黄河三角洲发现“皮卡丘细菌”,电你没商量

作者: 张月超、刘进超、肖雷雷、刘芳华

来源: 中国科学院烟台海岸带研究所

发布日期: 2018-03-05 07:30:00

在黄河三角洲湿地土壤中发现了一种能放电的“皮卡丘细菌”,这种细菌能够通过导电纤毛将电子输送给其他微生物,促进甲烷的产生,具有巨大的资源潜力和环境应用前景。

动漫《神奇宝贝》是90后的童年回忆,皮卡丘的终极大招——“十万伏特”往往将对方电得毛发直立,头冒青烟。在微观世界,就有着很多能放电的“皮卡丘细菌”。它们早在1987年就被麻省大学的Derek R. Lovley教授发现并报道,是上过《时代》杂志的“微明星”。

地杆菌(Geobacter)图片来源:Derek Lovley,http://www.geobacter.org/ 目前,已知的明星“皮卡丘细菌”主要有地杆菌(Geobacter)和希瓦氏菌(Shewanella),它们广泛活跃在海洋、河流沉积物、水稻田和湿地土壤中。这些“皮卡丘细菌”就像充电宝一样,不仅可以将电子供给“用户”(电子接收体),还可以接收外源的电子进行充电。

此外,“皮卡丘细菌”往往自带“导线”(导电纤毛,pili),以便将电子输送给“偏远用户”。

谁会是“皮卡丘细菌”的“用电户”?大致来说有两大类,一类是自然界中含变价金属的矿物(比如铁矿和锰矿),还有一类就是细菌和古菌等微生物。

“皮卡丘细菌”非常乐于奉献,愿意把电子分享给“自己人”(如Geobacter metallireducens与Geobacter sulfurreducens同一菌属之间);而整个“皮卡丘细菌”群落常常通过“导线”交织构建起“庞大”的具有导电性能的“电网”(也就是生物膜);此外,“皮卡丘细菌”还可以跨“域”为“别人”供电(如G.metallireducens与Methanosarcina barkeri)。

这个“别人”,说的就是产甲烷古菌。

产甲烷古菌,属于古菌域广古菌门,是一类严格厌氧古菌。在人工及自然厌氧环境中,“皮卡丘细菌”与产甲烷古菌往往紧密“拥抱”在一起,形成团聚体结构。这跟根瘤菌与豆科植物之间的互营共生关系很类似。在“拥抱”的时候,“皮卡丘细菌”将电子供给产甲烷古菌,然后产甲烷古菌就能还原二氧化碳从而产生甲烷。

这个过程,可以叫做电子驱动甲烷产生途径(CO2+ 8H+ +8e- → CH4 + 2H2O)。当然,古菌产甲烷的途径并不只是有“电子驱动”这个途径,还有氢营养型、乙酸营养型和甲基营养型等等。不过,“电子驱动”产生甲烷这个途径更为直接,可以有效减少产甲烷过程中的能量损失,提高甲烷产生效率。

“皮卡丘细菌”除了可以“放电”外,也喜欢利用“电”。科学家们可以借助电极把它们引诱出来。

近期,中国科学院烟台海岸带研究所“电微生物资源与微生态健康团队”的科学家们发现,在黄河三角洲湿地土壤中就生活着大量的“皮卡丘细菌”和产甲烷古菌。科学家们还发现,具有导电能力的纳米磁铁矿可以显著促进“皮卡丘细菌”和产甲烷古菌间的电子传递效率。这就表明,黄河三角洲有产生甲烷资源的巨大潜力。我们知道,甲烷是一种温室气体,但同时也是非常好的清洁能源,因此需要对其加以合理利用。

而通过探究湿地甲烷的排放机制,今后人们可以预测和控制湿地产生的甲烷,并合理利用这些资源。而由于“皮卡丘细菌”特殊的吸电放电特性,可以利用它们去解决金属废料和其他环境污染问题。

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