2018-09-13 09:32:02
发现数百种发电细菌,包括致病细菌、益生菌和发酵细菌

虽然在像矿井和湖底这样的奇异环境中发现了产生电能的细菌,但是科学家们已经错过了离家更近的一个来源:人类肠道。

加州大学伯克利分校的科学家们发现,一种常见的引起腹泻的细菌,单核细胞增生李斯特菌,使用与已知的产电细菌完全不同的技术产生电能,数百种其他细菌也使用同样的过程。

许多这些激发细菌是人类肠道微生物群的一部分,许多细菌是致病的,比如导致食源性疾病李斯特菌病的细菌,这也可能导致流产。引起坏疽的细菌(产气荚膜梭菌)和医院获得性感染的细菌(粪肠球菌)以及一些引起疾病的链球菌也会产生电。其他产电细菌,如乳酸杆菌,在酸奶发酵中很重要,许多是益生菌。

加州大学伯克利分校的分子和细胞生物学以及植物和微生物生物学教授丹·波尔图尼说:“事实上,许多与人类相互作用的细菌,无论是病原体还是益生菌,还是我们的微生物群,或者是参与人类产品发酵的细菌,都是电致的——这一点以前已经错过了。”“它可以告诉我们很多关于这些细菌是如何感染我们的,或者帮助我们拥有健康的肠道。"

这项发现对于那些目前试图用微生物制造活电池的人来说将是一个好消息。例如,这种“绿色”生物能源技术可以从废水处理厂的细菌中发电。

这项研究将在10月4日出版《自然》杂志之前于9月12日在网上公布。

呼吸金属

细菌发电的原因与我们呼吸氧气的原因相同:去除新陈代谢过程中产生的电子并支持能量的产生。尽管动物和植物将它们的电子转移到每个细胞线粒体内的氧气中,但是无氧环境中的细菌——包括我们的肠道,还有酒精和奶酪发酵桶和酸性矿井——必须找到另一个电子受体。在地质环境中,这通常是细胞外的矿物——例如铁或锰。从某种意义上说,这些细菌“呼吸”铁或锰。

将电子从细胞转移到矿物质需要一系列特殊的化学反应,即所谓的细胞外电子转移链,它以微小电流的形式携带电子。一些科学家已经开发了这种链条来制造电池:将电极粘在这些细菌的烧瓶中,你就可以发电。

新发现的细胞外电子转移系统实际上比已知的转移链更简单,似乎只有在必要的时候,也许是在氧含量低的时候,细菌才会使用。迄今为止,这种更简单的电子转移链已经在具有单一细胞壁的细菌中被发现——被归类为革兰氏阳性菌的微生物——生活在含有大量黄素的环境中,黄素是维生素B2的衍生物。

博士后研究员、第一作者Sam Light说:“看起来这些细菌的细胞结构和它们所占据的富含维生素的生态位使得从细胞中转移电子变得更加容易和经济有效。”“因此,我们认为传统研究的矿物呼吸细菌正在使用细胞外电子转移,因为它对生存至关重要,而这些新鉴定的细菌正在使用它,因为它‘容易’。"

为了了解这个系统有多强大,Light与劳伦斯·伯克利国家实验室的卡罗琳·阿霍-富兰克林合作,他探索了活微生物和无机材料之间的相互作用,以便在碳捕获和封存以及生物太阳能发电中可能的应用。

她用电极测量细菌流出的电流——高达500微安——证实这确实是电致的。事实上,他们制造的电——大约每秒100,000个电子——和已知的产电细菌一样多。

light对乳酸菌中这种系统的存在特别感兴趣,乳酸菌是生产奶酪、酸奶和泡菜的关键细菌。他认为,也许电子传输在奶酪和泡菜的味道中起着一定的作用。

他说:“这是细菌生理学的一大部分,人们没有意识到这一点,这可能会被操纵。”

light和Portnoy对于这些细菌如何以及为什么会发展出如此独特的系统还有很多疑问。简单性——通过一个细胞壁传递电子比通过两个细胞壁更容易——而机遇——利用普遍存在的黄素分子来去除电子——似乎使这些细菌能够找到在富氧和缺氧环境中生存的方法。

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