Mysteriöse Bakterien, die elektrische Leitungen herstellen

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Für Lars Peter Nielsen begann alles mit dem mysteriösen Verschwinden von Schwefelwasserstoff. Der Mikrobiologe sammelte den schwarzen, stinkenden Schlamm vom Grund des Hafens von Aarhus in Dänemark, warf ihn in große Bechergläser und setzte spezielle Mikrosensoren ein, die Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung des Schlamms erkennen.

Zu Beginn des Experiments war die Zusammensetzung mit Schwefelwasserstoff gesättigt - der Quelle des Geruchs und der Farbe des Sediments. Aber 30 Tage später wurde ein Schmutzstreifen blass, was auf den Verlust von Schwefelwasserstoff hinweist. Schließlich zeigten die Mikrosensoren, dass die gesamte Verbindung weg war. Angesichts dessen, was Wissenschaftler über die Biogeochemie von Schlamm wussten, erinnert sich Nielsen von der Universität Aarhus, "machte es überhaupt keinen Sinn."

Die erste Erklärung, sagte er, war, dass die Sensoren falsch waren. Doch der Grund erwies sich als viel merkwürdiger: Die Bakterien, die die Zellen verbinden, erzeugen elektrische Kabel, die bis zu 5 Zentimeter Strom durch den Schmutz leiten können.

Eine bei Mikroben noch nie dagewesene Anpassung ermöglicht es diesen sogenannten Kabelbakterien, ein großes Problem vieler Schlammorganismen zu überwinden: Sauerstoffmangel. Seine Abwesenheit hält Bakterien normalerweise davon ab, Verbindungen wie Schwefelwasserstoff für Lebensmittel zu verstoffwechseln. Aber Kabel, indem sie Mikroben an sauerstoffreiche Ablagerungen binden, ermöglichen ihnen, über lange Distanzen zu reagieren.

Als Nielsen die Entdeckung 2009 erstmals beschrieb, waren seine Kollegen skeptisch. "Das ist völliger Unsinn", erinnert sich Philip Meisman, Chemieingenieur an der Universität Antwerpen. Ja, die Forscher wussten, dass Bakterien Elektrizität leiten können, aber nicht in den von Nielsen vorgeschlagenen Entfernungen. „Es war, als könnten unsere eigenen Stoffwechselprozesse eine Distanz von 18 Kilometern beeinflussen“, sagt der Mikrobiologe Andreas Teske von der University of North Carolina in Chapel Hill.

Aber je mehr Forscher nach "elektrifiziertem" Schlamm suchten, desto mehr fanden sie ihn sowohl in Salz- als auch in Süßwasser. Sie identifizierten auch eine zweite Art von Schmutz liebenden elektrischen Mikroben: Nanodraht-Bakterien, einzelne Zellen, die Proteinstrukturen züchten, die Elektronen über kürzere Distanzen bewegen können.

Diese Mikroben aus Nanodrähten sind überall zu finden, auch im menschlichen Mund

Entdeckungen zwingen Forscher, Lehrbücher neu zu schreiben; die Rolle von Schlammbakterien bei der Verarbeitung von Schlüsselelementen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor überdenken; und überprüfen, wie sie aquatische Ökosysteme und den Klimawandel beeinflussen.

Wissenschaftler suchen auch nach praktischen Anwendungen und erforschen das Potenzial von Bakterien, die Kabel und Nanodrähte enthalten, um Umweltverschmutzung zu bekämpfen und elektronische Geräte zu versorgen. „Wir sehen viel mehr Interaktionen innerhalb von Mikroben und zwischen Mikroben, die Elektrizität verwenden“, sagt Meisman. "Ich nenne es die elektrische Biosphäre."

Die meisten Zellen gedeihen, indem sie Elektronen von einem Molekül aufnehmen, ein Vorgang, der als Oxidation bezeichnet wird, und sie auf ein anderes Molekül, normalerweise Sauerstoff, übertragen, der als Reduktion bezeichnet wird. Die aus diesen Reaktionen gewonnene Energie steuert andere Lebensprozesse. In eukaryontischen Zellen, einschließlich unserer eigenen, treten solche "Redox" -Reaktionen auf der inneren Membran der Mitochondrien auf, und die Abstände zwischen ihnen sind winzig - nur Mikrometer. Aus diesem Grund standen so viele Forscher skeptisch gegenüber Nielsens Behauptung, dass Kabelbakterien Elektronen durch eine Schmutzschicht von der Größe eines Golfballs bewegen.

Das Verschwinden von Schwefelwasserstoff war der Schlüssel zum Beweis. Die Bakterien bilden eine Verbindung im Schlamm und bauen Pflanzenreste und andere organische Materialien ab; in tieferen Ablagerungen reichert sich aufgrund von Sauerstoffmangel Schwefelwasserstoff an, der anderen Bakterien beim Abbau hilft. In Nielsens Bechern verschwand jedoch immer noch Schwefelwasserstoff. Außerdem zeigte sich auf der Schmutzoberfläche eine rostige Tönung, die auf die Bildung von Eisenoxid hinweist.

Als Nielsen eines Nachts aufwachte, hatte er eine seltsame Erklärung: Was wäre, wenn im Schlamm vergrabene Bakterien die Redoxreaktion abschließen und die sauerstoffarmen Schichten irgendwie umgehen? Was wäre, wenn sie stattdessen den reichlich vorhandenen Schwefelwasserstoff als Elektronendonor nutzen und die Elektronen dann in Richtung der sauerstoffreichen Oberfläche leiten würden? Dort wird beim Oxidationsprozess Rost gebildet, wenn Eisen vorhanden ist.

Es hat sich als schwierig erwiesen, herauszufinden, was diese Elektronen trägt. Zunächst musste Niels Riesgaard-Petersen von Nielsens Team eine einfachere Möglichkeit ausschließen: Metallpartikel im Sediment tragen Elektronen an die Oberfläche und bewirken eine Oxidation. Er erreichte dies, indem er eine Schicht aus Glasperlen, die keinen Strom leiteten, in eine Schmutzsäule einfügte. Trotz dieses Hindernisses fanden die Forscher immer noch einen elektrischen Strom, der sich durch den Schlamm bewegte, was darauf hindeutet, dass die Metallpartikel nicht leitfähig waren.

Um zu sehen, ob ein Kabel oder ein Draht Elektronen transportierte, machten die Forscher dann mit Wolframdraht einen horizontalen Schnitt durch die Schlammsäule. Der Strom ging aus, als wäre ein Draht durchtrennt worden. Andere Arbeiten haben die Größe des Leiters eingeengt, was darauf hindeutet, dass er einen Durchmesser von mindestens 1 Mikrometer haben sollte. „Das ist die normale Größe von Bakterien“, sagt Nielsen.

Letztendlich zeigten elektronenmikroskopische Aufnahmen einen wahrscheinlichen Kandidaten: lange, dünne Bakterienfasern, die in einer Schicht aus Glasperlen auftauchten, die in mit Schlamm gefüllte Becher aus dem Hafen von Aarhus gesteckt wurden. Jedes Filament bestand aus einem Stapel von Zellen - bis zu 2.000 -, die von einer gerippten Außenmembran umgeben waren. Im Raum zwischen dieser Membran und den übereinander gestapelten Zellen spannten mehrere parallele "Drähte" den Faden über seine gesamte Länge. Das kabelähnliche Aussehen inspirierte den gebräuchlichen Namen der Mikrobe.

Meisman, ein ehemaliger Skeptiker, war schnell bekehrt. Kurz nachdem Nielsen seine Entdeckung bekannt gegeben hatte, beschloss Meismann, eine seiner eigenen Meeresschlammproben zu untersuchen. „Ich habe die gleichen Farbveränderungen im Sediment bemerkt, die er gesehen hat“, erinnert sich Meisman. "Es war die Anweisung von Mutter Natur, es ernster zu nehmen."

Sein Team begann mit der Entwicklung von Werkzeugen und Methoden für die mikrobielle Forschung, manchmal in Zusammenarbeit mit Nielsens Gruppe. Es war schwer zu gehen. Bakterielle Filamente neigen nach dem Isolieren dazu, sich schnell zu verschlechtern, und Standardelektroden zum Messen von Strömen in kleinen Leitern funktionieren nicht. Aber als die Forscher lernten, einen einzelnen Strang herauszupicken und schnell eine einzelne Elektrode anzubringen, „sahen wir eine wirklich hohe Leitfähigkeit“, sagt Meisman. Stromführende Kabel können nicht mit Kupferdrähten konkurrieren, sagte er, aber sie entsprechen den Leitern, die in Sonnenkollektoren und Handy-Bildschirmen verwendet werden, sowie den besten organischen Halbleitern.

Die Forscher analysierten auch die Anatomie der Kabelbakterien. Mit chemischen Bädern isolierten sie die zylindrische Hülle und fanden heraus, dass sie 17 bis 60 parallel verklebte Fasern enthielt. Die Schale ist die Quelle der Leitung, berichteten Meisman und Kollegen letztes Jahr in Nature Communications. Seine genaue Zusammensetzung ist noch unbekannt, möglicherweise basiert es jedoch auf Proteinen.

„Es ist ein komplexer Organismus“, sagt Nielsen, der jetzt das Zentrum für Elektromikrobiologie leitet, das 2017 von der dänischen Regierung gegründet wurde. Zu den Problemen, die das Zentrum löst, gehört die Massenproduktion von Mikroben in Kultur. „Wenn wir eine Reinkultur hätten, wäre es viel einfacher“, Ideen zum Zellstoffwechsel und zum Einfluss der Umgebung auf die Reizleitung zu testen, sagt Andreas Schramm vom Zentrum. Die kultivierten Bakterien werden es auch einfacher machen, Kabeldrähte zu isolieren und potenzielle biologische Sanierungs- und Biotechnologieanwendungen zu testen.

Während Forscher über die Bakterien im Kabel rätseln, schauen andere auf einen anderen Hauptakteur im Elektroschlamm: Bakterien auf Nanodrahtbasis, die, anstatt Zellen zu Kabeln zu falten, aus jeder Zelle Proteindrähte mit einer Länge von 20 bis 50 nm wachsen lassen.

Wie bei Kabelbakterien führte die mysteriöse chemische Zusammensetzung der Ablagerungen zur Entdeckung von Nanodraht-Mikroben. 1987 versuchte der Mikrobiologe Derek Lovley von der University of Massachusetts Amherst zu verstehen, wie Phosphat aus Düngemittelabwasser – ein Nährstoff, der Algenblüten fördert – aus dem Sediment unter dem Potomac River in Washington, DC, freigesetzt wird. arbeitete und fing an, sie aus dem Dreck zu jäten. Nachdem er eines gezüchtet hatte, das jetzt Geobacter Metallireducens heißt, bemerkte er (unter einem Elektronenmikroskop), dass die Bakterien Bindungen mit nahegelegenen Eisenmineralien aufgebaut hatten. Er vermutete, dass Elektronen entlang dieser Drähte transportiert wurden, und fand schließlich heraus, dass Geobacter chemische Reaktionen im Schlamm orchestrierte, organische Verbindungen oxidierte und Elektronen auf Mineralien übertrug. Diese reduzierten Mineralien setzen dann Phosphor und andere Elemente frei.

Wie Nielsen war Lovely skeptisch, als er seine elektrische Mikrobe zum ersten Mal beschrieb. Heute haben er und andere jedoch fast ein Dutzend Arten von Nanodrahtmikroben registriert und sie in anderen Umgebungen als Schmutz gefunden. Viele transportieren Elektronen zu und von Partikeln im Sediment. Aber einige verlassen sich auf andere Mikroben, um Elektronen aufzunehmen oder zu speichern. Diese biologische Partnerschaft ermöglicht es beiden Mikroben, "neue Arten von Chemie zu betreiben, die kein Organismus allein ausführen kann", sagt Victoria Orfan, Geobiologin am California Institute of Technology. Während Kabelbakterien ihren Redoxbedarf decken, indem sie über weite Strecken in sauerstoffreichen Schlamm transportiert werden, sind diese Mikroben auf den Stoffwechsel des anderen angewiesen, um ihren Redoxbedarf zu decken.

Einige Forscher diskutieren noch immer darüber, wie bakterielle Nanodrähte Elektronen leiten. Lovley und seine Kollegen sind überzeugt, dass der Schlüssel in Ketten von Proteinen liegt, den sogenannten Pilinen, die aus ringförmigen Aminosäuren bestehen. Als er und seine Kollegen die Menge an beringten Aminosäuren im Pilin reduzierten, wurden die Nanodrähte weniger leitfähig. „Es war wirklich erstaunlich“, sagt Lovely, denn es ist allgemein anerkannt, dass Proteine Isolatoren sind. Andere meinen, diese Frage sei noch lange nicht gelöst. Orphan sagt zum Beispiel, dass, obwohl "es überwältigende Beweise gibt … ich immer noch nicht glaube, dass [die Leitung des Nanodrahts] gut verstanden ist."

Klar ist, dass elektrische Bakterien überall sind. 2014 entdeckten Wissenschaftler zum Beispiel Kabelbakterien in drei sehr unterschiedlichen Lebensräumen in der Nordsee: in einem Salzsumpf, in einem Meeresbodenbecken, in dem der Sauerstoffgehalt in manchen Jahreszeiten fast auf Null sinkt, und in einer überfluteten, schlammigen Ebene in Meeresnähe. … Ufer. (Sie fanden sie nicht in einem sandigen Gebiet, das von Würmern bewohnt wird, die Sedimente aufwirbeln und Kabel zerstören.) An anderer Stelle haben Forscher DNA-Beweise von Kabelbakterien in tiefen, sauerstoffarmen Meeresbecken, heißen Quellen und kalten Bedingungen gefunden. Verschüttungen sowie Mangroven und Gezeitenbänke in gemäßigten und subtropischen Regionen.

Kabelbakterien kommen auch in Süßwasserumgebungen vor. Nach der Lektüre von Nielsens Artikeln in den Jahren 2010 und 2012 untersuchte ein Team um den Mikrobiologen Rainer Meckenstock Sedimentkerne, die während einer Grundwasserkontaminationsuntersuchung in Düsseldorf, Deutschland, gebohrt wurden. „Wir fanden [die Kabelbakterien] genau dort, wo wir dachten, wir würden sie finden“, erinnert sich Mekenstock, der an der Universität Duisburg-Essen arbeitet, in sauerstoffarmen Tiefen.

Noch weiter verbreitet sind Nanodraht-Bakterien. Forscher haben sie in Böden, Reisfeldern, tiefen Eingeweiden und sogar Kläranlagen sowie in Süßwasser- und Meeressedimenten gefunden. Sie können überall dort vorkommen, wo Biofilme entstehen, und die Allgegenwart von Biofilmen ist ein weiterer Beweis für die große Rolle, die diese Bakterien in der Natur spielen können.

Auch die große Vielfalt der Elektroschlammbakterien deutet darauf hin, dass sie in Ökosystemen eine wichtige Rolle spielen. Durch die Verhinderung der Ansammlung von Schwefelwasserstoff machen Kabelbakterien beispielsweise Schmutz wahrscheinlich bewohnbarer für andere Lebensformen. Meckenstock, Nielsen und andere haben sie an oder in der Nähe der Wurzeln von Seegras und anderen Wasserpflanzen gefunden, die Sauerstoff freisetzen, den Bakterien wahrscheinlich zum Abbau von Schwefelwasserstoff verwenden. Dies wiederum schützt die Pflanzen vor dem giftigen Gas. Die Partnerschaft "scheint sehr charakteristisch für Wasserpflanzen zu sein", sagte Meckenstock.

Robert Aller, ein Meeresbiogeochemiker an der Stony Brook University, glaubt, dass Bakterien auch vielen wirbellosen Unterwassertieren helfen können, einschließlich Würmern, die Höhlen bauen, durch die sauerstoffreiches Wasser in den Schlamm eindringen kann. Er fand Kabelbakterien, die an den Seiten der Wurmrohre kleben, vermutlich um diesen Sauerstoff zur Speicherung von Elektronen zu nutzen. Diese Würmer wiederum sind vor giftigem Schwefelwasserstoff geschützt. „Bakterien machen [den Bau] lebenswerter“, sagt Aller, der die Links in einem Artikel vom Juli 2019 in Science Advances beschrieb.

Mikroben verändern auch die Eigenschaften von Schmutz, sagt Saira Malkin, Ökologin am Center for Environmental Sciences der University of Maryland. "Sie sind besonders effektiv … Ökosystemingenieure." Kabelbakterien „wachsen wie ein Lauffeuer“, sagt sie; An Gezeiten-Austernriffen fand sie heraus, dass ein Kubikzentimeter Schlamm 2.859 Meter Kabel enthalten kann, die die Partikel an Ort und Stelle zementieren und das Sediment möglicherweise widerstandsfähiger gegen Meeresorganismen machen.

Die Bakterien verändern auch die Chemie des Schmutzes, wodurch Schichten, die näher an der Oberfläche liegen, alkalischer und tiefere Schichten saurer werden, fand Malkin. Solche pH-Gradienten können "zahlreiche geochemische Zyklen" beeinflussen, einschließlich derjenigen, die mit Arsen, Mangan und Eisen verbunden sind, sagte sie und schaffen Möglichkeiten für andere Mikroben.

Da weite Teile des Planeten mit Schlamm bedeckt sind, haben die mit Kabeln und Nanodrähten verbundenen Bakterien wahrscheinlich einen Einfluss auf das globale Klima, sagen die Forscher. Nanodraht-Bakterien zum Beispiel können aus organischen Materialien wie abgestorbenen Kieselalgen Elektronen aufnehmen und sie dann an andere Bakterien weitergeben, die Methan produzieren, ein starkes Treibhausgas. Kabelbakterien können unter verschiedenen Umständen die Methanproduktion reduzieren.

In den kommenden Jahren „wird die Bedeutung dieser Mikroben für die Biosphäre weithin anerkannt“, sagt Malkin. Etwas mehr als zehn Jahre nachdem Nielsen das mysteriöse Verschwinden von Schwefelwasserstoff aus dem Aarhus-Schlamm bemerkt hat, sagt er: "Es ist schwindelerregend, darüber nachzudenken, womit wir es hier zu tun haben."

Als nächstes: ein Telefon, das mit mikrobiellen Drähten betrieben wird?

Die Pioniere der elektrischen Mikroben dachten schnell über die Verwendung dieser Bakterien nach.„Jetzt, da wir wissen, dass die Evolution elektrische Drähte herstellen konnte, wäre es schade, wenn wir sie nicht verwenden würden“, sagt Lars Peter Nielsen, Mikrobiologe an der Universität Aarhus.

Eine mögliche Anwendung ist die Detektion und Kontrolle von Schadstoffen. Kabelmikroben scheinen in Gegenwart organischer Verbindungen wie Öl zu gedeihen, und Nielsen und sein Team testen die Möglichkeit, dass die Häufigkeit von Kabelbakterien das Vorhandensein unentdeckter Verschmutzung in Grundwasserleitern signalisiert. Die Bakterien bauen das Öl nicht direkt ab, aber sie können das von anderen öligen Bakterien produzierte Sulfid oxidieren. Sie können auch beim Aufräumen helfen; Regen erholt sich schneller von der Verunreinigung des Rohöls, wenn er von Kabelbakterien besiedelt wird, berichtete eine andere Forschungsgruppe im Januar in der Zeitschrift Water Research. In Spanien untersucht ein drittes Team, ob Nanodraht-Bakterien die Säuberung verschmutzter Feuchtgebiete beschleunigen können. Und noch bevor Bakterien auf Nanodrahtbasis elektrisch waren, zeigten sie das Versprechen, Atommüll und mit aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Benzol oder Naphthalin kontaminierte Grundwasserleiter zu dekontaminieren.

Auch elektrische Bakterien können zu neuen Technologien führen. Sie können genetisch modifiziert werden, um ihre Nanodrähte zu verändern, die dann abgeschnitten werden können, um das Rückgrat empfindlicher tragbarer Sensoren zu bilden, so Derek Lovley, Mikrobiologe an der University of Massachusetts (UMass), Amherst. "Wir können Nanodrähte entwerfen und sie so anpassen, dass sie interessierende Verbindungen spezifisch binden." Beispielsweise beschrieben der UMass-Ingenieur Jun Yao und seine Kollegen in der Lovely-Ausgabe von Nano Research vom 11. Mai einen auf Nanodrähten basierenden Sensor, der Ammoniak in Konzentrationen erkennt, die für landwirtschaftliche, industrielle, ökologische und biomedizinische Anwendungen erforderlich sind.

Nanodrähte, die als Film hergestellt werden, können aus Feuchtigkeit in der Luft Elektrizität erzeugen. Forscher glauben, dass der Film Energie erzeugt, wenn ein Feuchtigkeitsgradient zwischender Ober- und Unterkante des Films auftritt. (Der obere Rand ist anfälliger für Feuchtigkeit.) Da sich die Wasserstoff- und Sauerstoffatome des Wassers aufgrund des Gradienten trennen, wird Ladung erzeugt und Elektronen fließen. Yao und sein Team berichteten am 17. Februar in Nature, dass ein solcher Film genug Energie erzeugen könnte, um eine Leuchtdiode zum Leuchten zu bringen, und 17 solcher Geräte, die miteinander verbunden sind, könnten ein Mobiltelefon mit Strom versorgen. Der Ansatz sei „eine revolutionäre Technologie zur Erzeugung erneuerbarer, sauberer und günstiger Energie“, sagt Qu Lianti, Materialwissenschaftler an der Tsinghua University. (Andere sind vorsichtiger und weisen darauf hin, dass frühere Versuche, mithilfe von Graphen oder Polymeren Energie aus Feuchtigkeit herauszupressen, erfolglos waren.)

Letztendlich hoffen die Forscher, die elektrischen Fähigkeiten von Bakterien zu nutzen, ohne sich mit wählerischen Mikroben auseinandersetzen zu müssen. Catch zum Beispiel überredete das gängige Labor- und Industriebakterium Escherichia coli, Nanodrähte herzustellen. Dies soll es Forschern erleichtern, die Strukturen in Serie herzustellen und ihre praktischen Anwendungen zu untersuchen.