Unisense微电极：透视生物膜内部的“CT机”，开发枯草芽孢杆菌的呼吸异质性与铁利用策略

背景与意义

在自然界中，细菌常形成被称为“生物膜”的紧密群落（如牙菌斑、池塘浮膜）。这些结构如同微型城市，需要大量能量维持运转。铁元素是细菌的“电力燃料”——它是呼吸链中关键酶的金属辅基。但铁在环境中溶解度极低，细菌通常仅需微量铁即可生长。然而这项研究发现，枯草芽孢杆菌构建生物膜时，需要比正常生长高数百倍的铁浓度（50微摩尔 vs 0.5微摩尔）。这种反常需求背后，隐藏着细菌群体在缺氧环境中的生存智慧：它们将铁转化为能量货币，既为细胞“充电”（维持膜电位），又在生物膜基质中搭建“地下电缆”（细胞外电子传递）。破解这一机制，将为抗生物膜感染、开发微生物燃料电池提供新思路。

三大突破性发现

1. “简装版”铁捕获系统

   传统认知中，细菌在缺铁时分泌强力铁载体bacillibactin（巨型磁铁）。但本研究揭示：生物膜中，细菌优先合成其前体DHB（小型磁铁）（图1d）。这种单体分子虽结合力较弱，但效率更高——添加60μM DHB即可挽救铁载体缺陷菌的生物膜（图1d），而完整bacillibactin反而非必需。

2. 铁的双重使命

• 细胞内“充电宝”：少量铁（<30%）进入细胞，显著提升呼吸链含铁酶（如琥珀酸脱氢酶SdhC）产量（图3e）。这如同升级发电机组，增强膜电位（细胞电压），驱动生物膜基质合成（图4f）。

• 细胞外“电缆网”：70%铁与生物膜基质结合（图5b）。在深层缺氧区，这些铁成为电子受体，替代氧气完成呼吸（图7）。

3. 空间能量分工策略

   生物膜呈现“能量分层”：表层细胞用氧气发电（常规呼吸），深层细胞用铁离子发电（细胞外电子传递）。微电极测量显示：深层氧气近乎耗尽（图5c），但细胞仍维持高膜电位（图5f），证明地下“电网”有效运作。

Unisense微电极：透视生物膜内部的“CT机”

实验操作流程

1. 氧分布测绘

• 将Unisense OX-50氧微电极（尖端直径50微米，发丝粗细）垂直刺入生物膜

• 以10微米步长下移，每5秒记录一点（图5c蓝线：膜边缘；红线：膜中心）

• 发现氧气在膜表面200微米处耗尽，揭示深层缺氧环境

2. 氧化还原电位测绘

• 改用Unisense RD-500氧化还原微电极（尖端500微米）

• 在浮膜生物膜中，以50微米步长垂直穿刺（图5d）

• 测得电位从表层0mV降至深层-200mV，证实深层发生还原反应

关键设备图示

（图5c：枯草芽孢杆菌菌落生物膜内部的氧气分布曲线——Unisense氧微电极显示：膜边缘（蓝）和中心（红）区域均呈现从表层到底层的氧气衰减）

（图5d：浮膜生物膜的氧化还原电位垂直分布——Unisense氧化还原微电极记录到电位从表层0mV降至深层-200mV）

第四段：启示与未来

1. 颠覆传统认知

   细菌在群落状态下发展出全新铁利用模式：DHB前体经济策略+铁元素“内发电/外输电”双轨制，突破氧气对生物膜尺寸的限制。

2. 环境治理应用

   细胞外电子传递机制使细菌能还原重金属污染物。通过调控生物膜铁网络，可开发新型污水净化技术（如处理含铬废水）。

3. 能源技术突破

   生物膜天然的铁电子传递网络，为设计自组装微生物电池提供蓝图。未来或可培育“超级生物膜”，将有机废水直接转化为电能。

自然启示：细菌用最简单的元素（铁），构建了最复杂的生物能量网络。这种在地下搭建“电网”的智慧，或许是人类向微生物学习的下一课——在有限资源中创造无限可能。

以下是针对您要求的图片整理与注释翻译，严格遵循文档中的图片标签顺序和原始描述：

图1：DHB在生物膜形成中的关键作用

图3：含铁酶对呼吸链的调控

图5：基质铁的空间分布与功能

图6：生物膜的电子传递能力

图7：生物膜呼吸模型

技术注释：

1. 所有图片均按原文出现顺序整理，注释翻译保留原始数据标注（如*P<0.01）

2. 图5包含关键设备特写：Unisense OX-50氧微电极（50μm尖端）和RD-500氧化还原电极（500μm尖端）

3. 电极测量参数：步长10-50μm，采样间隔5秒，温度30℃

4. 生物膜厚度标尺：菌落生物膜5mm，单细胞图像10μm