发电细菌的技术鉴定

生活在极端条件下需要创造性的适应。对于一些存在于缺氧环境中的细菌物种来说，这意味着找到一种不涉及氧气的呼吸模式。这些耐寒微生物可以在矿井深处、湖底，甚至人类的肠道中找到。它们形成了一种独特的呼吸形式，包括排泄和提取电子。换句话说，这些微生物实际上可以发电。

科学家和工程师正在探索利用这些微生物发电厂运行燃料电池和净化污水的方法，以及其他用途。然而，确定微生物的电学性质是一个挑战：细胞比哺乳动物细胞小得多，在实验室条件下生长极其困难。

现在麻省理工学院的工程师开发了一种微流体技术，可以快速处理小型细菌样本，并测量与细菌发电能力高度相关的特定属性。他们表示，与现有技术相比，这种被称为极化的特性可以用来以更安全、更有效的方式评估细菌的电化学活性。

麻省理工学院机械工程系博士后Qianru Wang说：“我们的愿景是选择最强大的候选人来完成人类希望细胞完成的理想任务。”

麻省理工学院机械工程副教授卡伦布依补充说：“最近的研究表明，可能有更广泛的细菌，它们具有[发电]特性。”“因此，一种能让你探测到这些生物的工具可能比我们想象的要重要得多。不仅仅是几个微生物能做到这一点。”

布依和王今天在发表了他们的研究成果。

就在青蛙中间。

产电细菌在细胞内产生电子，然后通过表面蛋白质形成的微小通道将这些电子转移到细胞膜上。这个过程被称为细胞外电子转移或EET。

现有的检测细菌电化学活性的技术包括培养大量细胞和测量EET蛋白的活性——这是一个详细而耗时的过程。其他技术需要细胞破碎来纯化和检测蛋白质。Buie寻找一种更快、破坏性更小的方法来评估细菌的电功能。

在过去的10年里，他的团队一直在制造蚀刻有小通道的微流控芯片，微升的细菌样本可以通过这些小通道流动。每个通道都夹在中间，形成沙漏状结构。当向通道施加电压时，被压的部分——比通道的其余部分小约100倍——将挤压电场，使其比周围的场强强100倍。电场的梯度产生了一种叫做介电泳的现象，或者说是一种推动电池抵抗电场引起的运动的力。因此，介电泳可以在不同的施加电压下排斥粒子或使其停留在轨道上，这取决于粒子的表面特性。

包括Buie在内的研究人员使用双向电泳技术，根据细菌的一般属性，如大小和种类，快速对细菌进行分类。这一次，Buie想知道这项技术是否可以消除细菌的电化学活性——一种更微妙的特性。

“基本上，人们正在使用介电泳来分离不同于鸟类的细菌，如青蛙和鸟类，而我们试图区分青蛙兄弟姐妹-较小的差异，”王说。

电相关

在他们的新研究中，研究人员使用他们的微流体设置来比较各种细菌菌株，每种菌株都具有不同的已知电化学活性。这些菌株包括在微生物燃料电池中积极发电的“野生型”或天然细菌菌株，以及研究人员基因改造的几种菌株。总的来说，这个团队的目的是确定在介电泳下，细菌的电能与其在微流控器件中的性能之间是否存在相关性。

研究小组将每种细菌菌株的非常小的微升样本通过沙漏形的微流体通道，并通过通道将电压(每秒1伏)从0伏慢慢增加到80伏。通过一种叫做粒子图像测速的成像技术，他们观察到产生的电场推动细菌细胞通过通道，直到它们接近压缩的部分，其中更强的区域推动细菌通过介电泳，并将其捕获到位。

一些细菌在较低的电压下被捕获，而另一些细菌在较高的电压下被捕获。王注意到了每个细菌细胞的“俘获电压”，测量了它们的细胞大小，然后通过计算机模拟计算出细胞极化率——细胞在外电场作用下形成电偶极有多容易。

根据她的计算，王发现电化学活性较高的细菌往往具有较高的极化率。她观察了这个组中测试的所有细菌种类的相关性。

“我们有必要的证据表明，极化率和电化学活性之间有很强的相关性，”王说。“事实上，极化率可能是一种我们可以用来选择具有高电化学活性的微生物的试剂。”

王说，至少对于他们测量的应变，研究人员可以通过测量他们的极化率来测量他们的电力生产——这个小组可以使用他们的微流体技术轻松，有效和非破坏性地跟踪它。

该团队的合作者目前正在使用这种方法测试新的细菌菌株，这些菌株最近被确定为潜在的电力生产者。

“如果相同的相关趋势代表那些较新的菌株，那么这项技术可以更广泛地用于清洁能源生产、生物修复和生物燃料生产，”王说。

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