باکتری های مرموز سیم های برق می سازند

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

برای لارس پیتر نیلسن، همه چیز با ناپدید شدن مرموز سولفید هیدروژن آغاز شد. میکروبیولوژیست گل سیاه و بدبو را از ته بندر آرهوس در دانمارک جمع آوری کرد، آن را در شیشه های شیشه ای بزرگ انداخت و ریزحسگرهای مخصوصی را وارد کرد که تغییرات در ترکیب شیمیایی گل را تشخیص می داد.

در ابتدای آزمایش، ترکیب با سولفید هیدروژن - منبع بو و رنگ رسوب - اشباع شد. اما 30 روز بعد، یک نوار خاک رنگ پریده شد که نشان دهنده از بین رفتن سولفید هیدروژن است. در نهایت، میکروسنسورها نشان دادند که کل اتصال از بین رفته است. نیلسن از دانشگاه آرهوس به یاد می‌آورد که با توجه به آنچه دانشمندان در مورد بیوژئوشیمی گل می‌دانستند، «اصلاً منطقی نبود».

او گفت اولین توضیح این بود که سنسورها اشتباه بودند. اما دلیل آن بسیار عجیب‌تر بود: باکتری‌هایی که سلول‌ها را به هم متصل می‌کنند کابل‌های الکتریکی ایجاد می‌کنند که می‌توانند جریانی را تا 5 سانتی‌متر از خاک عبور دهند.

سازگاری که قبلاً در میکروب‌ها دیده نشده بود، به این باکتری‌های کابلی اجازه می‌دهد بر مشکل بزرگی که بسیاری از موجودات زنده در گل با آن مواجه هستند غلبه کنند: کمبود اکسیژن. عدم وجود آن معمولاً باکتری ها را از متابولیسم ترکیباتی مانند سولفید هیدروژن برای غذا باز می دارد. اما کابل ها، با اتصال میکروب ها به رسوبات غنی از اکسیژن، به آنها اجازه می دهند در فواصل طولانی واکنش نشان دهند.

هنگامی که نیلسن برای اولین بار این کشف را در سال 2009 توصیف کرد، همکارانش شک داشتند. فیلیپ میزمن، مهندس شیمی در دانشگاه آنتورپ، به یاد می آورد که فکر می کرد: "این کاملاً مزخرف است." بله، محققان می‌دانستند که باکتری‌ها می‌توانند الکتریسیته را هدایت کنند، اما نه در فواصل پیشنهادی نیلسن. آندریاس تسکه، میکروبیولوژیست از دانشگاه کارولینای شمالی در چاپل هیل، می‌گوید: «به‌نظر می‌رسید که فرآیندهای متابولیک خودمان می‌تواند بر مسافت 18 کیلومتری تأثیر بگذارد».

اما هر چه محققان بیشتر به دنبال گل «برق شده» بودند، آن را هم در آب نمک و هم در آب شیرین بیشتر یافتند. آنها همچنین نوع دومی از میکروب‌های الکتریکی دوستدار خاک را شناسایی کردند: باکتری‌های نانوسیم، سلول‌هایی که ساختارهای پروتئینی را رشد می‌دهند که می‌توانند الکترون‌ها را در فواصل کوتاه‌تر حرکت دهند.

این میکروب های نانوسیم در همه جا از جمله در دهان انسان یافت می شوند

اکتشافات محققان را مجبور به بازنویسی کتاب های درسی می کند. نقش باکتری‌های گلی در پردازش عناصر کلیدی مانند کربن، نیتروژن و فسفر را بازنگری کنید. و چگونگی تأثیر آنها بر اکوسیستم های آبی و تغییرات آب و هوا را بررسی کنید.

دانشمندان همچنین به دنبال کاربردهای عملی، بررسی پتانسیل باکتری های حاوی کابل و نانوسیم برای مبارزه با آلودگی و تامین انرژی دستگاه های الکترونیکی هستند. میزمن می‌گوید: «ما شاهد فعل و انفعالات بسیار بیشتری در درون میکروب‌ها و بین میکروب‌ها با استفاده از برق هستیم. من آن را بیوسفر الکتریکی می نامم.

بیشتر سلول ها با گرفتن الکترون از یک مولکول، فرآیندی به نام اکسیداسیون، و انتقال آنها به مولکول دیگر، معمولاً اکسیژن، که احیا نامیده می شود، رشد می کنند. انرژی به دست آمده از این واکنش ها بر سایر فرآیندهای زندگی حاکم است. در سلول‌های یوکاریوتی، از جمله سلول‌های ما، چنین واکنش‌های "اکسیداسیون" روی غشای داخلی میتوکندری رخ می‌دهد و فاصله بین آنها بسیار کوچک است - فقط میکرومتر. به همین دلیل است که بسیاری از محققان در مورد ادعای نیلسن مبنی بر اینکه باکتری های کابلی الکترون ها را از میان لایه ای از خاک به اندازه یک توپ گلف حرکت می دهند، تردید داشتند.

ناپدید شدن سولفید هیدروژن کلید اثبات این موضوع بود. باکتری ها ترکیبی در گل می سازند و بقایای گیاهی و سایر مواد آلی را می شکنند. در نهشته‌های عمیق‌تر، سولفید هیدروژن به دلیل کمبود اکسیژن انباشته می‌شود که به باکتری‌های دیگر کمک می‌کند تا آن را تجزیه کنند. با این حال، سولفید هیدروژن هنوز در فنجان های نیلسن ناپدید شد. علاوه بر این، یک رنگ زنگ زده روی سطح خاک ظاهر شد که نشان دهنده تشکیل اکسید آهن بود.

وقتی یک شب از خواب بیدار شد، نیلسن توضیح عجیبی داد: اگر باکتری های مدفون در گل، واکنش اکسیداسیون و کاهش را تکمیل کنند و به نوعی لایه های فقیر از اکسیژن را دور بزنند، چه؟ اگر در عوض، از منبع فراوان سولفید هیدروژن به عنوان دهنده الکترون استفاده کنند و سپس الکترون ها را به سمت سطح غنی از اکسیژن قیف کنند، چه؟ در آنجا، در فرآیند اکسیداسیون، در صورت وجود آهن، زنگ ایجاد می شود.

یافتن حامل این الکترون ها دشوار است. ابتدا، نیلز ریسگارد-پترسن از تیم نیلسن مجبور شد احتمال ساده‌تری را رد کند: ذرات فلزی موجود در رسوب، الکترون‌ها را به سطح می‌برند و باعث اکسیداسیون می‌شوند. او این کار را با قرار دادن لایه ای از مهره های شیشه ای که جریان الکتریسیته را در ستونی از خاک قرار نمی دهد، انجام داد. با وجود این مانع، محققان همچنان جریان الکتریکی را در گل و لای یافتند که نشان می دهد ذرات فلزی رسانا نیستند.

برای اینکه ببینند کابل یا سیم حامل الکترون است یا خیر، محققان از سیم تنگستن برای ایجاد یک برش افقی در ستون گل استفاده کردند. جریان قطع شد، انگار سیمی قطع شده باشد. کارهای دیگر اندازه هادی را محدود می کند و نشان می دهد که قطر آن باید حداقل 1 میکرومتر باشد. نیلسن می‌گوید: «این اندازه طبیعی باکتری است.

در نهایت، ریزنگارهای الکترونی یک نامزد محتمل را نشان دادند: الیاف باکتریایی بلند و نازک که در لایه‌ای از دانه‌های شیشه‌ای وارد شده در لیوان‌های پر از گل از بندر آرهوس ظاهر می‌شوند. هر رشته از یک پشته سلول - تا 2000 - تشکیل شده بود که در یک غشای بیرونی دنده ای محصور شده بودند. در فضای بین این غشاء و سلول‌هایی که روی هم قرار گرفته‌اند، تعداد زیادی "سیم" موازی نخ را در تمام طول آن کشیده‌اند. ظاهر کابل مانند الهام بخش نام رایج این میکروب است.

میزمن، یک بدگمان سابق، به سرعت تبدیل شد. اندکی پس از اینکه نیلسن کشف خود را اعلام کرد، میزمن تصمیم گرفت یکی از نمونه های گل دریایی خود را بررسی کند. میزمن به یاد می آورد: "من متوجه همان تغییرات رنگی در رسوبی شدم که او دید." "این دستور مادر طبیعت بود که آن را جدی تر بگیرد."

تیم او شروع به توسعه ابزارها و روش‌هایی برای تحقیقات میکروبی کرد و گاهی اوقات با گروه نیلسن کار می‌کرد. رفتن سخت بود رشته های باکتری پس از جداسازی به سرعت از بین می روند و الکترودهای استاندارد برای اندازه گیری جریان در هادی های کوچک کار نمی کنند. اما زمانی که محققان یاد گرفتند که یک رشته را انتخاب کنند و به سرعت یک الکترود جداگانه وصل کنند، مایسمن می‌گوید: «ما رسانایی بسیار بالایی را دیدیم. او گفت که کابل های زنده نمی توانند با سیم های مسی رقابت کنند، اما با هادی های مورد استفاده در صفحات خورشیدی و صفحه نمایش تلفن های همراه و همچنین بهترین نیمه هادی های آلی مطابقت دارند.

محققان همچنین آناتومی باکتری کابل را تجزیه و تحلیل کردند. آنها با استفاده از حمام های شیمیایی، پوسته استوانه ای شکل را جدا کردند و دریافتند که حاوی 17 تا 60 الیاف موازی است که در داخل آن چسبانده شده بودند. Meisman و همکارانش سال گذشته در Nature Communications گزارش دادند که پوسته منبع رسانش است. ترکیب دقیق آن هنوز ناشناخته است، اما ممکن است مبتنی بر پروتئین باشد.

نیلسن، که اکنون ریاست مرکز الکترومیکروبیولوژی را که در سال 2017 توسط دولت دانمارک ایجاد شد، می‌گوید: «این یک ارگانیسم پیچیده است. از جمله مشکلاتی که مرکز حل می کند تولید انبوه میکروب ها در کشت است. آندریاس شرام از این مرکز می‌گوید: «اگر ما یک کشت خالص داشتیم، آزمایش ایده‌های مربوط به متابولیسم سلولی و تأثیر محیط بر رسانش بسیار آسان‌تر بود». باکتری های کشت شده همچنین عایق بندی سیم های کابل و آزمایش کاربردهای بالقوه زیست پالایی و بیوتکنولوژی را آسان تر می کند.

در حالی که محققان در مورد باکتری های موجود در کابل گیج می کنند، دیگران به دنبال بازیگر اصلی دیگری در گل الکتریکی هستند: باکتری های مبتنی بر نانوسیم که به جای تا کردن سلول ها به کابل، سیم های پروتئینی به طول 20 تا 50 نانومتر را از هر سلول رشد می دهند.

مانند باکتری های کابلی، ترکیب شیمیایی مرموز رسوبات منجر به کشف میکروب های نانوسیم شد. در سال 1987، درک لولی، میکروبیولوژیست، اکنون در دانشگاه امهرست ماساچوست، تلاش کرد تا بفهمد چگونه فسفات حاصل از فاضلاب کود - ماده مغذی که شکوفایی جلبک ها را تقویت می کند - از رسوبات زیر رودخانه پوتوماک در واشنگتن دی سی آزاد می شود. کار کرد و شروع به پاک کردن آنها از خاک کرد. پس از رشد یکی از آنها که اکنون Geobacter Metallireducens نامیده می شود، (در زیر میکروسکوپ الکترونی) متوجه شد که این باکتری پیوندهایی با مواد معدنی آهن نزدیک خود ایجاد کرده است. او مشکوک بود که الکترون‌ها در امتداد این سیم‌ها حمل می‌شوند و در نهایت متوجه شد که ژئوباکتر واکنش‌های شیمیایی را در گل تنظیم می‌کند، ترکیبات آلی را اکسید می‌کند و الکترون‌ها را به مواد معدنی منتقل می‌کند. این مواد معدنی کاهش یافته سپس فسفر و سایر عناصر را آزاد می کنند.

مانند نیلسن، لاولی در اولین توصیف میکروب الکتریکی خود با شک و تردید مواجه شد. با این حال، امروزه او و دیگران نزدیک به دوازده نوع از میکروب های نانوسیم را ثبت کرده اند که آنها را در محیط هایی غیر از خاک پیدا کرده اند. بسیاری از آنها الکترون ها را به ذرات موجود در رسوب و از آنها می برند. اما برخی برای دریافت یا ذخیره الکترون ها به میکروب های دیگر متکی هستند. ویکتوریا اورفان، ژئوبیولوژیست در موسسه فناوری کالیفرنیا، می گوید: این مشارکت بیولوژیکی به هر دو میکروب اجازه می دهد تا "در انواع جدیدی از شیمی که هیچ ارگانیسمی به تنهایی قادر به انجام آن نیست، درگیر شوند." در حالی که باکتری های کابلی نیازهای ردوکس خود را با حمل و نقل طولانی مدت به گل اکسیژنه برطرف می کنند، این میکروب ها برای رفع نیازهای ردوکس خود به متابولیسم یکدیگر وابسته هستند.

برخی از محققان هنوز درباره چگونگی هدایت الکترون‌ها توسط نانوسیم‌های باکتریایی بحث می‌کنند. لاولی و همکارانش متقاعد شده‌اند که کلید زنجیره‌ای از پروتئین‌هایی به نام پیلین هستند که از اسیدهای آمینه دایره‌ای تشکیل شده‌اند. زمانی که او و همکارانش میزان آمینو اسیدهای حلقه شده در پیلین را کاهش دادند، نانوسیم ها کمتر رسانا شدند. لاولی می‌گوید: «این واقعا شگفت‌انگیز بود، زیرا به طور کلی پذیرفته شده است که پروتئین‌ها عایق هستند. اما برخی دیگر فکر می کنند که این سوال تا حل شدن فاصله زیادی دارد. برای مثال، Orphan می‌گوید که اگرچه «شواهد بسیار زیادی وجود دارد… من هنوز فکر نمی‌کنم [رسانایی نانوسیم] به خوبی درک شده باشد».

آنچه واضح است این است که باکتری های الکتریکی همه جا هستند. به عنوان مثال، در سال 2014، دانشمندان باکتری های کابلی را در سه زیستگاه بسیار متفاوت در دریای شمال کشف کردند: در یک باتلاق نمک جزر و مد، در یک حوضه در بستر دریا که در آن سطح اکسیژن در برخی از فصول سال تقریباً به صفر می رسد، و در یک دشت گل آلود سیل زده در نزدیکی دریا. …. ساحل (آنها آنها را در یک منطقه شنی که در آن کرم‌هایی که رسوبات می‌ریزند و کابل‌ها را مختل می‌کنند، پیدا نکردند.) در جاهای دیگر، محققان شواهد DNA باکتری‌های کابلی را در حوضه‌های اقیانوسی عمیق و فقیر از اکسیژن، مناطق چشمه‌های آب گرم و شرایط سرد یافته‌اند. نشت ها و جنگل های حرا و جزر و مد در مناطق معتدل و نیمه گرمسیری.

باکتری های کابلی در محیط های آب شیرین نیز یافت می شوند.پس از خواندن مقاله‌های نیلسن در سال‌های 2010 و 2012، تیمی به رهبری میکروبیولوژیست راینر مکنستاک، هسته‌های رسوبی حفر شده در طول بررسی آلودگی آب‌های زیرزمینی در دوسلدورف، آلمان را مجددا بررسی کردند. Mekenstock، که در دانشگاه Duisburg-Essen کار می‌کند، به یاد می‌آورد: «ما [باکتری‌های کابلی] را دقیقاً در جایی که فکر می‌کردیم آنها را پیدا می‌کنیم، در اعماق‌هایی که اکسیژن تخلیه شده بود، پیدا کردیم.

باکتری‌های نانوسیمی حتی گسترده‌تر هستند. محققان آنها را در خاک، مزارع برنج، روده های عمیق و حتی تصفیه خانه های فاضلاب و همچنین در آب شیرین و رسوبات دریایی یافته اند. آن‌ها می‌توانند در هر جایی که بیوفیلم‌ها تشکیل می‌شوند وجود داشته باشند، و حضور بیوفیلم‌ها در همه جا، شاهد دیگری بر نقش بزرگی است که این باکتری‌ها می‌توانند در طبیعت ایفا کنند.

طیف گسترده ای از باکتری های لجن الکتریکی همچنین نشان می دهد که آنها نقش مهمی در اکوسیستم دارند. به عنوان مثال، با جلوگیری از تجمع سولفید هیدروژن، باکتری های کابلی احتمالاً خاک را برای سایر اشکال زندگی قابل سکونت می کنند. Meckenstock، Nielsen و دیگران آنها را روی یا در نزدیکی ریشه علف‌های دریایی و سایر گیاهان آبزی یافته‌اند که اکسیژن آزاد می‌کنند، که احتمالاً باکتری‌ها از آن برای تجزیه سولفید هیدروژن استفاده می‌کنند. این به نوبه خود از گیاهان در برابر گازهای سمی محافظت می کند. مکنستاک گفت که این مشارکت "به نظر می رسد بسیار مشخصه گیاهان آبزی باشد."

رابرت آلر، بیوژئوشیمی‌دان دریایی در دانشگاه استونی بروک، معتقد است که باکتری‌ها می‌توانند به بسیاری از بی‌مهرگان زیر آب، از جمله کرم‌هایی که حفره‌هایی می‌سازند که به آب اکسیژنه وارد گل می‌شود، کمک کنند. او متوجه شد که باکتری‌های کابلی در کناره‌های لوله‌های کرم چسبیده‌اند تا بتوانند از این اکسیژن برای ذخیره الکترون‌ها استفاده کنند. به نوبه خود، این کرم ها از سولفید هیدروژن سمی محافظت می شوند. آلر، که این پیوندها را در مقاله‌ای در جولای 2019 در Science Advances توضیح داد، می‌گوید: «باکتری‌ها [لانه] را قابل زندگی‌تر می‌کنند».

سارا مالکین، بوم شناس در مرکز علوم زیست محیطی دانشگاه مریلند، می گوید که میکروب ها خواص کثیفی را نیز تغییر می دهند. آنها به ویژه در مهندسین اکوسیستم موثر هستند. او می گوید: باکتری های کابلی "مانند آتش سوزی رشد می کنند". او دریافت که در صخره‌های صدف جزر و مدی، یک سانتی‌متر مکعب گل ممکن است حاوی 2859 متر کابل باشد که ذرات را در جای خود چسبانده و احتمالاً رسوب را در برابر موجودات دریایی مقاوم‌تر می‌کند.

به گفته مالکین، باکتری‌ها ترکیب شیمیایی کثیفی را نیز تغییر می‌دهند و لایه‌های نزدیک‌تر به سطح را قلیایی‌تر و لایه‌های عمیق‌تر را اسیدی‌تر می‌کنند. او گفت که چنین گرادیان‌های pH می‌تواند بر «چرخه‌های ژئوشیمیایی متعدد» از جمله چرخه‌های مرتبط با آرسنیک، منگنز و آهن تأثیر بگذارد و فرصت‌هایی را برای میکروب‌های دیگر ایجاد کند.

به گفته محققان، از آنجایی که بخش های وسیعی از سیاره با گل پوشانده شده است، باکتری های مرتبط با کابل ها و نانوسیم ها احتمالاً بر آب و هوای جهانی تأثیر می گذارند. برای مثال، باکتری‌های نانوسیمی می‌توانند الکترون‌ها را از مواد آلی مانند دیاتوم‌های مرده بگیرند و سپس آن‌ها را به باکتری‌های دیگری که متان، یک گاز گلخانه‌ای قدرتمند تولید می‌کنند، منتقل کنند. تحت شرایط مختلف، باکتری های کابلی می توانند تولید متان را کاهش دهند.

مالکین می‌گوید: «در سال‌های آینده، ما شاهد شناخت گسترده‌ای از اهمیت این میکروب‌ها برای بیوسفر خواهیم بود». اندکی بیش از ده سال پس از اینکه نیلسن متوجه ناپدید شدن مرموز سولفید هیدروژن از گل آرهوس شد، می‌گوید: «تفکر در مورد آنچه در اینجا با آن سر و کار داریم گیج‌کننده است».

بعدی: تلفنی که با سیم های میکروبی تغذیه می شود؟

پیشگامان میکروب های الکتریکی به سرعت به نحوه استفاده از این باکتری ها فکر کردند.لارس پیتر نیلسن، میکروبیولوژیست در دانشگاه آرهوس می گوید: «اکنون که می دانیم تکامل توانسته سیم های الکتریکی ایجاد کند، مایه شرمساری است اگر از آنها استفاده نکنیم.

یکی از کاربردهای ممکن تشخیص و کنترل آلاینده ها است. به نظر می رسد میکروب های کابلی در حضور ترکیبات آلی مانند نفت رشد می کنند و نیلسن و تیمش در حال آزمایش این احتمال هستند که فراوانی باکتری های کابلی وجود آلودگی کشف نشده در سفره های زیرزمینی را نشان دهد. باکتری ها مستقیماً روغن را تجزیه نمی کنند، اما می توانند سولفید تولید شده توسط سایر باکتری های روغنی را اکسید کنند. آنها همچنین می توانند به پاکسازی کمک کنند؛ گروه تحقیقاتی دیگری در ژانویه در مجله Water Research گزارش داد که بارندگی از آلودگی نفت خام زمانی که توسط باکتری های کابلی مستعمره می شود، سریعتر بهبود می یابد. در اسپانیا، تیم سومی در حال بررسی این موضوع هستند که آیا باکتری های نانوسیمی می توانند به پاکسازی تالاب های آلوده سرعت ببخشند یا خیر. و حتی قبل از اینکه باکتری‌های مبتنی بر نانوسیم الکتریکی شوند، نوید پاک‌سازی زباله‌های هسته‌ای و سفره‌های زیرزمینی آلوده به هیدروکربن‌های معطر مانند بنزن یا نفتالین را نشان دادند.

باکتری های الکتریکی همچنین می توانند باعث ایجاد فناوری های جدید شوند. به گفته درک لاولی، میکروبیولوژیست در دانشگاه ماساچوست (UMass)، امهرست، می توان آنها را از نظر ژنتیکی اصلاح کرد تا نانوسیم های خود را تغییر دهند، که سپس می توان آنها را قطع کرد تا ستون فقرات حسگرهای پوشیدنی حساس را تشکیل دهند. ما می‌توانیم نانوسیم‌ها را طراحی کنیم و آن‌ها را برای اتصال خاص به ترکیبات مورد نظر تطبیق دهیم.» به عنوان مثال، در شماره ۱۱ مه Lovely Nano Research، مهندس UMass Jun Yao و همکارانشان یک حسگر مبتنی بر نانوسیم را توصیف کردند که آمونیاک را در غلظت های مورد نیاز برای کاربردهای کشاورزی، صنعتی، زیست محیطی و زیست پزشکی تشخیص می دهد.

نانوسیم ها که به صورت فیلم ساخته می شوند می توانند از رطوبت موجود در هوا الکتریسیته تولید کنند.محققان معتقدند که این فیلم زمانی انرژی تولید می کند که یک گرادیان رطوبت بین لبه های بالا و پایین فیلم ایجاد شود. (لبه بالایی نسبت به رطوبت حساس تر است.) با جدا شدن اتم های هیدروژن و اکسیژن آب به دلیل گرادیان، بار تولید می شود و الکترون ها جریان می یابند. یائو و تیمش در 17 فوریه در Nature گزارش دادند که چنین فیلمی می تواند انرژی کافی برای روشن کردن یک دیود ساطع کننده نور ایجاد کند و 17 دستگاه از این قبیل که به هم متصل هستند می توانند یک تلفن همراه را تغذیه کنند. کو لیانتی، دانشمند مواد در دانشگاه تسینگ‌هوا، می‌گوید: این رویکرد یک فناوری انقلابی برای تولید انرژی تجدیدپذیر، پاک و ارزان است. (بقیه محتاط تر هستند و توجه می کنند که تلاش های گذشته برای خارج کردن انرژی از رطوبت با استفاده از گرافن یا پلیمرها ناموفق بوده است.)

در نهایت، محققان امیدوارند بتوانند از توانایی های الکتریکی باکتری ها بدون نیاز به مقابله با میکروب های حساس استفاده کنند. برای مثال، کچ، باکتری رایج آزمایشگاهی و صنعتی اشریشیا کلی را متقاعد کرد که نانوسیم‌ها بسازد. این باید تولید انبوه سازه ها و مطالعه کاربردهای عملی آنها را برای محققان آسان تر کند.