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出品：科普中國

作者：劉茜、馬旅雁（中國科學院微生物研究所）

監製：中國科普博覽

我們(men) 現代人的生活時時刻刻都離不開電，如黑夜裏照明用的電燈、工作使用的電腦等；自然界中也存在電，如天空中的強烈放電現象——閃電等。還有什麽(me) 能導電呢？

微生物！

早在1910年，英國植物學家就發現某些微生物的培養(yang) 液能夠產(chan) 生電流，並製造出了世界上第一個(ge) 微生物電池。目前，科學家們(men) 已發現了上百種與(yu) 電有關(guan) 聯的微生物，並將這些微生物命名為(wei) 電化學活性微生物。

不僅(jin) 如此，科學家們(men) 還發現在一些電化學活性微生物中有一種神奇的“導電觸手”，可以幫助這些微生物進行遠距離的電子傳(chuan) 遞。這種“導電觸手”就是微生物的導電納米線。

你用愛發電，它們(men) 用線導電

2005年，科學家首次在一種叫作硫還原地杆菌的微生物中，發現了這種**可以將電子從(cong) 細胞內(nei) 部傳(chuan) 遞至細胞外部的“導電觸手”，**並將其命名為(wei) 導電納米線。

**導電納米線是一種微生物自己合成的、直徑為(wei) 納米級別的線狀結構。**隨著研究的不斷深入，科學家們(men) 還在嗜熱發酵菌、藍細菌、沼澤紅假單胞菌、硫酸鹽還原菌、嗜酸氧化亞(ya) 鐵硫杆菌等諸多微生物中發現了導電納米線，可見導電納米線的廣泛存在。

微生物的“導電觸手”

（圖片來源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert，翻譯：作者）

有趣的是，科學家們(men) 發現不同種類微生物中的導電納米線類型和數量並不相同。如目前已知的奧奈達希瓦氏菌中的導電納米線是由細胞外膜與(yu) 周質空間延伸物組成的。

而硫還原地杆菌中有三種導電納米線，它們(men) 都由蛋白質組成，且這三種導電納米線的導電性能並不相同，其中一種導電納米線的導電性能比另一種導電納米線強1000倍。

導電不是白導的

導電納米線在微生物的生命活動中，到底起到了什麽(me) 作用呢？科學家們(men) 通過研究發現，導電納米線主要有兩(liang) 類作用：參與(yu) 微生物的生理代謝和介導微生物間的共生關(guan) 係。

微生物的導電納米線（Microbial nanowires）

（圖片來源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert）

參與(yu) 微生物的生理代謝：比如硫還原地杆菌的導電納米線可以將細胞內(nei) 的電子，傳(chuan) 輸給距離其較遠的不可溶含鐵礦物，將三價(jia) 鐵還原，從(cong) 而完成呼吸過程，並從(cong) 中儲(chu) 存生命活動所需能量，這一過程也被稱為(wei) 鐵呼吸。

介導微生物間的共生關(guan) 係：導電納米線可以幫助微生物將電子傳(chuan) 遞給相鄰的其他微生物，比如，金屬還原地杆菌可以通過導電納米線，將自己氧化乙醇產(chan) 生的電子傳(chuan) 遞給硫還原地杆菌，而硫還原地杆菌則利用得到的電子還原富馬酸，從(cong) 而實現兩(liang) 個(ge) 微生物在富含乙醇和富馬酸環境中的共生。

科學家發現金屬還原地杆菌還可以通過導電納米線將氧化乙醇產(chan) 生的電子傳(chuan) 遞給甲烷古菌，而甲烷古菌則利用得到的電子將二氧化碳還原為(wei) 甲烷，從(cong) 而實現兩(liang) 個(ge) 微生物的共生。

微生物的導電觸手，這就用上了

隨著對導電納米線的不斷研究，科學家們(men) 發現它具有很高的導電性能及穩定性，所以在生物新能源、生物材料及環境修複等領域都有著很強的應用潛力。

產(chan) 生納米線的細菌

（圖片來源：Sibel Ebru Yalcin/eurekalert）

1.生物新能源

這是導電納米線最有前景的應用之一，科學家們(men) 發現，導電納米線可以用於(yu) 研發微生物燃料電池和生物電池。

微生物燃料電池是一種利用微生物將有機物中的化學能直接轉換為(wei) 電能的裝置。科學家們(men) 設計了多種裝置，僅(jin) 需通過對電化學活性微生物的培養(yang) ，即可以獲得電能。同時科學家們(men) 還發現，通過基因工程手段促進某些微生物中導電納米線的表達後，可以進一步提高微生物燃料電池的產(chan) 電量。

除此之外，還有科學家嚐試對微生物產(chan) 生的導電納米線進行收集純化，製備了基於(yu) 導電納米線的微型生物電池，這種電池的電流密度甚至高於(yu) 固體(ti) 金屬電池。這一發現進一步佐證了導電納米線在生物新能源領域具有很好的發展潛力。

2.生物材料

硫還原地杆菌的導電納米線在溶液及高溫環境中，依然具有良好的電子傳(chuan) 遞能力，且具有一定的機械強度，適合用於(yu) 構建新型綠色無汙染的生物電子器件，例如心髒起搏器中的電池或電路元件等；科學家還嚐試將硫還原地杆菌的導電納米線與(yu) 聚乙烯醇製成複合材料，發現該複合材料具有更高的熱穩定性及更大的導電範圍。

3.環境修複

微生物導電納米線可以對環境中的有毒金屬進行轉化和遷移，在重金屬汙染土壤修複方麵具有重要的應用價(jia) 值。例如，硫還原地杆菌的導電納米線可以將有毒的可溶性六價(jia) 鈾U（VI）還原為(wei) 不可溶的四價(jia) 鈾U（IV），且還原後的四價(jia) 鈾會(hui) 附著於(yu) 導電納米線表麵，從(cong) 而實現鈾的富集與(yu) 固定；集胞藻（一種藍細菌）的導電納米線可以幫助沉積重金屬砷等。

結語

近年來，科學家們(men) 對導電納米線日益深入的研究，不僅(jin) 拓寬了大家對微生物的認識，還加深了微生物與(yu) 環境互作的了解，同時還為(wei) 微生物在生物修複、生物新能源等領域的應用奠定了理論基礎。

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