Taula de continguts:

Bacteris misteriosos que fan cables elèctrics
Bacteris misteriosos que fan cables elèctrics

Vídeo: Bacteris misteriosos que fan cables elèctrics

Vídeo: Bacteris misteriosos que fan cables elèctrics
Vídeo: Avi Loeb: Searching for Extraterrestrial Life, UAP / UFOs, Interstellar Objects, David Grusch & more 2024, Març
Anonim

Per a Lars Peter Nielsen, tot va començar amb la misteriosa desaparició del sulfur d'hidrogen. El microbiòleg va recollir el fang negre i pudent del fons del port d'Aarhus a Dinamarca, el va llençar a grans vases de vidre i va inserir microsensors especials que van detectar canvis en la composició química del fang.

Al començament de l'experiment, la composició estava saturada amb sulfur d'hidrogen, la font de l'olor i el color del sediment. Però 30 dies després, una tira de brutícia es va tornar pàl·lida, cosa que indica la pèrdua de sulfur d'hidrogen. Finalment, els microsensors van demostrar que tota la connexió havia desaparegut. Tenint en compte el que sabien els científics sobre la biogeoquímica del fang, recorda Nielsen, de la Universitat d'Aarhus, "no tenia cap sentit".

La primera explicació, va dir, va ser que els sensors estaven equivocats. Però el motiu va resultar ser molt més estrany: els bacteris que connecten les cèl·lules creen cables elèctrics que poden conduir el corrent fins a 5 centímetres a través de la brutícia.

Una adaptació mai vista abans en els microbis permet que aquests anomenats bacteris del cable superin un gran problema al qual s'enfronten molts organismes que viuen al fang: la manca d'oxigen. La seva absència normalment impedeix que els bacteris metabolitzin compostos com el sulfur d'hidrogen per als aliments. Però els cables, en unir els microbis als dipòsits rics en oxigen, els permeten reaccionar a llargues distàncies.

Quan Nielsen va descriure per primera vegada el descobriment el 2009, els seus col·legues es van mostrar escèptics. Philip Meisman, enginyer químic de la Universitat d'Anvers, recorda haver pensat: "Això és una tonteria total". Sí, els investigadors sabien que els bacteris podien conduir l'electricitat, però no a les distàncies suggerides per Nielsen. "Va ser com si els nostres propis processos metabòlics poguessin afectar una distància de 18 quilòmetres", diu el microbiòleg Andreas Teske de la Universitat de Carolina del Nord a Chapel Hill.

Però com més els investigadors buscaven fang "electrificat", més el trobaven tant en aigua salada com en aigua dolça. També van identificar un segon tipus de microbi elèctric amant de la brutícia: bacteris nanofils, cèl·lules individuals que creixen estructures de proteïnes que poden moure electrons a distàncies més curtes.

Aquests microbis nanofils es troben a tot arreu, fins i tot a la boca humana

Image
Image

Els descobriments obliguen els investigadors a reescriure els llibres de text; repensar el paper dels bacteris del fang en el processament d'elements clau com el carboni, el nitrogen i el fòsfor; i revisar com afecten els ecosistemes aquàtics i el canvi climàtic.

Els científics també busquen aplicacions pràctiques, explorant el potencial dels bacteris que contenen cables i nanocables per combatre la contaminació i alimentar dispositius electrònics. "Estem veient moltes més interaccions dins dels microbis i entre microbis utilitzant electricitat", diu Meisman. "Jo en dic la biosfera elèctrica".

La majoria de les cèl·lules prosperen agafant electrons d'una molècula, un procés anomenat oxidació, i transferint-los a una altra molècula, normalment oxigen, anomenada reducció. L'energia obtinguda d'aquestes reaccions governa altres processos vitals. A les cèl·lules eucariotes, incloses les nostres, aquestes reaccions "redox" es produeixen a la membrana interna dels mitocondris i les distàncies entre elles són minúscules, només micròmetres. És per això que tants investigadors es van mostrar escèptics sobre l'afirmació de Nielsen que els bacteris del cable mouen electrons a través d'una capa de brutícia de la mida d'una pilota de golf.

La desaparició del sulfur d'hidrogen va ser la clau per demostrar-ho. Els bacteris fabriquen un compost al fang, desglossant les restes vegetals i altres materials orgànics; en dipòsits més profunds, el sulfur d'hidrogen s'acumula per falta d'oxigen, la qual cosa ajuda a altres bacteris a descompondre'l. Tanmateix, el sulfur d'hidrogen encara va desaparèixer als vases de precipitats de Nielsen. A més, va aparèixer un tint rovellat a la superfície de la brutícia, que indicava la formació d'òxid de ferro.

Al despertar-se una nit, Nielsen va donar una explicació estranya: què passaria si els bacteris enterrats al fang completessin la reacció redox, evitant d'alguna manera les capes pobres en oxigen? Què passaria si, en canvi, utilitzessin l'abundant subministrament de sulfur d'hidrogen com a donador d'electrons i després canalitzessin els electrons cap a la superfície rica en oxigen? Allà, en el procés d'oxidació, es forma rovell si hi ha ferro.

Trobar què transporta aquests electrons ha resultat difícil. Primer, Niels Riesgaard-Petersen, de l'equip de Nielsen, va haver de descartar una possibilitat més senzilla: les partícules metàl·liques del sediment porten electrons a la superfície i provoquen l'oxidació. Ho va aconseguir inserint una capa de perles de vidre que no condueixen l'electricitat a un pilar de brutícia. Malgrat aquest obstacle, els investigadors encara van trobar un corrent elèctric que es movia pel fang, cosa que suggereix que les partícules metàl·liques no eren conductores.

Per veure si un cable o cable portava electrons, els investigadors van utilitzar filferro de tungstè per fer un tall horitzontal a través de la columna de fang. El corrent es va apagar, com si s'hagués tallat un cable. Altres treballs van reduir la mida del conductor, suggerint que hauria de tenir almenys 1 micròmetre de diàmetre. "Aquesta és la mida normal dels bacteris", diu Nielsen.

Image
Image

Finalment, les micrografies electròniques van revelar un candidat probable: fibres bacterianes llargues i primes que van aparèixer en una capa de perles de vidre inserides en vas de precipitats plens de fang del port d'Aarhus. Cada filament constava d'una pila de cèl·lules -fins a 2.000- tancades en una membrana externa nervada. A l'espai entre aquesta membrana i les cèl·lules apilades unes sobre les altres, una pluralitat de "filferros" paral·lels estiraven el fil en tota la seva longitud. L'aparença semblant a un cable va inspirar el nom comú del microbi.

Meisman, un antic escèptic, es va convertir ràpidament. Poc després que Nielsen anunciés el seu descobriment, Meismann va decidir investigar una de les seves pròpies mostres de fang marí. "Vaig notar els mateixos canvis de color al sediment que ell va veure", recorda Meisman. "Va ser la direcció de la Mare Natura prendre-s'ho més seriosament".

El seu equip va començar a desenvolupar eines i mètodes per a la investigació microbiana, de vegades treballant conjuntament amb el grup de Nielsen. Va ser dur anar. Els filaments bacterians tendeixen a deteriorar-se ràpidament després de l'aïllament, i els elèctrodes estàndard per mesurar corrents en petits conductors no funcionen. Però una vegada que els investigadors van aprendre a escollir un sol fil i connectar ràpidament un elèctrode individual, "vam veure una conductivitat molt alta", diu Meisman. Els cables vius no poden competir amb els cables de coure, va dir, però coincideixen amb els conductors utilitzats en panells solars i pantalles de telèfons mòbils, així com amb els millors semiconductors orgànics.

Els investigadors també van analitzar l'anatomia dels bacteris del cable. Utilitzant banys químics, van aïllar la closca cilíndrica, trobant que contenia de 17 a 60 fibres paral·leles enganxades a l'interior. La closca és la font de conducció, van informar Meisman i els seus col·legues l'any passat a Nature Communications. Encara es desconeix la seva composició exacta, però pot ser que estigui basada en proteïnes.

"És un organisme complex", diu Nielsen, que ara dirigeix el Centre d'Electro-Microbiologia, creat el 2017 pel govern danès. Entre els problemes que resol el centre hi ha la producció massiva de microbis en cultiu. "Si tinguéssim un cultiu pur, seria molt més fàcil" provar idees sobre el metabolisme cel·lular i l'efecte de l'entorn en la conducció, diu Andreas Schramm del centre. Els bacteris cultivats també facilitaran l'aïllament dels cables i la prova de possibles aplicacions de bioremediació i biotecnologia.

Mentre els investigadors estan desconcertants sobre els bacteris del cable, altres estan mirant un altre actor important en el fang elèctric: els bacteris basats en nanocables que, en lloc de plegar cèl·lules en cables, fan créixer cables de proteïnes de 20 a 50 nm de longitud des de cada cèl·lula.

Igual que amb els bacteris del cable, la misteriosa composició química dels dipòsits va portar al descobriment de microbis nanofils. El 1987, el microbiòleg Derek Lovley, ara a la Universitat de Massachusetts Amherst, va intentar entendre com el fosfat de les aigües residuals de fertilitzants, un nutrient que promou la floració d'algues, s'allibera dels sediments sota el riu Potomac a Washington, DC. va treballar i va començar a treure'ls de la brutícia. Després de créixer un, ara anomenat Geobacter Metallireducens, es va adonar (amb un microscopi electrònic) que els bacteris havien crescut enllaços amb minerals de ferro propers. Va sospitar que els electrons es transportaven al llarg d'aquests cables i, finalment, va descobrir que Geobacter orquestrat reaccions químiques al fang, oxidant compostos orgànics i transferint electrons als minerals. Aquests minerals reduïts alliberen fòsfor i altres elements.

Com Nielsen, Lovely es va enfrontar a l'escepticisme quan va descriure per primera vegada el seu microbi elèctric. Avui, però, ell i altres han registrat gairebé una dotzena de tipus de microbis nanofils, trobant-los en entorns diferents de la brutícia. Molts porten electrons cap a i des de les partícules del sediment. Però alguns depenen d'altres microbis per rebre o emmagatzemar electrons. Aquesta associació biològica permet que els dos microbis "involucren en nous tipus de química que cap organisme pot fer sol", diu Victoria Orfan, geobiòloga de l'Institut Tecnològic de Califòrnia. Mentre que els bacteris del cable resolen les seves necessitats redox transportant llargues distàncies al fang oxigenat, aquests microbis depenen del metabolisme dels altres per satisfer les seves necessitats redox.

Alguns investigadors encara debaten sobre com els nanocables bacterians condueixen els electrons. Lovley i els seus col·legues estan convençuts que la clau són cadenes de proteïnes anomenades pilines, que estan formades per aminoàcids circulars. Quan ell i els seus col·legues van reduir la quantitat d'aminoàcids anells a la pilina, els nanocables es van tornar menys conductors. "Va ser realment increïble", diu Lovely, perquè generalment s'accepta que les proteïnes són aïllants. Però d'altres pensen que aquesta qüestió està lluny d'estar resolta. Orfe, per exemple, diu que tot i que "hi ha proves aclaparadores… encara no crec que [la conducció del nanofil] s'entengui bé".

El que està clar és que els bacteris elèctrics estan a tot arreu. L'any 2014, per exemple, els científics van descobrir bacteris del cable en tres hàbitats molt diferents al mar del Nord: en un pantà de sal de marea, en una conca del fons marí on els nivells d'oxigen baixen gairebé a zero en algunes estacions i en una plana fangosa inundada prop del mar. … … Riba. (No els van trobar en una zona sorrenca habitada per cucs que agiten sediments i trenquen cables.) En altres llocs, els investigadors han trobat proves d'ADN de bacteris de cables a conques oceàniques profundes i pobres en oxigen, zones termals i condicions fredes. vessaments, i manglars i bancs de marea tant a les regions temperades com subtropicals.

Els bacteris del cable també es troben en ambients d'aigua dolça. Després de llegir els articles de Nielsen el 2010 i el 2012, un equip dirigit pel microbiòleg Rainer Meckenstock va tornar a examinar nuclis de sediments perforats durant una enquesta de contaminació de les aigües subterrànies a Düsseldorf, Alemanya. "Hem trobat [els bacteris del cable] exactament on pensàvem que els trobaríem", a les profunditats on es va esgotar l'oxigen, recorda Mekenstock, que treballa a la Universitat de Duisburg-Essen.

Els bacteris nanofils estan encara més estesos. Els investigadors els han trobat en sòls, camps d'arròs, intestins profunds i fins i tot plantes de tractament d'aigües residuals, així com en sediments d'aigua dolça i marins. Poden existir allà on es formen els biofilms, i la ubiqüitat dels biofilms és una prova més del gran paper que aquests bacteris poden tenir a la natura.

La gran varietat de bacteris de fangs elèctrics també suggereix que tenen un paper important en els ecosistemes. Per exemple, en evitar l'acumulació de sulfur d'hidrogen, els bacteris del cable probablement fan que la brutícia sigui més habitable per a altres formes de vida. Meckenstock, Nielsen i altres els han trobat a prop de les arrels de les herbes marines i altres plantes aquàtiques que alliberen oxigen, que probablement els bacteris utilitzen per trencar el sulfur d'hidrogen. Això, al seu torn, protegeix les plantes del gas tòxic. L'associació "sembla molt característica de les plantes aquàtiques", va dir Meckenstock.

Robert Aller, biogeoquímic marí de la Universitat de Stony Brook, creu que els bacteris també poden ajudar a molts invertebrats submarins, inclosos els cucs que construeixen caus que permeten que l'aigua oxigenada entri al fang. Va trobar bacteris del cable que s'enganxaven als costats dels tubs de cuc, presumiblement perquè poguessin utilitzar aquest oxigen per emmagatzemar electrons. Al seu torn, aquests cucs estan protegits del sulfur d'hidrogen tòxic. "Els bacteris fan que [el cau] sigui més habitable", diu Aller, que va descriure els enllaços en un article de juliol de 2019 a Science Advances.

Els microbis també alteren les propietats de la brutícia, diu Saira Malkin, ecologista del Centre de Ciències Ambientals de la Universitat de Maryland. "Són especialment efectius… enginyers d'ecosistemes". Els bacteris del cable "creixen com la pólvora", diu; Als esculls d'ostres de marea, va trobar, un centímetre cúbic de fang pot contenir 2.859 metres de cables que cimenten les partícules al seu lloc, possiblement fent que el sediment sigui més resistent als organismes marins.

El bacteri també altera la química de la brutícia, fent que les capes més properes a la superfície siguin més alcalines i les capes més profundes més àcides, va trobar Malkin. Aquests gradients de pH poden afectar "nombrosos cicles geoquímics", inclosos els associats a l'arsènic, el manganès i el ferro, va dir, creant oportunitats per a altres microbis.

Com que grans extensions del planeta estan cobertes de fang, diuen els investigadors, és probable que els bacteris associats amb cables i nanocables tinguin un impacte en el clima global. Els bacteris nanofils, per exemple, poden agafar electrons de materials orgànics com les diatomees mortes i després transmetre'ls a altres bacteris que produeixen metà, un potent gas d'efecte hivernacle. En diverses circumstàncies, els bacteris del cable poden reduir la producció de metà.

En els propers anys, "veurem un reconeixement generalitzat de la importància d'aquests microbis per a la biosfera", diu Malkin. Una mica més de deu anys després que Nielsen notés la misteriosa desaparició del sulfur d'hidrogen del fang d'Aarhus, diu: "És vertiginós pensar amb què estem tractant aquí".

El següent: un telèfon alimentat per cables microbians?

Els pioners dels microbis elèctrics van pensar ràpidament en com utilitzar aquests bacteris."Ara que sabem que l'evolució ha estat capaç de crear cables elèctrics, seria una llàstima que no els féssim servir", diu Lars Peter Nielsen, microbiòleg de la Universitat d'Aarhus.

Una possible aplicació és la detecció i control de contaminants. Els microbis del cable semblen prosperar en presència de compostos orgànics com el petroli, i Nielsen i el seu equip estan provant la possibilitat que l'abundància de bacteris del cable senyali la presència d'una contaminació no descoberta als aqüífers. Els bacteris no degraden directament l'oli, però poden oxidar el sulfur produït per altres bacteris oliosos. També poden ajudar a netejar; la pluja es recupera més ràpidament de la contaminació del petroli cru quan és colonitzada per bacteris del cable, va informar un altre grup d'investigació al gener a la revista Water Research. A Espanya, un tercer equip investiga si els bacteris nanofils poden accelerar la neteja dels aiguamolls contaminats. I fins i tot abans que els bacteris basats en nanofils fossin elèctrics, van mostrar la promesa de descontaminar els residus nuclears i els aqüífers contaminats amb hidrocarburs aromàtics com el benzè o la naftalè.

Els bacteris elèctrics també poden donar lloc a noves tecnologies. Es poden modificar genèticament per alterar els seus nanocables, que després es poden tallar per formar la columna vertebral de sensors sensibles, segons Derek Lovley, microbiòleg de la Universitat de Massachusetts (UMass), Amherst. "Podem dissenyar nanocables i adaptar-los per unir específicament compostos d'interès". Per exemple, al número Lovely de l'11 de maig de Nano Research, l'enginyer d'UMass Jun Yao i els seus col·legues van descriure un sensor basat en nanocables que detecta amoníac en concentracions necessàries per a aplicacions agrícoles, industrials, ambientals i biomèdiques.

Creats com una pel·lícula, els nanocables poden generar electricitat a partir de la humitat de l'aire. Els investigadors creuen que la pel·lícula genera energia quan es produeix un gradient d'humitat entre les vores superior i inferior de la pel·lícula. (La vora superior és més susceptible a la humitat.) A mesura que els àtoms d'hidrogen i d'oxigen de l'aigua se separen a causa del gradient, es genera càrrega i els electrons flueixen. Yao i el seu equip van informar a Nature el 17 de febrer que una pel·lícula d'aquest tipus podria crear prou energia per encendre un díode emissor de llum i 17 dispositius connectats entre ells podrien alimentar un telèfon mòbil. L'enfocament és "una tecnologia revolucionària per generar energia renovable, neta i barata", diu Qu Lianti, científic de materials de la Universitat de Tsinghua. (Uns altres són més cautelosos i assenyalen que els intents anteriors d'esprémer l'energia de la humitat amb grafè o polímers no han tingut èxit.)

En última instància, els investigadors esperen aprofitar les capacitats elèctriques dels bacteris sense haver de tractar amb microbis exigents. Catch, per exemple, va persuadir el laboratori comú i el bacteri industrial Escherichia coli perquè fes nanocables. Això hauria de facilitar als investigadors la producció en massa de les estructures i l'estudi de les seves aplicacions pràctiques.

Recomanat: