微生物胞外呼吸

微生物胞外呼吸的發現

微生物胞外呼吸（extracellular respiration）是近年來發現的新型微生物能量代謝形式，是指厭氧條件下，微生物在胞內徹底氧化有機物釋放電子，產生的電子經胞內呼吸鏈傳遞到胞外電子受體使其還原，併產生能量維持微生物自身生長的過程。在胞外電子傳遞（extracellular electron transport）被發現之前，科學家普遍認為電子傳遞只是在細胞內進行，對真核生物而言，電子傳遞鏈存在於線粒體膜上，原核生物沒有線粒體，其電子傳遞鏈存在於細胞質膜上。直到科學家發現革蘭氏陰性菌Shewanella oneidensis MR-1和Geobacter metallireducens能利用胞外的鐵氧化物或錳氧化物作為末端電子受體， 產生能量和維持細胞生長（dissimilatory metal reduction，異化金屬還原），才使人們意識到細菌能夠將電子傳遞給胞外的固體基質（如鐵、錳的氧化物）。此後，不僅在革蘭氏陰性菌，也在革蘭氏陽性菌和古菌中發現異化金屬還原活性。鐵呼吸［Fe(Ⅲ) respiration］是最早被確認的微生物胞外呼吸，又被稱為異化鐵還原，是指微生物以胞外不溶性鐵氧化物為末端電子受體，通過氧化電子供體偶聯Fe(Ⅲ)還原，併產生生命活動所需能量的過程。儘管在20 世紀初，Fe(Ⅲ)還原就已被認知，但長期以來，鐵呼吸被誤認為只是化學反應，微生物作用被忽視，直到1987 年第一個具有Fe(Ⅲ)還原活性的金屬還原地桿菌（Geobacter metallireducens）被分離出來後，這個微生物群才被詳細研究。隨著研究的深入發展，越來越多的胞外呼吸基質被發現，包括不可溶的金屬礦物（鐵錳呼吸）、電極（產電呼吸）、可溶的腐殖質及其他有機組分（腐殖質呼吸）。

微生物胞外呼吸的發現具有重要的科學意義及應用價值：它的發現拓寬了人們對微生物呼吸多樣性的認識，可為微生物呼吸方式的進化和微生物多樣性的研究提供科學依據；胞外呼吸在污染物原位修復、污水處理與生物質能的回收（如微生物產電技術）等方面表現出重要的應用前景。隨著生物化學和遺傳學方面的研究進一步深入，我們對微生物胞外呼吸的機制將會有更深入更全面的認識。

微生物胞外呼吸

微生物能夠通過多種代謝方式產生能量以供自身生長繁殖，而胞外呼吸是近年來發現的一種新型微生物能量代謝方式。它是指厭氧條件下，微生物在胞內徹底氧化有機物釋放電子，產生的電子經胞內呼吸鏈傳遞到胞外電子受體使其還原，併產生能量維持微生物自身生長的過程。它與傳統胞內厭氧呼吸存在兩點顯著差異：電子最終必須傳遞至胞外。與NO3–、SO42–等可溶性電子受體不同，胞外呼吸的電子受體為固體（如鐵/錳氧化物、石墨電極）或大分子有機物（如腐殖質），無法進入細胞，因此氧化過程產生的電子必須設法「穿過」非導電的細胞壁，傳遞至胞外受體。電子傳遞途徑不同。與常規電子傳遞鏈相比，胞外呼吸產生的電子必須經過周質組分的傳遞到達細胞外膜，然後通過外膜上的多血紅素細胞色素c、「納米導線」（nanowire）或電子穿梭體等方式傳遞到胞外，因而傳遞難度也顯著加大。

為了完成胞外電子傳遞，微生物必須把傳遞鏈延伸到外膜，所以周質中也進化出了電子傳遞體協助電子的傳遞。以Shewanella oneidensis MR-1 和Geobacter sulfurreducens異化還原固態金屬氧化物為例（為了簡單起見，呼吸鏈中醌還原部分、肽聚糖層及二型分泌系統和四型分泌系統未顯示），在S. oneidensis MR-1 中，醌將電子傳遞到CymA（位於內膜多血紅素細胞色素c，是電子通過醌向周質傳遞的切入點），經MtrA（位於周質，是可溶性的細胞色素c，含有10 個血紅素）和MtrB（非細胞色素，預測為跨膜蛋白）傳至外膜的MtrC 和OmcA（位於外膜表面，均為脂蛋白，每個多肽包含10 個血紅素），MtrC 和OmcA 作為末端氧化還原酶最終完成胞外鐵/錳氧化物的異化還原（圖1A）。與S. oneidensis MR-1 不同，在G. sulfurreducens 中，外膜細胞色素c OmcE 和 OmcS 將電子傳遞到導電菌毛，由導電菌毛直接將電子傳遞到鐵氧化物（圖1B）。

圖1S. oneidensis MR-1（A）和 G. sulfurreducens（B）胞外電子傳遞示意圖（Shi et al., 2007），紅色代表已識別的多血紅素細胞色素c，黃色箭頭指出電子傳遞路徑

根據胞外電子受體的不同，胞外呼吸主要分為鐵呼吸、腐殖質呼吸和產電呼吸3 種形式。具有胞外呼吸特性的微生物統稱胞外呼吸菌。胞外呼吸菌的分離鑒定是當前研究的熱點問題。

胞外呼吸的應用

胞外呼吸的本質問題是微生物與胞外電子受體的相互作用，即微生物如何將電子從胞內轉移至胞外受體，並獲取生命活動的能量。在理論方面，胞外呼吸的發現為呼吸鏈電子傳遞、胞外電子轉移、能量產生途徑等科學問題提供了新的視角；在應用方面，胞外呼吸在碳、氮、硫等元素生物地球化學循環、污染物轉化消減和微生物產電等方面發揮了積極作用。研究表明，鐵氧化物、腐殖質和電極的還原過程，常偶聯各種含氮染料的降解、有機氯農藥（R-Cl，如DDT 等）的脫鹵還原，以及重金屬和放射性元素Mn(Ⅳ)、Cr(Ⅵ)和 U(Ⅵ)的還原；此外，胞外呼吸菌（如G. metallireducens）可以利用甲苯等芳烴類物質為電子供體，將其厭氧氧化降解（圖2）。

圖2胞外呼吸介導的污染物轉化機制（Lovley et al., 2004）

微生物產電技術是胞外呼吸應用研究的熱點，其最基本的應用載體就是微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）裝置。MFC 利用胞外產電呼吸原理，以胞外呼吸菌為陽極催化劑，直接將有機物中的化學能轉化為清潔電能，同時達到去除污染物的功效。目前，MFC 的應用已經拓展到以下幾方面。

1、應用於廢水處理。MFC 可以有效降低廢水的COD、氨氮等污染物，同時產生清潔電能。

2、將MFC 改造為功能性裝置，利用陽極微生物的產電呼吸促進陰極污染物的降解、重金屬的去除和生產有價值的工業產品。例如，在陰極室富集氫氣、過氧化氫、甲烷、燒鹼、丁醇等化學工業產品。

3、應用于海水淡化處理。2009 年，Cao 等改進了MFC 的分隔膜組分，設計出新型的脫鹽裝置，進一步擴大了MFC 的應用範圍。

4、MFC 也是良好的實驗工具，可用於研究胞外呼吸菌的生理生態特性、模擬複雜微生物系統的電子流動和驗證生態學理論。

目前，胞外呼吸的研究還處於起步階段，有許多問題尚未解決。今後的研究重點應著眼於以下幾點。

1、揭示更多胞外呼吸的電子受體形式。將現有的研究範圍擴展到極端環境，以期發現微生物新型底物利用方式和電子受體形式。

2、分離高效胞外呼吸菌。目前報道的胞外呼吸菌的數量只佔自然界的極小部分，且電子傳遞效率普遍不高，限制了其在微生物產電等方面的應用。藉助於更完善的微生物分離系統和分子生物學方法，將進一步發現和豐富胞外呼吸的微生物資源。

3、完善胞外電子傳遞過程的分子學機制，將成為今後研究的熱點。目前建立的胞外電子傳遞鏈只局限在Shewanella 屬和Geobacter 屬的鐵呼吸過程，完整傳遞鏈的組成和細胞色素c 的功能和定位還不完全清楚。運用生物化學、分子生物學和電化學等多學科交叉技術，進一步確定電子傳遞鏈必需組分的分子學性質，並將電子傳遞鏈的研究擴展到其他胞外呼吸菌和胞外呼吸形式。

4、研究複雜條件下胞外電子的傳遞過程。不同自然環境下，同種微生物電子傳遞鏈的組成和傳遞機制是否相同、哪種方式是主導機制，不同菌群如何協同完成胞外電子傳遞，都是有待解決的問題。

5、拓展胞外呼吸的應用範圍，並研究其在污染物修復和微生物產電等方面的深層機制。目前，微生物燃料電池的產電效率不高，離實際應用還有很大差距。因而提高MFC 的輸出功率是胞外呼吸的研究熱點和難點。

本文摘編自周順桂等編著《微生物胞外呼吸：原理與應用》（北京：科學出版社，責任編輯李秀偉，2016.10），內容略有刪節改動。

ISBN：978-7-03-050053-3

《微生物胞外呼吸：原理與應用》由國家科學技術學術著作出版基金與廣州市南山自然科學學術交流基金會資助出版。本書圖文並茂，內容詳實，共 11 章，涵蓋內容廣泛而自成體系，前三章主要介紹微生物胞外呼吸概論、胞外呼吸菌及其胞外電子傳遞機制；第四章至第六章分別介紹鐵呼吸、腐殖質呼吸以及產電呼吸；第七章至第十章著重介紹利用微生物胞外呼吸原理髮展的各項應用技術；第十一章為大家呈現自然界中存在的天然生物地球電池效應。

（本文責編：李文超）

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