藏在海岸带微生物世界中的“神秘电缆”

在现代社会，电缆是我们日常生活中不可或缺的基础设施，承担着电力和信息的传输功能，支撑着通信、交通及工业发展。然而，除了我们所熟知的电缆之外，还有一种神奇的“电缆”存在于海岸带微生物世界中--被称为“电缆细菌”。这些电缆细菌通过细长的丝状结构将电子在环境介质中传递，并可形成类似电缆的电流传输网络。它们不仅在自然界中发挥着重要作用，也为科学家研究能源传输与环境清洁提供了全新的视角。

什么是电缆细菌？

电缆细菌（Cable Bacteria）是一种由单细胞首尾相连而成、长至数厘米的丝状细菌，在分类学术上属于脱硫球茎科（Desulfobulbaceae）；其最显著的特点是能够在厘米尺度上进行电子转移，主要分布于海床、潮间带等海岸带沉积环境。

电缆细菌最早的发现可以追溯到2010年，世界著名电微生物学家、丹麦奥胡斯大学的Lars Peter Nielsen教授团队在一处海滩发现了一个有趣的现象：海滩沉积物表面的氧气消耗与沉积物深处硫化氢氧化速率相耦合，而这两个过程之间的距离竟然达到1-3厘米。我们知道化学反应通常需要反应物质相互接触才能发生，这意味着反应物质必须在一定的空间内相互碰撞才能有效地发生反应。因此，他们推测为这种厘米级别的长距离电子转移可能是由微生物和一些非生物的导电材料共同完成。2012年，Nielsen教授团队的Pfeffer等在Nature发文报道上述过程中的长距离电子转移是由一种多细胞的长丝状细菌介导完成；这些细菌能够横跨数厘米宽的区域，并且具备特殊的脊状导电结构；电子正是依靠这些“导电脊”在细菌的细胞内部进行长距离传递。随后，研究人员则根据这种新发现的细菌外形酷似电缆的特点而将其命名为“电缆细菌”。

沉积物中的丝状电缆细菌（图片源自于Nielsen团队文章）

电缆细菌分布和作用

自电缆细菌首次被报道以来，研究人员在以海岸带为主的多种自然环境中发现了它们的存在，主要有海洋沉积物、盐沼、季节性缺氧河口、潮下泥滩、潮间带、红树林等海岸带区域；此外，稻田、深海环境、甚至地下水等环境也发现了电缆细菌的存在。电缆细菌的广泛分布表明它们具有强大的环境适应性，暗示其在生态系统中可能扮演着多样化角色。根据研究报道，电缆细菌不仅参与了硫、铁、碳、氮、磷等元素的生物地球化学循环，还在有机污染物降解、矿物形成、溶氧增加、甲烷排放减少、生物多样性保护等环境生态过程中起到关键作用。

电缆细菌的电导特性源于其独特的生物结构和代谢方式。与大多数细菌不同，电缆细菌的“电缆”结构使得它们能够在长距离上沿着细菌体表传递电子，依靠“电流”来驱动环境中的生物化学反应。近年来，科学家们开始探索如何利用这些微生物的特殊能力。例如，电缆细菌能够在水体和沉积物中帮助降解硫化氢等污染物，科学家们正在探索如何利用这些细菌进行黑臭水体的修复；此外，电缆细菌能够通过传递电子来生成电流，这使得它们在生物电池、电子设备与传感器等研究中具有重要应用前景，期待未来科学家们可以设计出基于电缆细菌的工业产品。

电缆细菌的挑战与未来

尽管电缆细菌具有巨大的应用潜力，但是目前在研究和应用过程中仍面临许多挑战。首先，电缆细菌的培养条件非常严格，对温度、pH值和营养物质等要求较高，这限制了它们的实际应用。其次，如何优化电缆细菌的导电性能，也是当前研究中的难题。

电缆细菌的发现为我们揭示了一个全新的生物电传导世界。这些微小的细菌不仅在自然界中扮演着重要的生态角色，也为现代科技提供了新的灵感。未来，随着生物技术的进步，电缆细菌的应用前景将更加广阔。

作 者：张海坤 副研究员 中国科学院烟台海岸带研究所

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