黃玲艷 劉 星 周順桂

（福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，福州 350002）

微生物種間電子傳遞（Interspecies electron transfer，IET）是指電子供體微生物與電子受體微生物之間通過直接或間接方式傳遞電子形成互營(yíng)生長(zhǎng)關(guān)系，從而共同完成單一微生物不能完成的代謝過程的現(xiàn)象［1-3］。例如，在以乙醇為電子供體、富馬酸為電子受體的地桿菌共培養(yǎng)體系中，金屬還原地桿菌Geobacter metallireducens不能以富馬酸為電子受體氧化乙醇，硫還原地桿菌G. sulfurreducens無法以乙醇為電子供體還原富馬酸，但當(dāng)兩微生物同時(shí)存在時(shí)，G. metallireducens可將乙醇氧化產(chǎn)生的電子傳給G. sulfurreducens，G. sulfurreducens再將電子傳至富馬酸，實(shí)現(xiàn)G. metallireducens與G. sulfurreducens的電子互營(yíng)［4］。微生物IET分為間接種間電子傳遞（Mediated IET，MIET）和直接種間電子傳遞（Direct IET，DIET）。其中，MIET是指微生物間通過氧化還原性內(nèi)源（細(xì)菌自身產(chǎn)生的）小分子物質(zhì)如氫/甲酸、核黃素等或外源（天然存在或人工合成）小分子物質(zhì)如腐殖質(zhì)等實(shí)現(xiàn)電子傳遞的方式，是一種經(jīng)典的互營(yíng)生長(zhǎng)機(jī)制［5］。DIET是指微生物間通過自身導(dǎo)電結(jié)構(gòu)如導(dǎo)電菌毛和細(xì)胞色素c等實(shí)現(xiàn)電子交換的過程［6］。此外，外源導(dǎo)電物質(zhì)如活性炭［7］和磁鐵礦［8］也能介導(dǎo)微生物間的IET。由于它們介導(dǎo)的IET不需要能量載體的協(xié)助，而是直接依靠介體的導(dǎo)電性實(shí)現(xiàn)電子傳遞，因此將這類IET歸為DIET。

微生物IET起源最早可追溯至20世紀(jì)初。1906年Omelianski［9］分離得到的乙醇氧化產(chǎn)甲烷奧氏桿菌（Methanobacillus omelianskii）。之后，Bryant等［10］發(fā)現(xiàn)M. omelianskii其實(shí)是產(chǎn)乙酸菌與產(chǎn)甲烷菌的共培養(yǎng)物，產(chǎn)乙酸菌與產(chǎn)甲烷菌間以氫氣為電子載體實(shí)現(xiàn)電子互營(yíng)。除氫氣外，1988年Thiele和Zeikus［11］發(fā)現(xiàn)甲酸也能協(xié)助微生物間的電子傳遞，并且在互營(yíng)產(chǎn)甲烷消化器中甲酸對(duì)IET的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于氫氣的貢獻(xiàn)。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，微生物間以氫/甲酸為電子載體進(jìn)行電子傳遞被認(rèn)為是微生物間電子互營(yíng)的主要方式，直至2010年Summers等［4］在地桿菌G. metallireducens與G. sulfurreducens的共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)細(xì)胞色素c和菌毛介導(dǎo)的DIET，才打破了微生物互營(yíng)代謝的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為微生物IET研究打開了新視角。

微生物IET普遍存在且方式多樣。產(chǎn)甲烷反應(yīng)器、厭氧沉積物中廣泛存在的產(chǎn)甲烷菌Methanosaeta與地桿菌Geobacter之間既能借助氫/甲酸［12］和氧化還原性小分子物質(zhì)［13-15］等實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，也能利用自身導(dǎo)電菌毛和氧化還原蛋白進(jìn)行IET。目前微生物間利用氫/甲酸實(shí)現(xiàn)共培養(yǎng)的研究已比較成熟，但DIET研究仍處于初級(jí)階段。為進(jìn)一步理解厭氧微生物間的電子互營(yíng)，本文在論述MIET機(jī)制的同時(shí)，重點(diǎn)闡述了DIET機(jī)制及研究現(xiàn)狀，列舉了代表性IET微生物，介紹了IET在環(huán)境修復(fù)、溫室氣體減排等過程中的作用，并就IET未來研究方向提出了展望。

1 微生物IET機(jī)制

微生物IET方式分為MIET和DIET。其中，MIET包括：種間氫/甲酸轉(zhuǎn)移（即微生物間以氫/甲酸為電子載體實(shí)現(xiàn)IET的方式，圖1a）和電子穿梭機(jī)制（即微生物利用具有氧化還原特性的小分子物質(zhì)如吩嗪、核黃素、腐殖質(zhì)等實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移的過程，圖1b）；DIET包括：納米導(dǎo)線機(jī)制（微生物間利用自身導(dǎo)電菌毛實(shí)現(xiàn)電子互營(yíng)，圖1c）、氧化還原蛋白機(jī)制（主要以細(xì)胞色素c為電子載體進(jìn)行電子傳遞，圖1d）和導(dǎo)電物質(zhì)介導(dǎo)機(jī)制（利用外源導(dǎo)電顆粒如活性炭、磁鐵礦等進(jìn)行電子傳遞，圖1e）。此外，近年來在海洋沉積物中發(fā)現(xiàn)的電纜細(xì)菌（Cable bacteria）與硫氧化菌間的長(zhǎng)距離氧化還原耦合也被認(rèn)為是微生物IET的一種（圖1f）：電纜細(xì)菌利用自身的長(zhǎng)纖毛將硫氧化菌傳來的電子傳至沉積表面的含氧層，將氧氣還原生成水，與硫氧化菌實(shí)現(xiàn)電子互營(yíng)［16］。

1.1 MIET機(jī)制及研究現(xiàn)狀

1967年Bryant等［10］在研究乙醇氧化產(chǎn)甲烷奧氏桿菌（M. omelianskii）時(shí)首次發(fā)現(xiàn)以氫氣為電子載體的IET。該奧氏桿菌是產(chǎn)乙酸菌S菌株與產(chǎn)甲烷菌Methanobacterium ruminantium的共培養(yǎng)物。在該共培養(yǎng)體系中，S菌株氧化乙醇產(chǎn)氫氣，M. ruminantium利用氫氣還原CO2產(chǎn)甲烷。前者屬于吸能反應(yīng)，不能自發(fā)發(fā)生，必須依賴后者不斷消耗氫氣降低氫分壓（理論上需小于0.1kPa），才能持續(xù)反應(yīng)［19］。除氫外，Thiele和Zeikus［11］在互營(yíng)產(chǎn)甲烷消化器中發(fā)現(xiàn)甲酸也能促進(jìn)微生物IET，并且甲酸對(duì)IET的貢獻(xiàn)（大于90%）遠(yuǎn)高于氫氣對(duì)IET的貢獻(xiàn)（小于10%）。1989年Boone等［20］在互營(yíng)菌（Syntrophomonas wolfei）與產(chǎn)甲烷菌（M. formicicum）的共培養(yǎng)體系中，采用擴(kuò)散模型進(jìn)一步證實(shí)了種間甲酸轉(zhuǎn)移的存在，并且發(fā)現(xiàn)種間甲酸轉(zhuǎn)移速率是種間氫轉(zhuǎn)移的100倍。2002年P(guān)lugge等［21］發(fā)現(xiàn)丙酸鹽氧化菌與產(chǎn)甲烷菌共培養(yǎng)體系在甲酸和氫氣同時(shí)存在的情況下生長(zhǎng)更好，表明種間氫和甲酸轉(zhuǎn)移可同時(shí)發(fā)生。此外，對(duì)于既可消耗氫氣又可產(chǎn)生氫氣的互營(yíng)體系，微生物IET甚至存在電子反向傳遞的可能。例如在Desulfovibrio vulgaris和Methanosarcina barkeri的共培養(yǎng)體系中，D. vulgaris降解乳酸生成乙酸、二氧化碳和氫氣，電子經(jīng)由氫氣傳遞至M. barkeri將二氧化碳還原成甲烷［22］。但當(dāng)氫氣濃度較低時(shí)，M. barkeri自身會(huì)釋放出氫氣，氫氣能被D. vulgaris利用，因此D. vulgaris和M.barkeri之間存在電子反向傳遞（電子由M. barkeri傳至D. vulgaris）的可能［23］。此外，2008年Kosaka等［24］研究發(fā)現(xiàn)在以氫氣為電子載體的互營(yíng)體系中，甲酸脫氫酶會(huì)表達(dá)生成甲酸，推測(cè)甲酸是微生物種間氫轉(zhuǎn)移的臨時(shí)電子載體。De Bok等［25］根據(jù)費(fèi)克擴(kuò)散定律，對(duì)比氫氣和甲酸的擴(kuò)散速率和溶解度，提出氫氣主要參與近距離的電子傳遞，而甲酸參與遠(yuǎn)距離的電子轉(zhuǎn)移的理論。2013年Felchner-Zwirello等［26］研究認(rèn)為微生物間可以通過縮短距離來達(dá)到增加種間氫轉(zhuǎn)移通量的目的。

在種間氫/甲酸轉(zhuǎn)移體系中，微生物氧化有機(jī)物產(chǎn)氫通常與NAD+/NADH、FAD/FADH2或輔酶F420/F420-H2以及Fd(ox)/Fd(red)（Fd，鐵氧化還原蛋白）等氧化還原中間體的相互轉(zhuǎn)化相耦聯(lián)［27］。這些耦聯(lián)反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的吉布斯自由能通常為正值，反應(yīng)無法自發(fā)發(fā)生。當(dāng)氫氣分壓小于某值時(shí)，吉布斯自由能由正值變?yōu)樨?fù)值，反應(yīng)可自發(fā)發(fā)生，方便電子供體微生物傳出電子（表1）。

表1 種間氫/甲酸轉(zhuǎn)移中氫/甲酸相關(guān)反應(yīng)能量變化［5］Table 1 Energy variation of hydrogen/formate-related reactions in interspecies hydrogen/formate transfer［5］

電子穿梭機(jī)制是指微生物間借助自身分泌、天然存在或人工合成的具有氧化還原活性的小分子物質(zhì)（電子穿梭體）進(jìn)行電子傳遞的方式［28］。1978年Biebl和Pfennig［29］在脫硫單胞桿菌Desulfuromonas acatoxidans和突柄綠菌Prosthecochloris aestuarii的共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)硫化物能夠介導(dǎo)微生物IET。其中，D. acatoxidans以乙醇為電子供體將硫單質(zhì)還原成硫化物，P.aestuarii通過光合作用固定CO2并將硫化物氧化生成硫單質(zhì)，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)IET。2002年Kaden等［30］在以乙酸為電子供體、硝酸鹽為電子受體的地桿菌G. sulfurreducens與沃林氏菌Wolinella succinogenes共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)了L-胱氨酸/半胱氨酸介導(dǎo)的IET。G. sulfurreducens在氧化乙酸的同時(shí)將L-胱氨酸還原成L-半胱氨酸，W.succinogenes利用L-半胱氨酸將硝酸鹽還原，而L-半胱氨酸被氧化成L-胱氨酸再次參與乙酸氧化。2015年Smith等［15］發(fā)現(xiàn)在外源添加腐殖質(zhì)類似物AQDS的情況下，G. sulfurreducens與G. metallireducens的互營(yíng)代謝速率得到促進(jìn)，并且突變株共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)證明AQDS協(xié)助的IET能為受體微生物G. sulfurreducen提供足夠能量用于生長(zhǎng)。

1.2 DIET機(jī)制及研究現(xiàn)狀

2010年Summers等［4］在以乙醇為電子供體、富馬酸為電子受體的G. metallireducens與G.sulfurreducens共培養(yǎng)體系中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞色素c和菌毛介導(dǎo)的DIET。DIET的發(fā)現(xiàn)打破了對(duì)微生物IET的傳統(tǒng)認(rèn)知，是微生物IET研究的一大里程碑。目前地桿菌參與的DIET研究最為透徹，本節(jié)將主要總結(jié)地桿菌參與的DIET機(jī)制研究。

地桿菌參與的DIET體系如G. metallireducens與G. sulfurreducens的共培養(yǎng)中，通常能看到大量菌毛形成的纏繞結(jié)構(gòu)［4］。在菌毛的作用下，互營(yíng)微生物雙方形成緊密的團(tuán)聚體，以縮短電子傳遞距離，減少能量損耗。而對(duì)于無導(dǎo)電菌毛介導(dǎo)的互營(yíng)體系通常無法實(shí)現(xiàn)DIET。如G. metallireducens在缺失菌毛表達(dá)能力的情況無法與產(chǎn)甲烷菌Methanosaeta或Methanosarcina實(shí)現(xiàn)IET［31］。并且G. metallireducens與G. sulfurreducens中無論哪一方被敲除菌毛表達(dá)基因均無法與對(duì)方進(jìn)行電子互營(yíng)［4,6］，表明了菌毛在DIET中的重要地位。

菌毛是從細(xì)胞表面延伸出來的絲狀蛋白，不僅能幫助細(xì)菌附著，促進(jìn)細(xì)胞運(yùn)動(dòng)，也能將電子傳出至胞外電子受體。2005年Reguera等［32］利用改造的原子力顯微鏡發(fā)現(xiàn)G. sulfurreducens菌毛具有導(dǎo)電歐姆響應(yīng)。Lovley等［33］純化菌毛檢測(cè)發(fā)現(xiàn)G. sulfurreducens菌毛電導(dǎo)率能達(dá)到188Ms·cm-1，類似于金屬導(dǎo)電性，并提出了菌毛的類金屬導(dǎo)電模型［34］（見圖2a）：電子通過菌毛芳香環(huán)π-π軌道折疊形成的電子云進(jìn)行傳遞，而細(xì)胞色素c在菌毛電子傳遞過程中只是充當(dāng)中間體或電子儲(chǔ)容器。2011年Strycharz等［35］在G. sulfurreducens傳遞電子至電極的過程中，通過基因敲除等手段提出了不同于類金屬導(dǎo)電模型的電子躍遷理論（見圖2b）：電子沿著菌毛上毗鄰的氧化還原蛋白（細(xì)胞色素c）逐步躍遷至電子受體實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，其中菌毛起著電子傳遞支架的作用。2013年Bonanni等［36］結(jié)合類金屬導(dǎo)電模型和電子躍遷模型，提出了Stepping stone理論（見圖2c）：電子沿著菌毛上的芳香環(huán)簇進(jìn)行傳導(dǎo)，當(dāng)芳香環(huán)簇距離大于電子可直接傳遞距離時(shí)，電子依靠菌毛上的細(xì)胞色素c進(jìn)行傳遞。

圖2 納米導(dǎo)線導(dǎo)電模型Fig. 2 Models of electron flow via nanowires

微生物周質(zhì)和膜上通常分布有多種氧化還原蛋白，且在不同胞外電子傳遞模式下參與的細(xì)胞色素c種類存在差異［37］。根據(jù)2016年Shi等［38］提出的地桿菌G. sulfurreducens電子由內(nèi)膜向外膜傳遞的模型（圖3）：胞內(nèi)電子通過氫醌的氧化反應(yīng)將電子傳遞給內(nèi)膜上的ImcH（高電位）或CbcL（低電位）蛋白，ImcH或CbcL上的電子經(jīng)周質(zhì)蛋白PpcA家族蛋白的介導(dǎo)傳遞至外膜蛋白如OmaB、OmcB、OmaC、OmcC。其中OmaB、OmcB與OmbB以及OmaC、OmcC與OmbC形成跨膜蛋白復(fù)合體介導(dǎo)電子傳遞，在胞外電子傳遞過程中起著重要作用。在以Fe3+為電子受體的胞外電子傳遞過程中，細(xì)胞色素OmcS是電子由細(xì)胞表面?zhèn)鬟f至胞外電子受體的重要介體蛋白［39］而參與較薄的陽極生物膜胞外電子傳遞的蛋白主要是OmcS和OmcE［40］，當(dāng)陽極生物膜變厚時(shí)，參與胞外電子傳遞過程的細(xì)胞色素主要是菌毛蛋白PilA和細(xì)胞色素OmcZ［41］。

在地桿菌參與的DIET過程中，發(fā)揮重要作用的氧化還原蛋白是外膜細(xì)胞色素OmcS。2010年Summers等［4］在G. metallireducens與G. sulfurreducens的互營(yíng)體系中發(fā)現(xiàn)一種與G.sulfurreducens導(dǎo)電菌毛相結(jié)合的氧化還原蛋白—細(xì)胞色素OmcS得到了大量表達(dá)，并且G.sulfurreducens在敲除掉OmcS的表達(dá)基因后無法與G. metallireducens實(shí)現(xiàn)共培養(yǎng)，表明OmcS在DIET中擔(dān)當(dāng)著重要角色。此外，跨膜蛋白在IET也發(fā)揮了一定的作用。2017年P(guān)huc等［42］在突柄綠菌P. aestaurii與地桿菌G. sulfurreducens的互營(yíng)厭氧光合成體系中發(fā)現(xiàn)，兩者外膜緊密接觸，且G. sulfurreducens在缺失跨膜孔蛋白與細(xì)胞色素復(fù)合體（ombB-omaB-omcB-orfS-ombC-omaC-omcC）的情況下無法與P. aestaurii達(dá)成共培養(yǎng)關(guān)系，表明外膜蛋白影響了微生物間的DIET過程。2015年Benomar等［43］通過蛋白熒光標(biāo)記發(fā)現(xiàn)，脫硫弧菌Desulfovibrio vulgaris和梭菌Clostridium acetobutylicum共培養(yǎng)時(shí)進(jìn)行了蛋白交換，表明微生物間存在通過交換蛋白實(shí)現(xiàn)IET的可能。

圖3 地桿菌電子由內(nèi)膜向外膜的轉(zhuǎn)移［38-41］Fig. 3 Electron transfer from inner membrane to outer membrane in Geobacter［38-41］

除依靠自身導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行DIET之外，微生物也能借助外源的非生物導(dǎo)電材料如磁鐵礦、顆?；钚蕴炕蛏锾康葘?shí)現(xiàn)DIET。2012年Kato等［44］在水稻土中添加（半）導(dǎo)體鐵氧化物如磁鐵礦和赤鐵礦發(fā)現(xiàn)Geobacter與Methanosarcina間的電子傳遞得到了促進(jìn)，而添加非導(dǎo)電性鐵氧化物對(duì)Geobacter與Methanosarcina間的電子傳遞不具備促進(jìn)作用。2015年Li等［45］在水稻土中分別加入二氧化硅包裹的磁鐵礦和裸露的磁鐵礦發(fā)現(xiàn)，二氧化硅包裹的磁鐵礦不能像裸露磁鐵礦一樣促進(jìn)微生物DIET，表明磁鐵礦對(duì)DIET的促進(jìn)作用與導(dǎo)電性相關(guān)。同年，Liu等［46］發(fā)現(xiàn)原本無法實(shí)現(xiàn)電子互營(yíng)的G. sulfurreducens的細(xì)胞色素OmcS缺陷株與G.metallireducens在外源添加磁鐵礦的作用下能夠形成共培養(yǎng)，但G. sulfurreducens的菌毛PilA突變株與G. metallireducens不能恢復(fù)電子互營(yíng)，表明磁鐵礦可以彌補(bǔ)細(xì)胞色素OmcS的缺失，但不能替代菌毛的功能。導(dǎo)電碳材料如顆粒活性炭、生物炭和碳布等也可以介導(dǎo)微生物IET［47］。2012年Liu等［7］發(fā)現(xiàn)，在顆?；钚蕴康慕閷?dǎo)下，G. sulfurreducens細(xì)胞色素OmcS缺陷株或菌毛蛋白PilA缺陷株能夠與G. metallireducens實(shí)現(xiàn)電子互營(yíng)，證明顆粒活性炭具有介導(dǎo)DIET的能力，且顆粒活性炭介導(dǎo)下的DIET無需菌毛和細(xì)胞色素c參與。此外，Chen等［48-49］發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電性生物炭和碳布能促進(jìn)G.metallireducens與G. sulfurreducens及M. barkeri間的DIET，但對(duì)D. vulgaris與G. sulfurreducens的種間氫轉(zhuǎn)移無促進(jìn)作用。

1.3 IET微生物

MIET常見形式有種間氫/甲酸轉(zhuǎn)移和電子穿梭體介導(dǎo)的IET，其中，種間氫/甲酸轉(zhuǎn)移常見于產(chǎn)甲烷微生物群落，如產(chǎn)甲烷菌與產(chǎn)乙酸菌［10］、產(chǎn)甲烷菌與脫硫弧菌［22］、地桿菌與甲醇降解菌［50］。此外，電子穿梭體如硫化物、L-半胱氨酸、AQDS等也能協(xié)助微生物MIET，如脫硫菌與光合菌［29］、地桿菌與沃林氏菌［30］等之間的電子傳遞。

DIET由于需要微生物導(dǎo)電菌毛和細(xì)胞色素c的介導(dǎo)，常見于地桿菌參與的共培養(yǎng)體系，如地桿菌與地桿菌［46］、地桿菌與產(chǎn)甲烷菌［31,48,51］、地桿菌與光合菌［42］、地桿菌與脫氮菌［52］等。外源添加的（半）導(dǎo)電材料如磁鐵礦、活性炭等也能協(xié)助微生物DIET（表2）。此外，脫氯菌與互營(yíng)菌［53］、厭氧甲烷氧化菌與硫酸鹽還原菌［54］間也能以DIET形式進(jìn)行電子傳遞。在厭氧甲烷氧化古菌ANME-1與硫酸鹽還原菌HotSeep-1的互營(yíng)代謝過程中，ANME-1與 HotSeep-1的胞外細(xì)胞色素c和菌毛相關(guān)基因得到了高度表達(dá)，表明菌毛和細(xì)胞色素c在兩者互營(yíng)過程中扮演著重要角色［54］。

表2 部分參與IET微生物及其IET方式Table 2 Microorganisms participating in IET and their IET patterns

續(xù)表

2 微生物IET應(yīng)用

2.1 厭氧消化產(chǎn)甲烷

厭氧消化技術(shù)是指厭氧環(huán)境中，微生物分工合作將大分子有機(jī)廢物水解并最終生成可再生生物質(zhì)能源氫氣和甲烷的過程［55］。常規(guī)厭氧消化系統(tǒng)具有啟動(dòng)緩慢、處理能效低、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，提高產(chǎn)甲烷菌的代謝活性和產(chǎn)甲烷速率是提高厭氧消化效能的關(guān)鍵所在。2014年Cruz等［8］發(fā)現(xiàn)磁鐵礦顆粒能夠更快速地引發(fā)丙酸降解產(chǎn)甲烷，表明磁鐵礦對(duì)微生物有機(jī)物氧化產(chǎn)甲烷具有促進(jìn)作用。2016年Dang等［56］發(fā)現(xiàn)往厭氧消化池添加導(dǎo)電碳材料如碳布、碳?xì)趾突钚蕴康瓤纱龠M(jìn)厭氧消化池中有機(jī)物的降解。Zhao等［57］通過往厭氧消化池添加導(dǎo)電碳布發(fā)現(xiàn)微生物IET方式由IHT轉(zhuǎn)變?yōu)镈IET，緩解了消化池中酸對(duì)種間氫轉(zhuǎn)移的抑制作用。Yang等［58］發(fā)現(xiàn)厭氧消化池中的微生物量與有機(jī)物降解速率密切相關(guān)，因此外源添加產(chǎn)甲烷微生物，可加快微生物厭氧消化產(chǎn)甲烷過程。

2.2 甲烷厭氧氧化

甲烷是一種重要的能源物質(zhì)，也是引起地球溫室效應(yīng)的重要?dú)怏w。微生物主導(dǎo)的甲烷厭氧氧化能夠有效地減少甲烷的排放［59］。目前為止發(fā)現(xiàn)的甲烷厭氧氧化類型主要有硫酸鹽還原型甲烷氧化和反硝化型甲烷氧化，并且認(rèn)為是微生物進(jìn)行IET的結(jié)果［60］。2015年McGlynn等［54］發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)菌毛和細(xì)胞色素c的表達(dá)可促進(jìn)甲烷厭氧氧化。此外，Egger［61］和Ettwig［62］等發(fā)現(xiàn)在鐵氧化物如磁鐵礦納米顆粒等協(xié)助下，微生物甲烷厭氧氧化得到促進(jìn)，表明外源添加（半）導(dǎo)體材料是提高甲烷厭氧氧化速率的重要手段。

2.3 微生物脫氯

含氯污染物通常具有持久性，對(duì)環(huán)境及人類的健康威脅大。微生物厭氧脫氯是自然環(huán)境下含氯污染物的主要分解方法，但脫氯微生物在總微生物群中占的比重較低，對(duì)含氯污染物的降解有限。2015年Mao等［53］發(fā)現(xiàn)微生物IET能夠促使污染物脫氯。并且添加磁鐵礦納米顆?？梢源龠M(jìn)微生物IET脫氯反應(yīng)［63］，表明導(dǎo)電材料如磁鐵礦納米顆粒等能夠加快含氯污染物的降解。

3 展 望

微生物IET研究不僅有助于深入理解厭氧微生物互營(yíng)代謝，也可為生物能源生產(chǎn)、溫室氣體減排以及環(huán)境修復(fù)提供技術(shù)支撐。微生物IET的核心是電子在微生物之間的傳遞，研究IET的微觀機(jī)制，發(fā)掘高效IET微生物，尋找提高微生物IET效率的方法，是將微生物IET用于實(shí)踐的重點(diǎn)研究方向。目前微生物IET微觀機(jī)制的研究仍處于初級(jí)階段，電子究竟如何進(jìn)行傳遞、自然界中是否存在更高效的IET微生物以及是否存在更為經(jīng)濟(jì)高效的方法加速微生物IET等這些問題尚待進(jìn)一步明晰。地桿菌作為土壤中廣泛存在的電活性菌已有大量研究報(bào)道其胞外電子傳遞機(jī)制［64］：1）以Fe3+為電子受體的胞外電子傳遞過程中，G. sulfurreducens的細(xì)胞色素OmcS是參與胞外電子傳遞的主要蛋白［39］；2）在以電極為電子受體的情況下，參與胞外電子傳遞的主要蛋白是OmcS、OmcE［40］以及OmcZ［41］；3）在DIET過程中，外膜細(xì)胞色素OmcS是參與胞外電子傳遞的主要氧化還原蛋白［4］。受限于生物手段及技術(shù)水平，目前尚無法對(duì)微生物IET的電子傳遞路徑進(jìn)行全程追蹤，無法明確參與IET的所有蛋白及結(jié)構(gòu)。研究微生物IET微觀機(jī)制，確定參與IET的蛋白及結(jié)構(gòu)，通過基因改造等手段，可提高微生物IET。2013年Leang等［65］發(fā)現(xiàn)，改造G.sulfurreducens的基因使其表達(dá)更多的導(dǎo)電菌毛，能夠提高G. sulfurreducens的產(chǎn)電能力。2016年Tan等［66］發(fā)現(xiàn)改造菌毛上的氨基酸能夠使菌毛的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，提高胞外電子傳遞效率。此外，往IET體系中添加導(dǎo)電材料如活性炭等物質(zhì)能夠有效的促進(jìn)胞外電子傳遞。本課題組2017年Chen等［67］通過外源添加信號(hào)分子發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)微生物產(chǎn)電，增強(qiáng)生物膜電化學(xué)活性。Ye等［68］發(fā)現(xiàn)赤泥能夠增加混菌培養(yǎng)體系的導(dǎo)電性，促進(jìn)微生物產(chǎn)甲烷。由于外源添加這些物質(zhì)增強(qiáng)微生物胞外電子傳遞能力的成本較高，尋找廉價(jià)高效的微生物IET介導(dǎo)材料是將IET用于實(shí)際的可行方向。