Кабельные бактерии


Кабельные бактерии представляют собой нитчатые бактерии , которые проводят электрический ток на расстояние более 1 см в отложениях и водоносных горизонтах грунтовых вод. [ 1 ] [ 2 ] Кабельные бактерии обеспечивают перенос электронов на большие расстояния, что соединяет доноров электронов с акцепторами электронов, соединяя ранее разделенные реакции окисления и восстановления. [ 3 ] Кабельные бактерии связывают восстановление кислорода [ 2 ] или нитрат [ 4 ] на поверхности осадка к окислению сульфида [ 2 ] в более глубоких бескислородных слоях отложений.
Открытие
[ редактировать ]Электропроводность в отложениях на большие расстояния впервые наблюдалась в 2010 году как пространственное разделение процессов окисления сульфидов и восстановления кислорода в морских отложениях, которое прерывалось и восстанавливалось со скоростью, превышающей скорость, которую можно было объяснить химической диффузией. [ 1 ] Позже было обнаружено, что эту электропроводность можно было наблюдать через непроводящий слой стеклянных микросфер, где единственными возможными проводящими структурами были нитчатые бактерии, принадлежащие к семейству Desulfobulbaceae . [ 2 ] Проводимость одиночных живых нитей была позже продемонстрирована путем наблюдения за состоянием окисления цитохромов с помощью рамановской микроскопии . [ 5 ] Позднее то же явление наблюдалось и в пресноводных отложениях. [ 6 ] и подземные водоносные горизонты. [ 7 ] В верхнем слое осадков толщиной 15 см наблюдаются плотности кабельных бактерий, обеспечивающие общую длину до 2 км на квадратный сантиметр поверхности. [ 8 ]
Морфология
[ редактировать ]Нити кабельных бактерий имеют диаметр 1–4 мкм и длину более 1 см. [ 9 ] Отдельные клетки нитей имеют палочковидную форму средней длиной 3 мкм. [ 2 ] Как грамотрицательные бактерии, они имеют две клеточные мембраны, причем каждая клетка имеет свою собственную внутреннюю клеточную мембрану, но внешняя клеточная мембрана является общей для всех клеток в нити. [ 2 ] В общей периплазме их около 15–60. [ 2 ] [ 9 ] электронопроводящие волокна диаметром около 50 нм, которые снаружи видны как параллельные продольные ребра. Они состоят из белков, богатых никелем и серой, электрически изолированы и проходят по всей длине клеточной нити. [ 9 ]
Распределение
[ редактировать ]Кабельные бактерии обычно встречаются в восстановленных отложениях. [ 10 ] Они могут присутствовать в виде одиночной нити или в виде скопления нитей. [ 10 ] Было обнаружено, что кабельные бактерии переплетаются с корневыми волосками водных растений и присутствуют в ризосфере. [ 10 ] Их распространение варьируется в пределах градиента солености; они присутствуют в пресноводных, соленых озерах и морской среде обитания. [ 11 ] [ 12 ] Кабельные бактерии были идентифицированы в самых разных климатических условиях по всему миру. [ 13 ] включая Данию , [ 2 ] [ 6 ] Нидерланды , [ 14 ] Япония , [ 15 ] Австралия , [ 16 ] и США . [ 17 ]
Подвижность
[ редактировать ]Кабельные бактерии лишены жгутиков, но способны к передвижению в виде скольжения. [ 18 ] продвигаясь вперед за счет выделения веществ. [ 19 ] Было замечено, что кабельные бактерии движутся со скоростью 2,2 мкм/с при средней скорости 0,5 мкм/с. [ 18 ] Скорость подвижности кабельных бактерий не связана с размером бактерий. [ 18 ] Среднее расстояние, на которое скользит бактерия по кабелю, составляет примерно 74 мкм без перерыва. [ 18 ] Нити кабельных бактерий имеют тенденцию сгибаться пополам, и их движение осуществляется вершиной изгиба, а не одним кончиком нити. [ 18 ] Поворот для движения посредством вращательного планирования встречается редко, но случается. [ 18 ] Кабельные бактерии, вероятно, участвуют в кислородном хемотаксисе , поскольку наблюдают, что они перемещаются в бескислородной или гипоксической среде и перестают скользить при контакте с кислородом. [ 18 ] Хотя подвижность важна для других микроорганизмов, как только кабельные бактерии оказываются в месте, соединяющем кислород с сульфидом, им больше не нужно двигаться. [ 18 ] Снижение потребности в подвижности может объяснить, почему геном кабельных бактерий содержит меньше оперонов, связанных с хемотаксисом, чем геном других Desulfobulbaceae . [ 19 ] Меньшее количество оперонов, связанных с хемотаксисом, приводит к ограничению подвижности. [ 19 ]
Таксономия
[ редактировать ]Два рода-кандидата кабельных бактерий, описанные до сих пор (2016 г.): Electrothrix , содержащий четыре вида-кандидата, обнаруженные в морских или солоноватых отложениях, и Electronema , содержащий два вида-кандидата, обнаруженные в пресноводных отложениях, по-видимому, являются монофилетической группой. [ 15 ] было обнаружено, что пресноводные и морские кабельные бактерии схожи на 88% На основе сравнения 16S-рибосомальной РНК . [ 20 ] Эти роды относятся к семейству Desulfobulbaceae . [ 19 ] Кабельные бактерии определяются их функцией, а не филогенией, и вполне возможно, что будут открыты и другие таксоны кабельных бактерий.
Экологическое значение
[ редактировать ]Кабельные бактерии сильно влияют на геохимические свойства окружающей среды. Их активность способствует окислению железа на поверхности осадка, а образующиеся оксиды железа связывают фосфорсодержащие соединения. [ 21 ] и сероводород, [ 22 ] ограничение количества фосфора и сероводорода в воде. Фосфор может вызвать эвтрофикацию , а сероводород может быть токсичным для морской жизни, а это означает, что кабельные бактерии играют важную роль в поддержании морских экосистем в прибрежных районах.
Выбросы метана
[ редактировать ]Наличие кабельных бактерий может привести к снижению выбросов метана из насыщенных почв. Перенос электронов через кабельные бактерии позволяет уравновесить сульфатредукцию, происходящую в затопленных почвах, окислением сульфидов. Окисление возможно из-за выброса электронов через кабельные нити бактерий. Благодаря этому балансу сульфат остается легко доступным для сульфатредуцирующих бактерий , которые конкурируют с метаногенами. Это вызывает снижение продукции метана метаногенами. [ 23 ]
Практическое применение
[ редактировать ]Были обнаружены кабельные бактерии, связанные с бентосными микробными топливными элементами — устройствами, которые преобразуют химическую энергию на дне океана в электрическую. [ 24 ] В будущем кабельные бактерии могут сыграть роль в повышении эффективности микробных топливных элементов, используемых в осадочных средах. Также было обнаружено, что кабельные бактерии связаны с биоэлектрохимической системой, которая усиливает деградацию морских отложений, загрязненных углеводородами. [ 25 ] и, таким образом, может сыграть роль в будущих технологиях ликвидации разливов нефти .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Нильсен Л.П., Рисгаард-Петерсен Н., Фоссинг Х., Кристенсен П.Б., Саяма М. (февраль 2010 г.). «Электрические токи соединяют пространственно разделенные биогеохимические процессы в морских отложениях». Природа . 463 (7284): 1071–4. Бибкод : 2010Natur.463.1071N . дои : 10.1038/nature08790 . ПМИД 20182510 . S2CID 205219761 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Пфеффер С., Ларсен С., Сонг Дж., Донг М., Безенбахер Ф., Мейер Р.Л. и др. (ноябрь 2012 г.). «Нитчатые бактерии переносят электроны на сантиметровые расстояния». Природа . 491 (7423): 218–21. Бибкод : 2012Natur.491..218P . дои : 10.1038/nature11586 . ПМИД 23103872 . S2CID 205231198 .
- ^ Нильсен Л.П., Рисгаард-Петерсен Н. (2015). «Переосмысление биогеохимии отложений после открытия электрических токов». Ежегодный обзор морской науки . 7 : 425–42. Бибкод : 2015ARMS....7..425N . doi : 10.1146/annurev-marine-010814-015708 . ПМИД 25251266 .
- ^ Марзокки У., Троян Д., Ларсен С., Мейер Р.Л., Ревсбех Н.П., Шрамм А. и др. (август 2014 г.). «Электрическая связь между отдаленным восстановлением нитратов и окислением сульфидов в морских отложениях» . Журнал ISME . 8 (8): 1682–90. дои : 10.1038/ismej.2014.19 . ПМЦ 4817607 . ПМИД 24577351 .
- ^ Бьерг Дж.Т., Бошкер Х.Т., Ларсен С., Берри Д., Шмид М., Милло Д. и др. (май 2018 г.). «Перенос электронов на большие расстояния у отдельных живых кабельных бактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (22): 5786–5791. Бибкод : 2018PNAS..115.5786B . дои : 10.1073/pnas.1800367115 . ПМЦ 5984516 . ПМИД 29735671 .
- ^ Jump up to: а б Рисгаард-Петерсен Н., Кристиансен М., Фредериксен Р.Б., Диттмер А.Л., Бьерг Дж.Т., Троян Д. и др. (сентябрь 2015 г.). «Кабельные бактерии в пресноводных отложениях» . Прикладная и экологическая микробиология . 81 (17): 6003–11. Бибкод : 2015ApEnM..81.6003R . дои : 10.1128/АЕМ.01064-15 . ПМЦ 4551263 . ПМИД 26116678 .
- ^ Мюллер Х., Бош Дж., Гриблер С., Дамгаард Л.Р., Нильсен Л.П., Людерс Т., Меккенсток РУ (август 2016 г.). «Перенос электронов на большие расстояния кабельными бактериями в отложениях водоносного горизонта» . Журнал ISME . 10 (8): 2010–9. дои : 10.1038/ismej.2015.250 . ПМЦ 4939269 . ПМИД 27058505 .
- ^ Шауэр Р., Рисгаард-Петерсен Н., Кьельдсен К.У., Татару Бьерг Дж.Дж., Б. Йоргенсен Б., Шрамм А., Нильсен Л.П. (июнь 2014 г.). «Сукцессия кабельных бактерий и электрических токов в морских отложениях» . Журнал ISME . 8 (6): 1314–22. дои : 10.1038/ismej.2013.239 . ПМК 4030233 . ПМИД 24451206 .
- ^ Jump up to: а б с Бошкер, Хенрикус Т.С.; Кук, Перран Л.М.; Полерецкий, Любош; Ичамбади, Рагхавендран Тируваллур; Лозано, Хелена; Идальго-Мартинес, Сильвия; Халенков Дмитрий; Спампинато, Валентина; Клаас, Натали (23 октября 2020 г.). «Эффективная проводимость на большие расстояния в кабельных бактериях через никелевые белковые провода» . dx.doi.org . дои : 10.1101/2020.10.23.351973 . hdl : 2445/180328 . Проверено 13 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с Шольц В.В., Мюллер Х., Корен К., Нильсен Л.П., Меккенсток RU (июнь 2019 г.). «Ризосфера водных растений является средой обитания кабельных бактерий» . ФЭМС Микробиология Экология . 95 (6). дои : 10.1093/femsec/fiz062 . ПМК 6510695 . ПМИД 31054245 .
- ^ Троян Д., Шрайбер Л., Бьерг Дж.Т., Бёггильд А., Янг Т., Кьельдсен К.У., Шрамм А. (июль 2016 г.). «Таксономическая основа кабельных бактерий и предложение родов-кандидатов Electrothrix и Electronema» . Систематическая и прикладная микробиология . 39 (5): 297–306. дои : 10.1016/j.syapm.2016.05.006 . ПМЦ 4958695 . ПМИД 27324572 .
- ^ Рисгаард-Петерсен Н., Кристиансен М., Фредериксен Р.Б., Диттмер А.Л., Бьерг Дж.Т., Троян Д. и др. (сентябрь 2015 г.). Костка Дж.Э. (ред.). «Кабельные бактерии в пресноводных отложениях» . Прикладная и экологическая микробиология . 81 (17): 6003–11. Бибкод : 2015ApEnM..81.6003R . дои : 10.1128/АЕМ.01064-15 . ПМЦ 4551263 . ПМИД 26116678 .
- ^ Бурдорф Л.Д., Трампер А., Сейтай Д., Мейре Л., Идальго-Мартинес С., Зетше Э.М. и др. (2017). «Перенос электронов на большие расстояния происходит во всем мире в морских отложениях» . Биогеонауки . 14 (3): 683–701. Бибкод : 2017BGeo...14..683B . дои : 10.5194/bg-14-683-2017 .
- ^ Малкин С.Ю., Рао А.М., Сейтай Д., Васкес-Карденас Д., Зетше Э.М., Идальго-Мартинес С. и др. (сентябрь 2014 г.). «Естественное возникновение микробного окисления серы путем переноса электронов на большие расстояния на морском дне» . Журнал ISME . 8 (9): 1843–54. дои : 10.1038/ismej.2014.41 . ПМЦ 4139731 . ПМИД 24671086 .
- ^ Jump up to: а б Троян Д., Шрайбер Л., Бьерг Дж.Т., Бёггильд А., Янг Т., Кьельдсен К.У., Шрамм А. (июль 2016 г.). «Таксономическая основа кабельных бактерий и предложение родов-кандидатов Electrothrix и Electronema» . Систематическая и прикладная микробиология . 39 (5): 297–306. дои : 10.1016/j.syapm.2016.05.006 . ПМЦ 4958695 . ПМИД 27324572 .
- ^ Смит Б. (5 декабря 2014 г.). «Шок, когда ученые обнаружили в Ярре «электрические» бактерии» . Возраст .
- ^ Ларсен С., Нильсен Л.П., Шрамм А. (апрель 2015 г.). «Кабельные бактерии, связанные с переносом электронов на большие расстояния в отложениях солончаков Новой Англии». Отчеты по экологической микробиологии . 7 (2): 175–9. дои : 10.1111/1758-2229.12216 . ПМИД 25224178 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Бьерг Дж.Т., Дамгаард Л.Р., Холм С.А., Шрамм А., Нильсен Л.П. (июль 2016 г.). Дрейк Х.Л. (ред.). «Подвижность бактерий электрического кабеля» . Прикладная и экологическая микробиология . 82 (13): 3816–21. Бибкод : 2016ApEnM..82.3816B . дои : 10.1128/AEM.01038-16 . ПМК 4907201 . ПМИД 27084019 .
- ^ Jump up to: а б с д Кьелдсен К.У., Шрайбер Л., Торуп К.А., Боезен Т., Бьерг Дж.Т., Янг Т. и др. (сентябрь 2019 г.). «Об эволюции и физиологии кабельных бактерий» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 116 (38): 19116–19125. Бибкод : 2019PNAS..11619116K . дои : 10.1073/pnas.1903514116 . ПМК 6754541 . ПМИД 31427514 .
- ^ Мейсман Ф.Дж. (май 2018 г.). «Кабельные бактерии обретают новое дыхание, используя электричество на большие расстояния». Тенденции в микробиологии . 26 (5): 411–422. дои : 10.1016/j.tim.2017.10.011 . ПМИД 29174100 .
- ^ Сулу-Гамбари Ф., Сейтай Д., Мейсман Ф.Дж., Шауэр Р., Полерецкий Л., Сломп К.П. (февраль 2016 г.). «Кабельные бактерии контролируют железо-фосфорную динамику в отложениях прибрежного гипоксического бассейна». Экологические науки и технологии . 50 (3): 1227–33. Бибкод : 2016EnST...50.1227S . дои : 10.1021/acs.est.5b04369 . ПМИД 26720721 .
- ^ Сейтай Д., Шауэр Р., Сулу-Гамбари Ф., Идальго-Мартинес С., Малкин С.Ю., Бурдорф Л.Д. и др. (октябрь 2015 г.). «Кабельные бактерии создают защиту от эвксинии в сезонно гипоксических бассейнах» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (43): 13278–83. Бибкод : 2015PNAS..11213278S . дои : 10.1073/pnas.1510152112 . ПМЦ 4629370 . ПМИД 26446670 .
- ^ Шольц В.В., Меккеншток РУ, Нильсен Л.П., Рисгаард-Петерсен Н. (апрель 2020 г.). «Кабельные бактерии сокращают выбросы метана из почв, засаженных рисом» . Природные коммуникации . 11 (1): 1878. Бибкод : 2020NatCo..11.1878S . дои : 10.1038/s41467-020-15812-w . ПМК 7171082 . ПМИД 32313021 .
- ^ Реймерс С. , Ли С., Грау М., Шрейдер П., Вольф М. (2017). «Идентификация кабельных бактерий, прикрепленных к аноду донного микробного топливного элемента: доказательства внеклеточного транспорта электронов на большие расстояния к электродам» . Границы микробиологии . 8 : 2055. дои : 10.3389/fmicb.2017.02055 . ПМК 5660804 . ПМИД 29114243 .
- ^ Маттурро Б, Круз Вигги С, Аулента Ф, Россетти С (2017). «Кабельные бактерии и биоэлектрохимическая трубка: природные и искусственные аспекты, играющие роль в разложении углеводородов в морских отложениях» . Границы микробиологии . 8 : 952. дои : 10.3389/fmicb.2017.00952 . ПМЦ 5447156 . ПМИД 28611751 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]СМИ, связанные с кабельными бактериями, на Викискладе?