《食品科学》：湖北工业大学汪超教授等：希瓦氏菌胞外电子传递与致腐能力研究进展

电活性微生物是一类能通过胞外电子传递（EET）机制与外界环境进行电子交换的特殊微生物。希瓦氏菌（Shewanella）是一类典型的电活性微生物，其中奥奈达希瓦氏菌（S. oneidensis）MR-1作为模式菌株，被广泛用于解析其生理代谢与电活性机制。S. oneidensis MR-1是最早被证明支持EET的细菌之一，并已成为了解革兰氏阴性菌EET的模式细菌。Shewanella包含107 个有效发表的种，为革兰氏阴性菌，呈可移动的杆状，其典型表型特征包括兼性厌氧代谢、氧化酶反应阳性、硫化氢（H2S）生成及特异的胞外电子传递能力。在无氧条件下，Shewanella能够还原多种有机、无机化合物和金属氧化物以支持其生长。

在食品领域，虽然低温抑制了大多数微生物的生长和代谢，但许多研究表明，腐败菌可缩短冷藏海鲜的货架期，如金枪鱼、太平洋白虾、斑点叉尾鮰、克氏原螯虾、紫贻贝、大菱鲆等。腐败希瓦氏菌（Shewanella putrefacien）是导致水产品腐败的优势菌，其代谢产生的气味通常被描述为硫味、菜渣味或湿狗味，同时也可在肉类、乳制品中引发腐败。Shewanella的致腐主要是将氧化三甲胺（TMAO）还原为三甲胺（TMA），并将特定氨基酸脱羧为腐胺、组胺和尸胺等生物胺。且Shewanella在低温等胁迫环境下仍能维持较强的代谢活性，通过能量代谢的适应性调节加速食品腐败进程。EET可以通过直接或者间接途径传递电子，伴随腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）生成，为腐败相关酶的分泌和生物胺合成提供能量，同时还能为特征异味物质生成提供电子支撑，电子经EET传递至Tor系统（TMAO呼吸系统），驱动TMAO还原为TMA，也为亚硫酸盐还原酶/多硫化物还原酶复合体供能，加速H2S生成。因而在胁迫环境下，EET通过适应性调节维持活性，确保腐败代谢持续进行，使Shewanella成为冷链食品优势腐败菌。

湖北工业大学生命科学与健康工程学院的田茹玥、田尹琼、汪超*等人系统综述Shewanella EET从分子基础到表型功能的调控链路，将EET调控与食品腐败联系起来。同时提炼不同胁迫下EET调控的共性规律与协同效应，旨在为靶向阻断冷链食品中Shewanella致腐活性提供技术思路，为实现食品防腐基础研究向实践应用转化赋能。

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Shewanella电子传递的分子机制

电子流动是微生物新陈代谢的固有特征，微生物将电子从电子供体传递给电子受体，微生物会优先选择电势最高且可利用的电子受体以最大化能量收益。Shewanella胞外电子传递与大多数电活性微生物的胞外电子传递一样，传递机制主要分为直接电子传递和间接电子传递。

1.1 直接电子传递途径

1.1.1 细胞色素c介导的直接电子传递

直接电子传递是指微生物与胞外物质直接接触，通过微生物表面的细胞色素c或者纳米导线传递电子的过程。Shewanella中细胞色素c介导的直接电子传递途径（又称为金属还原通路（Mtr）途径）是直接电子传递的核心路径，以S. oneidensis MR-1为例，电子传递链组成包括内膜四血红素细胞色素c （CymA）、黄素细胞色素c3（Fcc3）（FccA）、小型四血红素细胞色素c（STC）、MtrA、MtrB、MtrC、外膜细胞色素A（OmcA），简单来说，其通过c型细胞色素（CymA、MtrA、MtrC、OmcA等）与孔蛋白（MtrB）形成跨膜复合体，实现电子从胞内到胞外的传递，同时释放黄素作为电子穿梭体辅助传递。

具体而言，胞内电子载体（如乳酸、甲酸和NADH等）被氧化，产生的电子经过醌池传递至CymA。CymA是一种含有4 个血红素卟啉环的细胞色素，锚定于内膜上，其氮端位于细胞内膜，碳端延伸至细胞周质空间，氧化醌醇释放电子，电子经其传递给FccA、STC；FccA、STC是可溶性的周质细胞色素，位于周质空间，FccA是一种包含黄素单核苷酸（FMN）和细胞色素c的蛋白质，STC含有4 个血红素基团，电子经其传递给MtrCAB复合体（由MtrA与外膜孔蛋白MtrB、外膜细胞色素MtrC形成的跨外膜复合体），MtrA接收电子后将电子传递给位于细胞外膜上的MtrB，MtrB是跨膜的β-桶状孔蛋白，将电子传递给胞外电子传递的末端还原酶OmcA和MtrC，MtrC的N端负责电子传递，C端结构域III/IV为催化关键。

Shewanella中还存在与此途径相似的SirCD-MtrDEF途径。SirCD-MtrDEF途径由sirC、sirD、mtrD、mtrE和mtrF等基因编码组成，其蛋白产物在序列和三维构象上与MtrCAB系统高度保守。该SirCD-MtrDEF通路的核心组件包括MtrD、MtrE和MtrF。MtrD作为周质中的多血红素c型细胞色素，其功能类似于MtrA，主要负责接收来自细胞膜醌池的电子，并通过其多个血红素基团实现电子的逐步跳跃式传递；MtrE则是一种跨膜β-桶状蛋白，其结构与功能对应于MtrB，作为结构支架稳定MtrD与外膜组分之间的相互作用，确保电子能够高效地从周质传递至细胞表面；位于外膜表面的MtrF是该通路的终端还原酶，直接介导与外界电子受体之间的界面电子转移，其作用类似于MtrC。两种途径的核心组件名称、细胞定位、c型血红素数量和主要作用如表1所示，两种途径示意图如图1所示。S. oneidensis MR-1直接EET效率不足的问题，可通过多巴胺在细胞-电极界面原位电化学聚合形成聚多巴胺显著改善，Ishiki等采用电位法量化分析了S. oneidensis MR-1胞内电子生成动力学。尽管Mtr途径以直接传递为主，但S. oneidensis MR-1会释放黄素作为电子穿梭体，与MtrC/OmcA结合形成高氧化还原电位的半醌形式，加速电子向矿物质的转移。

1.1.2 纳米导线介导的直接电子传递

纳米导线作为直接电子传递的另一核心载体，与Mtr通路共同构成Shewanella胞外电子传递的双重直接路径。纳米线是细胞色素功能化的外膜延伸或含有六血红素细胞色素组OmcS聚合链的细丝，负责促进微生物细胞内代谢与外部环境之间的电子传递。Gorby等系统地证明了S. oneidensis MR-1产生的菌毛状附属物具有导电性能。在Mtr途径中，外膜细胞色素OmcA和MtrC直接参与纳米线的生成，二者共同作用于外膜延伸结构的纳米线形成，这些纳米线除了通过物理作用连接邻近细胞，还通过多步跳跃机制，使群体微生物系统的导电网络进一步增强，而缺乏mtrC和omcA基因的Shewanella细胞产生的纳米线则无法进行电子传递，如图2所示。电化学实验证实，CymA或MtrC/OmcA的破坏极大地抑制S. oneidensis MR-1的电流输出，omcA和mtrC基因的过表达能够显著提升纳米线的电导率和电流密度。

1.2 间接电子传递途径

间接电子传递是指电子通过氧化还原活性的有机分子、电子穿梭、细胞排出或外源性添加进行转移，将电子从细胞转移至末端电子受体的过程，而在Shewanella中目前发现的中间接电子传递介体有黄素类化合物、腐殖质、醌类化合物等。

黄素类化合物主要包括核黄素（RF）、黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）和FMN，它的前体是鸟嘌呤核苷三磷酸和5-磷酸核酮糖，经过一系列酶促反应生成FAD，且RF在EET中发挥着比FMN和FAD更具决定性的作用，它们的结构式如图3 所示，间接电子传递示意图如图4所示。溶解腐殖质（DHS）通过双重机制促进六价铬（Cr（VI））去除，刺激S. oneidensis MR-1分泌胞外聚合物，并辅助S. oneidensis MR-1电子传递至Cr（VI），这明确了DHS在Shewanella间接电子传递中的核心作用。Zhang Tianle等发现S. putrefaciens CN32在三价铁（Fe（III））矿物质与RF协同作用下，依赖RF介导的间接电子传递循环，可高效还原六价Cr。且间接电子传递在Shewanella降解多种抗生素中发挥了很大的作用。Hu Ting等发现在S. oneidensis MR-1降解马拉硫磷的过程中，氧化铁炭（FeO/C）通过间接电子传递机制显著提高其降解能力，关键在于FeO/C作为电子载体能够加速MR-1的胞外电子传递。并且S. oneidensis MR-1与硫化镉构建的光敏生物杂交体系，可以通过光-生物协同促进间接电子传递，实现氯霉素高效降解。这些都充分体现了电子传递在微生物降解污染物中的关键作用，而该过程的高效推进，离不开间接电子传递机制与其中间介体的支持。

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Shewanella电子传递链的调控

EET通路的调控可以从碳分解代谢途径调控、电极电位依赖性的分解代谢途径调控和生物膜的形成与调控 3 个方面分析。

2.1 碳分解代谢途径调控

S. oneidensis MR-1的碳代谢具有明显的环境适应性，核心特征是偏好小分子有机酸、依赖电子受体。S. oneidensis MR-1通过D-乳酸脱氢酶、L-乳酸脱氢酶将小分子有机酸氧化为丙酮酸乳酸、丙酮酸，对于碳水化合物利用有限，仅能通过Entner Doudoroff（ED）途径代谢N-乙酰葡糖胺。因为该菌缺乏完整的糖酵解途径，但保留了ED途径的关键酶，N-乙酰葡萄糖胺经磷酸化和脱氢后进入ED途径，生成丙酮酸和甘油醛-3-磷酸，进而进入中心代谢提供NADH和前体物质。

在有氧条件下，S. oneidensis MR-1利用丙酮酸脱氢酶将丙酮酸氧化为乙酰辅酶A，进入三羧酸（TCA）循环完全氧化，产生NADH供电子传递；而在厌氧条件下，丙酮酸通过丙酮酸甲酸裂解酶分解为乙酰辅酶A和甲酸，甲酸经甲酸脱氢酶（FDH）氧化为CO2，乙酰辅酶A 则通过磷酸转乙酰酶-乙酸激酶（Pta-AckA）途径生成乙酸和ATP。

丙酮酸通过优化中心碳代谢通量，促进NADH的生成与再生平衡，并激活MtrCAB和MtrDEF两条主要的跨膜电子传递途径，同时协同氢化酶系统提升电子输出效率，从而显著提高金属离子的还原速率。这一现象并非仅源于底物能量贡献的差异，而是与丙酮酸对细胞内代谢流和电子传递路径的调控密切相关。同时，在S. oneidensis MR-1中引入基因ato1/ato2（编码乙酰辅酶A转移酶）使乙酸直接转化为乙酰辅酶A，这一步无需消耗ATP，随后进入ED途径产生丙酮酸并提供电子给外排体系，显著提升了生物电流输出，通过重构碳流路径可大幅提升EET性能。此外，Ikeda等研究发现，S. oneidensis MR-1虽然拥有完整发酵通路基因，却不能在无外加电子受体的情况下实现持续增长，这种现象是由于碳流重新分配导致氨基酸前体供应不足，参与氨基酸合成的碳代谢途径受到抑制，进而限制了蛋白质合成与细胞分裂，而补充氨基酸来源可以促进其在特定培养基中的发酵生长。这一发现揭示了碳代谢与生物合成之间的深层耦合关系，并提示可以通过营养优化和代谢工程手段开发其潜在的发酵生产能力。

2.2 电极电位依赖性的分解代谢途径调控

在生物电化学系统中，电子在电活性生物膜和电极之间流动的方向和速率主要由电极电位决定，并且电极电位也会影响生物膜中的分解代谢、电子传递途径和运动反应。S. oneidensis MR-1对电极电位的代谢响应体现在：高电位时激活NADH依赖代谢途径，低电位时依赖甲酸驱动的代谢途径。

具体表现在，当电极处于较高电位时，S. oneidensis MR-1倾向于激活以NADH为关键还原当量的代谢途径，从而增强通过MtrCAB和MtrDEF复合体介导的直接电子传递效率。高电位环境模拟了较强的电子受体可用性，促使细胞上调与TCA循环和氧化磷酸化相关的基因表达，优化NADH的生成与利用平衡，并强化呼吸链组分的组装与功能。并且Madsen等通过构建S. oneidensis MR-1基因组中编码的4 种NADH脱氢酶缺失株，并在阳极生物电化学系统中使用N-乙酰葡糖胺或D,L-乳酸作为碳源进行培养，发现缺乏有氧生长必需的两种脱氢酶的菌株，在以阳极或Fe（III）-次氮基三乙酸为末端电子受体时，表现出严重的生长缺陷，这揭示了相同的NADH脱氢酶复合物在有氧条件或高电位阳极下均被利用。在较低电极电位下，由于电子向电极转移的驱动力减弱，传统的基于NADH的直接电子传递效率下降。此时，S. oneidensis MR-1转而依赖甲酸作为主要的电子供体，甲酸可通过FDH氧化为CO2，同时释放电子进入呼吸链，显著提升电流产率。

2.3 生物膜的形成与调控

Shewanella的生物膜具有导电特性，这一功能由基质中的电活性成分赋予，包括细胞色素c、纳米线，以及MtrC、OmcA等关键蛋白，其生物膜基质还含胞外多糖、蛋白质、细胞外DNA，且胞外聚合物基质可通过氧化还原蛋白与电子穿梭体，直接影响EET效率。此外，生物膜内还存在环二苷酸信号系统与群体感应系统，共同参与EET相关的调控过程。

Feng Lifang等以波罗的海希瓦氏菌SB02为对象进行研究，发现核心调控因子RpoN参与生物膜形成，直接影响菌株的致腐潜能，RpoS则主要调控应激反应，两者可能与群体感应系统协同，共同调控菌株环境适应与致腐相关的电子传递过程。此外，Cai Xinlu等设计Esa群体感应系统，可根据细胞密度动态切换S. oneidensis MR-1的胞外呼吸通路，在低细胞密度下促进二甲基亚砜还原酶表达，高细胞密度下促进电子导电复合物与黄素合成，实现EET通路的双向调控，为多核素污染生物修复提供了精细策略。

除上述3 种调控途径外，Ding Dewu等从翻译效率视角，结合蛋白质网络与操纵子分析揭示S. oneidensis MR-1的EET调控新机制，以高氧（EET失活）到低氧（EET激活）为条件，补充转录组/蛋白质组未覆盖的EET相关基因，通过构建蛋白质与蛋白质相互作用（PPI）网络发现，差异翻译蛋白的网络连接度更高，其核心节点通过转录调控 c型细胞色素合成支撑EET。该研究证实，翻译效率可通过塑造PPI网络关键节点、调控EET相关操纵子影响EET。

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Shewanella电子传递与腐败的关联

3.1 TMA的生成

TMA是一种高度挥发性化合物，水产品腐败的特征性异味物质，TMA生成过程与Shewanella的EET机制存在紧密关联。Shewanella普遍携带TMAO还原酶（TorA），在缺氧或厌氧环境下将TMAO作为ETC的终端电子受体进行呼吸，将其还原为TMA，并将电子输送至细胞内的呼吸链。

在大肠杆菌中已广泛研究了细菌TMAO呼吸过程，在该生物体中，TMAO呼吸（Tor）系统包括TorA和c型细胞色素。在Shewanella中，TMAO通过Tor系统的生物合成促进Shewanella的生长，Tor系统将TMAO用作电子受体并触发由能量趋化性控制的趋化反应，Shewanella的Tor系统由torECAD操纵子编码。Shewanella中TMAO还原酶的生成受TorS/TorR系统的调节，当TMAO存在时，膜结合的组氨酸激酶TorS会磷酸化细胞质响应调节因子TorR，从而激活TMAO还原酶基因的转录，此系统还受到氧气的强烈抑制，表现出兼性厌氧的特性。Yi Zhengkai等研究发现，Shewanella 00A菌株中TorA类似物呈上调表达，该酶可将鱼类天然存在的TMAO还原为TMA，且00A菌株的TMA生成量显著高于腐败能力较弱的00B菌株，直接证实了TorA在Shewanella特征性异味形成中的关键作用。Lemaire等以S. oneidensis MR-1为研究对象证实特异性分子伴侣TorD是TorA稳定与成熟的必需条件，缺失torD会导致TorA含量急剧降低，TMAO呼吸能力显著下降，其表型与直接缺失torA高度相似，直接阻断电子向TMAO的传递，而TorE虽不影响TorA的稳定性和活性，却能通过提升电子传递链效率加速电子流转，进而增强TMAO呼吸效率，且在TMAO环境中为细菌提供生存竞争优势。

3.2 硫化物的生成

H2S具有强烈的臭鸡蛋味，和食品中的金属离子反应会生成黑色的硫化物，破坏食品的感官和品质。H2S可以通过同化性硫酸盐还原途径生成，也可以通过半胱氨酸降解途径生成。S. oneidensis MR-1在厌氧条件下可通过SirACD复合体和PsrABC复合体这两类特有的酶复合体催化多种硫化物生成H2S。Wu Genfu等通过基因缺失实验证实二者功能无交互，分别对应特定硫底物，且半胱氨酸可诱导半胱氨酸降解途径使H2S生成量提升。调控方面，环腺苷酸受体蛋白-环磷酸腺苷（Crp-cAMP）系统为全局核心，Crp结合cAMP后直接激活sirA、psrA转录（调控硫呼吸），同时间接阻断半胱氨酸对降解途径的诱导。Learman等研究发现S. oneidensis MR-1的LuxS蛋白主要通过代谢功能调控生物膜发育与硫代谢相关过程，luxS缺失突变株的生物膜缺陷导致LuxS作为甲基循环关键酶的功能丧失，甲硫氨酸利用受阻。

在食品腐败过程中，Shewanella的EET对H2S的生成无直接作用，但其通过还原金属离子改变环境化学状态，可能间接影响H2S的积累和检测。S. oneidensis主要靠硫代硫酸盐还原酶复合体中的催化亚基PsrA和亚硫酸盐还原酶复合体中的催化亚基SirA产硫化氢，铁是这两种酶的关键辅因子，高浓度亚硫酸盐、硫代硫酸盐会螯合胞外和胞内铁，抑制酶活性，间接减少H2S生成，体现出金属离子的间接影响，S. oneidensis优先使用硝酸盐、亚硝酸盐当电子受体，仅当其耗尽才启动PsrA/SirA生产H2S，结合其电活性特性，EET虽不直接生产H2S，但会优先传递电子给高优先级受体，间接改变代谢流向，影响H2S生成时机。

3.3 能量代谢与腐败产物积累

Shewanella会分泌多种蛋白酶与脂肪酶分解食品成分，加速腐败进程。生物胺是由酶促氨基酸脱羧作用产生的小分子物质，包括组胺、尸胺、腐胺和酪胺等。藻类希瓦氏菌（S. algae）产生的碱性外泌脂肪酶可将三酰甘油水解为脂肪酸与甘油，游离脂肪酸经β-氧化生成酸性挥发物，加速风味劣化。

在实际食品腐败过程中，李亚俐等从冷藏斑点叉尾鮰中分离出S. putrefaciens IA-1与哈夫尼亚菌NA-1，表现出显著的致腐优势，其中S. putrefaciens IA-1胞外蛋白水解酶活性达65.30 U/mL，腐胺产量为659.67 mg/L，尸胺产量为23.86 mg/L，表明S. putrefaciens在实际食品体系中通过高酶活性和生物胺生成参与腐败，与能量代谢驱动下的酶分泌及代谢产物积累一致。Luo Xiaowei等研究发现，波罗的海希瓦氏菌的腐败机制与酶活性及代谢物变化密切相关，并且表现出明显的阶段特征，早期以菌体增殖、营养吸收及相关酶合成为主，后期则大量分泌酶类并消耗代谢物，且不同菌株存在差异，ABa4、ABe2菌株早期代谢活跃，而BBe1菌株后期代谢活性更强，揭示了Shewanella腐败过程中能量代谢与酶分泌的动态关联，以及菌株特异性对腐败进程的影响。此外，Li Peiyun等研究发现CO2可显著抑制Shewanella胞内ATP合成，且浓度越高，抑制效果越强。ATP含量会下降，直接降低细胞生理活动强度，减少腐败相关酶分泌及TMA、H2S等异味化合物生成，补充了电子传递之外的能量代谢调控路径。

近年来物质能量代谢途径与腐败产物积累研究汇总如表2所示。

3.4 腐败潜能差异的代谢与蛋白调控基础

Shewanella不同菌株间呈现显著的腐败潜能差异，直接影响食品的腐败速率与变质程度，是精准防控冷链食品腐败需明确的核心问题。Shewanella不同菌株的腐败能力差异与其基因组特征及表型分化密切相关，相关研究从菌株个体到菌群层面揭示了该调控基础。

从基因组与功能基因层面看，Yi Zhengkai等对分离自大眼金枪鱼的菌株YZ08和YZ-J进行了研究，发现遗传背景对腐败能力具有决定作用，菌株YZ08因携带完整torECADSTR操纵子（TMA合成的关键通路）、高表达speC（生物胺合成基因）、sirA（硫化氢生成基因）及蛋白酶编码基因，其TMA产量、生物胺积累量和蛋白酶活性均高于菌株YZ-J，而菌株YZ-J则因flrA（生物膜抑制基因）低表达与bpfA、glgA（生物膜/胞外多糖合成基因）高表达，更倾向于形成生物膜以适应环境，而不是主动致腐。这种遗传驱动导致致腐功能与环境适应的功能分化，揭示了Shewanella菌株特异性腐败潜能的分子基础。

也有相关研究从蛋白表达差异的层面佐证了菌株腐败潜能存在分化。Yi Zhengkai等以冷藏腐败大眼金枪鱼中分离的S. putrefaciens 00A和00B为研究对象，通过评估无菌金枪鱼汁及鱼块中的腐败指标，结合胞内和胞外差异表达蛋白，发现菌株00A腐败潜能显著高于菌株00B。S. putrefaciens 00A与00B的腐败能力具有差异，源于代谢途径活性差异与功能蛋白调控差异的协同作用，具体体现在氨基酸代谢、能量供给及蛋白水解相关的调控层面，最终导致腐败产物积累效率与速率的显著分化。

在实际食品腐败体系中也能通过菌群结构与代谢组变化来印证腐败与蛋白调控的关系。Wang Xuan等通过16S rRNA测序结合非靶向代谢组学分析冷藏大菱鲆腐败机制发现，4 ℃储存9 d后细菌多样性下降且菌群结构改变，变形菌门、Shewanella与不动杆菌成为优势腐败菌，这类菌是典型的具有活跃呼吸能力的菌，其生长与能量获取严重依赖电子传递链系统。而在代谢层面发现吲哚衍生物、氨基酸含量增加，核苷、甘油磷脂含量减少，嘌呤代谢、氨基酸代谢为核心腐败通路，这揭示了优势腐败菌通过高效电子传递驱动能量代谢，进而加速了对鱼肉的分解，最终表现在大菱鲆鲜度指标骤变，总活菌数超过7.0（lg（CFU/g）），TVB-N含量显著升高。因此，以特定腐败菌主导、以电子传递为核心的能量代谢过程是推动蛋白降解和腐败代谢物积累的关键环节。

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环境因素对Shewanella电子传递及腐败的影响

Shewanella的生长环境常受各类不利条件干扰，当微生物遭遇这些胁迫条件时，会激活多种自我保护机制，通过适应环境变化恢复正常生长。环境胁迫（低温、酸、高盐等）是冷链食品中Shewanella存活与致腐的核心外部调控因子。这类胁迫并非单纯抑制细菌生长，而是通过靶向干扰细胞膜功能、核心代谢通路或EET组件，改变细菌能量供应效率。Shewanella则通过膜保护、代谢重编程和EET优先维持的适应性策略，在胁迫下保留或调整致腐潜能。系统解析3 种典型环境胁迫对Shewanella电子传递及腐败过程的调控机制，示意图如图5所示。

4.1 温度胁迫

低温是冷藏水产品腐败过程中的关键环境胁迫因子，Shewanella可通过多样化的代谢调控策略维持自身活性并驱动腐败进程，其低温适应机制在不同菌株中呈现共性与特异性相统一的特征。低温会直接降低Shewanella细胞膜流动性、抑制醌池电子传递效率，对EET通路和腐败相关酶活性产生双重抑制，而Shewanella通过激活RF代谢、优化膜结构等适应性机制，可补偿低温导致的EET效率损失，进而维持较强的致腐潜能。

从EET的调控机制来看，在低温下Shewanella会优先保障电子传递。Kloska等以波罗的海希瓦氏菌为研究对象，发现在8 ℃低温下约70%的差异表达基因被抑制，但RF代谢通路被激活，这可能是细菌通过增加电子穿梭体的生成，从而补偿低温导致EET效率下降的策略，同时糖酵解、脂肪酸降解等代谢受到抑制，进一步将碳导向EET相关通路，降低能量的无效损耗。膜结构还能为EET提供载体支撑，生物膜在EET的过程中分泌黄素，并且暴露于其中的许多环境相关表面都被电活性黄素包裹。Yang Shengping等对S. putrefaciens QY38的研究显示，在4 ℃条件下该菌通过膜结构与脂肪酸代谢协同调控应对低温胁迫，细胞外膜变得致密光滑以增强低温耐受性，虽然最大生长速率仅为30 ℃条件下的17%，但EET仍能为基础生理活动供能。

EET的维持策略还能影响腐败能力，表型特征的动态变化进一步完善了Shewanella的低温适应机制，Gao Xin等证实S. putrefaciens在0～30 ℃范围内均能生长，虽低温下生长速率显著降低，但因EET并未受到显著抑制，可持续为TMA生成、蛋白酶分泌提供能量，致使S. putrefaciens能维持较强的腐败潜能。此外，低温联合CO2对EET有明显抑制作用，CO2会进一步阻断EET相关ATP合成，大幅降低Shewanella的致腐能力。

4.2 酸胁迫

由于细胞质的酸化对细胞的所有大分子都有严重的影响，可能导致蛋白质展开、酶活性降低、膜损伤和DNA损伤，细菌已经进化出各种耐酸胁迫系统以适应在高度酸性环境中生存。酸胁迫（如食品发酵产酸、低温贮藏中有机酸的积累）主要通过改变细胞内外的pH值，破坏EET依赖的跨膜质子梯度，进而阻断能量供应，最终抑制Shewanella腐败能力，但Shewanella可以通过代谢产生腐胺、异戊酸从而调节胞内pH值，维持EET的正常运行。

波罗的海希瓦氏菌在海鲜冷藏期的弱酸性环境（pH 5.5～6.5）中，会代谢产生腐胺，腐胺既作为腐败产物破坏风味、增强毒性，又能中和胞内H+，使胞质pH值升高并回到适宜范围内，揭示了酸胁迫调控Shewanella腐败行为的关键路径。这一过程对EET的维持非常重要，胞质pH值的稳定能够确保EET组件的结构与活性不受酸性环境破坏，维持能量的供应，加剧海鲜的腐败。同时嗜中性紫色希瓦氏菌在酸胁迫下通过代谢重编程实现适应，其在pH 5.0～7.0可生长，且能将初始酸性培养基pH值中和至中性，关键机制在于酸胁迫激活异戊酸合成通路，支链氨基酸转氨酶等相关基因上调，使异戊酸产量增至pH 7.0时的5 倍。异戊酸作为碱性代谢产物，可通过调节胞内外质子平衡从而稳定胞内的pH值，同样能保障EET的正常进行，为其他代谢提供能量，使菌株在酸性环境中保持致腐能力。

需注意的是，目前虽然明确Shewanella可通过腐胺、异戊酸等代谢通路适应酸胁迫并加剧腐败，但是二者与EET的直接关联尚鲜有研究证实，这一环节的机制空白，仍需后续通过转录组与代谢组联合分析进一步填补。

4.3 高盐环境胁迫

高盐环境通常指含盐量显著高于正常海水的特殊生境，涵盖盐湖、盐田、沿海高盐沉积物、高盐工业废水及水产养殖高盐水体等场景，其核心胁迫特征为高渗透压，会直接打破微生物细胞内外的离子平衡与水分稳态，对Shewanella的代谢活动、电子传递效率及致腐潜能构成严峻挑战。对于Shewanella而言，高盐胁迫有可能会通过破坏细胞膜离子平衡，影响EET组件结构的稳定性，进而影响Shewanella的存活与致腐能力。Shewanella通过维持膜结合酶活性、强化TCA循环等适应性策略，应对高盐对EET的不利影响，从而保障致腐的能量供应。

代谢路径重编程是Shewanella应对高盐胁迫的核心能量保障，通过碳流精准分配实现适应性与功能输出的同步提升。Wohlers等针对S. oneidensis MR-1高盐条件下醋酸盐过量积累的问题，通过敲除ackA/pta基因（编码醋酸盐合成酶），阻断碳流分流，将碳源重定向至TCA循环，作为EET的能量核心供给通路，TCA循环的强化既能够减少渗透压应激源，又能够为产物合成和EET提供充足能量，后续通过过表达乌头酸水合酶、异源表达顺乌头酸脱羧酶，使衣康酸产量较野生型提升13 倍，实现高盐适应性与功能输出的同步强化。

分子层面结合功能酶的高盐耐受性，为EET相关代谢的稳定运行提供了关键支撑，且不同菌株通过酶结构分化形成差异化适应能力。Chang Weiwei等发现S. algae膜结合的5’-核苷酸酶在2.5 mol/L NaCl溶液下仍能够保持约80%的活性，稳定核苷酸代谢，保障EET关键的NAD+/NADH循环不受抑制，并且该酶兼容渗透剂在高盐下大量合成，渗透剂在膜外形成渗透压平衡层并提供弱碱性缓冲，进一步保障EET组件的结构稳定。Fujimori等 发现深海希瓦氏菌与浅海希瓦氏菌来源的5’-核苷酸酶（SVNTase与SANTase），能够形成对高盐环境的差异化适应策略，深海希瓦氏菌的SVNTase具强高盐适应性，而浅海菌株的SANTase对高盐敏感，SVNTase可保障高盐下核苷酸代谢功能，可为EET发挥功能奠定基础。此外，Shewanella的高盐适应性还展现出功能拓展性，如在高盐石油废水环境中可通过直链烷烃代谢路径降解正十六烷，体现代谢网络的灵活适配性。适应性进化与基因编辑技术进一步丰富了功能优化路径，Shewanella通过定向进化获得耐甲酸盐的高盐适配菌株。Wang Xinlei等的研究阐明了转座子CAST系统对Shewanella环境适应相关基因的调控作用，丰富了菌株功能优化的技术路径，可以通过靶向编辑EET或渗透压调节基因强化高盐适应性。

这些代谢与分子层面的适应机制，最终在水产养殖场景中转化为致腐优势。针对南美白对虾肠道菌群的研究显示，盐水组Shewanella被富集并可能促进生物膜形成，低盐组则未检测到该菌，有可能是通过EET功能促进生物膜的形成，增强Shewanella定植稳定。Zhang Wen等发现高盐会增强Shewanella黏附能力，而黏附能力依附于EET介导的能量供应，菌株更易定植于鱼类组织后，最终导致高盐组罗非鱼鱼腥味强度提升2～3 倍、腐败进程缩短1～2 d。因此可以推测在高盐环境中，Shewanella通过维持膜结合蛋白及EET关键细胞色素活性，保障电子传递效率，且高效的EET不仅为其提供高盐适应所需能量，还能驱动TMA生成、支撑生物膜形成，同时强化其黏附致腐能力，使Shewanella成为高盐水产场景的优势腐败菌。

尽管温度、酸、高盐胁迫的作用方式不同，但对Shewanella电子传递及腐败的调控存在共性，且多胁迫协同抑制效果更显著。可以通过保护膜功能，通过合成不饱和脂肪酸（低温）、相容性溶质（酸）、平衡膜离子（高盐）维持EET组件载体稳定。还能通过维系EET核心环节，保护RF、细胞色素合成等通路避免中断。也可以对代谢流进行定向重编程，抑制非核心代谢物质将碳流导向TCA或EET供能。而协同作用，如低温和CO2降低EET速率并阻断ATP合成，高盐和酸破坏膜平衡与质子梯度，均强化致腐抑制作用，可为冷链防腐提供靶向调控思路。

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结 语

本文系统阐述了Shewanella EET作为其关键致腐能力的分子基础，并揭示了环境胁迫通过调控EET影响腐败的机制。明确了环境胁迫对EET与致腐关联的调控规律，低温下Shewanella通过激活RF代谢补偿EET效率损失，酸胁迫中依赖腐胺、异戊酸维持胞内pH值以保障EET组件活性，高盐环境则通过膜结合酶稳定性维持与TCA循环强化维系EET功能。关键的是，低温与CO2、高盐与酸的协同作用可通过双重阻断EET与能量代谢，实现对致腐能力的显著抑制，为冷链防腐提供了靶向调控思路。未来研究需进一步解析胁迫信号感知与EET基因表达的调控网络，并在复杂的食品基质中验证这些靶向调控策略。当前研究仍存在缺口，如酸胁迫下腐胺、异戊酸与EET组件的直接互作机制尚未明确，缺乏转录组与代谢组联合分析验证。并且不同Shewanella菌株间EET核心基因的表达差异与腐败潜能的量化关联不足，难以支撑菌株特异性防控。在实际复杂食品基质中，环境因素对EET的调控效应存在差异，现有研究多基于纯培养体系，与产业实际场景的衔接有待加强。综上，Shewanella的EET机制是理解其致腐特性的核心钥匙，明晰EET从分子调控到环境适应再到致腐表型的完整链路，不仅能丰富电活性微生物的生理代谢研究，更能为冷链食品防腐技术的精准化、绿色化发展提供理论支撑，推动微生物基础研究与食品产业应用的深度融合。

引文格式：

田茹玥, 田尹琼, 许雅祺, 等. 希瓦氏菌胞外电子传递与致腐能力研究进展[J]. 食品科学, 2026, 47(15): 335-345. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251231-279.

TIAN Ruyue, TIAN Yinqiong, XU Yaqi, et al. Research progress on extracellular electron transfer and spoilage ability ofShewanella[J]. Food Science, 2026, 47(15): 335-345. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-20251231-279.

实习编辑：辉煌；责任编辑：张睿梅。点击下方阅读原文即可查看全文。图片来源于文章原文及摄图网

为对标农业农村部2035年科技规划及“十四五”“十五五”发展方向，推动农产品加工与储运的工程化、智能化、绿色化升级，由湖南省农业科学院、湖南农业大学、北京食品科学研究院、国际食品科技联盟（IUFoST）、中国农业大学、岳麓山工业创新中心、湖南欧美同学会主办，湖南大学、中南林业科技大学、长沙理工大学、湖南中医药大学、湘潭大学、岳麓山实验室、木本油料资源利用全国重点实验室协办，中国食品杂志社、洞庭实验室、湖南省食品科学技术学会、湖南省农产品加工与质量安全研究所、湖南农业大学食品科学技术学院、Springer Nature-《Agricultural Products Processing and Storage》杂志承办的“第二届农产品加工与食品制造国际学术研讨会—创新引领绿色智造，AI赋能科技进步”，将于2026年9月19-20日（9月18日会议报到）在中国 湖南 长沙召开。

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