stringtranslate.com

Кабельные бактерии

Кабельные бактерии между двумя слоями осадка разделились внутри стеклянного цилиндра.
Диаграмма, демонстрирующая метаболизм кабельных бактерий в поверхностных отложениях. Сероводород (H 2 S) окисляется в слое сульфидного осадка, а образующиеся электроны (e - ) передаются вверх через кабельную бактериальную нить к кислородному слою и используются для восстановления молекулярного кислорода (O 2 ).

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, который соединяет доноров электронов с акцепторами электронов, соединяя ранее разделенные реакции окисления и восстановления. [3] Кабельные бактерии связывают восстановление кислорода [2] или нитратов [4] на поверхности отложений с окислением сульфида [2] в более глубоких бескислородных слоях отложений.

Открытие

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 в пресноводных отложениях [6] и подземных водоносных горизонтах. [7] В верхнем слое осадков толщиной 15 см наблюдалась плотность кабельных бактерий, обеспечивающая общую длину до 2 км на квадратный сантиметр поверхности. [8]

Морфология

Нити кабельных бактерий имеют диаметр 1–4 мкм и длину более 1 см. [9] Отдельные клетки в нитях имеют палочковидную форму со средней длиной 3 мкм. [2] Как и грамотрицательные бактерии, они имеют две клеточные мембраны, причем каждая клетка имеет свою собственную индивидуальную внутреннюю клеточную мембрану, но внешняя клеточная мембрана является общей для всех клеток в нити. [2] В общей периплазме имеется около 15–60 [2] [9] электронопроводящих волокон 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

Кабельные бактерии обычно встречаются в восстановленных отложениях. [10] Они могут присутствовать как одна нить или как скопление нитей. [10] Кабельные бактерии были идентифицированы как переплетенные с корневыми волосками водных растений и присутствующие 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] Японию , [15] Австралию , [16] и Соединенные Штаты . [17]

Подвижность

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] Повороты при движении посредством вращательного планирования встречаются редко, но случаются. [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

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] На основе сравнения 16S-рибосомальной РНК было обнаружено, что пресноводные и морские кабельные бактерии схожи на 88% . [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

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] ограничивая количество 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

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

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 играть роль в будущих технологиях очистки разливов нефти .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ab Nielsen LP, Рисгаард-Петерсен Н, Фоссинг Х, Кристенсен ПБ, 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. PMID  20182510. S2CID  205219761.
  2. ^ abcdefgh 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. PMID  23103872. S2CID  205231198.
  3. ^ Nielsen LP, 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.
  4. ^ Марзокки Ю, 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. 
  5. ^ 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. 
  6. ^ ab 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/AEM.01064-15. ПМЦ 4551263 . ПМИД  26116678. 
  7. ^ Мюллер Х., Бош Дж., Гриблер С., Дамгаард Л.Р., Нильсен Л.П., Людерс Т., Меккенсток RU (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. 
  8. ^ Шауэр Р., Рисгаард-Петерсен Н., Кьельдсен К.У., Татару Бьерг Дж.Дж., Б. Йоргенсен Б., Шрамм А., Нильсен Л.П. (июнь 2014 г.). «Последовательность кабельных бактерий и электрических токов в морских отложениях». Журнал ISME . 8 (6): 1314–22. дои : 10.1038/ismej.2013.239. ПМК 4030233 . ПМИД  24451206. 
  9. ^ abc 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.
  10. ^ abc 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). doi : 10.1093/femsec/fiz062. ПМК 6510695 . ПМИД  31054245. 
  11. ↑ Троян Д., Шрайбер Л., Бьерг Дж.Т., Бёггильд А., Ян 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. 
  12. ^ 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/AEM.01064-15. ПМЦ 4551263 . ПМИД  26116678. 
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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. 
  15. ^ ab Троян Д., Шрайбер Л., Бьерг Дж.Т., Беггильд А., Ян 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. 
  16. ↑ Смит Б. (5 декабря 2014 г.). «Шок, когда ученые обнаружили в Ярре «электрические» бактерии» . Возраст .
  17. ^ 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.
  18. ^ abcdefgh 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. 
  19. ^ abcd Кьельдсен К.У., Шрайбер Л., Торуп К.А., Боесен Т., Бьерг Дж.Т., Ян 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. 
  20. ^ Мейсман FJ (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.
  21. ^ Сулу-Гамбари Ф, Сейтай Д, Мейсман Ф.Дж., Шауэр Р., Полерецкий Л., Сломп КП (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. doi : 10.1021/acs.est.5b04369. ПМИД  26720721.
  22. ^ 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. 
  23. ^ Шольц В.В., Meckenstock RU, Nielsen LP, Рисгаард-Петерсен Н. (апрель 2020 г.). «Кабельные бактерии сокращают выбросы метана из почв, засаженных рисом». Природные коммуникации . 11 (1): 1878. Бибкод : 2020NatCo..11.1878S. doi : 10.1038/s41467-020-15812-w. ПМК 7171082 . ПМИД  32313021. 
  24. ^ 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. 
  25. ^ Маттурро Б, Круз Вигги С, Аулента Ф, Россетти С (2017). «Кабельные бактерии и биоэлектрохимическая трубка: природные и инженерные 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