Bakteria misteri membuat wayar elektrik

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Bagi Lars Peter Nielsen, semuanya bermula dengan kehilangan misteri hidrogen sulfida. Pakar mikrobiologi mengumpul lumpur hitam berbau busuk dari dasar pelabuhan Aarhus di Denmark, membuangnya ke dalam bikar kaca besar dan memasukkan mikrosensor khas yang mengesan perubahan dalam komposisi kimia lumpur.

Pada permulaan eksperimen, komposisi telah tepu dengan hidrogen sulfida - sumber bau dan warna sedimen. Tetapi 30 hari kemudian, satu jalur kotoran menjadi pucat, yang menunjukkan kehilangan hidrogen sulfida. Akhirnya, mikrosensor menunjukkan bahawa keseluruhan sambungan telah hilang. Memandangkan apa yang diketahui saintis tentang biogeokimia lumpur, ingat Nielsen dari Universiti Aarhus, "ia tidak masuk akal sama sekali."

Penjelasan pertama, katanya, adalah bahawa sensor itu salah. Tetapi sebabnya ternyata lebih pelik: bakteria yang menyambungkan sel mencipta kabel elektrik yang boleh mengalirkan arus sehingga 5 sentimeter melalui kotoran.

Penyesuaian yang tidak pernah dilihat sebelum ini dalam mikrob membolehkan bakteria kabel ini mengatasi masalah utama yang dihadapi oleh banyak organisma yang hidup dalam lumpur: kekurangan oksigen. Ketiadaannya biasanya menghalang bakteria daripada memetabolismekan sebatian seperti hidrogen sulfida untuk makanan. Tetapi kabel, dengan mengikat mikrob kepada deposit yang kaya dengan oksigen, membolehkan mereka bertindak balas pada jarak yang jauh.

Apabila Nielsen pertama kali menerangkan penemuan itu pada tahun 2009, rakan sekerjanya ragu-ragu. Philip Meisman, seorang jurutera kimia di Universiti Antwerp, teringat semula berfikir, "Ini adalah karut sepenuhnya." Ya, para penyelidik tahu bakteria boleh mengalirkan elektrik, tetapi tidak pada jarak yang dicadangkan Nielsen. "Ia seolah-olah proses metabolik kita sendiri boleh menjejaskan jarak 18 kilometer," kata ahli mikrobiologi Andreas Teske dari Universiti North Carolina di Chapel Hill.

Tetapi semakin ramai penyelidik mencari lumpur "berelektrik", lebih banyak mereka menemuinya dalam kedua-dua garam dan air tawar. Mereka juga mengenal pasti jenis kedua mikrob elektrik yang suka kotoran: bakteria nanowire, sel individu yang mengembangkan struktur protein yang boleh menggerakkan elektron pada jarak yang lebih pendek.

Mikrob nanowire ini terdapat di mana-mana, termasuk di dalam mulut manusia

Penemuan memaksa penyelidik untuk menulis semula buku teks; memikirkan semula peranan bakteria lumpur dalam pemprosesan unsur utama seperti karbon, nitrogen dan fosforus; dan semak bagaimana ia mempengaruhi ekosistem akuatik dan perubahan iklim.

Para saintis juga sedang mencari aplikasi praktikal, meneroka potensi bakteria yang mengandungi kabel dan wayar nano untuk memerangi pencemaran dan peranti elektronik kuasa. "Kami melihat lebih banyak interaksi dalam mikrob dan antara mikrob menggunakan elektrik," kata Meisman. "Saya memanggilnya biosfera elektrik."

Kebanyakan sel berkembang maju dengan mengambil elektron daripada satu molekul, proses yang dipanggil pengoksidaan, dan memindahkannya ke molekul lain, biasanya oksigen, dipanggil pengurangan. Tenaga yang diperoleh daripada tindak balas ini mengawal proses kehidupan yang lain. Dalam sel eukariotik, termasuk kita sendiri, tindak balas "redoks" sedemikian berlaku pada membran dalam mitokondria, dan jarak antara mereka adalah kecil - hanya mikrometer. Inilah sebabnya mengapa begitu ramai penyelidik ragu-ragu tentang dakwaan Nielsen bahawa bakteria kabel menggerakkan elektron melalui lapisan kotoran sebesar bola golf.

Hidrogen sulfida yang hilang adalah kunci untuk membuktikannya. Bakteria membuat sebatian dalam lumpur, memecahkan serpihan tumbuhan dan bahan organik lain; dalam deposit yang lebih dalam, hidrogen sulfida terkumpul kerana kekurangan oksigen, yang membantu bakteria lain memecahkannya. Walau bagaimanapun, hidrogen sulfida masih hilang dalam bikar Nielsen. Selain itu, warna berkarat muncul pada permukaan kotoran, yang menunjukkan pembentukan oksida besi.

Bangun pada suatu malam, Nielsen memberikan penjelasan yang aneh: bagaimana jika bakteria yang tertimbus dalam lumpur menyelesaikan tindak balas redoks, entah bagaimana memintas lapisan miskin oksigen? Bagaimana jika, sebaliknya, mereka menggunakan bekalan hidrogen sulfida yang banyak sebagai penderma elektron dan kemudian menyalurkan elektron ke atas ke arah permukaan yang kaya dengan oksigen? Di sana, dalam proses pengoksidaan, karat terbentuk jika terdapat besi.

Mencari apa yang membawa elektron ini telah terbukti sukar. Pertama, Niels Riesgaard-Petersen dari pasukan Nielsen terpaksa menolak kemungkinan yang lebih mudah: zarah logam dalam sedimen membawa elektron ke permukaan dan menyebabkan pengoksidaan. Dia mencapai ini dengan memasukkan lapisan manik kaca yang tidak mengalirkan elektrik ke dalam tiang kotoran. Walaupun terdapat halangan ini, para penyelidik masih menemui arus elektrik yang bergerak melalui lumpur, menunjukkan bahawa zarah logam tidak konduktif.

Untuk melihat sama ada kabel atau wayar membawa elektron, para penyelidik kemudian menggunakan wayar tungsten untuk membuat potongan mendatar melalui lajur lumpur. Arus keluar, seolah-olah wayar telah dipotong. Kerja lain mengecilkan saiz konduktor, menunjukkan bahawa ia hendaklah sekurang-kurangnya 1 mikrometer diameter. "Ini adalah saiz normal bakteria," kata Nielsen.

Akhirnya, mikrograf elektron mendedahkan calon yang mungkin: gentian bakteria yang panjang dan nipis yang muncul dalam lapisan manik kaca yang dimasukkan ke dalam bikar yang diisi dengan lumpur dari Pelabuhan Aarhus. Setiap filamen terdiri daripada timbunan sel - sehingga 2,000 - tertutup dalam membran luar bergaris. Di ruang antara membran ini dan sel-sel yang disusun di atas satu sama lain, sejumlah besar "wayar" selari meregangkan benang ke seluruh panjangnya. Penampilan seperti kabel mengilhami nama biasa mikrob.

Meisman, seorang bekas skeptik, dengan cepat bertaubat. Tidak lama selepas Nielsen mengumumkan penemuannya, Meismann memutuskan untuk menyiasat salah satu sampel lumpur lautnya sendiri. "Saya perhatikan perubahan warna yang sama dalam sedimen yang dilihatnya," ingat Meisman. "Ia adalah arahan Ibu Alam untuk mengambilnya dengan lebih serius."

Pasukannya mula membangunkan alat dan kaedah untuk penyelidikan mikrob, kadangkala bekerja bersama kumpulan Nielsen. Ia adalah sukar untuk pergi. Filamen bakteria cenderung merosot dengan cepat selepas pengasingan, dan elektrod standard untuk mengukur arus dalam konduktor kecil tidak berfungsi. Tetapi sebaik sahaja penyelidik belajar memilih satu helai dan dengan cepat memasang elektrod individu, "kami melihat kekonduksian yang sangat tinggi," kata Meisman. Kabel hidup tidak boleh bersaing dengan wayar tembaga, katanya, tetapi ia sepadan dengan konduktor yang digunakan dalam panel solar dan skrin telefon mudah alih, serta semikonduktor organik terbaik.

Para penyelidik juga menganalisis anatomi bakteria kabel. Menggunakan mandian kimia, mereka mengasingkan cangkerang silinder, mendapati ia mengandungi 17 hingga 60 gentian selari yang dilekatkan bersama di dalamnya. Cangkang itu adalah sumber pengaliran, Meisman dan rakan sekerja melaporkan tahun lepas dalam Nature Communications. Komposisi tepatnya masih tidak diketahui, tetapi ia mungkin berasaskan protein.

“Ia adalah organisma yang kompleks,” kata Nielsen, yang kini mengetuai Pusat Elektro-Mikrobiologi, yang dicipta pada 2017 oleh kerajaan Denmark. Antara masalah yang diselesaikan oleh pusat adalah pengeluaran besar-besaran mikrob dalam kultur. "Jika kita mempunyai budaya tulen, ia akan menjadi lebih mudah" untuk menguji idea tentang metabolisme sel dan kesan persekitaran terhadap pengaliran, kata Andreas Schramm dari pusat. Bakteria yang dikultur juga akan memudahkan penebat wayar kabel dan menguji potensi aplikasi biopemulihan dan bioteknologi.

Walaupun penyelidik membingungkan tentang bakteria dalam kabel, yang lain melihat satu lagi pemain utama dalam lumpur elektrik: bakteria berasaskan wayar nano yang, bukannya melipat sel menjadi kabel, mengembangkan wayar protein 20 hingga 50 nm panjang dari setiap sel.

Seperti bakteria kabel, komposisi kimia misteri mendapan membawa kepada penemuan mikrob nanowire. Pada tahun 1987, ahli mikrobiologi Derek Lovley, kini di Universiti Massachusetts Amherst, cuba memahami bagaimana fosfat daripada air sisa baja - nutrien yang menggalakkan pembungaan alga - dibebaskan daripada sedimen di bawah Sungai Potomac di Washington, DC. bekerja dan mula merumput mereka keluar dari kotoran. Selepas membesar satu, kini dipanggil Geobacter Metallireducens, dia perasan (di bawah mikroskop elektron) bahawa bakteria telah menumbuhkan ikatan dengan mineral besi berdekatan. Dia mengesyaki bahawa elektron dibawa sepanjang wayar ini, dan akhirnya mendapati bahawa Geobacter mengatur tindak balas kimia dalam lumpur, mengoksidakan sebatian organik dan memindahkan elektron kepada mineral. Mineral yang dikurangkan ini kemudian membebaskan fosforus dan unsur-unsur lain.

Seperti Nielsen, Lovely menghadapi keraguan apabila dia mula-mula menggambarkan mikrob elektriknya. Walau bagaimanapun, hari ini, dia dan yang lain telah mendaftarkan hampir sedozen jenis mikrob nanowire, mencari mereka dalam persekitaran selain daripada kotoran. Banyak membawa elektron ke dan dari zarah dalam sedimen. Tetapi ada yang bergantung pada mikrob lain untuk menerima atau menyimpan elektron. Perkongsian biologi ini membolehkan kedua-dua mikrob untuk "melibatkan diri dalam jenis kimia baharu yang tidak boleh dilakukan oleh organisma bersendirian," kata Victoria Orfan, ahli geobiologi di Institut Teknologi California. Walaupun bakteria kabel menyelesaikan keperluan redoks mereka dengan diangkut jarak jauh ke dalam lumpur beroksigen, mikrob ini bergantung pada metabolisme satu sama lain untuk memenuhi keperluan redoks mereka.

Sesetengah penyelidik masih memperdebatkan bagaimana wayar nano bakteria menjalankan elektron. Lovley dan rakan-rakannya yakin bahawa kuncinya adalah rantaian protein yang dipanggil pilins, yang terdiri daripada asid amino bulat. Apabila dia dan rakan-rakannya mengurangkan jumlah asid amino cincin dalam pilin, wayar nano menjadi kurang konduktif. "Ia benar-benar menakjubkan," kata Lovely, kerana secara umum diterima bahawa protein adalah penebat. Tetapi yang lain berpendapat bahawa persoalan ini masih jauh untuk diselesaikan. Yatim, sebagai contoh, mengatakan bahawa walaupun "terdapat bukti yang sangat besar … saya masih tidak fikir [konduksi wayar nano] difahami dengan baik."

Apa yang jelas bakteria elektrik ada di mana-mana. Pada tahun 2014, sebagai contoh, saintis menemui bakteria kabel di tiga habitat yang sangat berbeza di Laut Utara: di paya garam pasang surut, di lembangan dasar laut di mana paras oksigen menurun kepada hampir sifar dalam beberapa musim, dan di dataran berlumpur yang ditenggelami air berhampiran laut. … Pantai. (Mereka tidak menjumpainya di kawasan berpasir yang didiami oleh cacing yang mengoyakkan sedimen dan mengganggu kabel.) Di tempat lain, penyelidik telah menemui bukti DNA bakteria kabel dalam lembangan lautan yang dalam, miskin oksigen, kawasan mata air panas dan keadaan sejuk. tumpahan, dan bakau dan tebing pasang surut di kedua-dua kawasan sederhana dan subtropika.

Bakteria kabel juga terdapat dalam persekitaran air tawar. Selepas membaca artikel Nielsen pada 2010 dan 2012, pasukan yang diketuai oleh ahli mikrobiologi Rainer Meckenstock memeriksa semula teras sedimen yang digerudi semasa tinjauan pencemaran air bawah tanah di Düsseldorf, Jerman. "Kami menemui [bakteria kabel] tepat di mana kami fikir kami akan menemuinya," pada kedalaman di mana oksigen telah habis, ingat Mekenstock, yang bekerja di Universiti Duisburg-Essen.

Bakteria nanowire lebih meluas. Penyelidik telah menemuinya di dalam tanah, sawah padi, usus dalam dan juga loji rawatan kumbahan, serta dalam sedimen air tawar dan marin. Ia boleh wujud di mana-mana biofilem terbentuk, dan kewujudan biofilm di mana-mana adalah bukti lanjut tentang peranan besar yang boleh dimainkan oleh bakteria ini dalam alam semula jadi.

Pelbagai jenis bakteria enapcemar elektrik juga menunjukkan bahawa mereka memainkan peranan penting dalam ekosistem. Contohnya, dengan menghalang pembentukan hidrogen sulfida, bakteria kabel berkemungkinan menjadikan kotoran lebih mudah didiami untuk bentuk hidupan lain. Meckenstock, Nielsen, dan lain-lain telah menemuinya pada atau berhampiran akar rumput laut dan tumbuhan akuatik lain yang membebaskan oksigen, yang mungkin digunakan oleh bakteria untuk memecahkan hidrogen sulfida. Ini, seterusnya, melindungi tumbuhan daripada gas toksik. Perkongsian itu "nampak sangat ciri tumbuhan akuatik, " kata Meckenstock.

Robert Aller, ahli biogeokimia marin di Stony Brook University, percaya bakteria juga boleh membantu banyak invertebrata bawah air, termasuk cacing yang membina lubang yang membolehkan air beroksigen memasuki lumpur. Dia mendapati bakteria kabel melekat pada sisi tiub cacing, mungkin supaya mereka boleh menggunakan oksigen ini untuk menyimpan elektron. Sebaliknya, cacing ini dilindungi daripada hidrogen sulfida toksik. "Bakteria menjadikan [liang] lebih sesuai untuk didiami, " kata Aller, yang menerangkan pautan dalam artikel Julai 2019 dalam Science Advances.

Mikrob juga mengubah sifat kotoran, kata Saira Malkin, ahli ekologi di Pusat Sains Alam Sekitar Universiti Maryland. "Mereka sangat berkesan … jurutera ekosistem." Bakteria kabel "tumbuh seperti api," katanya; Pada terumbu tiram pasang surut, dia mendapati, Satu sentimeter padu lumpur mungkin mengandungi 2,859 meter kabel yang menyekat zarah di tempatnya, mungkin menjadikan sedimen lebih tahan terhadap organisma marin.

Bakteria juga mengubah kimia kotoran, menjadikan lapisan lebih dekat ke permukaan lebih beralkali dan lapisan lebih dalam lebih berasid, Malkin mendapati. Kecerunan pH sedemikian boleh menjejaskan "banyak kitaran geokimia," termasuk yang dikaitkan dengan arsenik, mangan dan besi, katanya, mewujudkan peluang untuk mikrob lain.

Kerana kawasan luas planet ini diliputi lumpur, para penyelidik berkata, bakteria yang dikaitkan dengan kabel dan wayar nano berkemungkinan mempunyai kesan ke atas iklim global. Bakteria nanowire, sebagai contoh, boleh mengambil elektron daripada bahan organik seperti diatom mati dan kemudian menyebarkannya kepada bakteria lain yang menghasilkan metana, gas rumah hijau yang kuat. Dalam pelbagai keadaan, bakteria kabel boleh mengurangkan pengeluaran metana.

Pada tahun-tahun akan datang, "kita akan melihat pengiktirafan meluas tentang kepentingan mikrob ini kepada biosfera," kata Malkin. Lebih kurang sepuluh tahun selepas Nielsen menyedari kehilangan misterius hidrogen sulfida dari lumpur Aarhus, dia berkata: "Memang memeningkan untuk memikirkan apa yang kita hadapi di sini."

Seterusnya: telefon yang dikuasakan oleh wayar mikrob?

Perintis mikrob elektrik dengan cepat memikirkan cara menggunakan bakteria ini."Sekarang kita tahu bahawa evolusi telah dapat mencipta wayar elektrik, amat memalukan jika kita tidak menggunakannya," kata Lars Peter Nielsen, ahli mikrobiologi di Universiti Aarhus.

Satu aplikasi yang mungkin adalah pengesanan dan kawalan bahan pencemar. Mikrob kabel nampaknya berkembang pesat dengan kehadiran sebatian organik seperti minyak, dan Nielsen dan pasukannya sedang menguji kemungkinan bahawa banyak bakteria kabel menandakan kehadiran pencemaran yang belum ditemui dalam akuifer. Bakteria tidak secara langsung merendahkan minyak, tetapi mereka boleh mengoksidakan sulfida yang dihasilkan oleh bakteria berminyak lain. Mereka juga boleh membantu membersihkan; hujan pulih lebih cepat daripada pencemaran minyak mentah apabila ia dijajah oleh bakteria kabel, satu lagi kumpulan penyelidikan melaporkan pada bulan Januari dalam jurnal Water Research. Di Sepanyol, pasukan ketiga sedang menyiasat sama ada bakteria nanowire boleh mempercepatkan pembersihan tanah lembap yang tercemar. Dan sebelum bakteria berasaskan wayar nano menjadi elektrik, mereka menunjukkan janji untuk menyahcemar sisa nuklear dan akuifer yang tercemar dengan hidrokarbon aromatik seperti benzena atau naftalena.

Bakteria elektrik juga boleh menimbulkan teknologi baharu. Mereka boleh diubah suai secara genetik untuk mengubah wayar nano mereka, yang kemudiannya boleh dipotong untuk membentuk tulang belakang sensor boleh pakai yang sensitif, menurut Derek Lovley, ahli mikrobiologi di Universiti Massachusetts (UMass), Amherst. "Kami boleh mereka bentuk wayar nano dan menyesuaikannya untuk mengikat secara khusus sebatian yang menarik." Contohnya, dalam terbitan Nano Research Lovely 11 Mei, jurutera UMass Jun Yao dan rakan sekerja mereka menerangkan sensor berasaskan wayar nano yang mengesan ammonia dalam kepekatan yang diperlukan untuk aplikasi pertanian, perindustrian, alam sekitar dan bioperubatan.

Dicipta sebagai filem, wayar nano boleh menjana elektrik daripada kelembapan di udara. Penyelidik percaya bahawa filem itu menjana tenaga apabila kecerunan lembapan berlaku di antara tepi atas dan bawah filem. (Pinggir atas lebih mudah terdedah kepada kelembapan.) Apabila atom hidrogen dan oksigen air terpisah disebabkan kecerunan, cas terhasil dan elektron mengalir. Yao dan pasukannya melaporkan dalam Nature pada 17 Februari bahawa filem sedemikian boleh menghasilkan tenaga yang mencukupi untuk menyalakan diod pemancar cahaya, dan 17 peranti sedemikian yang disambungkan bersama boleh menghidupkan telefon mudah alih. Pendekatan itu ialah "teknologi revolusioner untuk menjana tenaga boleh diperbaharui, bersih dan murah," kata Qu Lianti, seorang saintis bahan di Universiti Tsinghua. (Yang lain lebih berhati-hati, dengan menyatakan bahawa percubaan lalu untuk memerah tenaga daripada kelembapan menggunakan graphene atau polimer tidak berjaya.)

Akhirnya, para penyelidik berharap dapat memanfaatkan kebolehan elektrik bakteria tanpa perlu berurusan dengan mikrob pemilih. Catch, sebagai contoh, memujuk makmal biasa dan bakteria industri Escherichia coli untuk membuat wayar nano. Ini sepatutnya memudahkan penyelidik untuk menghasilkan struktur secara besar-besaran dan mengkaji aplikasi praktikalnya.