發(fā)現(xiàn)上百種產(chǎn)生電流的細菌

雖然在礦井和湖泊底部等外部環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)電細菌（electricity-generating bacteria），但是科學家們卻錯過了一個離家更近的來源：人類腸道。

在一項新的研究中，來自美國加州大學伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)作為一種常見的引起腹瀉的細菌，單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）以一種與已知的產(chǎn)電細菌完全不同的方式產(chǎn)生電流，而且上百種其他的細菌物種也利用這種相同的過程產(chǎn)生電流。相關(guān)研究結(jié)果于2018年9月12日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標題為“A flavin-based extracellular electron transfer mechanism in diverse Gram-positive bacteria”。論文通信作者為加州大學伯克利分校的Dan Portnoy教授。

這些產(chǎn)電的細菌中的大多數(shù)是人體腸道微生物組的一部分，而且類似于導(dǎo)致食源性疾病李斯特菌病和也能夠?qū)е铝鳟a(chǎn)的李斯特菌的是，很多細菌也是致病性的。導(dǎo)致壞疽的細菌，即產(chǎn)氣莢膜梭菌（Clostridium perfringens），醫(yī)院獲得性感染（糞腸球菌）和一些致病性的鏈球菌也產(chǎn)生電流。其他的產(chǎn)電細菌，如乳酸桿菌，在發(fā)酵酸奶中起著重要的作用，而且它們中的多數(shù)是益生菌。

細菌產(chǎn)生電流與我們呼吸氧氣的原因相同：去除代謝過程中產(chǎn)生的電子和促進能量產(chǎn)生。盡管動物和植物將它們的電子轉(zhuǎn)移給每個細胞的線粒體內(nèi)的氧氣，但是在沒有氧氣的環(huán)境--包括我們的腸道，還有酒精發(fā)酵桶、奶酪發(fā)酵桶和酸性礦井---中，細菌必須找到另一種電子受體。在地質(zhì)環(huán)境中，這種電子受體通常是細胞外的礦物質(zhì)，如鐵或錳。從某種意義來說，這些細菌“呼吸”鐵或錳。

將來自細胞的電子轉(zhuǎn)移到礦物質(zhì)需要一系列特殊的化學反應(yīng)，即所謂的細胞外電子傳遞鏈（extracellular electron transfer chain），在這種傳遞鏈中，它將這些電子作為微小的電流進行傳遞。一些科學家利用這種傳遞鏈制造電池：將電極植入到含有這些細菌的燒瓶中，這樣就能夠發(fā)電了。

這種新發(fā)現(xiàn)的細胞外電子傳遞系統(tǒng)實際上比已知的傳遞鏈更簡單，而且似乎僅在必要時（可能是在較低的氧氣水平時）才被細菌使用。到目前為止，這種更簡單的電子傳遞鏈已在具有單細胞壁的細菌（被歸類為革蘭氏陽性菌）中發(fā)現(xiàn)到，這些細菌生活在具有大量黃素（維生素B2的衍生物）的環(huán)境中。

論文**作者、加州大學伯克利分校博士后研究員Sam Light說，“這些細菌的細胞結(jié)構(gòu)和它們所占據(jù)的富含維生素的生態(tài)小生境使得它們更容易和更具成本效益地將電子從細胞中轉(zhuǎn)移出來。”

為了了解這種細胞外電子傳遞系統(tǒng)的穩(wěn)健性，Light與美國勞倫斯伯克利國家實驗室的Caroline Ajo-Franklin合作開展研究。

Light利用電極測量從這些細菌中流出的電流---高達500微安，從而證實它們確實是產(chǎn)電的。實際上，它們產(chǎn)生的電量與已知的產(chǎn)電細菌一樣多，即每個細胞每秒產(chǎn)生大約100000個電子。

Light和Portnoy針對這些細菌如何以及為何產(chǎn)生這種如此獨特的細胞外電子傳遞系統(tǒng)提出了更多的問題。簡單性（相比于通過兩個細胞壁，通過一個細胞壁傳遞電子更容易）和機會（利用無處不在的黃素分子去除電子）似乎已讓這些細菌能夠找到一種在富含氧氣的環(huán)境中和在缺氧的環(huán)境中存活下來的方法。