Донные бактерии построили себе ЛЭП для непрерывного питания

Микробы в толще осадочного материала потребляют пищу, а бактерии на поверхности — кислород. Чтобы последним провернуть этот трюк, им нужно передавать друг другу электроны, а это можно сделать, вырастив микроскопические провода. И речь идёт о "линиях электропередачи" порядка нескольких сантиметров длиной, что в 20 тысяч раз больше поперечника самих бактерий.

Бактерии, обитающие в толще донных отложений, изобрели настоящую "электропроводку", помогающую им усваивать полезные вещества. О таком ярком открытии сообщили на днях Ларс Петер Нильсен (Lars Peter Nielsen) и его коллеги из университета Орхуса и японского института передовых прикладных наук и технологии (AIST).

Нильсен изучал в лаборатории донные отложения, взятые из залива Орхуса. Исследователя интересовало изменение в балансе веществ, вызванное деятельностью бактерий. В частности, он следил за концентрацией ряда органических составов и сероводорода внутри пробного материала.

Ведущий автор новой работы Нильсен изучает образцы, взятые со дна моря (фото N. Risgaard-Petersen).

Когда количество кислорода в воде над ним учёные резко уменьшили, замедлилось и потребление этих соединений бактериями. Они перерабатывают вещества за счёт окислительно-восстановительных реакций, для которых бактериям нужен кислород.

А после того как концентрацию кислорода вернули к норме, темп употребления веществ в толще отложения резко вырос, причём менее чем через час после подачи живительного газа.

По оценке Ларса и его коллег, такого времени не хватило бы на молекулярную диффузию в толщу осадка, перемены шли заметно ниже аэробной зоны, и это было странно. "У вас есть процесс, происходящий в глубине осадков, который связан с потреблением кислорода на самой их поверхности. Очевидно, он идёт при посредничестве бактерий", — заявил учёный.

Фактически сверхдлинные отростки позволяют бактериям использовать в своих интересах атомы-доноры и атомы-акцепторы без непосредственного контакта с ними, решили биологи. (Детали авторы работы изложили в статье в Nature.)

Изменение концентрации кислорода и сероводорода на разных уровнях отложений во времени за несколько циклов опыта Нильсена. Видно, что при каждом добавлении кислорода немедленно следует провал в концентрации сероводорода, хотя они разведены между собой в пространстве (иллюстрация Lars Peter Nielsen et al.).

Правда, пока сами бактериальные провода Нильсен не увидел, он только намерен подтвердить их наличие. Но вот что интересно. Ещё несколько лет назад микробиолог Юрий Горби (Yuri Gorby), в то время сотрудник Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL), открыл, что некоторые бактерии действительно умеют строить очень длинные электроцепи из своих выращенных нанопроводков. И нужны они микробам, как установили тогда естествоиспытатели, именно для компенсации дисбаланса электронов в случае неравномерного распределения в окружающей среде кислорода и различных питательных веществ.

Юрий с воодушевлением воспринял открытие коллег из Дании и Японии, заметив что для обнаружения электроцепей в данном конкретном случае, вероятно, следует заморозить фрагмент донных отложений и изучить их под электронным микроскопом. "Последствия существования нанопроводов в донных отложениях — глубокие", — заявил Горби.

Что ещё интереснее — практически одновременно другая группа учёных из США, Франции, Бразилии и Великобритании опубликовала в JGR-Biogeosciences результат собственного исследования, тоже затронувшего тему электроцепей у донных бактерий.

Эта группа придумала принцип действия и сам термин "биогеобатареи" (biogeobattery) для объяснения ряда интенсивных электрохимических реакций, идущих в донных отложениях. Она показала, что бактерии выступают как катализаторы, или посредники в передаче электронов от доноров к акцепторам, а возможный механизм тут — токопроводящие отростки.

Электрические токи в отложении. 1 – аэробная зона, куда проникает кислород, 2 – лишённая кислорода зона, 3 – сульфидная зона. Толстые чёрные и белые стрелки – миграция ионов, синие стрелки – микробная линия электропередачи (иллюстрация Lars Peter Nielsen et al.).

Косвенно правоту этой версии подтвердили эксперименты в лаборатории и на местности. Учёные измеряли электрические потенциалы в толще отложений и нашли, что их амплитуда (свыше 100 милливольт) и полярность просто-таки требуют наличия длинных невидимых проводников.

Один из лидеров данного исследования Андре Ревил (Andre Revil) из школы горнорудного дела Колорадо (Colorado School of Mines), узнав о параллельной работе Нильсена, сказал, что она подкрепляет доводы в пользу новой теории биогеобатареи.

Вместе с тем Ревил заметил, что обычно экспериментаторы, исследующие окислительно-восстановительные процессы, сосредотачивали внимание на малом масштабе. Мол, до сих пор никому в голову не приходило, что в природе молекулы-окислители и молекулы-восстановители, участвующие де-факто в одной реакции, могут разделять многие сантиметры.

Между тем раскрытие всех деталей такой деятельности бактерий может привести к появлению необычных генераторов энергии — сетей электродов в донных осадках. Они могли бы поставлять скромную толику тока для научных датчиков. Также правильные бактерии, запущенные в толщу токсичных отходов, благодаря своему умению использовать поверхностный кислород были бы способны очищать такие отложения от вредных соединений.