电灯、电脑、手机……在人们的日常生活中，时时刻刻都离不开电。科学家研究发现，能发电的不只有煤炭、石油、天然气、水能等常规能源，还可以通过微生物等新型能源发电。目前，科学家们已经发现了上百种与电有关联的微生物，并将这些微生物命名为电化学活性微生物。
不仅如此，科学家们还在一些电化学活性微生物中发现了微生物纳米导线，可以帮助微生物进行远距离的电子传递。微生物纳米导线依附于细菌等微生物表面，看上去，就像微生物的一头飘逸的“秀发”。
微生物纳米导线的发现，被认为是百余年来细菌发电领域的里程碑事件，推动了电微生物学的形成与发展。借助微生物纳米导线，微生物胞内代谢产生的电子可以长距离输送到胞外受体或其他微生物，改变了电子传递链仅仅局限于细胞胞内的认识。
【资料图】
随着研究的深入，科学家们发现微生物纳米导线具有很高的导电性及稳定性，在生物新能源、生物材料及环境修复等领域的应用潜力巨大。
今天，让我们一起了解细菌发电和细菌发电背后的微生物纳米导线。
微生物纳米导线：有生命的“电线”
■谢啸天 孙多传 朱嘉凯
微生物纳米导线示意图。资料图片
科研人员研制的“空气发电机”装置概念图。资料图片
微生物纳米导线应用概念图。资料图片
细菌与电的不解之缘
电，从1752年本杰明·富兰克林在雷雨中放风筝后，开始加快了走进人类生活的步伐。
细菌，从1683年列文虎克在显微镜下第一次观察到它后，便让人类对它所处的微观世界愈发着迷。
电和细菌，一个是自古就有的自然现象，一个是地球上最古老的生命体，两者结合到一起，又会擦出怎样的“火花”？
1910年的一天，英国植物学家马克·皮特正站在实验桌前，瞪大双眼紧紧盯着插在细菌培养皿中与铂电极相连的电流表。不一会儿，当他看到电流表表盘跳动的指针时，再也抑制不住内心的激动。此时，培养皿中的细菌正将电子排出体外。
这个重大发现轰动一时，让众多同行惊讶万分，马克·皮特当时也信心满满地认为，自己的这一发现注定将开启一个全新的时代。
可事与愿违，不知是细菌的小“体格”满足不了电能需求，还是细菌发电的方式不能满足人类对持续稳定电流的需要，在大工业生产时代，细菌发电在与水电、风电、太阳能发电等清洁能源的较量中败下阵来，人类对细菌发电的探索暂时进入休眠状态。
时隔70多年后，这座“休眠的火山”终于醒来。1984年，美国科研人员成功制造了一种能在太空中使用的微生物燃料电池，其燃料主要是宇航员的尿液等排泄物，虽然它的放电率极低，但在“寸土寸金”的宇宙飞船上变废为宝，这为细菌发电打开了一个思路。
几乎同一时期，英国化学家彼得·彭托在细菌发电方面取得了重大突破。他在细菌培养液中加入糖和芳香族化合物等，并向其中不断注入空气，获得了2安培的电流并能持续发电几十天。
后来，人们成功实现了利用重金属、有机污水、海藻纤维甚至啤酒废料等作为原料的细菌发电。随着社会的发展，人类对电能的需求度越来越高、越来越多样化，绿色、有机的细菌发电方式，重新点燃了人类对相关领域的研究热情。
能发电还能导电
上世纪80年代末，微生物学家德里克·洛夫利在波托马克河的泥浆中发现了首株胞外呼吸菌，这令他异常兴奋，因为细菌的胞外呼吸意味着电子可以“穿过”细胞膜（细胞壁）被传递至胞外受体，即细菌存在着导电的可能性。
功夫不负有心人。21世纪初，德里克·洛夫利和他的团队首次在一种叫硫还原地杆菌的细菌表面，发现了可以将电子从细胞内部传递至细胞外部的菌毛，他将其命名为“导电菌毛”，也叫“微生物纳米导线”。从外观上看，这些导线就像细菌长出了一头飘逸的“秀发”。
这种会导电的“秀发”是一类由微生物合成的，具有导电性的纤维状表面附属结构。通过 “发丝”，微生物胞内代谢产生的电子可以输送到胞外受体或其他微生物。
“发丝”在微生物的生命活动中，到底有什么作用呢？研究人员发现，它主要有两类作用：参与微生物的生理代谢和介导微生物间的共生关系。
参与微生物的生理代谢。比如硫还原地杆菌的“发丝”可以将细胞内的电子传递给附近的含铁矿物，将铁还原，在完成自身呼吸过程中储存生命活动所需能量。
介导微生物间的共生关系。一些细菌的“秀发”还可以为其他微生物传递电子，在特殊环境中构建命运共同体。比如，金属还原地杆菌就可以通过“发丝”，将自己氧化乙醇产生的电子传递给硫还原地杆菌，而硫还原地杆菌则利用得到的电子还原富马酸，从而实现两个微生物在富含乙醇和富马酸环境中的共生。
由此可见，细菌通过“发丝”导电是为了自身生存，而人类却由此推开了一扇崭新的科学研究之门：微生物纳米导线的发现，被认为是百余年来细菌发电领域的里程碑事件，推动了电微生物学的形成与发展。
这一发现，改变了以往细菌发电领域电子传递链仅仅局限于细胞内的认识，从而极大地拓展了细菌与外界环境的作用范围，为细菌发电提供了更广阔的应用前景。
目前，细菌发电领域吸引了大量研究者的目光，各国研究成果如雨后春笋般层出不穷。如今，仅发现的天然“微生物纳米导线”就有数十种之多。但值得关注的是，一些细菌“秀发”能导电虽然已毋庸置疑，但这些“发丝”的生物学、生态学功能尚不清楚，对它的电子传递机制研究界仍存在分歧。
理论指导实践，一切技术应用都离不开基础科学研究的支撑。有争论才会有发展，关于细菌导电机理的争论，必将加快促进微生物纳米导线导电理论的成熟并推动其走向多领域的实际应用。
多领域应用前景广阔
近些年，人们对微生物纳米导线的研究愈发深入。截至目前，微生物纳米导线的“触角”已经涉及生物新能源、生物材料、生物修复及人体健康监测等多个领域，成为新兴电微生物学领域研究的前沿与热点。
——生物新能源。
自从微生物纳米导线被发现后，科研人员在细菌发电领域有了新突破，这被认为是最有前景的应用之一。比如，德里克·洛夫利和他的团队研制出了一种“空气发电机”，仅利用细菌“秀发”从空气里的水分子中提取电子就能发电。与其他发电方式相比，“空气发电机”不受环境制约，几乎可以在地球上的任何环境中工作。但目前，因制造成本、材料等多种因素制约，该产品还停留在实验室阶段。不过随着基因工程等技术手段的不断发展，微生物的产电量正在持续提高。未来这项技术甚至可能应用在房间的墙壁上，为整个建筑提供电力。
——生物材料。
研究发现，硫还原地杆菌的“秀发”在高温环境中，依然具有良好的导电能力。相比于传统金属导电材料，微生物纳米导线的生物相容性、耐腐蚀性更强，这些特点非常适合在人体内部使用的心脏起搏器或在海洋、土壤中使用的传感器等电子器件。据报道，科学家还将硫还原地杆菌的纳米导线与聚乙烯醇制成复合导电材料，实现了更高的热稳定性，应用范围将会更加广泛。
——环境修复。
随着经济社会发展，人们对环境保护越来越重视，但治理被污染的土壤、水体以及垃圾处理等环境修复工作一直是个难题。在这个方面，细菌“秀发”能够派上大用场。研究表明，微生物纳米导线可以对环境中的有毒金属进行转化和迁移，在重金属污染土壤修复方面具有重要的应用价值。例如，硫还原地杆菌的纳米导线可以实现对铀等放射性元素的富集与固定，这个方法在铀污染水体的修复中已经被应用。
——人体健康监测。
一次偶然机会，科研人员在导致下颌骨坏死的微生物被膜中，发现了大量的微生物纳米导线，他们猜测纳米导线的大量表达是加速下颌骨坏死的重要因子。后经研究发现，微生物胞外电子传递可能直接影响人体相关疾病的发生。这些研究让人类对微生物纳米导线与人体健康的关系有了新的理解，为疾病的预防与治疗提供了一个全新思路。
目前，人类对细菌“秀发”的认识可能只是冰山一角。今后，随着研究的持续深入，这缕“秀发”对人类社会生活的参与度一定会越来越高，为我们的日常生活带来更多惊喜与改变。（作者：谢啸天 孙多传 朱嘉凯）
