會「放電」的細菌！微生物另類呼吸術開啟永續能源契機
說到「呼吸」，直覺想到吸進氧氣、吐出二氧化碳，但對某些細菌，呼吸定義可能大大不同，不靠氧氣維生，甚至還靠「吐出電流」獲取能量。近日美國萊斯大學（Rice University）發現，某些細菌的特殊機制，能在缺氧環境「呼吸」並產生電流，不僅解答學界長久謎團，也為潔淨能源之發展開啟新大門。論文 4 月刊登於《細胞》（Cell）期刊。
細菌不靠氧氣也能活
一般生物分解食物取得能量過程，最終需「電子接受者」才能完成整套代謝鏈。人類而言，電子接受者通常是氧氣。但某些細菌歷史遠比氧氣出現地球的時間還更早，地球還是缺氧環境時代就出現，並演化出不依賴氧氣的生存機制，故它們即使現在極端缺氧環境如海底火山口、泥沼，甚至人類腸道，依然能繁衍生存。
這次研究主要針對能在人體腸道存活的大腸桿菌（Escherichia coli），團隊發現這些細菌會運用天然化合物「萘醌類」（naphthoquinones），將菌體多餘電子轉到細胞外，稱之為「胞外呼吸作用」（extracellular respiration）。
萘醌分子：細菌的電流快遞
主要作者萊斯大學博士生比奇‧巴比‧昆杜（Biki Bapi Kundu）表示：「我們發現這種機制很簡單卻巧妙，萘醌分子就像微小快遞員，能把電子從細菌內運至外部，幫助細菌持續代謝並產生能量。」萊斯大學團隊成功揭開謎團，這種「吐電呼吸」可能十分普遍，不僅改寫科學界對細菌呼吸方式的理解，也為微生物如何適應極端環境提供新線索。
微小細菌發電機
萊斯團隊還與加州大學聖地牙哥分校（University of California, San Diego）合作，用電腦模擬細菌在完全缺氧但有導電表面的環境如何生長。結果顯示，細菌確實能靠「吐電」生存。後續實驗還證實，當細菌附著導電材料，即使沒有氧氣，也能持續成長並產生微弱電流。這些微小細菌如天然微型發電機，只要給予養分和導體就能發電。
發電細菌的永續應用潛力
會發電的細菌可對環保、永續能源等技術有深遠影響。污水處理或生物製造等工作，若能有效管理微生物「電子平衡」問題，效率與穩定性可大幅提升。也能發展出細菌驅動系統，直接將二氧化碳轉成有用有機物，就像植物光合作用吸收太陽能。不同的是，這次驅動的力量不是陽光，而是「電」。
主要作者之一阿喬─法蘭克林（ Ajo-Franklin）教授表示：「我們研究將為人類勾勒出更智慧且永續的未來能源。」原來微生物世界依舊充滿許多驚喜，這次發現再次提醒人們：即使是科學家最熟悉的大腸桿菌，也有許多「密技」尚待發掘。
（首圖為大腸桿菌，來源：shutterstock）