黃河三角洲發現「皮卡丘細菌」，電你沒商量

圖片來源於網路

動漫《神奇寶貝》是90後的童年回憶，皮卡丘的終極大招——「十萬伏特」往往將對方電得毛髮直立，頭冒青煙。在微觀世界，就有著很多能放電的「皮卡丘細菌」。它們早在1987年就被麻省大學的 Derek R. Lovley 教授發現並報道，是上過《時代》雜誌的「微明星」。

地桿菌 (Geobacter) 圖片來源：Derek Lovley，http://www.geobacter.org/

目前，已知的明星「皮卡丘細菌」主要有地桿菌（Geobacter）和希瓦氏菌（Shewanella），它們廣泛活躍在海洋、河流沉積物、水稻田和濕地土壤中。這些「皮卡丘細菌」就像充電寶一樣，不僅可以將電子供給「用戶」（電子接收體），還可以接收外源的電子進行充電。此外，「皮卡丘細菌」往往自帶「導線」（導電纖毛，pili），以便將電子輸送給「偏遠用戶」。

誰會是「皮卡丘細菌」的「用電戶」？大致來說有兩大類，一類是自然界中含變價金屬的礦物（比如鐵礦和錳礦），還有一類就是細菌和古菌等微生物。「皮卡丘細菌」非常樂於奉獻，願意把電子分享給「自己人」（如 Geobacter metallireducens 與 Geobacter sulfurreducens 同一菌屬之間）；而整個「皮卡丘細菌」群落常常通過「導線」交織構建起「龐大」的具有導電性能的「電網」（也就是生物膜）； 此外，「皮卡丘細菌」還可以跨「域」為「別人」供電（如 G.metallireducens 與 Methanosarcina barkeri）。這個「別人」，說的就是產甲烷古菌。

產甲烷古菌，屬於古菌域廣古菌門，是一類嚴格厭氧古菌。在人工及自然厭氧環境中，「皮卡丘細菌」與產甲烷古菌往往緊密「擁抱」在一起，形成團聚體結構。這跟根瘤菌與豆科植物之間的互營共生關係很類似。在「擁抱」的時候，「皮卡丘細菌」將電子供給產甲烷古菌，然後產甲烷古菌就能還原二氧化碳從而產生甲烷。這個過程，可以叫做電子驅動甲烷產生途徑（CO2+ 8H+ +8e-→ CH4 + 2H2O）。

當然，古菌產甲烷的途徑並不只是有「電子驅動」這個途徑，還有氫營養型、乙酸營養型和甲基營養型等等。不過，「電子驅動」產生甲烷這個途徑更為直接，可以有效減少產甲烷過程中的能量損失，提高甲烷產生效率。

「電子驅動甲烷產生」模式圖（圖中，紅色小人就是「皮卡丘細菌」，綠色小人就是「產甲烷古菌」，他們擁抱在一起，就產生了甲烷）

「皮卡丘細菌」除了可以「放電」外，也喜歡利用「電」。科學家們可以藉助電極把它們引誘出來。近期，中國科學院煙台海岸帶研究所「電微生物資源與微生態健康團隊」的科學家們發現，在黃河三角洲濕地土壤中就生活著大量的「皮卡丘細菌」和產甲烷古菌。

黃河三角洲濕地 圖片來源：韓廣軒

科學家們還發現，具有導電能力的納米磁鐵礦可以顯著促進「皮卡丘細菌」和產甲烷古菌間的電子傳遞效率。這就表明，黃河三角洲有產生甲烷資源的巨大潛力。我們知道，甲烷是一種溫室氣體，但同時也是非常好的清潔能源，因此需要對其加以合理利用。而通過探究濕地甲烷的排放機制，今後人們可以預測和控制濕地產生的甲烷，併合理利用這些資源。而由於「皮卡丘細菌」特殊的吸電放電特性，可以利用它們去解決金屬廢料和其他環境污染問題。

作者：張月超、劉進超、肖雷雷、劉芳華

來源：中國科學院煙台海岸帶研究所

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