微生物胞外呼吸的发现

微生物胞外呼吸（extracellular respiration）是近年来发现的新型微生物能量代谢形式，是指厌氧条件下，微生物在胞内彻底氧化有机物释放电子，产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体使其还原，并产生能量维持微生物自身生长的过程。在胞外电子传递（extracellular electron transport）被发现之前，科学家普遍认为电子传递只是在细胞内进行，对真核生物而言，电子传递链存在于线粒体膜上，原核生物没有线粒体，其电子传递链存在于细胞质膜上。直到科学家发现革兰氏阴性菌Shewanella oneidensis MR-1和Geobacter metallireducens能利用胞外的铁氧化物或锰氧化物作为末端电子受体， 产生能量和维持细胞生长（dissimilatory metal reduction，异化金属还原），才使人们意识到细菌能够将电子传递给胞外的固体基质（如铁、锰的氧化物）。此后，不仅在革兰氏阴性菌，也在革兰氏阳性菌和古菌中发现异化金属还原活性。铁呼吸［Fe(Ⅲ) respiration］是最早被确认的微生物胞外呼吸，又被称为异化铁还原，是指微生物以胞外不溶性铁氧化物为末端电子受体，通过氧化电子供体偶联Fe(Ⅲ)还原，并产生生命活动所需能量的过程。尽管在20 世纪初，Fe(Ⅲ)还原就已被认知，但长期以来，铁呼吸被误认为只是化学反应，微生物作用被忽视，直到1987 年第一个具有Fe(Ⅲ)还原活性的金属还原地杆菌（Geobacter metallireducens）被分离出来后，这个微生物群才被详细研究。随着研究的深入发展，越来越多的胞外呼吸基质被发现，包括不可溶的金属矿物（铁锰呼吸）、电极（产电呼吸）、可溶的腐殖质及其他有机组分（腐殖质呼吸）。

微生物胞外呼吸的发现具有重要的科学意义及应用价值：它的发现拓宽了人们对微生物呼吸多样性的认识，可为微生物呼吸方式的进化和微生物多样性的研究提供科学依据；胞外呼吸在污染物原位修复、污水处理与生物质能的回收（如微生物产电技术）等方面表现出重要的应用前景。随着生物化学和遗传学方面的研究进一步深入，我们对微生物胞外呼吸的机制将会有更深入更全面的认识。

微生物胞外呼吸

微生物能够通过多种代谢方式产生能量以供自身生长繁殖，而胞外呼吸是近年来发现的一种新型微生物能量代谢方式。它是指厌氧条件下，微生物在胞内彻底氧化有机物释放电子，产生的电子经胞内呼吸链传递到胞外电子受体使其还原，并产生能量维持微生物自身生长的过程。它与传统胞内厌氧呼吸存在两点显著差异：①电子最终必须传递至胞外。与NO₃^–、SO₄^2–等可溶性电子受体不同，胞外呼吸的电子受体为固体（如铁/锰氧化物、石墨电极）或大分子有机物（如腐殖质），无法进入细胞，因此氧化过程产生的电子必须设法“穿过”非导电的细胞壁，传递至胞外受体。②电子传递途径不同。与常规电子传递链相比，胞外呼吸产生的电子必须经过周质组分的传递到达细胞外膜，然后通过外膜上的多血红素细胞色素c、“纳米导线”（nanowire）或电子穿梭体等方式传递到胞外，因而传递难度也显著加大。

为了完成胞外电子传递，微生物必须把传递链延伸到外膜，所以周质中也进化出了电子传递体协助电子的传递。以Shewanella oneidensis MR-1 和Geobacter sulfurreducens异化还原固态金属氧化物为例（为了简单起见，呼吸链中醌还原部分、肽聚糖层及二型分泌系统和四型分泌系统未显示），在S. oneidensis MR-1 中，醌将电子传递到CymA（位于内膜多血红素细胞色素c，是电子通过醌向周质传递的切入点），经MtrA（位于周质，是可溶性的细胞色素c，含有10 个血红素）和MtrB（非细胞色素，预测为跨膜蛋白）传至外膜的MtrC 和OmcA（位于外膜表面，均为脂蛋白，每个多肽包含10 个血红素），MtrC 和OmcA 作为末端氧化还原酶最终完成胞外铁/锰氧化物的异化还原（图1A）。与S. oneidensis MR-1 不同，在G. sulfurreducens 中，外膜细胞色素c OmcE 和 OmcS 将电子传递到导电菌毛，由导电菌毛直接将电子传递到铁氧化物（图1B）。

图1　S. oneidensis MR-1（A）和 G. sulfurreducens（B）胞外电子传递示意图（Shi et al., 2007），红色代表已识别的多血红素细胞色素c，黄色箭头指出电子传递路径

根据胞外电子受体的不同，胞外呼吸主要分为铁呼吸、腐殖质呼吸和产电呼吸3 种形式。具有胞外呼吸特性的微生物统称胞外呼吸菌。胞外呼吸菌的分离鉴定是当前研究的热点问题。

胞外呼吸的应用

胞外呼吸的本质问题是微生物与胞外电子受体的相互作用，即微生物如何将电子从胞内转移至胞外受体，并获取生命活动的能量。在理论方面，胞外呼吸的发现为呼吸链电子传递、胞外电子转移、能量产生途径等科学问题提供了新的视角；在应用方面，胞外呼吸在碳、氮、硫等元素生物地球化学循环、污染物转化消减和微生物产电等方面发挥了积极作用。研究表明，铁氧化物、腐殖质和电极的还原过程，常偶联各种含氮染料的降解、有机氯农药（R-Cl，如DDT 等）的脱卤还原，以及重金属和放射性元素Mn(Ⅳ)、Cr(Ⅵ)和 U(Ⅵ)的还原；此外，胞外呼吸菌（如G. metallireducens）可以利用甲苯等芳烃类物质为电子供体，将其厌氧氧化降解（图2）。

图2　胞外呼吸介导的污染物转化机制（Lovley et al., 2004）

微生物产电技术是胞外呼吸应用研究的热点，其最基本的应用载体就是微生物燃料电池（microbial fuel cell，MFC）装置。MFC 利用胞外产电呼吸原理，以胞外呼吸菌为阳极催化剂，直接将有机物中的化学能转化为清洁电能，同时达到去除污染物的功效。目前，MFC 的应用已经拓展到以下几方面。

1、应用于废水处理。MFC 可以有效降低废水的COD、氨氮等污染物，同时产生清洁电能。

2、将MFC 改造为功能性装置，利用阳极微生物的产电呼吸促进阴极污染物的降解、重金属的去除和生产有价值的工业产品。例如，在阴极室富集氢气、过氧化氢、甲烷、烧碱、丁醇等化学工业产品。

3、应用于海水淡化处理。2009 年，Cao 等改进了MFC 的分隔膜组分，设计出新型的脱盐装置，进一步扩大了MFC 的应用范围。

4、MFC 也是良好的实验工具，可用于研究胞外呼吸菌的生理生态特性、模拟复杂微生物系统的电子流动和验证生态学理论。

目前，胞外呼吸的研究还处于起步阶段，有许多问题尚未解决。今后的研究重点应着眼于以下几点。

1、揭示更多胞外呼吸的电子受体形式。将现有的研究范围扩展到极端环境，以期发现微生物新型底物利用方式和电子受体形式。

2、分离高效胞外呼吸菌。目前报道的胞外呼吸菌的数量只占自然界的极小部分，且电子传递效率普遍不高，限制了其在微生物产电等方面的应用。借助于更完善的微生物分离系统和分子生物学方法，将进一步发现和丰富胞外呼吸的微生物资源。

3、完善胞外电子传递过程的分子学机制，将成为今后研究的热点。目前建立的胞外电子传递链只局限在Shewanella 属和Geobacter 属的铁呼吸过程，完整传递链的组成和细胞色素c 的功能和定位还不完全清楚。运用生物化学、分子生物学和电化学等多学科交叉技术，进一步确定电子传递链必需组分的分子学性质，并将电子传递链的研究扩展到其他胞外呼吸菌和胞外呼吸形式。

4、研究复杂条件下胞外电子的传递过程。不同自然环境下，同种微生物电子传递链的组成和传递机制是否相同、哪种方式是主导机制，不同菌群如何协同完成胞外电子传递，都是有待解决的问题。

5、拓展胞外呼吸的应用范围，并研究其在污染物修复和微生物产电等方面的深层机制。目前，微生物燃料电池的产电效率不高，离实际应用还有很大差距。因而提高MFC 的输出功率是胞外呼吸的研究热点和难点。

本文摘编自周顺桂等编著《微生物胞外呼吸：原理与应用》（北京：科学出版社，责任编辑李秀伟，2016.10），内容略有删节改动。

ISBN：978-7-03-050053-3

《微生物胞外呼吸：原理与应用》由国家科学技术学术著作出版基金与广州市南山自然科学学术交流基金会资助出版。本书图文并茂，内容详实，共 11 章，涵盖内容广泛而自成体系，前三章主要介绍微生物胞外呼吸概论、胞外呼吸菌及其胞外电子传递机制；第四章至第六章分别介绍铁呼吸、腐殖质呼吸以及产电呼吸；第七章至第十章着重介绍利用微生物胞外呼吸原理发展的各项应用技术；第十一章为大家呈现自然界中存在的天然生物地球电池效应。

（本文责编：李文超）

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