“細菌也能直接放電”聽起來似乎匪夷所思，但這一相關領域的研究已有百年歷史。產電菌是電活性微生物的一種，它們在微生物電子傳遞過程中發揮著巨大作用，不斷刷新人們對微生物能量代謝過程的認知。如今，很多污染物預警和快速降解、能源回收、貴金屬提取等領域的“黑科技”，靈感和基礎都來自于它們。
日前，天津大學化工學院教授宋浩團隊在《定量生物學》刊文，回顧了以細胞色素和導電納米線為核心的導電蛋白質，在微生物電子傳遞過程中發揮的關鍵作用。文章展望了細胞色素和導電納米線未來潛在研究方向，為推動電活性微生物實際應用提供了參考。
可與外界環境雙向交換電子的特殊微生物
“能夠與外界環境進行雙向電子交換的微生物，被稱為電活性微生物。其中包括向外界環境釋放電子的產電活性微生物，以及從外界環境獲取電子的噬電活性微生物。”宋浩介紹。
早在1910年，英國科學家馬克·比特就發現，微生物的培養液能夠產生電流。此后，研究人員相繼挖掘、篩選、鑒定了多種產電活性微生物。其中，對于兼性厭氧菌奧奈達希瓦氏菌和嚴格厭氧菌硫還原地桿菌的研究最為廣泛。在21世紀初，研究人員對這兩種模式產電菌先后完成了基因測序，使得人們對產電活性微生物的遺傳背景有了進一步認識。
這類產電活性微生物是如何施展產電“超能力”的呢？“發電的本質是能量轉換。”宋浩介紹，在生物體內，底物有機質在細胞呼吸作用中被氧化，釋放的電子通過細胞呼吸鏈傳遞、轉移。一個葡萄糖分子在生物體內完全氧化后，可以產生多達24個電子。
宋浩進一步解釋，產電活性微生物的能量釋放不僅局限于細胞內，它們還可以進行胞外電子轉移。產電活性微生物通過細胞膜上內嵌的導電蛋白和電子傳遞載體，以及從細胞膜生長出來的導電納米線，把氧化環境中有機物產生的電子傳遞給環境中的電子受體。
近10年來，研究人員又逐漸發現一些電活性微生物能夠從氫氣、電極等電子供體噬取電子，用于維持細胞生長。這類電活性微生物被命名為噬電活性微生物，主要包括熱莫爾氏菌、羅爾斯通菌、乙醇梭菌、沼澤紅假單胞菌以及鼠胞菌等。
在諸多領域展現出應用潛力
宋浩介紹，電活性微生物在能源、化工和醫療等諸多領域展現出巨大的應用潛力。
產電活性微生物可將有機物降解并釋放電子，實現化學能到電能的轉化。因此，產電活性微生物可利用環境、污水中的有機質發電，也可利用釋放的電子還原金屬陽離子來制備金屬納米材料，為解決能源不足、推動綠色先進制造提供方案。
宋浩舉例說，太陽能電池、熱電裝置和機械發電機大多對使用環境有要求。但新開發的基于導電蛋白利用大氣水分實現能量收集的蛋白質納米線薄膜發電機，可以產生至少20小時的連續電流。而且相比于其他可持續電力生成系統，這種裝置受位置或環境條件的限制更少。
基于產電活性微生物的產電原理，“電池家族”也有望增加新成員。用于生物降解有機廢物同時收集電能的微生物燃料電池、可以產氫氣的微生物電解電池、用于海水淡化的微生物脫鹽電池等，都是科研人員正在努力的研發方向。
另一方面，噬電活性微生物可以利用噬取的電子，驅動細胞物質合成，實現從電能到化學能的轉化。它們可以將二氧化碳等低能量密度、高氧化態的底物，還原為高級醇、脂肪酸等高能量密度、高還原態的高值化學品，為實現“雙碳”目標建立技術途徑。
走向產業化仍面臨多重挑戰
近年來，以電活性微生物為催化核心的生物電化學系統在全球范圍內正逐漸步入產業化應用，某些領域已初具產業規模。
在產電活性微生物的利用方面，國際上已有多家科技企業，利用產電活性微生物開發微生物燃料電池系統，用于污水處理與電能回收。
而對于噬電活性微生物的利用，光電驅動噬電活性微生物固氮固碳合成高值化學品技術成了當今投資界的新寵。例如美國公司開發了仿生葉片裝置，利用太陽能電池板提供電力，把水分解為氫氣和氧氣。噬電活性微生物自養黃桿菌以氫氣為電子供體固碳固氮合成液態肥料。
“盡管電活性微生物展示出巨大的應用潛力，但其應用仍面臨著科學、工程、經濟和社會等多個層面的挑戰。”宋浩說。
天津大學化工學院副研究員李鋒認為，天然存在的野生型產電活性微生物的胞外電子傳遞速率低，嚴重限制了電活性微生物的能量轉化效率。這是阻礙其廣泛工業化應用的核心瓶頸。
在噬電活性微生物的應用上，天津大學化工學院副教授曹英秀介紹，噬電細胞主要通過從胞外電極上獲取電子并轉化為自身還原力來驅動化學品合成，該過程包括胞外電子跨膜傳遞—胞內還原力轉化—產物定向合成。其中，電子跨膜傳遞速率慢、跨膜電子到胞內還原力轉化效率低是制約噬電活性微生物應用的重要因素。
此外，宋浩認為，目前部分高效電活性微生物的生物安全性尚未得到充分論證，電活性微生物的工業應用可能涉及到法規和倫理問題。尤其是在食品、醫學、農業和環境領域，需要確保新技術的安全性、可持續性，并符合相關法規和倫理標準。
“生物電化學系統相關產業仍處于初始發展階段，尚未形成完整的產業鏈，生產研發成本居高不下，產業經濟效益不夠突出。要克服這些瓶頸，未來還需要多學科的共同努力。”宋浩說。
“細菌也能直接放電”聽起來似乎匪夷所思，但這一相關領域的研究已有百年歷史。產電菌是電活性微生物的一種，它們在微生物電子傳遞過程中發揮著巨大作用，不斷刷新人們對微生物能量代謝過程的認知。如今，很多污染物預警和快速降解、能源回收、貴金屬提取等領域的“黑科技”，靈感和基礎都來自于它們。
日前，天津大學化工學院教授宋浩團隊在《定量生物學》刊文，回顧了以細胞色素和導電納米線為核心的導電蛋白質，在微生物電子傳遞過程中發揮的關鍵作用。文章展望了細胞色素和導電納米線未來潛在研究方向，為推動電活性微生物實際應用提供了參考。
可與外界環境雙向交換電子的特殊微生物
“能夠與外界環境進行雙向電子交換的微生物，被稱為電活性微生物。其中包括向外界環境釋放電子的產電活性微生物，以及從外界環境獲取電子的噬電活性微生物。”宋浩介紹。
早在1910年，英國科學家馬克·比特就發現，微生物的培養液能夠產生電流。此后，研究人員相繼挖掘、篩選、鑒定了多種產電活性微生物。其中，對于兼性厭氧菌奧奈達希瓦氏菌和嚴格厭氧菌硫還原地桿菌的研究最為廣泛。在21世紀初，研究人員對這兩種模式產電菌先后完成了基因測序，使得人們對產電活性微生物的遺傳背景有了進一步認識。
這類產電活性微生物是如何施展產電“超能力”的呢？“發電的本質是能量轉換。”宋浩介紹，在生物體內，底物有機質在細胞呼吸作用中被氧化，釋放的電子通過細胞呼吸鏈傳遞、轉移。一個葡萄糖分子在生物體內完全氧化后，可以產生多達24個電子。
宋浩進一步解釋，產電活性微生物的能量釋放不僅局限于細胞內，它們還可以進行胞外電子轉移。產電活性微生物通過細胞膜上內嵌的導電蛋白和電子傳遞載體，以及從細胞膜生長出來的導電納米線，把氧化環境中有機物產生的電子傳遞給環境中的電子受體。
近10年來，研究人員又逐漸發現一些電活性微生物能夠從氫氣、電極等電子供體噬取電子，用于維持細胞生長。這類電活性微生物被命名為噬電活性微生物，主要包括熱莫爾氏菌、羅爾斯通菌、乙醇梭菌、沼澤紅假單胞菌以及鼠胞菌等。
在諸多領域展現出應用潛力
宋浩介紹，電活性微生物在能源、化工和醫療等諸多領域展現出巨大的應用潛力。
產電活性微生物可將有機物降解并釋放電子，實現化學能到電能的轉化。因此，產電活性微生物可利用環境、污水中的有機質發電，也可利用釋放的電子還原金屬陽離子來制備金屬納米材料，為解決能源不足、推動綠色先進制造提供方案。
宋浩舉例說，太陽能電池、熱電裝置和機械發電機大多對使用環境有要求。但新開發的基于導電蛋白利用大氣水分實現能量收集的蛋白質納米線薄膜發電機，可以產生至少20小時的連續電流。而且相比于其他可持續電力生成系統，這種裝置受位置或環境條件的限制更少。
基于產電活性微生物的產電原理，“電池家族”也有望增加新成員。用于生物降解有機廢物同時收集電能的微生物燃料電池、可以產氫氣的微生物電解電池、用于海水淡化的微生物脫鹽電池等，都是科研人員正在努力的研發方向。
另一方面，噬電活性微生物可以利用噬取的電子，驅動細胞物質合成，實現從電能到化學能的轉化。它們可以將二氧化碳等低能量密度、高氧化態的底物，還原為高級醇、脂肪酸等高能量密度、高還原態的高值化學品，為實現“雙碳”目標建立技術途徑。
走向產業化仍面臨多重挑戰
近年來，以電活性微生物為催化核心的生物電化學系統在全球范圍內正逐漸步入產業化應用，某些領域已初具產業規模。
在產電活性微生物的利用方面，國際上已有多家科技企業，利用產電活性微生物開發微生物燃料電池系統，用于污水處理與電能回收。
而對于噬電活性微生物的利用，光電驅動噬電活性微生物固氮固碳合成高值化學品技術成了當今投資界的新寵。例如美國公司開發了仿生葉片裝置，利用太陽能電池板提供電力，把水分解為氫氣和氧氣。噬電活性微生物自養黃桿菌以氫氣為電子供體固碳固氮合成液態肥料。
“盡管電活性微生物展示出巨大的應用潛力，但其應用仍面臨著科學、工程、經濟和社會等多個層面的挑戰。”宋浩說。
天津大學化工學院副研究員李鋒認為，天然存在的野生型產電活性微生物的胞外電子傳遞速率低，嚴重限制了電活性微生物的能量轉化效率。這是阻礙其廣泛工業化應用的核心瓶頸。
在噬電活性微生物的應用上，天津大學化工學院副教授曹英秀介紹，噬電細胞主要通過從胞外電極上獲取電子并轉化為自身還原力來驅動化學品合成，該過程包括胞外電子跨膜傳遞—胞內還原力轉化—產物定向合成。其中，電子跨膜傳遞速率慢、跨膜電子到胞內還原力轉化效率低是制約噬電活性微生物應用的重要因素。
此外，宋浩認為，目前部分高效電活性微生物的生物安全性尚未得到充分論證，電活性微生物的工業應用可能涉及到法規和倫理問題。尤其是在食品、醫學、農業和環境領域，需要確保新技術的安全性、可持續性，并符合相關法規和倫理標準。
“生物電化學系統相關產業仍處于初始發展階段，尚未形成完整的產業鏈，生產研發成本居高不下，產業經濟效益不夠突出。要克服這些瓶頸，未來還需要多學科的共同努力。”宋浩說。
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