电缆细菌：会发电的“活电池”

一种被称为电缆细菌的微生物，能将数千个细胞连接成长达数厘米的细丝，像活体电线一样在沉积物中远距离传输电子。这一发现颠覆了生物能量学的传统认知，即细胞只能利用局部化学反应获取能量。电缆细菌通过其独特的机制，在减少稻米种植产生的甲烷方面显示出巨大潜力，但目前科学家仍面临着无法对其进行纯培养和基因工程改造的挑战。

一种会发电的活体电线

在丹麦奥胡斯大学的实验室里，科学家们首次发现了电缆细菌。这些微生物并非单个细胞，而是由成千上万个细胞头尾相连，组成长达数厘米的链状结构。

它们的功能就像一个活电池：

• 一端深入缺氧的泥土： 位于这一端的细胞会氧化泥土中的硫化物，并从中剥离出电子。
• 另一端接近含氧的水面： 释放出的电子会沿着整个细菌链条快速向上传输。
• 完成能量循环： 位于链条顶端的细胞将这些电子传递给水中的氧气等分子，完成整个能量生成过程。

颠覆传统认知的能量传输

电缆细菌的生存策略巧妙地解决了自然界中的一个难题：在湖泊和池塘的沉积物中，氧气只能渗透到最表层的几毫米，更深处的环境是完全缺氧的。

通过形成长链结构，电缆细菌进化出一种独特的能力，将一个完整的氧化还原反应在物理空间上远远分离开来。它们既能获取深层泥土中的电子供体（如硫化物），又能利用表层水中的电子受体（如氧气）。

这一发现颠覆了生物学长期以来的一个核心观点，即所有生命形式都只能利用身边的局部化学物质来为自身供能。电缆细菌虽然也遵循电子转移的基本法则，但它们将这个法则的应用范围延伸到了前所未有的尺度。

一次意外的发现

电缆细菌的发现纯属偶然。2000 年代末，丹麦科学家拉斯·彼得·尼尔森在研究湖泊沉积物时，观察到了一个奇怪的现象：泥土深处的硫化氢竟然在没有氧气的情况下消失了。

从已知的化学知识来看，这是不可能发生的。消耗硫化氢的反应通常需要氧气或其他电子受体，而这些物质在沉积物深处根本不存在。当尼尔森提出可能存在一种能长距离传输电子的特殊细菌时，他的想法遭到了同行的普遍质疑。

一位化学工程师回忆说，他当时觉得这个想法“完全是胡说八道”。另一位微生物学家则评论道，这就像“我们自己的新陈代谢过程能对 18 公里外产生影响”一样不可思议。

尽管如此，尼尔森坚持了他的研究，并最终在 2012 年确凿地证明了电缆细菌的存在和其独特的导电机制。

巨大的应用潜力：减少甲烷排放

电缆细菌的电子穿梭能力具有重要的实际应用价值，尤其是在农业领域。在一项研究中，研究人员将电缆细菌添加到种植水稻的土壤中。

结果发现：

• 电缆细菌的活动将甲烷排放量减少了 93%。
• 其原理是，它们在代谢过程中会产生大量硫酸盐，从而抑制了产生甲烷的微生物（产甲烷菌）的活动。

鉴于全球水稻种植业是人为甲烷排放的主要来源之一（约占 11%），在稻田中推广使用电缆细菌可能对减缓气候变化产生巨大的积极影响。

当前面临的挑战

尽管前景广阔，但将电缆细菌应用于现实世界仍面临诸多障碍。最主要的问题是，科学家们至今未能解决其培养和改造的难题。

• 无法纯培养： 电缆细菌只能在具有特定化学梯度的泥土和水中生长，无法在实验室的纯培养基中存活。
• 生长缓慢： 细胞分裂周期长，大约每 20 小时才分裂一次。
• 难以基因改造： 由于其细胞膜结构特殊且厚实，目前还没有办法将外源 DNA 导入其细胞内进行基因工程操作。

尽管我们对电缆细菌的理解日益加深，但关于它们的许多基本问题，至今仍然是未解之谜。