性。除了用細胞內化學物質（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（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十微米的距離向化學物質或其他微生物細胞進行長距離電子轉移（簡稱LDET），多細胞的電纜細胞則可以在厘米范圍內傳輸電子。本研究主要就一種革蘭氏陽性細菌——Lysinibacillus varians GY32進行了相關研究，揭示了其在長距離胞外電子轉移（LDET）中的獨特能力。LDET是指細菌通過細胞外結構將電子轉移到遠離細胞表面的受體，這一過程在自然生態系統和生物電化學應用中具有重要意義。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絡。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。這種長距離電子轉移能力不僅體現在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境中穩定地進行電子轉移。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）、循環伏安法（CV）和微電極技術等，揭示了GY32細胞表面的納米絲狀附屬結構是其導電性的關鍵。這些納米絲狀附屬結構具有與金相近的功函數，表明其導電性遠高于細胞包膜。此外，轉錄組分析顯示，在MFC條件下，GY32的某些c型細胞色素基因表達上調，可能參與電子轉移過程。本研究不僅擴展了對革蘭氏陽性細菌電子轉移能力的認識，還為開發新型生物電化學系統提供了新的思路。Lysinibacillus varians GY32的長距離電子轉移能力使其在生物傳感器、生物電池和環境修復等領域具有潛在的應用價值。未來的研究將進一步探索其電子轉移機制，并優化其在實際應用中的性能。

Unisense微電極系統的應用

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）監測培養基中的溶解氧濃度。在生物陰極電化學系統（BCES）中，氧微電極用于測量陰極腔內的溶解氧濃度。通過監測溶解氧濃度，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在不同環境條件下的電子轉移能力至關重要。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監測溶解氧的變化。。在BCES中，使用Unisense氫氣微電極（型號H2-25-7343）監測陰極表面的氫氣濃度。在BCES中監測氫氣濃度，排除了氫氣作為電子供體的可能性。測試數據支持了GY32直接利用電極作為電子供體進行Fe(III)還原的結論。

實驗結果

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毫米的單細胞結構，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能夠將電子傳遞給石墨電極，產生穩定的電流，表明其具有長距離電子轉移能力。在生物陰極電化學系統（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，表現出雙向胞外電子轉移能力。GY32細胞及其納米絲狀附屬結構能夠形成導電網絡。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構具有導電性，是細胞網絡導電性的主要來源。電化學柵極測量顯示，GY32生物膜具有氧化還原導電性質，導電率在0.1–0.2 mS/cm之間。轉錄組分析顯示，在MFC條件下，GY32的某些c型細胞色素基因表達上調，可能參與電子轉移。納米絲狀附屬結構可能由IV型菌毛蛋白ComGD組成，其結構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傳感器連續測量。自動反饋系統根據混合水槽中獲得的傳感器信息控制H2S濃度。根據測量的H2S濃度，蠕動泵（連接到0.1 M Na2S儲備溶液）開啟/關閉。

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指標（MO2降低/LOE）與相應H2S濃度的交點，即所謂的H2Scrit。觀察到兩種不同的反應類型，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的導電網絡比較。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絡（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結合了絲狀形態與外源納米線狀附屬物，形成導電網絡。

結論與展望

長距離胞外電子轉移（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揮著重要作用。電子轉移可以通過導電的蛋白質附屬物（如地桿菌等單細胞細菌）或導電的細胞包膜（如絲狀多細胞電纜細菌）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絡，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附屬物有關。我們的結果表明，長距離電子轉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，氧微電極能夠實時監測實驗環境中的氧水平。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的長距離電子轉移提供了重要的數據支持。Lysinibacillus varians GY32通過其獨特的細胞形態和納米絲狀附屬結構，展現出革蘭氏陽性細菌在長距離胞外電子轉移中的潛力，為未來的研究和應用提供了新的方向。該研究首次發現了革蘭氏陽性細菌通過納米導線形成長距離電子傳遞網絡，為全面認識自然環境中的微生物長距離電子傳遞網絡提供了重要補充。此外，菌株GY32這種單個細胞長度超過1 mm、且包含多個核區的細胞形態也拓展了人們對細菌形態和分裂機制的認識。