加強(qiáng)電微生物學(xué)研究持續(xù)利用海岸帶新型微生物資源*

中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 煙臺(tái) 264003

加強(qiáng)電微生物學(xué)研究持續(xù)利用海岸帶新型微生物資源*

劉芳華 楊翠云 肖雷雷

中國科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所 煙臺(tái) 264003

海岸帶生物資源的開發(fā)利用，尤其是新型微生物戰(zhàn)略資源的可持續(xù)利用，是我國生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，也是我國海岸帶經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵支撐。文章簡要評述了電微生物學(xué)學(xué)科的發(fā)展態(tài)勢和前沿科學(xué)問題，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。文章提出海岸帶可持續(xù)發(fā)展需要多學(xué)科的協(xié)同發(fā)展，需要加強(qiáng)復(fù)合型人才的培養(yǎng)及國際合作，在應(yīng)用層面加強(qiáng)與政府和企業(yè)的合作，在基礎(chǔ)研究層面部署重點(diǎn)研究項(xiàng)目，組織國家/國際層面的大型科學(xué)研究計(jì)劃，甚至需要建設(shè)以“海岸科學(xué)”為核心的多學(xué)科交叉研究中心。加強(qiáng)電微生物學(xué)的研究，有助于利用新型微生物戰(zhàn)略資源，有助于我國海岸帶經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有助于生態(tài)文明建設(shè)。

海岸帶生態(tài)文明，海岸帶資源持續(xù)利用，新型微生物戰(zhàn)略資源，電微生物學(xué)，可持續(xù)發(fā)展

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2016.10.013

黨的“十八大” 明確提出我國要“大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)”，生態(tài)文明建設(shè)是中國特色社會(huì)主義事業(yè)的重要內(nèi)容，關(guān)系人民福祉，關(guān)涉民族未來，關(guān)乎“兩個(gè)一百年”奮斗目標(biāo)和中華民族偉大復(fù)興中國夢的實(shí)現(xiàn)。生態(tài)文明建設(shè)的一項(xiàng)重要任務(wù)是要提高可持續(xù)發(fā)展能力，這是合理適度開發(fā)利用海岸帶資源和綜合管控海岸帶環(huán)境安全的基礎(chǔ)和保障。

然而，隨著我國沿海開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，特別是人工圍墾的快速發(fā)展，典型的海岸帶生境正在或已經(jīng)遭受嚴(yán)重破壞，海岸帶生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)健康正在承受巨大壓力。陸源污染、海水入侵、海岸侵蝕等范圍和強(qiáng)度都在不斷增大，海岸帶生物資源的分布格局已經(jīng)或者正在發(fā)生顯著改變，不僅影響農(nóng)業(yè)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，難以支撐生物工業(yè)等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，同時(shí)給生態(tài)系統(tǒng)健康帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，影響作為藍(lán)色經(jīng)濟(jì)重要支撐的海岸帶環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。因此在海岸帶高強(qiáng)度人類活動(dòng)與全球氣候變化的背景下，可持續(xù)利用能夠改善和修復(fù)海岸帶環(huán)境的新型微生物戰(zhàn)略資源不僅是重大的科學(xué)問題，也是迫切的國家需求。

電微生物（Electricigens）正是這樣一類新型的微生物戰(zhàn)略資源。該類微生物具有在厭氧條件下進(jìn)行胞外呼吸的能力，因而能夠在有效回收能源（如電能、甲烷和氫氣）和資源的同時(shí)進(jìn)行廢水處理、環(huán)境污染修復(fù)等。電微生物學(xué)（Electromicrobiology）是以電微生物為研究對象的新興學(xué)科，是麻省大學(xué) Amherst 分校 Derek Lovley 教授于 2012年在 Annual Review of Microbiology 上提出的新興交叉學(xué)科名詞[1]，該學(xué)科自誕生的一刻起，就備受全球眾多精英科學(xué)家們的矚目，目前正在國際范圍內(nèi)迅猛發(fā)展。本文在結(jié)合國內(nèi)外電微生物學(xué)研究的基礎(chǔ)上，從電微生物學(xué)定義、海岸帶電微生物學(xué)研究與生物資源利用、國內(nèi)外電微生物學(xué)研究發(fā)展態(tài)勢、加強(qiáng)我國海岸帶電微生物資源研究與開發(fā)的對策建議 4 個(gè)方面闡述國內(nèi)外電微生物學(xué)的研究進(jìn)展及在海岸帶區(qū)域開展相關(guān)研究的必要性，以促進(jìn)我國電微生物學(xué)的快速發(fā)展。

1 電微生物學(xué)的定義、內(nèi)涵及意義

“電微生物學(xué)”是以電微生物為研究對象的新興學(xué)科，是微生物學(xué)與電化學(xué)的交叉學(xué)科，研究內(nèi)容涵蓋生命科學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)和工程與材料科學(xué)，其核心任務(wù)是揭示微生物的胞外電子傳遞機(jī)制，探討其在環(huán)境保護(hù)、污染治理和新能源開發(fā)等可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用前景。近年來，越來越多的電微生物被發(fā)現(xiàn)，涵蓋真核微生物和原核微生物，不僅包括細(xì)菌，也包括古菌。目前已報(bào)道的電微生物大部分都是細(xì)菌，分布于變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）、 酸桿菌門（Acidobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）。電微生物主要集中在變形菌門的不同亞門，具有不同的產(chǎn)電性能。主要代表菌株為γ-變形菌門的希瓦氏菌（Shewanella sp.）和δ-變形菌門的地桿菌（Geobacter sp.），它們都屬于異化鐵還原菌[2,3]。

電微生物的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell, MFC）技術(shù)和微生物電合成（Microbial Electrosynthesis, ME）技術(shù)的產(chǎn)生，從而使產(chǎn)電微生物具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和前景。微生物燃料電池技術(shù)是以微生物充當(dāng)催化劑，將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。產(chǎn)電微生物在陽極室發(fā)生產(chǎn)電呼吸，厭氧條件下分解有機(jī)物產(chǎn)生二氧化碳，將電子傳遞到陽極，再經(jīng)外電路傳遞給陰極電子受體。該技術(shù)不僅可以應(yīng)用于污染物環(huán)境修復(fù)[4]、重金屬降解[5,6]、有機(jī)廢水處理[7,8]、生物傳感器等[9]，還能產(chǎn)生電能。微生物電合成技術(shù)（圖 1）, 是基于電微生物學(xué)領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)開發(fā)出來的模擬半人工光合作用的新技術(shù)。其基本原理是電微生物通過電極直接獲得由太陽能產(chǎn)生的（光）電子，還原二氧化碳產(chǎn)生乙酸、甲酸甚至丁醇等具有高附加值的生物化工或者能源物質(zhì)等[10-13]。

圖1 微生物電合成技術(shù)示意圖

2 海岸帶電微生物學(xué)研究與生物資源利用

海岸帶是海陸的交接帶和過渡帶，是復(fù)合與交叉的地理單元， 具有資源豐富、區(qū)位優(yōu)勢明顯、生態(tài)脆弱、災(zāi)害較多的特征。海岸帶因陸海兩類經(jīng)濟(jì)匯聚，生產(chǎn)力內(nèi)外雙向輻射成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的“黃金地帶”，成為人類活動(dòng)最活躍和最集中的地域。目前，全世界有近 60% 的人口生活在僅占地球陸地面積 10% 的海岸帶區(qū)域。然而，隨著人口的大量增加和城市化進(jìn)程的不斷加快，海岸帶正面臨著全球氣候變化、海平面上升、區(qū)域生態(tài)環(huán)境破壞、生物多樣性減少、污染加重、漁業(yè)資源退化等巨大壓力，嚴(yán)重影響了海岸帶的可持續(xù)發(fā)展。海岸帶生物資源的可持續(xù)發(fā)展利用對促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)有著非常重要的意義。

傳統(tǒng)的微生物資源利用是開發(fā)微生物豐富的次生代謝產(chǎn)物，使其在最終解決威脅人類健康的許多重大疾病，如惡性腫瘤、糖尿病、艾滋病等方面具有重要的意義。丹麥奧爾胡思大學(xué)的 Nielsen 團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，在海洋底泥的厭氧環(huán)境中生存的 Desulfobulbaceae 科新種細(xì)菌能夠排成一排連接厭氧區(qū)和有氧區(qū)，讓厭氧區(qū)的細(xì)菌可以抽取硫化氫里的電子傳到有氧區(qū)交給氧氣，從而形成“海底電纜”[14,15]。這是產(chǎn)電菌在海洋存在的最直接證據(jù)，從而使產(chǎn)電微生物作為一種新型的戰(zhàn)略資源在海岸帶地區(qū)具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。雖然目前有關(guān)海岸帶區(qū)域電微生物的研究還很少，但人們已逐漸認(rèn)識(shí)到電微生物在海岸帶地區(qū)生物地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)、生物能源與環(huán)境污染修復(fù)、生物膜腐蝕防控等多個(gè)方面的重要應(yīng)用前景。

在物質(zhì)循環(huán)方面，人們認(rèn)識(shí)到濱海生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要延伸，是海岸帶區(qū)域的重要組成部分，是連接陸地和海洋兩大碳庫的關(guān)鍵部位。濱海生態(tài)系統(tǒng)分布于河口、潮灘及濱海濕地，具有典型的原生性、脆弱性、稀有性，還具有獨(dú)特的海陸兩種屬性，是與人類活動(dòng)相互作用最頻繁、最活躍的生態(tài)過渡帶[16]。濱海河流沿河道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，不僅受沿途地區(qū)地貌特征及人為因素等環(huán)境的影響，同時(shí)也受到海洋及陸海相互作用的影響。濱海河流及其沉積物具備好氧區(qū)、厭氧區(qū)及好氧-厭氧交替區(qū)域，因而發(fā)生微生物參與的氧化還原過程極為頻繁。濱海河流中微生物組成相應(yīng)的功能菌群，如氧呼吸菌、硝酸鹽還原菌、硫酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷古菌、氨氧化菌、鐵還原菌等，利用多種電子受體（O2、NO3-、Fe(III)、SO4

2-和 CO2）進(jìn)行呼吸作用，同時(shí)在污染物的降解過程中起到重要作用，使濱海河流具有較好的自凈和承受污染的能力。濱海濕地由于同時(shí)受到陸地和海洋及其相互作用的影響，反復(fù)經(jīng)歷淹沒-泄水過程，同時(shí)具備好氧和厭氧及其有規(guī)律交替的環(huán)境，因而有關(guān)電微生物驅(qū)動(dòng)的碳、鐵、硫等生源要素的氧化還原反應(yīng)及其耦合循環(huán)過程中電微生物胞外電子傳遞機(jī)制的研究有重要意義，同時(shí)其發(fā)生的元素循環(huán)在全球氣候變化過程中起著舉足輕重的作用。

海底沉積物微生物燃料電池是電微生物在海洋及海岸帶地區(qū)的重要應(yīng)用體現(xiàn)。將陽極埋在海底沉積物中，陰極放置于接近沉積物的上覆海水中，海底沉積物中豐富的有機(jī)質(zhì)作為電池燃料，海水中的溶解氧作為氧化劑，加之海底沉積物中的微生物在電流輸出中起生物催化作用[17-19]，再通過外電路連接陰陽兩極構(gòu)建電池裝置可以獲得低水平的電能。但由于這種海底沉積物微生物燃料電池具有免維護(hù)、連續(xù)供應(yīng)、底物豐富、內(nèi)阻低、環(huán)境友好和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而有望作為一種能源裝置用于海域工作的低功率溫度、鹽度、濕度等環(huán)境監(jiān)測儀器。雖然目前還未實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但受到越來越多的關(guān)注。根據(jù)海底沉積物微生物燃料電池原理，人們構(gòu)建了各種底泥、活性污泥等微生物燃料電池，在產(chǎn)生電能的同時(shí)，降解有機(jī)污染物起到環(huán)境污染修復(fù)作用。

在生物膜研究方面，人們通常認(rèn)為浸入海水中的海洋人工設(shè)施表面由于微生物附著形成的生物膜給海洋人工設(shè)施等帶來污損、腐蝕等嚴(yán)重危害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。但電活性生物膜，即生物膜能夠接收電子或產(chǎn)生電子的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)到，若能充分利用電活性生物膜則其積極的影響要遠(yuǎn)大于消極作用，并且目前大部分電活性細(xì)菌都來源于海水、海洋環(huán)境以及廢水中[20]。Mansfeld 和 Nagiub[21]首次提出“使用再生生物膜進(jìn)行腐蝕控制的概念和理論”，即使用再生細(xì)菌控制腐蝕。某些細(xì)菌的存在會(huì)在金屬表面形成生物膜，其產(chǎn)生的代謝物可能是腐蝕抑制劑，使金屬表面腐蝕電位變?yōu)橐种聘g，從而使電活性生物膜在海洋腐蝕防控方面具有巨大的應(yīng)用前景。

海岸帶的電微生物其他應(yīng)用方面還包括土壤或地下水污染原位修復(fù)，以海洋底泥微生物原料電池方式進(jìn)行海洋石油污染降解、探究海洋生物地球化學(xué)過程等。由此可見，MFC 研究在越來越多的方向上具有不可低估的作用，電微生物作為一種獨(dú)特的海岸帶戰(zhàn)略生物資源具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 國內(nèi)外電微生物學(xué)研究發(fā)展態(tài)勢

為了進(jìn)一步了解電微生物學(xué)研究的發(fā)展態(tài)勢，文章基于 Web of Science 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了檢索分析（圖 2）。由圖可見，自1987 年第一株具有胞外電子傳遞能力的電微生物 Geobacter metallireducens 在 Nature 雜志上被報(bào)道以來，該領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量穩(wěn)步上升。尤其在 1987—2006 年的 20 年積累基礎(chǔ)之上，2007—2011 的 5 年，論文數(shù)量呈現(xiàn)加速增長的態(tài)勢，且在隨后 5 年繼續(xù)快速增加，該數(shù)據(jù)是近 10 年來電微生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域迅猛發(fā)展的有力證明。

為了解這些搜索到的論文中出版物種類的分布情況，對其進(jìn)行了進(jìn)一步分析。結(jié)果顯示，其中有大量論文是發(fā)表在最有影響力的頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上（圖 3），如 Nature 11 篇，Science 10 篇，PNAS 17 篇，Nature 子刊 20 篇，除此以外，還有數(shù)十篇量級(jí)的文章是發(fā)表在頂級(jí)專業(yè)期刊上，如 Energy & Environmental Science (33)、ISME Journal (22)、Environmental Microbiology (24)和 Applied and Environmental Microbiology (86)。由此可見，電微生物學(xué)領(lǐng)域的研究是炙手可熱的研究熱點(diǎn)，已經(jīng)受到全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注和重視。

圖2 電微生物學(xué)領(lǐng)域論文數(shù)量隨著年份的變化情況

圖3 電微生物領(lǐng)域論文在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊中的分布

為了揭示我國對電微生物學(xué)發(fā)展的貢獻(xiàn)，本文對上述論文按照不同國家進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖 4）。從各個(gè)國家發(fā)表的論文數(shù)量來看，美國占據(jù)絕對優(yōu)勢。我國在被調(diào)查的 12 個(gè)科研實(shí)力較強(qiáng)的國家中位居次席，說明我國已經(jīng)具有一定的研究實(shí)力，但與美國差距較大，論文數(shù)量不及美國的一半。

4 加強(qiáng)我國海岸帶電微生物資源研究與開發(fā)的對策建議

圖4 不同國家在電微生物領(lǐng)域論文數(shù)量比較

我國海域遼闊，從南到北跨越熱帶、亞熱帶和溫帶 3個(gè)氣候帶，海岸線全長超過 32 000 公里，其中大陸岸線長超過 1.8 萬公里，鄰接大陸的渤海、黃海、東海、南海水域面積達(dá) 470 多萬平方公里，沿岸入海的河流主要有鴨綠江、遼河、海河、黃河、淮河、長江、錢塘江、閩江、珠江等江河[22]。我國復(fù)雜寬闊的大陸架、豐富的海岸帶地貌使海岸帶區(qū)域成為海洋生物資源較為豐富的地區(qū)之一，也是人類生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要場所，特殊的環(huán)境也為電微生物資源的開發(fā)提供了良好的基地。

2016 年新年伊始，Science 上的評述文章就以“A new diet for methane oxidizers”為題[23]，對發(fā)表的兩篇 Nature 和一篇 Science 上的最新研究成果進(jìn)行了點(diǎn)評，相關(guān)工作預(yù)示著近 40 年來的一個(gè)謎團(tuán)即將被解開。評述指出，厭氧甲烷氧化菌被發(fā)現(xiàn)與硫酸鹽還原菌耦聯(lián)在一起形成團(tuán)聚體，卻一直未能實(shí)現(xiàn)純培養(yǎng)，其根本原因很可能是需要進(jìn)行種間直接電子傳遞。基于這一重要發(fā)現(xiàn)，Scheller 等人[24]利用穩(wěn)定同位素示蹤等技術(shù)證實(shí)利用人工電子受體可以解除這種存續(xù)至今的耦聯(lián)關(guān)系，從而得到純培養(yǎng)，這是微生物種間直接電子傳遞理論又一重要的應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)。而海岸帶環(huán)境很可能會(huì)成為深入開展相關(guān)前沿科學(xué)研究的重要陣地。

電微生物的胞外呼吸可能是早期地球上微生物的主要代謝方式。胞外電子傳遞機(jī)制是微生物-有機(jī)質(zhì)-礦物相互作用的核心科學(xué)問題。迄今為止已發(fā)現(xiàn)胞外電子傳遞機(jī)制主要有電子穿梭體機(jī)制、納米導(dǎo)線機(jī)制、外膜結(jié)合氧化還原蛋白介導(dǎo)機(jī)制等[25-30]。濱海濕地理論上是研究微生物胞外電子傳遞的“黃金區(qū)域”。然而，基于海岸帶或者濱海濕地原位微生物胞外電子傳遞的相關(guān)研究仍非常少見。因此，在海岸帶區(qū)域開展微生物胞外電子傳遞的研究已顯得迫在眉睫，相關(guān)研究與發(fā)展可為我國生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。

建議充分發(fā)揮專項(xiàng)及國家基金委“優(yōu)秀青年”和“杰出青年”等基金項(xiàng)目的作用，加強(qiáng)青年人才的梯隊(duì)建設(shè)，加強(qiáng)電微生物資源庫的建設(shè)，加強(qiáng)生物地球化學(xué)循環(huán)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)和定量化模型研究，加強(qiáng)復(fù)合型人才的培養(yǎng)及國際合作，在應(yīng)用層面加強(qiáng)與政府和企業(yè)的合作，在基礎(chǔ)研究層面部署重點(diǎn)研究項(xiàng)目，組織國家/國際層面的大型科學(xué)研究計(jì)劃，甚至建設(shè)以“海岸科學(xué)”為核心的多學(xué)科交叉研究中心。加強(qiáng)電微生物學(xué)的研究，有助于利用新型微生物戰(zhàn)略資源，有助于我國海岸帶經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，有助于生態(tài)文明建設(shè)。

1 Lovley D R. Electromicrobiology. Annu. Rev. Microbio., 2012, 66: 391-409.

2 Pham C A, Jung S J, Phung N T, et al. A novel electrochemically active and Fe (III)-reducing bacterium phylogenetically related to Aeromonas hydrophila isolated from a microbial fuel cell. FEMS Microbiol. Lett., 2003, 223(1): 129-134.

3 Kim H J, Park H S, Hyun M S, et al. Amediator-lessmicrobial fuel cell using a metal reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Enzyme Microb. Tech., 2002, 30(2): 145-152.

4 Rabaey K, Angenent L, Schr?der U, et al. 王愛杰等, 譯. 生物電化學(xué)系統(tǒng): 從胞外電子傳遞到生物技術(shù)應(yīng)用. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

5 Gregory K B, Lovley D R. Remediation and recovery of uranium from contaminated subsurface environments with electrodes. Environ. Sci. Technol., 2005, 39(22): 8943-8947.

6 Wang G, Huang L, Zhang Y. Cathodic reduction of hexavalent chromium Cr (VI) coupled with electricity generation in microbial fuel cells. Biotechnol. Lett., 2008, 30(11): 1959-1966.

7 Zhu X, Logan B E. Using single-chamber microbial fuel cells as renewable power sources of electro-fenton reactors for organic pollutant treatment. J. Hazard Mater., 2013, 252-253(4): 198-203.

8 Mansoorian H J, Mahvi A H, Jafari A J, et al. Bioelectricity generation using two chamber microbial fuel cell treating wastewater from food processing. Enzyme Microb. Tech., 2013, 52(6-7): 352-357.

9 Shen Y, Wang M, Chang I S, et al. Effect of shear rate on the response of microbial fuel cell toxicity sensor to Cu (II). Bioresource Technol., 2013, 136(5): 707-710.

10 Logen B E. 馮玉杰等, 譯. 微生物燃料電池. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

11 Heidrich E S, Dolfing J, Scott K, et al. Production of hydrogen from domestic wastewater in a pilot-scale microbial electrolysiscell. Appl. Microbiol. Biot., 2013, 97(15): 6979-6989.

12 Gouveia L, Neves C, Sebasti?o D, et al. Effect of light on the production of bioelectricity and added-value microalgae biomass in a photosynthetic alga microbial fuel cell. Bioresource Technol., 2014, 154(2):171-177.

13 Lee D J，Chang J S，Lai J Y. Microalgae-microbial fuel cell: A mini review. Bioresource Technol., 2015, 198: 891-895.

14 Nielsen L P, Risgaard-Petersen N, Fossing H, et al. Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment. Nature, 2010, 463(7284): 1071-1074.

15 Pfeffer C, Larsen S, Song J, et al. Filamentous bacteria transport electrons over centimeter distances. Nature, 2012, 491(7423): 218-221.

16 國家自然科學(xué)基金委員會(huì), 中國科學(xué)院. 中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略-土壤生物學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2016.

17 Tender L M, Reimers C E, Stecher H A, et al. Harnessing microbially generated power on the seafloor. Nat. Biotechnol, 2002, 20(8): 821-825.

18 Bond D R, Holmes D E, Tender L M, et al. Electrode-reducing microorganisms that harvest energy from marine sediments. Science, 2002, 295: 483-485.

19 Reimers C E, Girguis P, Stecher H A, et al. Microbial fuel cell energy from an ocean cold seep. Geobiology, 2006, 4(2): 123-136.

20 Bergel A, Féron D, Mollica A. Catalysis of oxygen reduction in PEM fuel cell by seawater biofilm. Electrochem. Commun., 2005, 7(9): 900-904.

21 Mansfeld F, Nagiub A. Evaluation of microbiologically influenced corrosion inhibition (MICI) with EIS and ENA. Electrochim. Acta, 2002, 47(13-14): 2319-2333

22 宋達(dá)泉. 我國海岸帶土地、生物資源的開發(fā)利用. 自然資源學(xué)報(bào), 1988, 3(2): 114-120.

23 Rotaru A E, Thamdrup B. A new diet for methane oxidizers. Science, 2016, 351(6274): 658-658.

24 Scheller S, Yu H, Chadwick G L, et al. Artificial electron acceptors decouple archaeal methane oxidation from sulfate reduction. Science, 2016, 351(6274): 703-707.

25 Wu Y, Liu T, Li X, et al. Exogenous electron shuttle-mediated extracellular electron transfer of Shewanella putrefaciens 200: Electrochemical parameters and thermodynamics. Environ. Sci. Technol., 2014, 48(16): 9306-9314.

26 Liu F H, Rotaru A E, Shrestha P M, et al. Promoting direct interspecies electron transfer with activated carbon. Energy Environ. Sci., 2012, 5(10): 8982-8989.

27 Rotaru A E, Shrestha P M, Liu F H, et al. A new model for electron flow during anaerobic digestion: direct interspecies electron transfer to Methanosaeta for the reduction of carbon dioxide to methane. Energy Environ. Sci., 2014, 7(1): 408-415.

28 Liu F H, Rotaru A E, Shrestha P M, et al. Magnetite compensates for the lack of a pilin-associated c-type cytochrome in extracellular electron exchange. Environ. Microbiol., 2015, 17(3): 648-655.

29 Summers Z M, Fogarty H E, Leang C, et al. Direct exchange of electrons within aggregates of an evolved syntrophic coculture of anaerobic bacteria. Science, 2010, 330: 1413-1415.

30 Rotaru A E, Shrestha P M, Liu F H, et al. Interspecies electron transfer via hydrogen and formate rather than direct electrical connections in cocultures of Pelobacter carbinolicus and Geobacter sulfurreducens. Appl. Environ. Microb., 2012, 78(21): 7645-7651.

劉芳華中科院煙臺(tái)海岸帶所研究員、博士生導(dǎo)師。獲德國馬普獎(jiǎng)學(xué)金，入選中科院“百人計(jì)劃”，山東省杰青，泰山學(xué)者青年專家，山東微生物學(xué)會(huì)理事，煙臺(tái)市“雙百計(jì)劃”。從事“微生物電子傳遞機(jī)制”方面的研究，提出并證實(shí)了“細(xì)菌與產(chǎn)甲烷古菌之間的種間直接電子傳遞機(jī)制”；發(fā)現(xiàn)乙酸間接轉(zhuǎn)化成甲烷的新途徑及相關(guān)微生物，明確了新的二氧化碳固定微生物；報(bào)道了活性炭顆粒和納米磁鐵礦能夠促進(jìn)鐵還原菌之間的直接電子傳遞，揭示了納米磁鐵礦補(bǔ)償c型細(xì)胞色素能力的機(jī)制。E-mail: fhliu@yic.ac.cn

Liu Fanghua Professor and doctoral supervisor of Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences (CAS). He was supported by a fellowship of the Max-Planck Society and “Hundred Talents Program” of CAS. He is a “Distinguished Young Scientist of Shandong Province”, a “Young Taishan Mountain Scholar Specialist” and a member of the Shandong Society for Microbiology and honored by “Two Hundred Talents Program” of Yantai. His researches have been focused on the mechanisms of microbial extracellular electron transfer. The major advances he has achieved in the past five years include: supporting the theory of direct interspecies electron transfer (DIET) between bacteria and methanogenenic archaea; revealing a new pathway of methanogenesis from acetate indirectly and related microorganisms; proving a new cluster of microorganisms which can fix carbon dioxide; reporting that conductive granular activated carbon (GAC) and magnetite nanoparticles can promote the electron transfer among the iron(III)-reducing bacteria, and magnetite nanoparticles could substitute for the function of a c-type cytochrome during the studies of microbe-iron oxides electron transfer. E-mail: fhliu@yic.ac.cn

Strengthening Study of Electromicrobiology and Sustainable Utilization of New Microbial Strategic Resources in Coastal Zone

Liu Fanghua Yang Cuiyun Xiao Leilei
（Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 264003, China）

Exploitation and utilization of biological resources in the coastal zone, particularly the sustainable utilization of new microbial strategic resources, are the important contents of ecological civilization construction and key support for sustainable development of coastal zone in China. At present, the shortages of energy and water resource have become the two serious challenges in the region. Therefore, it is very important to develop the sustainable use of biological resources in the region. As a new type of microbial strategic resource,“Electricigens” has been widely concerned around the world because of its electrochemical activity and the potential of wide range of application. “Electromicrobiology” is a cross discipline of microbiology and electrochemistry, and its research scope covers life sciences, chemistry, earth sciences, and materials sciences. The core mission of electromicrobiology is to reveal the mechanism of microbial extracellular electron transfer and to explore the practical prospect in the field of sustainable development of environmental protection, pollution control, new energy development, and biogeochemical cycle. In this paper, the development trend of the subject and the frontier scientific issues are briefly reviewed and the future development is prospected. The sustainable development in coastal zone requires multidisciplinary collaborative development, strengthening the cultivation of interdisciplinary talents and international cooperation, enhancing the cooperation between the government and enterprises in the field of practice, deploying the key research projects on the basis of the fundamental research, and carrying out national or international level of large-scale scientific research projects, even building the interdisciplinary research center with the core of“Coastal Science”. Strengthening the study of electromicrobiology will contribute to the use of new microbial strategic resources, and it will be helpful to sustainable economic development of coastal zone and ecological civilization construction of China.

ecological civilization in coastal zone, sustainable utilization of coastal zone resources, new microbial strategic resources, electromicrobiology, sustainable development

*資助項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41371257、41573071），中科院“百人計(jì)劃”（A類）

修改稿收到日期：2016年10月14日