导语：说到海底的通信与电力传输，往往第一个出现在大家脑海里的便是“海底电缆”，但要是说微生物也能搭建海底电缆，你能想象吗?在深海的黑暗沉积物里，竟然生长着一种细菌，它们不但能呼吸，还能像金属电线一样导电!它们就像海底的“电工”，搭建了一座座微型的能源传输网络，把底泥里的“电池”连接到海面上的“空气”。这些被称为“电缆细菌”(Cable Bacteria)的微生物，不仅改变了我们对微生物代谢的认知，还可能成为未来“绿色供电”的新突破口。
一、何为“活电线”?
你可能熟悉的导体是铜、金或石墨，而这次的主角——电缆细菌，却是一种活体导体。
(来源：Nils Risgaard-Petersen)
它拥有惊人的结构：这种细菌属于Desulfobulbaceae科，个体极其微小，直径只有人类头发的百分之一(约几十微米)。但它们能通过细胞之间的连接，形成像头发一样细长的“导线”。
（来源：Karen E. Thomsen）
此外，这种细菌的长度也相当惊人：它们可以组装成几厘米甚至上百米的导电链。研究显示，在每立方厘米的海底沉积物中，可能就有4000万根这样的细菌“电线”，最长甚至达到了117米。
既然其具体结构已经较为明确了，那么它们又该如何供电呢?
二、“供电”原理
首先，我们需要知晓的是，在海底，生物在能量转换上面临了极大的困难：海底沉积物中，底层富含硫化物(能量丰富的电子供体)，而顶部则富含氧气(电子受体)。但这两者之间隔着一层缺氧泥浆，普通生物无法跨越这个距离完成能量转换。而电缆细菌通过在细胞两端进行不同的化学反应(底部氧化硫化物，顶部还原氧气)，并通过它们组装的导线将电子从底部传递到顶部。这样，它们就像在泥浆中打通了一条“电缆”，把“燃料”和“氧气”连接起来，从而实现了生物供电。
（来源：nature）
可以说，电缆细菌的“发电机理”堪称自然界的智慧结晶。
既然这些细菌这么“聪明”，那么它们有什么作用呢?
三、重要的电缆细菌
早在这些细菌被发现之前，科学家就测量到海底沉积物中存在异常的电流(“神秘电流”)。现在我们知道，这是电缆细菌在“搬运”电子的结果，这也意味着人类揭开了海底的又一个谜团。
而优秀的导电能力让电缆细菌能够在恶劣环境中生存，进而影响海底硫循环和碳循环。它们在微观层面上帮助维持了海洋生态系统的平衡，是生态平衡的守护者。
同时，由于它们的导线是生物制造的且可再生，这为未来研发“生物可降解电缆”提供了灵感。想象一下，如果我们能像细菌一样在材料中生长出电线，或许能减少传统电子产品的废弃物。
电缆细菌的存在，不只是生物学教科书上的奇闻，它海底的“活电线”告诉我们，地球上有太多我们尚未了解的奇迹。它们用微小的身体构建了宏大的能源网络，既是自然界的电工，也是未来绿色科技的潜在启发者。让我们继续关注这条细小却充满力量的“电线”吧!
四、它们能做什么?
电缆细菌的存在，不只是生物学教科书上的奇闻，它们正在悄悄改变海底的生态与化学环境。
重塑沉积物化学：它们通过长距离电子传输，持续消耗底层沉积物中的硫化氢，大幅减少这种有毒气体向水体的释放。与此同时，电子的流动还会驱动铁，锰等金属元素的氧化还原循环，间接影响多种微量元素的迁移与归趋。研究还表明，电缆细菌的活性可直接诱导沉积物中硫化物的氧化过程。
影响全球碳循环：通过远程"呼吸"，电缆细菌改变了沉积物中有机物的分解路径部分有机物被更彻底地氧化为二氧化碳，另一些则因局部环境改变而被封存下来。这一过程可能对海洋碳封存效率产生深远影响，进而参与调节地球气候。
驱动氮，硫循环：研究显示，电缆细菌的活动与硝酸盐还原，氨氧化等功能基因的富集密切相关。它们创造的微氧/缺氧界面，恰好是多种氮硫转化微生物的理想生境。脱硫弧菌，脱硫叶菌等硫还原菌常与电缆细菌伴生，共同搭建起海底沉积物中活跃的硫循环网络。
构建微生物城市：得益于它们对微生物群落的聚集效应，电缆细菌正在被重新理解为一种生态工程物种它们通过自身的生理活动为其他生物创造了栖息条件，这一点与珊瑚，树木等传统意义上的生态系统工程师有异曲同工之妙。
启发绿色技术：科学家正尝试模仿电缆细菌的导电机制，研发生物基导电材料，微生物燃料电池，甚至探索利用它们来修复富营养化水体或重金属污染沉积物。这些细如发丝的细菌，或许正是大自然为我们留下的一把钥匙，通往更清洁，更可持续的能源未来。
五、尚未解开的谜题
尽管电缆细菌的研究已取得长足进展，但仍有大量问题悬而未决。
例如，它们的生物多样性究竟有多高?目前已知的电缆细菌主要来自海洋与淡水沉积物，但宏基因组数据暗示，酸性矿坑水，热泉甚至深层生物圈中都可能存在类似功能的微生物类群。
又如，它们的导电机制能否被人工复制或强化?如果能将电缆细菌的"纳米导线"原理转化为可规模化生产的材料，或许将催生新一代生物电子器件。
更重要的是，在全球变化背景下，电缆细菌的生态功能是否会随之改变?温度升高，水体缺氧加剧，有机质输入波动这些人类活动引发的环境扰动，正在重塑电缆细菌的生存环境，而它们如何响应，仍是一个未知数。
还有一个更根本的问题：电缆细菌与"追随者"之间究竟是怎样的关系?是纯粹的偏利共生，还是存在物质交换?那些搭便车的细菌是否也会"付费"比如帮助电缆细菌抵御病原体，或提供某些维生素类的生长因子?这些问题，正等待下一代研究者给出答案。
六、从海底到实验室：电缆细菌的应用潜力
电缆细菌独特的导电能力与生态功能，正从多个维度被转化为面向未来的应用技术。目前的研究主要集中在以下四个方向：
1. 生物修复：给污染沉积物“排毒”
电缆细菌能高效氧化硫化氢，大幅削减底泥恶臭与毒性。2021年《水研究》 的微宇宙实验证实，富集电缆细菌可使沉积物中的溶解硫化物降低超90%，这一效果已在丹麦港口等实地得到验证。此外，它们驱动的氧化环境可固定镉、镍等重金属，降低其生物可利用性。
2. 生物电技术：活体“储能导线”
科研人员正模仿其内部导电纤维，设计新型生物基电子材料。同时，将电缆细菌直接接入沉积物微生物燃料电池，能显著提升产电效率。2014年《环境科学与技术》 研究表明，富集电缆细菌的电池电流密度可提高数倍至数十倍，它们像一根“延长线”，将表层氧气与深层燃料高效连接。下面是相关电子传递过程：
（来源：PNAS）
3. 全球变化：天然的碳硫“调节阀”
电缆细菌的活动能抑制甲烷产生。2020年《ISME期刊》 研究指出，它们与硫酸盐还原菌竞争底物，间接削弱产甲烷菌的生存空间。同时，它们促进有机碳的无机化并增强碳酸盐沉淀，在长期尺度上具备碳封存潜力，并已被尝试纳入全球生物地球化学模型。
4. 合成生物学：编程“活导线”
最前沿的探索是利用合成生物学，将电缆细菌的导电元件转入模式菌株。科学家正试图定位其导电蛋白基因，有望在未来制造出可编程的、“会自我修复”的微生物导线。
参考资料：
[1]Lars Peter Nielsen 等(2010)："Live cables explain enigmatic electric currents"
[2]Christian Pfeffer 等(2012)："Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances"
[3]Nature Communications(2012)：相关研究首次公开[4]VAAM(2024)："Microbe of the Year 2024: Electronema – a living power cable"
[5]Bjerg, J. J.et al.(2023)：Cable bacteria with electric connection to oxygen attract flocks of diverse bacteria. Nature Communications.
[6]生物修复：Seitaj, D. et al. (2021). Water Research; 及早期港口沉积物实地研究 (Schauer et al. 2014, Frontiers)
[7]微生物燃料电池：Reimers, C. E. et al. (2014). Environmental Science & Technology
[8]甲烷抑制：Scholz, V. V. et al. (2020). The ISME Journal
[9]综述与机制：上述 Nature 2010, Nature Comms 2012, Nature Comms 2023 为基础专利及仿生技术展望
本文作者：厦门大学曹子健、陈子祥、刘展铄。
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