電能互營是微生物間一種特殊的協(xié)同（共生）關(guān)系，不同微生物之間通過直接種間電子傳遞（DIET）來實(shí)現(xiàn)能量和電子的交換。目前，微生物間電能互營共生在許多生態(tài)環(huán)境中都有發(fā)現(xiàn)，包括水體、土壤和消化道等。微生物電能互營在碳循環(huán)、能量轉(zhuǎn)化和污染物降解等方面發(fā)揮著重要作用，不僅有助于優(yōu)化微生物的能量轉(zhuǎn)化效率，提高生物能源產(chǎn)量，還可以促進(jìn)環(huán)境污染物的降解和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此，深入理解微生物間電能互營共生的機(jī)制和應(yīng)用潛力，對于推動可持續(xù)發(fā)展和解決環(huán)境問題具有重要意義。

近日，廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所劉芳華研究員團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成功建立了呼吸型產(chǎn)電硫還原地桿菌與發(fā)酵型電營巴氏梭菌之間的電能互營共生模型。在電能互營體系中，巴氏梭菌通過將葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生的乙酸作為電子供體提供給硫還原地桿菌，而后者將氧化乙酸產(chǎn)生的電子傳遞給巴氏梭菌，通過纖毛或直接接觸介導(dǎo)的直接電子傳遞建立電能互營關(guān)系。相較于自培養(yǎng)，共培養(yǎng)體系中產(chǎn)氫速率和產(chǎn)量分別提高了122.2%和28.92%，底物轉(zhuǎn)化效率增加了50.6%。電能互營改變了巴氏梭菌的代謝途徑，顯著增強(qiáng)了產(chǎn)氫代謝（圖1）。

圖1?呼吸型產(chǎn)電地桿菌電能互營發(fā)酵型弱電巴氏梭菌促進(jìn)其產(chǎn)氫代謝示意圖

除了電能微生物以外，自然環(huán)境中以水鐵礦為代表的含鐵礦物也具有促進(jìn)微生物產(chǎn)氫的能力。在海洋沉積物富集物中，微生物還原水鐵礦的速率達(dá)到了0.063 mmol/h。水鐵礦的還原過程，釋放了OH⁺和Fe²⁺，緩沖了反應(yīng)體系中因有機(jī)酸累積導(dǎo)致的pH值下降，提高了葡萄糖轉(zhuǎn)化率（80%），增強(qiáng)了細(xì)菌生長（47%），促進(jìn)了氫氣的產(chǎn)生（37%）。

以上研究為開發(fā)更有效的氫氣生產(chǎn)技術(shù)提供了新的思路和可能；同時，也為深入理解微生物間的電子傳遞和協(xié)同行為提供了重要線索；對于推動可再生能源技術(shù)的發(fā)展具有重要的意義。

相關(guān)研究成果先后發(fā)表于國際工程技術(shù)領(lǐng)域期刊Chemical Engineering journal （IF=15.1）和Journal of Environmental Chemical Engineering （IF=7.7）。廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所張?jiān)鲁硌芯繂T為論文第一作者。該研究獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃合成生物學(xué)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、廣東省科學(xué)院打造綜合產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心行動資金、廣東省珠江人才引進(jìn)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.110922

供稿：省科學(xué)院土壤環(huán)境所

撰稿：吳琪琪

審稿：董軍??李芳柏??羅璇

校稿：徐超??肖捷??章震??黃巧純