基于土壤氧化还原梯度调控阳极电位定向富集产电菌群的策略及其环境生物技术应用

本研究针对自然环境中产电菌(EEB)丰度低、富集困难的问题，通过模拟水稻土氧化还原梯度(-0.28V/0.33V)调控生物电化学系统(BES)阳极电位，成功定向富集了以Geobacter(铁呼吸)和Aeromonas(硝酸盐还原)为主导的功能特异性菌群，为环境生物技术中微生物群落精准调控提供了新范式。

　　

在微生物驱动的地球化学循环中，产电菌(Exoelectrogenic bacteria, EEB)扮演着"生物电路"的关键角色。这类微生物能通过胞外电子传递(Extracellular Electron Transfer, EET)机制，将代谢产生的电子传递给土壤中的金属氧化物或电极，从而驱动碳、氮、铁等元素的循环。然而在自然环境中，EEB就像"隐形的电工"，虽然功能强大但数量稀少——在稻田等湿地生态系统中占比不足1%，这严重限制了其在污染修复、温室气体减排等环境生物技术中的应用。更棘手的是，稻田土壤经历着周期性的淹水-排水过程，形成动态变化的氧化还原梯度，使得EEB群落组成如同"变色龙"般随环境改变，给定向富集带来巨大挑战。

针对这一难题，中国国家自然科学基金资助的研究团队创新性地提出了"环境拟态"富集策略。他们发现，传统生物电化学系统(Bioelectrochemical Systems, BES)富集EEB时，往往忽视土壤原生氧化还原条件与阳极电位的匹配性，导致富集效率低下。就像用同一把钥匙无法打开所有锁，不同氧化状态的土壤需要差异化的电位"钥匙"才能激活特定的EEB群落。这项发表在《Environmental Research》的研究，通过精准调控BES阳极电位模拟稻田土壤典型氧化还原界面，成功实现了功能特异性EEB菌群的定向富集。

研究团队采用多组学联用技术开展攻关：首先通过循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)评估电化学活性；利用高通量测序解析微生物群落结构；结合宏基因组功能注释揭示代谢通路特征。实验设计上，分别以淹水土壤(模拟FeOOH还原的-0.28V)和排水土壤(模拟NO₃^-还原的0.33V)作为接种源，在Ace&Lac&Glu混合碳源条件下运行BES。

Adapting anode potentials to soil redox conditions enhances electrochemical activity
电化学分析显示，-0.28V条件下淹水土壤接种的BES产生4.51 A/m²的高电流密度，比排水土壤高11倍。CV曲线在-0.35V处出现典型氧化峰，对应c型细胞色素的EET过程。

Potential-driven taxonomic divergence in EEB consortia
16S rRNA测序揭示惊人的群落分化：淹水组中Geobacteraceae相对丰度达67.8%，其基因组富含omcS(外膜c型细胞色素)和pilA(导电菌毛)基因；排水组则富集Aeromonas(41.2%)，其代谢基因簇以napA(硝酸盐还原酶)和ccm(细胞色素c合成)为主。

Functional specialization along redox gradients
宏基因组分析表明，-0.28V富集菌群中铁还原相关基因(etfA/frdA)表达量提升8.3倍，而0.33V组narG(硝酸盐还原酶)基因拷贝数增加6.1倍，印证了"电位-功能"耦合规律。

这项研究开创性地建立了氧化还原电位-EEB群落-生态功能的调控三角模型。其科学价值在于：首次证实阳极电位可通过模拟土壤原生电子受体状态，实现EEB功能群的"按需富集"；实践层面，-0.28V富集的Geobacter菌群对Cr(VI)还原效率提升5倍，为重金属污染修复提供了高效菌种资源。更深远的意义在于，该策略可拓展至其他环境介质——通过"环境拟态"电位设计，有望定向培育降解POPs(持久性有机污染物)或减排CH₄的特异性菌群，为"双碳"目标下的微生物组工程提供全新工具。正如研究者所言："当我们学会用微生物的语言——氧化还原电位与之对话，就能精准调动这支看不见的环境修复大军。"