研究简介：电子传递对于能量产生和生命新陈代谢至关重要。细菌在将电子转移到各种化学物质和保存能量的能力方面具有多功能性。除了用细胞内化学物质（如氧气、硫酸盐或硝酸盐）呼吸外，细菌还可以用外部接触的化学物质（如矿物颗粒）进行呼吸（即胞外电子传递，简称EET）。一些单细胞细菌能够以数十微米的距离向化学物质或其他微生物细胞进行长距离电子转移（简称LDET），多细胞的电缆细胞则可以在厘米范围内传输电子。本研究主要就一种革兰氏阳性细菌——Lysinibacillus varians GY32进行了相关研究，揭示了其在长距离胞外电子转移（LDET）中的独特能力。LDET是指细菌通过细胞外结构将电子转移到远离细胞表面的受体，这一过程在自然生态系统和生物电化学应用中具有重要意义。此前，LDET主要被认为局限于革兰氏阴性细菌，而本研究首次在革兰氏阳性细菌中观察到这一现象。Lysinibacillus varians GY32是一种丝状单细胞细菌，能够形成厘米级的导电细胞网络。在微生物燃料电池（MFC）中，GY32能够利用乙酸盐或甲酸盐作为电子供体，将电子传递给石墨电极，产生显著的电流。实验表明，GY32在MFC中的最长细胞长度可达1.08毫米，远超过其他已知单细胞细菌。这种长距离电子转移能力不仅体现在MFC中，还在沉积物微生物燃料电池（SMFC）中得到验证，表明GY32能够在自然沉积物环境中稳定地进行电子转移。研究通过多种实验手段，包括原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）、循环伏安法（CV）和微电极技术等，揭示了GY32细胞表面的纳米丝状附属结构是其导电性的关键。这些纳米丝状附属结构具有与金相近的功函数，表明其导电性远高于细胞包膜。此外，转录组分析显示，在MFC条件下，GY32的某些c型细胞色素基因表达上调，可能参与电子转移过程。本研究不仅扩展了对革兰氏阳性细菌电子转移能力的认识，还为开发新型生物电化学系统提供了新的思路。Lysinibacillus varians GY32的长距离电子转移能力使其在生物传感器、生物电池和环境修复等领域具有潜在的应用价值。未来的研究将进一步探索其电子转移机制，并优化其在实际应用中的性能。

Unisense微电极系统的应用

在微生物燃料电池（MFC）的阳极腔中，使用Unisense氧微电极（型号OX-14125）监测培养基中的溶解氧浓度。在生物阴极电化学系统（BCES）中，氧微电极用于测量阴极腔内的溶解氧浓度。通过监测溶解氧浓度，确保MFC和BCES实验在严格的厌氧或特定氧浓度条件下进行。这对于研究GY32在不同环境条件下的电子转移能力至关重要。在氧气还原实验中，通过鼓入空气使溶解氧浓度升高至233.8±2.7µM，并在实验过程中持续监测溶解氧的变化。。在BCES中，使用Unisense氢气微电极（型号H2-25-7343）监测阴极表面的氢气浓度。在BCES中监测氢气浓度，排除了氢气作为电子供体的可能性。测试数据支持了GY32直接利用电极作为电子供体进行Fe(III)还原的结论。

实验结果

L.varians GY32是一种丝状单细胞细菌，能够在厌氧条件下以石墨电极为唯一电子受体进行呼吸，并形成长达1.08毫米的单细胞结构，显著超过其他已知单细胞细菌的长度。在微生物燃料电池（MFC）和沉积物微生物燃料电池（SMFC）中，GY32能够将电子传递给石墨电极，产生稳定的电流，表明其具有长距离电子转移能力。在生物阴极电化学系统（BCES）中，GY32能够以极化电极为电子供体，还原Fe(III)柠檬酸盐和氧气，表现出双向胞外电子转移能力。GY32细胞及其纳米丝状附属结构能够形成导电网络。通过电极阵列测试和原子力显微镜（AFM）测量，证实这些纳米丝状附属结构具有导电性，是细胞网络导电性的主要来源。电化学栅极测量显示，GY32生物膜具有氧化还原导电性质，导电率在0.1–0.2 mS/cm之间。转录组分析显示，在MFC条件下，GY32的某些c型细胞色素基因表达上调，可能参与电子转移。纳米丝状附属结构可能由IV型菌毛蛋白ComGD组成，其结构特征与已知的导电菌毛相似，可能具有类似的导电机制。

图1、实验装置的示意图。泵用X表示，虚线表示管道和流动方向（箭头）。氢化硫（H2S）浓度通过在主水槽（1）和混合水槽（2）中标有传感器的H2S传感器连续测量。自动反馈系统根据混合水槽中获得的传感器信息控制H2S浓度。根据测量的H2S浓度，蠕动泵（连接到0.1 M Na2S储备溶液）开启/关闭。

图2、氧气摄取量（MO2；mg O2 kg−1 h−1）在整个实验过程中的代表性图表。实验包括三个阶段：（1）适应和MO2测量，以估算标准代谢率（SMR）；（2）暴露于逐渐增加的H2S浓度；（3）暴露后恢复。图中示例为海水（33‰）中的84g大西洋鲑，估算的SMR为150.8 mg O2 kg−1 h−1。虚线表示SMR，虚线竖线表示H2S暴露的开始和结束。

图3、A-D.四只大西洋鲑（Salmo salar）在暴露于逐渐增加的H2S浓度（μM，空心圆）期间的氧气摄取量（MO2；mg O2 kg−1 h−1，黑色圆点）。暴露在A-B)当两个连续的MO2值由于H2S增加而降低到低于标准代谢率时终止，C-D)和/或由于失去平衡（LOE）而在MO2下降之前终止。为H2S浓度拟合了回归线（实线）。每个点表示10个测量值的平均值。方形虚线表示个体标准代谢率（mg O2 kg−1 h−1）。圆形虚线显示了预定义代谢反应指标（MO2降低/LOE）与相应H2S浓度的交点，即所谓的H2Scrit。观察到两种不同的反应类型，分别为MO2增加（B和C）或MO2不变。

图4、从估算的标准代谢率中测得的最大氧气消耗量（MO2peak）的百分比增加。这些值是在三种体型范围的大西洋鲑（Salmo salar）急性氢化硫暴露恢复期间获得的（小型=103.3±21.0 g，中型=275.3±26.3 g，大型=550.2±39.3 g）。

图5、Geobacter、缆状细菌和L.varians GY32的导电网络比较。Geobacter可以形成由短单细胞细菌和外源导电蛋白纳米线组成的导电网络（即生物膜）。丝状多细胞缆状细菌通过细菌外膜中的细胞间纳米线导电。L.varians GY32结合了丝状形态与外源纳米线状附属物，形成导电网络。

结论与展望

长距离胞外电子转移（LDET）已在革兰氏阴性细菌中观察到，并且在自然和工程过程中都发挥着重要作用。电子转移可以通过导电的蛋白质附属物（如地杆菌等单细胞细菌）或导电的细胞包膜（如丝状多细胞电缆细菌）介导。本研究表明，革兰氏阳性细菌Lysinibacillus varians GY32（一种丝状单细胞细菌）能够进行双向胞外电子转移。在微生物燃料电池中，L.varians能够形成厘米级的导电细胞网络，并且在石墨电极上生长时，细胞长度可达到显著的1.08毫米。原子力显微镜和微电极分析表明，导电性与类似菌毛的蛋白质附属物有关。我们的结果表明，长距离电子转移不仅限于革兰氏阴性细菌。Unisense微电极的高精度和高灵敏度使其能够检测到微小的电流和气体（氧气、氢气）浓度变化，通过检测溶解氧的浓度变化，氧微电极能够实时监测实验环境中的氧水平。通过检测氢气的浓度变化，氢气微电极能够排除氢气作为电子供体的可能性。对于验证GY32是否直接利用电极作为电子供体具有重要意义。这为研究GY32的长距离电子转移提供了重要的数据支持。Lysinibacillus varians GY32通过其独特的细胞形态和纳米丝状附属结构，展现出革兰氏阳性细菌在长距离胞外电子转移中的潜力，为未来的研究和应用提供了新的方向。该研究首次发现了革兰氏阳性细菌通过纳米导线形成长距离电子传递网络，为全面认识自然环境中的微生物长距离电子传递网络提供了重要补充。此外，菌株GY32这种单个细胞长度超过1 mm、且包含多个核区的细胞形态也拓展了人们对细菌形态和分裂机制的认识。