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“电泥”充满了新的神秘细菌

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放大字体  缩小字体    发布日期:2020-08-24  浏览次数:205
核心提示:对于拉斯彼得尼尔森(Lars Peter Nielsen)来说,一切都始于硫化氢的神秘消失。这位微生物学家从丹麦奥尔胡斯港的底部收集了黑色
 对于拉斯·彼得·尼尔森(Lars Peter Nielsen)来说,一切都始于硫化氢的神秘消失。这位微生物学家从丹麦奥尔胡斯港的底部收集了黑色的臭泥,将其丢入大玻璃烧杯,并插入定制的微传感器,以检测泥浆化学变化。在实验开始时,渣土中充满了硫化氢-沉淀物的臭味和颜色的来源。但是30天后,一条泥浆变得更白了,这表明一些硫化氢消失了。最终,微传感器表明所有化合物都消失了。奥尔胡斯大学(Aarhus University)的尼尔森回忆说,鉴于科学家对泥浆的生物地球化学的了解,“这根本没有道理。”

他说,第一个解释是传感器有问题。但结果却是陌生的:连接细胞的细菌会首尾相接以构建能够通过泥土传输高达5厘米电流的电缆。这种适应性在微生物中从未见过,可以使这些所谓的电缆细菌克服许多生活在泥浆中的生物所面临的主要挑战:缺氧。它的缺失通常会阻止细菌代谢食物中的化合物,例如硫化氢。但是电缆通过将微生物与富含氧气的沉积物相连而使它们能够进行长距离反应。

当尼尔森于2009年首次描述这一发现时,同事们对此表示怀疑。安特卫普大学化学工程师Filip Meysman回忆道:“这完全是胡说八道。”是的,研究人员知道细菌可以导电,但不能超过尼尔森所建议的距离。北卡罗来纳大学教堂山分校的微生物学家安德烈亚斯·特斯克说:“好像我们自己的代谢过程将在18公里外产生影响。”

但是,研究人员在盐水和淡水中寻找“电气化”泥浆的人越多,他们发现的越多。他们还发现了第二种爱好泥浆的电子微生物:纳米线细菌,即生长能够使电子在较短距离内移动的蛋白质结构的单个细胞。这些纳米线微生物似乎生活在任何地方,包括人嘴中。

这些发现迫使研究人员改写教科书。重新考虑泥细菌在回收碳,氮和磷等关键元素中的作用;并重新考虑它们如何影响水生生态系统和气候变化。科学家们也在追求实际应用,探索电缆和纳米线细菌与污染和电力电子设备作斗争的潜力(请参见下面的侧栏)。梅斯曼说:“我们看到微生物内部以及微生物之间更多的相互作用是通过电来实现的。” “我称之为电生物圈。”
 
最重要的细胞是通过夺取一个分子中的电子,从而使电子发干,这一过程称为氧化,然后将其提供给另一个分子,通常是氧-称为还原。从这些反应中收集的能量驱动着生命的其他过程。在包括我们自己的真核细胞中,这种“氧化还原”反应发生在线粒体的内膜上,涉及的距离只有几微米。这就是为什么如此多的研究人员对尼尔森的说法持怀疑态度的原因,尼尔森的说法是电缆细菌正在使电子跨过相当于高尔夫球宽度的泥浆跨度移动。
 
消失的硫化氢是证明它的关键。细菌通过分解植物残渣和其他有机物质而在泥浆中产生化合物。在较深的沉积物中,由于几乎没有氧气来帮助其他细菌分解,所以会形成硫化氢。但是,在尼尔森的实验室烧杯中,硫化氢无论如何都消失了。此外,泥浆表面出现了生锈的色调,表明形成了氧化铁。
 
一天晚上,尼尔森从睡眠中醒来,提出了一个奇怪的解释:如果埋在泥里的细菌通过某种方式绕过贫氧层而完成了氧化还原反应呢?相反,如果他们使用充足的硫化氢供应作为电子供体,然后将电子向上穿梭到富氧表面怎么办?如果存在铁,则氧化过程会生锈。
 
发现携带这些电子的物质非常复杂。首先,尼尔森研究小组的尼尔斯·里斯加德·彼得森(Nils Risgaard-Petersen)必须排除一个更简单的可能性:沉积物中的金属颗粒将电子传递到表面并引起氧化。他通过将一层不导电的玻璃珠插入一排泥中来实现这一点。尽管存在障碍,研究人员仍然检测到有电流流过泥浆,表明金属颗粒不是导体。
 
为了查看某种电缆或电线是否正在传递电子,研究人员接下来使用钨丝在泥浆柱上形成水平切片。电流忽隐忽现,好像一根电线已经被切断了。其他工作缩小了导体的尺寸,表明其直径必须至少为1微米。尼尔森说:“这是细菌的常规大小。”
 
 
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