Кабельные бактерии - Википедия - Cable bacteria

Кабельные бактерии между двумя слоями осадка, разделенными внутри стеклянного цилиндра.
Диаграмма, демонстрирующая метаболизм кабельных бактерий в поверхностных отложениях. Сероводород (H2S) окисляется в слое сульфидных отложений, и образующиеся электроны (e−) проходят через бактериальную нить кабеля к ядовитый слой и используется для восстановления молекулярного кислорода (O2).

Кабельные бактерии нитевидные бактерии которые проводят электричество на расстоянии более 1 см в отложениях и подземных водоносных горизонтах.[1][2] Кабельные бактерии обеспечивают перенос электронов на большие расстояния, который соединяет доноры электронов с акцепторами электронов, соединяя ранее разделенные реакции окисления и восстановления.[3] Кабельные бактерии способствуют восстановлению кислорода[2] или нитрат[4] на поверхности осадка до окисления сульфида[2] в более глубоких, бескислородных слоях отложений.

Открытие

Электропроводность на больших расстояниях в донных отложениях была впервые обнаружена в 2010 году как пространственное разделение процессов окисления сульфидов и восстановления кислорода в морских отложениях, которое было прервано и восстановлено со скоростью, большей, чем можно было бы объяснить химической диффузией.[1] Позже было обнаружено, что эту электрическую проводимость можно наблюдать через непроводящий слой стеклянных микросфер, где единственными возможными проводящими структурами были нитчатые бактерии, принадлежащие к семейству Desulfobulbaceae.[2] Электропроводность одиночных живых волокон позже была продемонстрирована путем наблюдения за степенью окисления цитохромы с помощью Рамановская микроскопия.[5] Позже то же самое явление наблюдали в пресноводных отложениях.[6] и подземные водоносные горизонты.[7] В верхнем слое отложений толщиной 15 см наблюдалась плотность кабельных бактерий, общая длина которых составляла до 2 км на квадратный сантиметр поверхности.[8]

Морфология

Нити кабельных бактерий имеют диаметр 0,4—1,7 мкм и длину до 15 мм.[8] Нити состоят из ячеек в форме палочек со средней длиной 3 мкм. Нити представляют собой длинные цепочки, состоящие из ячеек, уложенных друг на друга, и могут достигать длины 30-70 мм. Некоторые филаменты состоят из более чем 10 000 ячеек.[9] Каждая ячейка имеет от 15 до 54 гребней, и гребни охватывают всю длину нити.[2][10] Предполагается, что эти гребни содержат проводящие структуры клеток.[2][11]

Узлы

Клетки в нити соединены стыками.[12] Диаметр стыков между ячейками в филаменте варьируется от меньшего, чем диаметр ячейки, до того же диаметра, что и ячейки по обе стороны от стыка, или от выпячивания, чтобы стать шире диаметра ячейки.[12] Соединения способны выдерживать большую силу, не ломаясь, чем сами ячейки.[12] Ячейки на противоположных сторонах каждого стыка разделены; если одна ячейка лопнет, ячейка на другой стороне соединения останется нетронутой.[12]

Струны

Кабельные бактерии содержат структуры, известные как струны.[12] Нити расположены внутри гребней на внешней мембране и соединяют одну ячейку с другой.[12] Струны непрерывно охватывают длину всей нити.[12] Ширина струн около 20-40 нм.[12] Размер и функция строки аналогичны микротрубочка.[12] Считается, что струны служат структурной основой для волокон и играют ключевую роль в поддержании формы волокон, особенно во время роста.[12]

Распределение

Кабельные бактерии обычно обнаруживаются в восстановленных отложениях.[13] Они могут присутствовать в виде одной нити или в виде скопления нитей.[13] Кабельные бактерии были идентифицированы как переплетенные с корневыми волосками водных растений и присутствующие в ризосфере.[13] Их распределение колеблется в пределах градиента солености; они присутствуют в пресноводных, соленых озерах и морских средах обитания.[14][15] Кабельные бактерии были обнаружены в различных климатических условиях по всему миру,[16] включая Дания,[2][6] то Нидерланды,[11] Япония,[17] Австралия,[18] и Соединенные Штаты.[19]

Подвижность

Кабельные бактерии лишены жгутиков, но способны подвижность в виде скольжения[20] продвигаясь вперед за счет выделения веществ.[21] Было замечено, что кабельные бактерии перемещаются со скоростью 2,2 мкм / с, со средней скоростью 0,5 мкм / с.[20] Скорость подвижности кабельных бактерий не связана с размером бактерий.[20] Среднее расстояние, на которое бактерия в кабеле скользит без перерыва, составляет примерно 74 мкм.[20] Нити кабельных бактерий имеют тенденцию сгибаться пополам, и их движение осуществляется вершиной изгиба, а не одним концом нити.[20] Скручивание при вращательном скольжении встречается редко, но все же происходит.[20] Кабельные бактерии, вероятно, взаимодействуют с кислородом хемотаксис, поскольку они движутся в бескислородной или гипоксической среде и прекращают скольжение при контакте с кислородом.[20] Хотя подвижность важна для других микроорганизмов, как только кабельные бактерии попадают в место, которое связывает кислород с сульфидом, им больше не нужно двигаться.[20] Снижение потребности в подвижности может объяснить, почему геном кабельных бактерий содержит меньше оперонов, связанных с хемотаксисом, чем другие Desulfobulbaceae.[21] Меньшее количество оперонов, связанных с хемотаксисом, приводит к ограниченной подвижности.[21]

Таксономия

Описаны два рода кандидатов кабельных бактерий: Электротрикс содержащие четыре вида-кандидата, обнаруженные в морских или солоноватых отложениях, и Electronema содержит два вида-кандидата, обнаруженные в пресноводных отложениях.[17] Было установлено, что пресноводные и морские кабельные бактерии на 88% похожи на 16S рибосомная РНК сравнения.[9] Эти роды относятся к семейству Desulfobulbaceae. В соответствии с последний общий предок анализ, кабельные бактерии, вероятно, произошли от Дельтапротеобактерии, Гаммапротеобактерии, Chromatiales, и Тиотрихалес.[21] Кабельные бактерии определяются их функцией, а не филогенезом, и возможно, что будут обнаружены и другие таксоны кабельных бактерий.

Экологическое значение

Кабельные бактерии сильно влияют на геохимические свойства окружающей среды. Их активность способствует окислению утюг на поверхности осадка, и образующиеся оксиды железа связывают фосфорсодержащие соединения[22] и сероводород,[23] ограничение количества фосфор и сероводород в воде. Фосфор может вызывать эвтрофикация, и сероводород может быть токсичным для морской жизни, а это означает, что кабельные бактерии играют важную роль в поддержании морских экосистем в прибрежных районах.

Выбросы метана

Наличие кабельных бактерий может привести к снижению выбросов метана из насыщенных почв. Передача электронов через кабельные бактерии позволяет уравновесить сульфатредукцию, происходящую в затопленных почвах, окислением сульфатов. Окисление возможно из-за выброса электронов через нити бактерий кабеля. Благодаря этому балансу сульфат остается легко доступным для сульфатредуцирующие бактерии, которые соревнуются метаногены. Это вызывает уменьшение производства метана метаногенами.[24]

Практическое применение

Было обнаружено, что кабельные бактерии связаны с донными бактериями. микробные топливные элементы, устройства, преобразующие химическую энергию на дне океана в электрическую.[25] В будущем кабельные бактерии могут сыграть роль в повышении эффективности микробные топливные элементы. Также были обнаружены кабельные бактерии, связанные с биоэлектрохимической системой разложения загрязняющих углеводородов в морских отложениях. [26] и таким образом может сыграть роль в будущем разлив нефти очистные технологии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Nielsen LP, Risgaard-Petersen N, Fossing H, Christensen PB, Sayama M (февраль 2010 г.). «Электрические токи связывают пространственно разделенные биогеохимические процессы в морских отложениях». Природа. 463 (7284): 1071–4. Bibcode:2010Натура.463.1071N. Дои:10.1038 / природа08790. PMID  20182510.
  2. ^ а б c d е ж грамм Пфеффер С., Ларсен С., Сонг Дж., Донг М., Бесенбахер Ф., Мейер Р.Л. и др. (Ноябрь 2012 г.). «Нитчатые бактерии переносят электроны на сантиметровые расстояния». Природа. 491 (7423): 218–21. Bibcode:2012Натура.491..218П. Дои:10.1038 / природа11586. PMID  23103872.
  3. ^ Нильсен LP, Рисгаард-Петерсен N (2015). «Переосмысление биогеохимии отложений после открытия электрических токов». Ежегодный обзор морской науки. 7: 425–42. Bibcode:2015 ОРУЖИЕ .... 7..425Н. Дои:10.1146 / annurev-marine-010814-015708. PMID  25251266.
  4. ^ Marzocchi U, Trojan D, Larsen S, Meyer RL, Revsbech NP, Schramm A и др. (Август 2014 г.). «Электрическая связь между удаленным восстановлением нитратов и окислением сульфидов в морских отложениях». Журнал ISME. 8 (8): 1682–90. Дои:10.1038 / ismej.2014.19. ЧВК  4817607. PMID  24577351.
  5. ^ Бьерг Дж. Т., Бошкер Х. Т., Ларсен С., Берри Д., Шмид М., Милло Д. и др. (Май 2018). «Транспорт электронов на большие расстояния в отдельных живых кабельных бактериях». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 115 (22): 5786–5791. Дои:10.1073 / pnas.1800367115. ЧВК  5984516. PMID  29735671.
  6. ^ а б Рисгаард-Петерсен Н., Кристиансен М., Фредериксен Р. Б., Диттмер А. Л., Бьерг Д. Т., Троян Д. и др. (Сентябрь 2015 г.). «Кабельные бактерии в пресноводных отложениях». Прикладная и экологическая микробиология. 81 (17): 6003–11. Дои:10.1128 / AEM.01064-15. ЧВК  4551263. PMID  26116678.
  7. ^ Мюллер Х., Бош Дж., Гриблер С., Дамгаард Л. Р., Нильсен Л. П., Людерс Т., Меккеншток РУ (август 2016 г.). «Передача электронов на большие расстояния кабельными бактериями в отложениях водоносных горизонтов». Журнал ISME. 10 (8): 2010–9. Дои:10.1038 / ismej.2015.250. ЧВК  4939269. PMID  27058505.
  8. ^ а б Шауэр Р., Рисгаард-Петерсен Н., Кьельдсен К.Ю., Татару Бьерг Дж. Дж., Б. Йоргенсен Б., Шрамм А., Nielsen LP (июнь 2014 г.). «Последовательность кабельных бактерий и электрических токов в морских отложениях». Журнал ISME. 8 (6): 1314–22. Дои:10.1038 / ismej.2013.239. ЧВК  4030233. PMID  24451206.
  9. ^ а б Meysman FJ (май 2018 г.). «Кабельные бактерии делают новое дыхание, используя электричество на большие расстояния». Тенденции в микробиологии. 26 (5): 411–422. Дои:10.1016 / j.tim.2017.10.011. PMID  29174100.
  10. ^ Корнелиссен Р., Бёггильд А., Тируваллур Иачамбади Р., Конинг Р. И., Кремер А., Идальго-Мартинес С. и др. (2018). «Структура клеточной оболочки кабельных бактерий». Границы микробиологии. 9: 3044. Дои:10.3389 / fmicb.2018.03044. ЧВК  6307468. PMID  30619135.
  11. ^ а б Малкин С.Ю., Рао А.М., Сейтадж Д., Васкес-Карденас Д., Цетше Е.М., Идальго-Мартинес С. и др. (Сентябрь 2014 г.). «Естественное возникновение микробного окисления серы за счет переноса электронов на большие расстояния на морском дне». Журнал ISME. 8 (9): 1843–54. Дои:10.1038 / ismej.2014.41. ЧВК  4139731. PMID  24671086.
  12. ^ а б c d е ж грамм час я j Jiang Z, Zhang S, Klausen LH, Song J, Li Q, Wang Z и др. (Август 2018 г.). «Вскрытие одной клетки in vitro, раскрывающее внутреннюю структуру кабельных бактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 115 (34): 8517–8522. Дои:10.1073 / pnas.1807562115. ЧВК  6112711. PMID  30082405.
  13. ^ а б c Шольц В.В., Мюллер Х., Корен К., Нильсен Л.П., Меккеншток РУ (июнь 2019 г.). «Ризосфера водных растений - среда обитания кабельных бактерий». FEMS Microbiology Ecology. 95 (6). Дои:10.1093 / фемсек / fiz062. ЧВК  6510695. PMID  31054245.
  14. ^ Trojan D, Schreiber L, Bjerg JT, Bøggild A, Yang T., Kjeldsen KU, Schramm A (июль 2016 г.). «Таксономическая основа для кабельных бактерий и предложение родов-кандидатов Electrothrix и Electronema». Систематическая и прикладная микробиология. 39 (5): 297–306. Дои:10.1016 / j.syapm.2016.05.006. ЧВК  4958695. PMID  27324572.
  15. ^ Рисгаард-Петерсен Н., Кристиансен М., Фредериксен Р. Б., Диттмер А. Л., Бьерг Дж. Т., Троян Д. и др. (Сентябрь 2015 г.). Костка Ю.Е. (ред.). «Кабельные бактерии в пресноводных отложениях». Прикладная и экологическая микробиология. 81 (17): 6003–11. Дои:10.1128 / AEM.01064-15. ЧВК  4551263. PMID  26116678.
  16. ^ Бурдорф Л.Д., Трампер А., Сейтай Д., Мейре Л., Идальго-Мартинес С., Цетше Е.М. и др. (2017). «Транспорт электронов на большие расстояния происходит во всем мире в морских отложениях». Биогеонауки. 14 (3): 683–701. Bibcode:2017BGeo ... 14..683B. Дои:10.5194 / bg-14-683-2017.
  17. ^ а б Trojan D, Schreiber L, Bjerg JT, Bøggild A, Yang T., Kjeldsen KU, Schramm A (июль 2016 г.). «Таксономическая основа для кабельных бактерий и предложение родов-кандидатов Electrothrix и Electronema». Систематическая и прикладная микробиология. 39 (5): 297–306. Дои:10.1016 / j.syapm.2016.05.006. ЧВК  4958695. PMID  27324572.
  18. ^ Смит Б. (5 декабря 2014 г.). «Шок, когда ученые находят« электрические »бактерии в Ярре». Возраст.
  19. ^ Ларсен С., Нильсен Л.П., Шрамм А. (апрель 2015 г.). «Кабельные бактерии, связанные с переносом электронов на большие расстояния в отложениях солончаков Новой Англии». Отчеты по микробиологии окружающей среды. 7 (2): 175–9. Дои:10.1111/1758-2229.12216. PMID  25224178.
  20. ^ а б c d е ж грамм час Бьерг Дж. Т., Дамгаард Л. Р., Холм С. А., Шрамм А., Нильсен Л. П. (июль 2016 г.). Дрейк HL (ред.). «Подвижность бактерий электрического кабеля». Прикладная и экологическая микробиология. 82 (13): 3816–21. Дои:10.1128 / AEM.01038-16. ЧВК  4907201. PMID  27084019.
  21. ^ а б c d Kjeldsen KU, Schreiber L, Thorup CA, Boesen T., Bjerg JT, Yang T. и др. (Сентябрь 2019 г.). «Об эволюции и физиологии кабельных бактерий». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 116 (38): 19116–19125. Дои:10.1073 / пнас.1903514116. ЧВК  6754541. PMID  31427514.
  22. ^ Сулу-Гамбари Ф., Сейтай Д., Мейсман Ф. Дж., Шауэр Р., Полерецки Л., Сломп С. П. (февраль 2016 г.). "Кабельные бактерии контролируют железо-фосфорную динамику в отложениях прибрежного гипоксического бассейна". Экологические науки и технологии. 50 (3): 1227–33. Bibcode:2016EnST ... 50.1227S. Дои:10.1021 / acs.est.5b04369. PMID  26720721.
  23. ^ Сейтай Д., Шауэр Р., Сулу-Гамбари Ф., Идальго-Мартинес С., Малкин С.Ю., Бурдорф Л.Д. и др. (Октябрь 2015 г.). «Кабельные бактерии создают брандмауэр против эвксинии в сезонно гипоксических бассейнах». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 112 (43): 13278–83. Bibcode:2015ПНАС..11213278С. Дои:10.1073 / пнас.1510152112. ЧВК  4629370. PMID  26446670.
  24. ^ Шольц В.В., Меккеншток РУ, Нильсен Л.П., Рисгаард-Петерсен Н. (апрель 2020 г.). «Кабельные бактерии сокращают выбросы метана из почв с рисовой растительностью». Nature Communications. 11 (1): 1878. Дои:10.1038 / с41467-020-15812-ш. ЧВК  7171082. PMID  32313021.
  25. ^ Вендеберг А (январь 2010 г.). «Флуоресцентная гибридизация in situ для идентификации микробов окружающей среды». Протоколы Колд-Спринг-Харбор. 2010 (1): pdb.prot5366. Дои:10.1101 / pdb.prot5366. PMID  20150125.
  26. ^ Маттурро Б., Круз Вигги С., Аулента Ф, Россетти С. (2017). «Кабельные бактерии и биоэлектрохимическая трубка: естественные и искусственные аспекты, играющие роль в деградации углеводородов в морских отложениях». Границы микробиологии. 8: 952. Дои:10.3389 / fmicb.2017.00952. ЧВК  5447156. PMID  28611751.

внешняя ссылка