27.02.2010

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.

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.)

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.

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.

Леонид Попов

Источники:

1. MEMBRANA