电缆细菌的“电力革命” —氧呼吸电缆细菌为缺氧环境微生物群落提供“远程充电”

电缆细菌是一类独特的丝状细菌，其通过内部导电纤维实现长距离（厘米级）电子传递，将缺氧沉积物中的硫化反应与表层有氧区的氧还原反应耦合。这一能力不仅重塑了沉积物的地球化学环境，还为其他微生物提供了间接接触氧气的机会。最新研究揭示，电缆细菌通过电连接吸引多种细菌形成动态共生群体，为理解微生物间的能量交换提供了全新视角。

实验方法：显微镜追踪与基因测序结合

研究团队利用富集培养的淡水电缆细菌（Candidatus Electronema aureum GS），构建了一种“显微镜观察腔室”，模拟自然沉积物环境。通过显微录像、激光切割、拉曼光谱和宏基因组测序等手段，系统分析了细菌群体的行为、代谢状态及遗传     多样性：(1) 动态追踪：高帧率显微录像记录细菌围绕电缆细菌的聚集与分散。(2) 激光干预：切断电缆细菌与氧气的电连接，观察菌群即时反应。(3) 代谢分析：拉曼光谱检测细胞色素氧化还原状态，揭示代谢活跃度。(4) 基因组解析：宏基因组测序鉴定共生菌群的分类与功能特征。

核心发现：菌群动态与电连接高度关联

1. 电缆细菌周围形成密集“菌群簇”

在缺氧区（距离有氧界面达4毫米），多种细菌以电缆细菌为中心形成密集群体，数量约为电缆细菌本身的2.2倍。菌群表现出明显的趋化行为：在电缆细菌20微米范围内密度最高，且游泳速度显著提升（图1），表明其代谢活性增强。荧光原位杂交（FISH）显示，靠近电缆细菌的细菌核糖体含量更高，进一步支持其高代谢状态。

图1 细菌细胞相对于它们与电缆细菌丝的距离的平均游泳速度之差^[1]

2. 电连接中断导致菌群瞬间分散

当用激光切断电缆细菌与氧气的连接后，原本围绕在缺氧段的菌群在13秒内迅速消散（图2）。而保留电连接的部分仍能维持菌群聚集。这一即时反应表明，菌群的趋化行为依赖于电缆细菌持续向氧气传递电子产生的化学信号，而非细菌分泌的普通代谢产物。

图2 激光切割实验的原理和结果实例^[1]

3. 共生菌群具备高度多样性

宏基因组分析显示，参与聚集的细菌涵盖6个门、25个属，包括变形菌门（如Acidovorax）、拟杆菌门等（图3）。这些细菌普遍具有运动性、趋化性，并依赖氧气或硝酸盐呼吸。部分菌种携带硫氧化、铁氧化或有机质降解相关基因，暗示其可能通过电缆细菌间接完成电子传递，实现能量获取。

机制解析

可溶性电子载体或为关键媒介。研究提出，菌群与电缆细菌间的电子传递可能依赖可溶性中间体；无显微观察显示菌群与电缆细菌极少发生物理接触。拉曼光谱发现，靠近电缆细菌的菌群细胞色素更偏向氧化态，表明电子可能通过氧化态分子（如黄素或腐殖酸）传递至电缆细菌。可溶性载体的浓度在纳摩尔级别即可支持菌群代谢，且载体氧化态的快速消耗解释了菌群在电连接中断后的即时分散现象。值得注意的是，电缆细菌基因组中尚未发现已知的胞外电子传递（EET）基因，但其导电纤维可能具备独特的电子接收机制。

图3 基于基因组的系统发育和选定的电缆细菌相关细菌的关键特征^[1]

研究意义

这项研究首次揭示了电缆细菌作为“电子桥梁”对缺氧环境微生物群落的深远影响。电缆细菌可能通过电连接调控沉积物中碳、硫、铁等多元素循环，甚至影响甲烷排放。为理解微生物间的电子互作或为生物修复（如污染降解）和生物能源开发提供新思路。但是可溶性载体的具体成分、电缆细菌的能量分配策略，以及共生关系的互利性仍需进一步探索。作者强调，这种“电共生”现象的普遍性及其对全球生物地球化学循环的贡献，将成为未来研究的重要方向。

参考文献

[1] Bjerg, J.J.et al. Cable bacteria with electric connection to oxygen attract flocks of diverse bacteria. Nat Commun 14, 1614 (2023).