Bakteria wa ajabu wanaotengeneza nyaya za umeme

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

Kwa Lars Peter Nielsen, yote yalianza na kutoweka kwa ajabu kwa sulfidi hidrojeni. Mwanasaikolojia huyo alikusanya tope jeusi, lenye harufu nzuri kutoka chini ya bandari ya Aarhus nchini Denmark, akalitupa kwenye glasi kubwa za glasi na kuingiza vihisi maalum ambavyo viligundua mabadiliko katika muundo wa kemikali wa matope.

Mwanzoni mwa jaribio, utungaji ulikuwa umejaa sulfidi hidrojeni - chanzo cha harufu na rangi ya sediment. Lakini siku 30 baadaye, kipande kimoja cha uchafu kiligeuka rangi, ambayo inaonyesha kupoteza kwa sulfidi hidrojeni. Hatimaye, sensorer ndogo zilionyesha kuwa unganisho lote limetoweka. Kwa kuzingatia kile wanasayansi walijua kuhusu biogeochemistry ya matope, anakumbuka Nielsen wa Chuo Kikuu cha Aarhus, "haikuwa na maana hata kidogo."

Maelezo ya kwanza, alisema, ni kwamba vitambuzi vilikuwa na makosa. Lakini sababu iligeuka kuwa ya kushangaza zaidi: bakteria zinazounganisha seli huunda nyaya za umeme ambazo zinaweza kufanya sasa hadi sentimita 5 kupitia uchafu.

Marekebisho ambayo hayajawahi kuonekana katika vijidudu huruhusu hizi zinazoitwa bakteria ya kebo kushinda shida kuu inayowakabili viumbe wengi wanaoishi kwenye matope: ukosefu wa oksijeni. Kutokuwepo kwake kwa kawaida huzuia bakteria kutoka kwa misombo ya metabolizing kama vile sulfidi hidrojeni kwa chakula. Lakini nyaya, kwa kufunga vijiumbe kwenye amana zenye oksijeni nyingi, huwaruhusu kuguswa kwa umbali mrefu.

Wakati Nielsen alielezea ugunduzi huo kwa mara ya kwanza mnamo 2009, wenzake walikuwa na mashaka. Philip Meisman, mhandisi wa kemikali katika Chuo Kikuu cha Antwerp, anakumbuka kufikiri, "Huu ni upuuzi mtupu." Ndio, watafiti walijua kuwa bakteria wanaweza kuendesha umeme, lakini sio kwa umbali ambao Nielsen alipendekeza. "Ilikuwa kana kwamba michakato yetu ya kimetaboliki inaweza kuathiri umbali wa kilomita 18," asema mwanabiolojia Andreas Teske wa Chuo Kikuu cha North Carolina katika Chapel Hill.

Lakini kadiri watafiti walivyozidi kutafuta matope "yaliyo na umeme", ndivyo walivyoipata kwenye chumvi na maji safi. Pia walitambua aina ya pili ya vijidudu vya umeme vinavyopenda uchafu: bakteria ya nanowire, seli za kibinafsi zinazokuza miundo ya protini ambayo inaweza kusonga elektroni kwa umbali mfupi.

Vijidudu hivi vya nanowire hupatikana kila mahali, pamoja na mdomo wa mwanadamu

Ugunduzi huwalazimisha watafiti kuandika upya vitabu vya kiada; kufikiria upya jukumu la bakteria ya matope katika usindikaji wa vitu muhimu kama vile kaboni, nitrojeni na fosforasi; na kukagua jinsi zinavyoathiri mifumo ikolojia ya majini na mabadiliko ya hali ya hewa.

Wanasayansi pia wanatafuta matumizi ya vitendo, kuchunguza uwezo wa bakteria zilizo na nyaya na nanowires kupambana na uchafuzi wa mazingira na vifaa vya umeme vya nguvu. "Tunaona mwingiliano mwingi zaidi ndani ya vijidudu na kati ya vijidudu vinavyotumia umeme," Meisman anasema. "Ninaiita biosphere ya umeme."

Chembe nyingi husitawi kwa kuchukua elektroni kutoka kwa molekuli moja, mchakato unaoitwa oxidation, na kuzihamisha hadi kwenye molekuli nyingine, kwa kawaida oksijeni, inayoitwa kupunguza. Nishati inayopatikana kutokana na athari hizi inasimamia michakato mingine ya maisha. Katika seli za eukaryotic, ikiwa ni pamoja na yetu wenyewe, athari hizo za "redox" hutokea kwenye membrane ya ndani ya mitochondria, na umbali kati yao ni ndogo - micrometers tu. Hii ndiyo sababu watafiti wengi walikuwa na shaka kuhusu madai ya Nielsen kwamba bakteria ya kebo husogeza elektroni kupitia safu ya uchafu yenye ukubwa wa mpira wa gofu.

Kutoweka kwa sulfidi hidrojeni ilikuwa ufunguo wa kuthibitisha hili. Bakteria hutengeneza kiwanja katika matope, kuvunja mabaki ya mimea na vifaa vingine vya kikaboni; katika amana za kina, sulfidi hidrojeni hujilimbikiza kwa sababu ya ukosefu wa oksijeni, ambayo husaidia bakteria wengine kuivunja. Hata hivyo, sulfidi hidrojeni bado ilitoweka kwenye mizinga ya Nielsen. Zaidi ya hayo, tint yenye kutu ilionekana kwenye uso wa uchafu, ambayo ilionyesha uundaji wa oksidi ya chuma.

Kuamka usiku mmoja, Nielsen alikuja na maelezo ya kushangaza: vipi ikiwa bakteria iliyozikwa kwenye matope itakamilisha majibu ya redox, kwa njia fulani kupita tabaka zenye maskini wa oksijeni? Je, ikiwa, badala yake, wangetumia ugavi mwingi wa sulfidi hidrojeni kama mtoaji wa elektroni na kisha kusambaza elektroni kuelekea kwenye uso uliojaa oksijeni? Huko, katika mchakato wa oxidation, kutu hutengenezwa ikiwa chuma iko.

Kupata ni nini hubeba elektroni hizi imeonekana kuwa ngumu. Kwanza, Niels Riesgaard-Petersen wa timu ya Nielsen alilazimika kuondoa uwezekano rahisi zaidi: chembe za chuma kwenye sediment hubeba elektroni hadi juu na kusababisha oxidation. Alitimiza hili kwa kuingiza safu ya shanga za kioo ambazo hazipitishi umeme kwenye nguzo ya uchafu. Licha ya kikwazo hiki, watafiti bado walipata mkondo wa umeme ukisonga kwenye matope, na kupendekeza kuwa chembe za chuma hazikuwa na nguvu.

Ili kuona ikiwa kebo au waya ilikuwa imebeba elektroni, watafiti walitumia waya wa tungsten kutengeneza sehemu ya mlalo kupitia safu ya matope. Mkondo ulitoka, kana kwamba waya imekatwa. Kazi nyingine ilipunguza ukubwa wa kondakta, na kupendekeza kuwa inapaswa kuwa angalau 1 micrometer kwa kipenyo. "Hii ni saizi ya kawaida ya bakteria," Nielsen anasema.

Hatimaye, maikrografu za elektroni zilifichua mwaniaji anayewezekana: nyuzi ndefu, nyembamba za bakteria ambazo zilionekana kwenye safu ya shanga za glasi zilizoingizwa kwenye mishikaki iliyojaa matope kutoka Bandari ya Aarhus. Kila filamenti ilikuwa na rundo la seli - hadi 2,000 - zilizofungwa kwenye utando wa nje wa ribbed. Katika nafasi kati ya utando huu na seli zilizowekwa juu ya kila mmoja, "waya" nyingi zinazofanana zilinyoosha uzi juu ya urefu wake wote. Mwonekano wa kebo uliongoza jina la kawaida la microbe.

Meisman, mtu aliyekuwa na shaka, aliongoka haraka. Muda mfupi baada ya Nielsen kutangaza ugunduzi wake, Meismann aliamua kuchunguza mojawapo ya sampuli zake za tope la bahari. "Niliona mabadiliko ya rangi sawa katika mashapo ambayo aliona," Meisman anakumbuka. "Ilikuwa mwelekeo wa Mama Nature kuchukua kwa uzito zaidi."

Timu yake ilianza kutengeneza zana na mbinu za utafiti wa viumbe vidogo, wakati mwingine ikifanya kazi kwa kushirikiana na kundi la Nielsen. Ilikuwa ngumu kwenda. Filaments za bakteria huwa na kuharibika haraka baada ya kutengwa, na electrodes ya kawaida ya kupima mikondo katika waendeshaji wadogo haifanyi kazi. Lakini mara tu watafiti walipojifunza kuchagua kamba moja na kushikamana haraka na elektroni ya mtu binafsi, "tuliona utendaji wa hali ya juu," Meisman anasema. Kebo za moja kwa moja haziwezi kushindana na waya za shaba, alisema, lakini zinalingana na kondakta zinazotumiwa katika paneli za jua na skrini za simu za rununu, na vile vile semiconductors bora za kikaboni.

Watafiti pia walichambua anatomy ya bakteria ya kebo. Kwa kutumia bafu za kemikali, walitenga ganda la silinda, na kugundua kwamba lilikuwa na nyuzi 17 hadi 60 zinazofanana zilizounganishwa ndani. Sheli hiyo ndiyo chanzo cha uendeshaji, Meisman na wenzake waliripoti mwaka jana katika Nature Communications. Utungaji wake halisi bado haujulikani, lakini inaweza kuwa msingi wa protini.

"Ni kiumbe changamano," anasema Nielsen, ambaye sasa anaongoza Kituo cha Electro-Microbiology, kilichoundwa mwaka wa 2017 na serikali ya Denmark. Miongoni mwa matatizo ambayo kituo hutatua ni uzalishaji mkubwa wa microbes katika utamaduni. "Ikiwa tungekuwa na utamaduni safi, ingekuwa rahisi zaidi" kupima mawazo kuhusu kimetaboliki ya seli na athari za mazingira kwenye upitishaji, anasema Andreas Schramm kutoka kituo hicho. Bakteria zilizokuzwa pia zitafanya iwe rahisi kuhami nyaya za kebo na kujaribu urekebishaji wa kibayolojia na utumizi wa teknolojia ya kibayoteknolojia.

Wakati watafiti wanashangaa juu ya bakteria kwenye kebo, wengine wanaangalia kihusika kingine kikubwa katika matope ya umeme: bakteria inayotokana na nanowire ambayo, badala ya kukunja seli kuwa nyaya, hukua waya za protini za urefu wa 20 hadi 50 kutoka kwa kila seli.

Kama ilivyo kwa bakteria ya kebo, muundo wa kemikali wa ajabu wa amana ulisababisha ugunduzi wa vijidudu vya nanowire. Mnamo 1987, mwanabiolojia Derek Lovley, sasa katika Chuo Kikuu cha Massachusetts Amherst, alijaribu kuelewa jinsi fosfeti kutoka kwa maji machafu ya mbolea - kirutubisho kinachokuza maua ya mwani - inatolewa kutoka kwa mchanga chini ya Mto Potomac huko Washington, DC. ilifanya kazi na kuanza kuwaondoa kwenye uchafu. Baada ya kukua moja, ambayo sasa inaitwa Geobacter Metallireducens, aliona (chini ya darubini ya elektroni) kwamba bakteria walikuwa wamekuza uhusiano na madini ya chuma yaliyo karibu. Alishuku kuwa elektroni zilibebwa kando ya waya hizi, na mwishowe akagundua kuwa Geobacter ilipanga athari za kemikali kwenye matope, ikiongeza oksidi misombo ya kikaboni na kuhamisha elektroni kwa madini. Madini haya yaliyopunguzwa basi hutoa fosforasi na vitu vingine.

Kama Nielsen, Lovely alikabiliwa na shaka alipoelezea kwa mara ya kwanza microbe yake ya umeme. Leo, hata hivyo, yeye na wengine wamesajili karibu aina kumi na mbili za vijidudu vya nanowire, wakizipata katika mazingira mengine isipokuwa uchafu. Wengi hubeba elektroni kwenda na kutoka kwa chembe kwenye mchanga. Lakini wengine hutegemea vijiumbe vingine kupokea au kuhifadhi elektroni. Ushirikiano huu wa kibaolojia huruhusu vijiumbe vyote viwili "kushiriki katika aina mpya za kemia ambazo hakuna kiumbe chochote kinachoweza kufanya peke yake," anasema Victoria Orfan, mwanajiolojia katika Taasisi ya Teknolojia ya California. Ingawa bakteria za kebo hutatua mahitaji yao ya redoksi kwa kusafirishwa umbali mrefu hadi kwenye matope yenye oksijeni, vijidudu hivi hutegemea kimetaboliki ya kila mmoja ili kukidhi mahitaji yao ya redoksi.

Watafiti wengine bado wanajadili jinsi nanowires za bakteria zinavyofanya elektroni. Lovley na wenzake wanasadiki kwamba ufunguo ni minyororo ya protini inayoitwa pilin, ambayo hufanyizwa na asidi ya amino ya duara. Wakati yeye na wenzake walipunguza kiwango cha amino asidi katika pilin, nanowires zilipungua sana. "Ilikuwa ya kushangaza sana," asema Lovely, kwa sababu inakubaliwa kwa ujumla kuwa protini ni vihami. Lakini wengine wanafikiri kwamba swali hili liko mbali na kutatuliwa. Yatima, kwa mfano, anasema kwamba ingawa "kuna ushahidi mwingi … bado sidhani [uendeshaji wa nanowire] unaeleweka vyema."

Kilicho wazi ni kwamba bakteria za umeme ziko kila mahali. Mnamo 2014, kwa mfano, wanasayansi waligundua bakteria ya cable katika makazi matatu tofauti sana katika Bahari ya Kaskazini: katika kinamasi cha chumvi, katika bonde la bahari ambapo viwango vya oksijeni hupungua hadi karibu sifuri katika misimu fulani, na katika uwanda wa matope uliofurika karibu na bahari. …. ufukweni. (Hawakuzipata katika eneo lenye mchanga lenye kukaliwa na minyoo wanaotoa mchanga na kuharibu nyaya.) Kwingineko, watafiti wamepata uthibitisho wa DNA wa bakteria wa kebo katika mabonde ya bahari yenye kina kirefu, yasiyo na oksijeni, maeneo ya chemchemi ya joto, na hali ya baridi. kumwagika, na mikoko na kingo za mawimbi katika maeneo ya halijoto na tropiki.

Bakteria ya cable pia hupatikana katika mazingira ya maji safi. Baada ya kusoma makala za Nielsen mwaka wa 2010 na 2012, timu inayoongozwa na mwanabiolojia Rainer Meckenstock ilichunguza tena chembe za mashapo zilizochimbwa wakati wa uchunguzi wa uchafuzi wa maji ya ardhini huko Düsseldorf, Ujerumani. "Tulipata [bakteria ya kebo] mahali ambapo tulifikiri kwamba tutazipata," kwenye kina kirefu ambapo oksijeni ilipungua, anakumbuka Mekenstock, ambaye anafanya kazi katika Chuo Kikuu cha Duisburg-Essen.

Bakteria ya Nanowire imeenea zaidi. Watafiti wamezipata katika udongo, mashamba ya mpunga, matumbo ya kina kirefu na hata mitambo ya kusafisha maji taka, na pia kwenye maji safi na mchanga wa baharini. Zinaweza kuwepo popote ambapo filamu za kibayolojia zinaundwa, na kuenea kwa filamu za kibayolojia ni ushahidi zaidi wa jukumu kubwa ambalo bakteria hawa wanaweza kucheza katika asili.

Aina mbalimbali za bakteria za sludge za umeme pia zinaonyesha kuwa zina jukumu muhimu katika mazingira. Kwa mfano, kwa kuzuia mrundikano wa sulfidi hidrojeni, bakteria wa kebo wanaweza kufanya uchafu uweze kukaliwa na viumbe vingine. Meckenstock, Nielsen, na wengine wamezipata kwenye au karibu na mizizi ya nyasi bahari na mimea mingine ya majini ambayo hutoa oksijeni, ambayo huenda bakteria hutumia kuvunja sulfidi hidrojeni. Hii, kwa upande wake, inalinda mimea kutoka kwa gesi yenye sumu. Ushirikiano "unaonekana kuwa tabia ya mimea ya majini," Meckenstock alisema.

Robert Aller, mwanabiokemia wa baharini katika Chuo Kikuu cha Stony Brook, anaamini kwamba bakteria wanaweza pia kusaidia wanyama wengi wasio na uti wa mgongo chini ya maji, ikiwa ni pamoja na minyoo wanaojenga mashimo ambayo huruhusu maji yenye oksijeni kuingia kwenye matope. Alipata bakteria wa kebo wakibandika kando ya mirija ya minyoo, labda ili waweze kutumia oksijeni hii kuhifadhi elektroni. Kwa upande mwingine, minyoo hii inalindwa kutokana na sulfidi hidrojeni yenye sumu. "Bakteria hufanya [shimo] liweze kuishi zaidi," anasema Aller, ambaye alielezea viungo katika nakala ya Julai 2019 katika Maendeleo ya Sayansi.

Vidudu pia hubadilisha tabia ya uchafu, anasema Saira Malkin, mwanaikolojia katika Kituo cha Sayansi ya Mazingira cha Chuo Kikuu cha Maryland. "Wanafaa sana … wahandisi wa mfumo wa ikolojia." Bakteria za kebo "hukua kama moto wa nyika," anasema; Juu ya miamba ya chaza ya mawimbi, aligundua, Sentimita moja ya ujazo ya matope inaweza kuwa na mita 2,859 za nyaya zinazoweka chembe mahali pake, na ikiwezekana kufanya mashapo kustahimili viumbe wa baharini.

Bakteria pia hubadilisha kemikali ya uchafu, na kufanya tabaka karibu na uso kuwa na alkali zaidi na tabaka za kina zaidi za asidi, Malkin alipata. Viwango kama hivyo vya pH vinaweza kuathiri "mizunguko mingi ya kijiografia," pamoja na ile inayohusishwa na arseniki, manganese na chuma, alisema, kuunda fursa kwa vijidudu vingine.

Kwa sababu maeneo makubwa ya sayari yamefunikwa na matope, watafiti wanasema, bakteria wanaohusishwa na nyaya na nanowires wanaweza kuwa na athari kwa hali ya hewa ya kimataifa. Bakteria ya Nanowire, kwa mfano, inaweza kuchukua elektroni kutoka kwa nyenzo za kikaboni kama vile diatomu zilizokufa na kisha kuzipitisha kwa bakteria nyingine zinazozalisha methane, gesi chafu yenye nguvu. Chini ya hali mbalimbali, bakteria ya cable inaweza kupunguza uzalishaji wa methane.

Katika miaka ijayo, "tutaona kutambuliwa kwa kuenea kwa umuhimu wa vijiumbe hawa kwa biolojia," asema Malkin. Zaidi ya miaka kumi baada ya Nielsen kuona kutoweka kwa ajabu kwa sulfidi hidrojeni kutoka kwa matope ya Aarhus, anasema: "Inatia kizunguzungu kufikiria juu ya kile tunachoshughulikia hapa."

Kinachofuata: simu inayoendeshwa na waya ndogo?

Waanzilishi wa vijidudu vya umeme walifikiria haraka jinsi ya kutumia bakteria hizi."Kwa kuwa sasa tunajua kwamba mageuzi yameweza kuunda nyaya za umeme, itakuwa aibu ikiwa hatungetumia," anasema Lars Peter Nielsen, mwanabiolojia katika Chuo Kikuu cha Aarhus.

Programu moja inayowezekana ni kugundua na kudhibiti uchafuzi wa mazingira. Vijiumbe vya kebo vinaonekana kustawi kwa uwepo wa misombo ya kikaboni kama mafuta, na Nielsen na timu yake wanajaribu uwezekano kwamba wingi wa bakteria ya cable huashiria uwepo wa uchafuzi wa mazingira ambao haujagunduliwa katika vyanzo vya maji. Bakteria haziharibu mafuta moja kwa moja, lakini zinaweza kuongeza oksidi ya sulfidi inayozalishwa na bakteria nyingine za mafuta. Wanaweza pia kusaidia kusafisha; mvua hupata nafuu haraka kutokana na uchafuzi wa mafuta ghafi inapotawaliwa na bakteria wa kebo, kikundi kingine cha utafiti kiliripoti Januari katika jarida la Utafiti wa Maji. Nchini Uhispania, timu ya tatu inachunguza ikiwa bakteria ya nanowire inaweza kuharakisha usafishaji wa ardhi oevu iliyochafuliwa. Na hata kabla ya bakteria wa nanowire kuwa umeme, walionyesha ahadi ya kuchafua taka za nyuklia na vyanzo vya maji vilivyochafuliwa na hidrokaboni zenye kunukia kama vile benzene au naphthalene.

Bakteria ya umeme pia inaweza kutoa teknolojia mpya. Wanaweza kubadilishwa vinasaba ili kubadilisha nanowires zao, ambazo zinaweza kukatwa ili kuunda uti wa mgongo wa vitambuzi nyeti vinavyoweza kuvaliwa, kulingana na Derek Lovley, mwanabiolojia katika Chuo Kikuu cha Massachusetts (UMAss), Amherst. "Tunaweza kubuni nanowires na kuzibadilisha ili kuunganisha hasa misombo ya riba." Kwa mfano, katika toleo la kupendeza la Mei 11 la Utafiti wa Nano, mhandisi wa UMass Jun Yao na wenzao walielezea kihisi kinachotumia nanowire ambacho hutambua amonia katika viwango vinavyohitajika kwa matumizi ya kilimo, viwanda, mazingira na matibabu.

Ikiwa imeundwa kama filamu, nanowires zinaweza kuzalisha umeme kutokana na unyevu hewani. Watafiti wanaamini kuwa filamu hiyo hutoa nishati wakati kipenyo cha unyevu kinapotokea kati ya kingo za juu na chini za filamu. (Ukingo wa juu huathirika zaidi na unyevu.) Kadiri atomi za hidrojeni na oksijeni za maji zinavyotengana kutokana na upinde rangi, chaji huzalishwa na mtiririko wa elektroni. Yao na timu yake waliripoti katika Nature mnamo Feb.17 kwamba filamu kama hiyo inaweza kuunda nishati ya kutosha kuwasha diode inayotoa mwanga, na vifaa 17 kama hivyo vilivyounganishwa pamoja vinaweza kuwasha simu ya rununu. Mbinu hiyo ni "teknolojia ya kimapinduzi ya kuzalisha nishati mbadala, safi na nafuu," anasema Qu Lianti, mwanasayansi wa nyenzo katika Chuo Kikuu cha Tsinghua. (Nyingine ni waangalifu zaidi, wakigundua kuwa majaribio ya hapo awali ya kubana nishati kutoka kwa unyevu kwa kutumia graphene au polima hayajafaulu.)

Mwishowe, watafiti wanatarajia kutumia uwezo wa umeme wa bakteria bila kushughulika na vijidudu vya kuchagua. Catch, kwa mfano, ilishawishi maabara ya kawaida na bakteria ya viwandani Escherichia coli kutengeneza nanowires. Hii inapaswa kuwarahisishia watafiti kuzalisha kwa wingi miundo na kusoma matumizi yao ya vitendo.