电缆细菌传导质子超过100微米，暗示生物电子潜力

美国海军研究实验室和丹麦奥胡斯大学的研究人员已经证实，沿着丝状脱硫杆菌科（通常被称为电缆细菌），质子电导率超过100微米。这些发现为微生物质子传输机制和生物电子学应用的开放途径提供了见解

沉积物中的电导管使微生物能够在厘米级距离内传输电子。观察表明，电缆细菌可以通过将硫的氧化与氧的还原相结合来驱动沉积物中的局部化学变化，从而改变pH梯度

记录的影响包括深层酸化和沉积物-水界面附近的碱性条件。这种局部活动是否会转化为更广泛的环境影响尚不清楚。对这些机制的深入了解可能有助于更广泛地研究微生物交流和生物修复装置设计，从而更好地掌握沉积环境中的自然能量流动

质子导电性已在多种生物材料中得到观察。测量细菌细胞外部的质子电导率仍然难以实现，因为放置在质子体（电极的质子携带等效物）上的细菌往往表现出较差和不一致的接触

在试图构建基于生物的计算的应用中，传统的半导体处理技术遇到了生物材料对高温、有机溶剂、高真空和紫外线辐射敏感性的限制

在发表在《美国国家科学院院刊》上的研究中，“水合电缆细菌在长距离上表现出质子传导性”，研究人员实施了一种改进的转移打印技术来测量质子传导性，解决了细菌细胞脆弱性和电极接触不一致等挑战

钯叉指型质子体和其他电极粘附在非活性电缆细菌样本上。测量是在温度和湿度受控的条件下进行的

涉及氘气（D2）的测试表明，其电导率降低，这支持了通过Grotthuss机制进行质子传输的作用

这一过程依赖于水分子中氢键的交换，在细菌表面形成连续的质子通路，质子通过水分子（H2O）和水合氢离子（H3O+）之间形成的氢键网络跳跃

定制的具有线性扫描伏安法的环境室可以精确调节相对湿度（RH），加湿的氢气（H2）为电导率测试提供质子。为了区分质子导电性和电子导电性，使用金电极（阻断质子流）作为对照

结果证实，质子电导率随湿度水平而变化，在60%至80%相对湿度之间增加了26倍。电导率在70%相对湿度和25°C下达到114±28µS cm-1的峰值，支持了质子通过Grotthuss机制通过与水相关的质子线进行输运的假设

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与Microcleus等非导电丝状细菌的比较研究证实，观察到的电导率是电缆细菌固有的，而不是水单独形成连续的Grotthuss机制支架的结果

研究人员还评估了细菌表面和电极之间的接触电阻和电阻率。虽然电缆细菌的质子电导率低于合成微丝，但研究结果揭示了生物电子学中微生物界面的潜力

虽然质子传导性在电缆细菌中的进化或生态意义及其在种间相互作用中的潜在作用尚未完全确定，但作者认为质子传导性可能会影响微生物相互作用和环境质子运输。这些发现为未来对微生物群落中电缆细菌的研究奠定了基础 More information: Bradley G. Lusk et al, Hydrated cable bacteria exhibit protonic conductivity over long distances, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2416008122

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences