Interaction of living cable bacteria with carbon electrodes in bioelectrochemical systems

活电缆细菌与生物电化学系统中碳电极的相互作用

来源：August 2024 Volume 90 Issue 8

1. 摘要核心内容

 

发现：活体电缆细菌（Electronema aureum GS）能被+200 mV的碳电极（碳毡/碳纤维）吸引，并在生物电化学系统（BES）中主动迁移至电极表面。

关键现象：

通电时电缆细菌向电极聚集，断电时撤回（动态可逆响应）。

qPCR和SEM证实通电电极表面电缆细菌丰度显著高于对照组。

意义：首次证实电缆细菌具有电活性，可通过电极替代自然电子受体（如O₂），为纯培养、代谢研究及生物电子应用（如生物传感、生物修复）提供新途径。

 

2. 研究目的

 

核心问题：验证电缆细菌能否与电极发生胞外电子传递（EET），探究其在缺氧环境下利用电极作为电子受体的能力。

应用目标：开发基于电缆细菌的BES技术，用于环境修复（如石油污染物降解）和生物电子设备。

 

3. 研究思路

 

模型构建：

使用淡水沉积物中富集的单菌株电缆细菌（E. aureum GS）。

设计两种BES：

三电极系统（图1a）：碳毡工作电极（+200 mV vs. Ag/AgCl），用于电流监测、qPCR、电化学分析和SEM。

 

微流控trench slide系统（图4a）：集成碳纤维电极和显微观察，实时追踪细菌运动。

 

对照组：

灭菌沉积物（无活性细菌）。

无外加电位电极（开路控制）。

验证链：

电流生成 → 细菌电极附着（qPCR/SEM） → 实时运动响应（显微镜） → 机制初探（CV分析）。

 

4. 测量数据及意义

(1) 电流生成（图1b-c）

 

数据：

活菌沉积物电流从17 μA升至78 μA（图1b），灭菌对照组仅4.75 μA。

向灭菌沉积物添加10根活菌丝后，电流从2 μA升至8 μA（图1c）。

意义：证实电缆细菌可直接贡献电流，且极少量细菌即可驱动电化学响应。

 

(2) 细菌丰度与附着（图2, 图3, 图S2）

 

qPCR（图2）：

通电电极表面电缆细菌基因拷贝数比沉积物高70倍，比无电位电极高640倍。

 

SEM（图3a-c）：

细菌缠绕电极表面（长度>150 μm），细胞连接清晰；对照组无附着（图3d）。

 

Trench slide验证（图S2）：

仅通电电极邻近沉积物中检测到活菌迁移。

意义：电位驱动细菌特异性电极定植，排除被动吸附可能。

 

(3) 实时运动响应（图4b-c, 视频S1-S5）

 

动态过程（trench slide系统）：

通电时细菌数小时内聚集于电极（图4b, 视频S1）。

断电后10小时撤回（图4c）；重新通电后2小时再次聚集（图S3）。

机械稳定性（视频S4-S5）：

细菌与电极形成牢固连接（耐受机械扰动）。

意义：首次记录活体电缆细菌对电位的动态行为响应，证明其主动趋电性。

 

(4) 电化学机制初探（图1d）

 

循环伏安（CV）（图1d）：

活菌电极在0.22 V和-0.05 V出现氧化还原峰（无菌无峰）。

意义：提示可能存在氧化还原介体或新型EET途径（不同于Geobacter的细胞色素特征）。

 

5. Unisense电极数据的详细解读

实验设置（图4a）

 

设备：Unisense picoammeter + 定制trench slide微反应器。

电极：碳纤维工作电极（+200 mV vs. 氯化Ag伪参比电极）。

监测：实时电流（50–100 nA）与显微视频同步记录。

 

关键数据与意义

 

实时电流-行为关联（视频S1-S3）：

电流随细菌聚集逐渐上升（50–100 nA），断电归零。

意义：直接关联细菌空间分布与电活性，证明电子传递依赖活菌-电极接触。

 

缺氧生存证据：

细菌在无O₂环境存活>100小时，仅依赖电极作为电子受体。

意义：揭示电缆细菌在缺氧下通过EET维持代谢，拓展其生态位（如地下沉积物）。

 

趋电性动态响应：

开关电位触发快速迁移（小时级），证明电位是定向信号。

意义：为开发细菌定向操控技术（如生物修复靶向递送）提供原理验证。

 

6. 结论

 

电缆细菌具有电活性，能利用电极作为替代电子受体。

其趋电行为是动态可逆的，由电位调控。

EET机制可能涉及直接接触（缠绕电极）和/或氧化还原介体（CV峰）。

应用潜力：

生物传感：利用细菌-电极响应实时监测污染物。

生物修复：电极驱动细菌降解缺氧区污染物（如石油烃）。

电子合成：耦合BES生产高附加值化学品。

 

7. 研究创新点

 

方法学：首创trench slide-BES联用技术，实现单菌水平电化学-行为联动分析。

理论突破：推翻"电缆细菌仅依赖O₂/NO₃⁻"的传统认知，揭示其EET能力。

应用导向：为未纯培养微生物的BES利用提供范式，推动电缆细菌资源化。