《Biotechnology Advances》：Nano-bio interfaces as regulators of bacterial electron metabolism: from extracellular electron transfer to community-scale electron networks
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•在电子代谢框架下对纳米-生物界面进行了综述。•纳米材料被分类为电子阱、电子中继和电子缓冲。•提出了耦合-劫持窗口，用于机制归属分析。引言纳米材料与细菌相互作用的研究长期以来一直由抗菌效能这一终点所主导。大多数研究聚焦于材料如何通过活性氧（ROS）的产生、光热加热、膜破坏、金
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在电子代谢框架下对纳米-生物界面进行了综述。
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纳米材料被分类为电子阱、电子中继和电子缓冲。
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提出了耦合-劫持窗口，用于机制归属分析。
引言
纳米材料与细菌相互作用的研究长期以来一直由抗菌效能这一终点所主导。大多数研究聚焦于材料如何通过活性氧（ROS）的产生、光热加热、膜破坏、金属离子释放或综合理化应力来杀灭或抑制细菌（Chaturvedi and Ranjan, 2025; Elbehiry and Abalkhail, 2025; Guo et al., 2023; Liao et al., 2025; Parvin et al., 2025）。这种以抗菌为中心的视角在开发抗感染材料方面极具成效，但它也倾向于将细菌视为材料诱导损伤的被动靶标。来自生物电化学系统、微生物矿物呼吸、导电生物膜以及宿主相关细菌的最新证据表明了一幅更为复杂的图景：在非致死或亚致死条件下，纳米-生物界面可能不仅会损伤细菌，还会改变细菌产生、传递、耗散和储存电子的方式（Bird et al., 2019; Gralnick and Bond, 2023）。已有综述从不同角度讨论了胞外电子传递（EET）、导电材料、抗菌纳米材料或生物电化学界面（Zhang et al., 2018）。然而，现有证据仍然分散在不同的细菌物种、材料系统及应用背景中。这种碎片化在很大程度上掩盖了一个更为根本的问题：纳米-生物界面如何重新配置细菌的电子流与能量流？
这个问题之所以重要，是因为细菌本质上是一个持续产生、分配和耗散电子的氧化还原系统（Nealson and Saffarini, 1994; Shi et al., 2016）。糖酵解、三羧酸循环以及多样化的分解代谢途径持续产生还原当量，如NADH和FADH2（Sauer, 2006）。这些电子必须及时通过呼吸链、发酵分支或胞外电子传递途径加以耗散，以维持胞内NADH/NAD+稳态、质子动力势（PMF）及ATP的合成（Mishra et al., 2026）。如果电子无法有效输出或循环，细胞可能经历还原压力升高、碳通量再分配失衡、呼吸效率受损甚至代谢停滞（Bouranis and Tfaily, 2024; Farhana et al., 2010）。因此，细菌代谢不应仅被理解为底物的消耗或生长的产出，而应被视为电子生成、界面传递与电子耗散之间的一种动态平衡。
这一观点得到了大量生物学证据的支持。经典的大肠杆菌代谢研究表明，胞内NADH/NAD+比值随外部电子受体的类型和氧化还原能力而系统性变化，且电子受体条件的改变可以将丙酮酸代谢在发酵与氧化分支之间重新导向（De Graef et al., 1999）。在经典的电活性细菌如希瓦氏菌和地杆菌中，胞内代谢产生的电子可通过醌池、周质电子载体、外膜多血红素细胞色素、黄素介体、导电菌毛或跨外膜电子输出模块，传递至不溶性矿物或电极（Liu et al., 2024; Liu et al., 2014; Shi et al., 2007）。更重要的是，胞外电子耗散并不局限于经典的革兰氏阴性产电菌。例如，植物乳杆菌中的胞外电子传递可提高NAD+/NADH比值和ATP水平，同时增强发酵通量与生物量积累（Tejedor-Sanz et al., 2022）；粪肠球菌可利用基质结合的铁以支持生物膜能量代谢（Keogh et al., 2018），而单核细胞增生李斯特菌则拥有基于黄素或与介体相关的EET途径（Light et al., 2018）。在近期研究中，表皮葡萄球菌的产电活性已与甘油发酵及增强的环境耐受性联系起来（Balasubramaniam et al., 2020）。这些发现表明，胞外电子耗散是一种更为广泛的细菌能量策略，可在合适的界面条件下被激活或重塑。
纳米材料之所以能独特地干预这一过程，是因为它们可以改变胞外电子流的可及性、电阻、方向以及时空结构（Zhang et al., 2018）。然而，电子传递的增强本身并不必然意味着代谢获益，这种电子交换是否促进细菌代谢，取决于它是否与细菌的能量流（如NADH再氧化、NAD+再生、ATP合成、膜电位维持以及富有成效的碳通量再分配）保持功能性耦合。相反，当材料诱导的电子提取破坏了呼吸链的耦合、导致ATP合成崩溃、 destabilize PMF 或加剧ROS损伤时，同一电子流的增加可能代表的是一种电子劫持，而非有益的代谢调控。
在此背景下，本综述提出了一种功能性框架，用于理解纳米-生物界面对细菌电子代谢的调控。首先，我们根据纳米材料在细菌电子流网络中的位置，将其分类为电子阱、电子中继和电子缓冲。这种分类主要并非基于材料的组成、尺寸或导电性，而是基于材料是否重定向电子归宿、降低界面传递阻力，或可逆地储存和释放电子。其次，我们根据增强的界面电子通量是否转化为储存的生物能，或是否被导向非生产性电子流失与细胞损伤，来区分有益耦合、电子劫持以及未耦合的灰色区域状态。第三，我们将这一框架从单细胞EET扩展到胞外聚合物（EPS）、生物膜氧化还原导电、直接种间电子传递（DIET）以及群落尺度的电子网络。通过围绕电子流功能与能量耦合状态重新组织纳米颗粒与细菌的相互作用，本综述旨在为设计抗菌界面、调控生物膜、工程化微生物代谢、开发氧化还原可读的生物传感器以及调节微生物组层面的电子网络提供概念基础。
章节摘要
纳米-生物界面门控：电子耗散、氧化还原稳态与代谢重编程
在本综述提出的框架中，细菌代谢被视为电子生成、界面传递与电子耗散的一体化系统。电子生成臂主要对应于中央碳代谢及相关氧化还原反应中还原当量的形成，包括糖酵解（Wolfe, 2015）、三羧酸循环（Mailloux et al., 2007），以及由多种脱氢酶催化产生的NADH和FADH2
结论与展望
本综述并非旨在简单罗列纳米颗粒如何影响细菌代谢。相反，它提出了一种统一的叙述框架：细菌是电子产生与耗散的系统；纳米颗粒可作为电子阱、电子中继和电子缓冲发挥作用；纳米-生物界面则充当门控层，决定电子通量、传递阻力与耦合效率。在此框架下，呼吸作用增强、产电量增加、NADH/NAD+
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
葛成才|黄春明|张宇
