纤维素驱动的白蚁肠道微生物胞外电子传递

《Applied and Environmental Microbiology》：Cellulose-fueled extracellular electron transfer in termite gut microbes

　　

白蚁通过其肠道微生物的纤维素分解代谢，每年分解数十亿吨的木质纤维素材料。然而，纤维素降解驱动肠道微生物组厌氧代谢的机制仍知之甚少。在此，研究人员证明了在白蚁肠道来源的革兰氏阳性纤维素分解细菌 *Ruminiclostridium cellobioparum* subsp. *termitidis* CT1112 以及白蚁肠道微生物组中，存在纤维素驱动的胞外电子传递（EET）。在恒电位条件下，CT1112 细胞以纤维素或纤维二糖作为电子供体时产生电流。此活性强烈依赖于自分泌的氧化还原介体。当稳定期 CT1112 细胞形成增厚的多层细胞壁时，EET 显著受损，降低了外源添加的氧化还原介体（如核黄素）和小型氧化还原活性分子（如二氨基联苯胺）的可及性。作为概念验证，在白蚁肠道微生物组中也观察到纤维素的电流产生，同时伴随着 *Bacillota*、*Bacteroidota* 和 *Pseudomonadota* 相对丰度的增加。这些结果支持了白蚁肠道中存在具备EET能力的细菌，并表明EET有助于肠道内陡峭氧化还原梯度中的氧化还原平衡。本研究扩展了EET在碳循环中的环境相关性，并突出了白蚁来源的微生物组作为生物电化学应用（包括纤维素分解微生物燃料电池）的潜力平台。

论文解读：纤维素驱动的胞外电子传递在白蚁肠道微生物中的机制与生态意义

**研究背景与问题**
白蚁作为自然界最高效的纤维素降解者之一，每年分解3至7亿吨木质纤维素材料，是全球碳循环的重要驱动力。其高效的纤维素降解能力主要归功于高度特化的肠道微生物组，这些微生物产生多种纤维素酶，将纤维素水解为可溶性寡糖和单糖（如纤维二糖和葡萄糖），进而通过糖酵解和发酵途径代谢。然而，这一过程中产生的过量还原当量（如NADH）必须被重新氧化以再生氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺），维持微生物代谢的持续进行。在厌氧条件下，许多环境微生物通过胞外电子传递（EET）将代谢产生的多余电子转移至胞外电子受体。但纤维素降解过程中是否及如何发生EET仍不清楚。白蚁肠道内存在陡峭的空间氧化还原梯度，从肠腔内的还原性环境（约-200 mV）到肠壁附近的氧化性环境（约+200 mV），这种电化学异质性为EET提供了强大的热力学驱动力，可能促进微生物间的电互养和氧化还原稳态维持。然而，目前对纤维素降解与胞外电子传递之间耦合机制的理解极为有限。

**研究内容与结论**
研究人员以白蚁肠道来源的革兰氏阳性纤维素分解细菌 *Ruminiclostridium cellobioparum* subsp. *termitidis* CT1112 及日本地下白蚁 *Reticulitermes speratus* 的肠道微生物组为对象，系统研究了纤维素驱动的EET能力及机制。研究发现，CT1112细胞在指数生长期能以纤维素、羧甲基纤维素（CMC）或纤维二糖为电子供体，在恒电位（+0.4 V vs SHE）条件下产生阳极电流，其中纤维二糖支持的电流密度最高。循环伏安法显示存在与纤维素代谢相关的氧化还原活性组分，且其氧化还原中点电位随底物变化。进一步研究表明，EET显著提高了细胞内NAD⁺/NADH比率（从约1.6升至约3.2），表明EET有助于氧化还原平衡。通过上清液交换实验和核黄素（RF）及黄素单核苷酸（FMN）添加实验，研究人员证实EET依赖于自分泌的可溶性氧化还原介体，而非直接接触机制。值得注意的是，稳定期CT1112细胞因细胞壁增厚、多层化，导致外源介体和小分子（如二氨基联苯胺，DAB）扩散受阻，EET能力显著下降。这一发现揭示了细胞壁渗透性对革兰氏阳性菌EET的关键调控作用。此外，在白蚁肠道微生物组中，研究人员也观察到纤维素驱动的电流产生，并伴随 *Bacillota*、*Bacteroidota* 和 *Pseudomonadota* 相对丰度的显著增加，表明EET是肠道微生物群落的共性特征。

**技术方法概述**
研究主要采用电化学分析方法，包括恒电位计时电流法、循环伏安法和上清液交换实验，以定量评估EET活性。样本来源包括DSMZ获得的纯菌株CT1112（培养于含纤维二糖的培养基）和从日本和歌山县采集的 *Reticulitermes speratus* 肠道微生物（在厌氧条件下解剖并均质化）。此外，通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）观察细胞壁结构和电极表面附着情况；利用NAD⁺/NADH-Glo试剂盒测定细胞内氧化还原状态；通过16S rRNA基因扩增子测序分析肠道微生物组组成变化。

**研究结果**
1. **CT1112的纤维素驱动EET能力**：电化学实验显示，CT1112在指数生长期能利用纤维素、CMC和纤维二糖产生电流，其中纤维二糖效率最高。循环伏安法检测到与代谢相关的氧化还原峰，且NAD⁺/NADH比率在EET条件下显著升高，表明电子流向胞外转移。
2. **自分泌氧化还原介体的作用**：上清液交换实验表明，去除含介体的上清液后电流骤降，但恢复后电流可回升至80%，证明EET依赖可溶性、自分泌的氧化还原穿梭体。RF和FMN添加实验进一步证实外源黄素能促进EET，但内源介体的氧化还原电位与黄素不同，提示其为新型介体。
3. **细胞壁渗透性对EET的限制**：稳定期细胞因细胞壁增厚（TEM显示多层结构），对DAB和RF的渗透性降低，EET活性几乎丧失。这一现象首次在纤维素分解菌中报道，表明革兰氏阳性菌的细胞壁结构可成为EET的物理屏障。
4. **白蚁肠道微生物组的EET**：在含微晶纤维素的反应器中，肠道微生物组在3天内产生超过0.36 μA的电流，持续26天。循环伏安法显示氧化还原峰，且群落组成显著变化，*Bacillota*、*Bacteroidota* 和 *Pseudomonadota* 相对丰度上升，SEM观察到细胞电极附着和丝状结构。

**讨论与结论**
研究证实了纤维素驱动的EET在单菌和微生物群落水平上均存在，扩展了EET在碳循环中的生态作用。机制上，自分泌介体和细胞壁渗透性是关键调控因素，这为理解革兰氏阳性菌的EET机制提供了新视角。白蚁肠道内的氧化还原梯度可能促进EET介导的种间电子传递和氧化还原稳态。尽管电流密度低于已报道的纤维素燃料电池，但优化电极界面和操作条件可提升性能。研究还提出EET可能参与肠道内铁(III)矿物还原和种间电子互养，未来需通过蛋白质组学和电化学表征验证直接EET途径。总之，本研究不仅揭示了白蚁肠道微生物的电子传递新机制，还为开发基于纤维素的生物电化学系统提供了理论基础和潜在平台。