Kabelové bakterie - Cable bacteria - Wikipedia
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f6/Cable_bacteria_in_sediment.png/220px-Cable_bacteria_in_sediment.png)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b2/Cable_diagram.svg/220px-Cable_diagram.svg.png)
Kabelové bakterie jsou vláknité bakterie které vedou elektřinu na vzdálenosti větší než 1 cm v usazeninách a podzemních vodách.[1][2] Kabelové bakterie umožňují dálkový přenos elektronů, který spojuje donory elektronů s akceptory elektronů a spojuje dříve oddělené oxidační a redukční reakce.[3] Kabelové bakterie spojují redukci kyslíku[2] nebo dusičnan[4] na povrchu sedimentu k oxidaci sulfidu[2] v hlubších, anoxických vrstvách sedimentu.
Objev
Dálková elektrická vodivost v sedimentu byla poprvé pozorována v roce 2010 jako prostorová separace oxidace sulfidů a redukce kyslíku v mořském sedimentu, která byla přerušena a obnovena rychlostí rychleji, než by bylo možné vysvětlit chemickou difúzí.[1] Později bylo zjištěno, že tato elektrická vodivost může být pozorována napříč nevodivou vrstvou skleněných mikrosfér, kde jedinou možnou vodivou strukturou byly vláknité bakterie patřící do rodiny Desulfobulbaceae.[2] Vodivost jednotlivých živých vláken byla později prokázána pozorováním oxidačního stavu cytochromy použitím Ramanova mikroskopie.[5] Stejný jev byl později pozorován ve sladkovodních sedimentech[6] a kolektory podzemní vody.[7] V 15 cm silné vrchní vrstvě sedimentu byly pozorovány hustoty kabelových bakterií poskytující celkovou délku až 2 km na čtvereční centimetr povrchu.[8]
Morfologie
Vlákna kabelových bakterií mají průměr 0,4–1,7 µm a délku až 15 mm.[8] Vlákna sestávají z tyčinkovitých buněk o průměrné délce 3 um. Vlákna jsou dlouhé řetězce složené z buněk naskládaných dohromady a mohou být dlouhé až 30-70 mm. Některá vlákna se skládají z více než 10 000 buněk.[9] Každá buňka má mezi 15 a 54 hřebeny a hřebeny pokrývají celou délku vlákna.[2][10] Předpokládá se, že tyto hřebeny obsahují vodivé struktury buněk.[2][11]
Křižovatky
Buňky ve vláknu jsou spojeny spoji.[12] Průměr spojů mezi buňkami ve vláknu se liší od toho, že je menší než průměr buňky, stejný průměr jako buňky na obou stranách spojení, nebo vyboulení, aby se stal širším než průměr buňky.[12] Spoje jsou schopny odolat větší síle bez zlomení než samotné buňky.[12] Buňky na opačných stranách každého spojení jsou odděleny; pokud jedna buňka praskne, buňka na druhé straně spojení zůstane neporušená.[12]
Struny
Kabelové bakterie obsahují struktury známé jako řetězce.[12] Řetězce jsou umístěny uvnitř hřebenů na vnější membráně a spojují jednu buňku s druhou.[12] Řetězce se nepřerušovaně rozprostírají po celé délce vlákna.[12] Šířka strun je asi 20-40 nm.[12] Velikost a funkce řetězce jsou podobné jako u a mikrotubul.[12] Předpokládá se, že řetězce slouží jako strukturální základ pro vlákna a hrají klíčovou roli při udržování tvaru vlákna, zejména během růstu.[12]
Rozdělení
Kabelové bakterie se obvykle nacházejí ve snížených sedimentech.[13] Mohou být přítomny jako jediné vlákno nebo jako aglomerace vláken.[13] Bylo zjištěno, že kabelové bakterie jsou propletené s kořenovými chlupy vodních rostlin a jsou přítomny v rhizosféře.[13] Jejich distribuce se pohybuje v rozmezí slanosti; jsou přítomny ve sladkovodních, slaných jezerech a mořských stanovištích.[14][15] Kabelové bakterie byly celosvětově identifikovány v různých klimatických podmínkách,[16] počítaje v to Dánsko,[2][6] the Holandsko,[11] Japonsko,[17] Austrálie,[18] a Spojené státy.[19]
Pohyblivost
Kabelovým bakteriím chybí bičíky, ale jsou schopny pohyblivost ve formě klouzání[20] tím, že se pohání dopředu vylučováním látek.[21] Bylo pozorováno, že kabelové bakterie se pohybují tak rychle, jak 2,2 µm / s, s průměrnou rychlostí 0,5 µm / s.[20] Rychlost motility u kabelových bakterií nesouvisí s velikostí bakterií.[20] Průměrná vzdálenost, kterou kabelová bakterie klouže, je přibližně 74 µm bez přerušení.[20] Vlákna kabelových bakterií mají tendenci se ohýbat na polovinu a jejich pohyb je veden vrcholem ohybu na rozdíl od vedení jedním koncem vlákna.[20] Zkroucení k pohybu rotačním klouzáním je vzácné, ale vyskytuje se.[20] Kabelové bakterie se pravděpodobně účastní kyslíku chemotaxe, protože je pozorováno, že se pohybují v anoxickém nebo hypoxickém prostředí a přestávají klouzat při kontaktu s kyslíkem.[20] I když je pohyblivost důležitá pro jiné mikroorganismy, jakmile se kabelové bakterie nacházejí na místě, které spojuje kyslík se sulfidem, již se nemusí hýbat.[20] Snížená potřeba motility by mohla vysvětlit, proč genom kabelových bakterií obsahuje méně operonů souvisejících s chemotaxí než jiné Desulfobulbaceae.[21] Méně operonů souvisejících s chemotaxí vede k omezené pohyblivosti.[21]
Taxonomie
Byly popsány dva kandidátské rody kabelových bakterií: Electrothrix - obsahující čtyři kandidátské druhy nalezené v mořských nebo brakických sedimentech a - Electronema obsahující dva kandidátské druhy nalezené ve sladkovodních sedimentech.[17] Bylo zjištěno, že sladkovodní a mořské kabelové bakterie jsou z 88% podobné 16S ribozomální RNA srovnání.[9] Tyto rody jsou klasifikovány v rámci rodiny Desulfobulbaceae. Podle poslední společný předek analýza, z které pravděpodobně pocházejí kabelové bakterie Deltaproteobakterie, Gammaproteobakterie, Chromatiales, a Thiotrichales.[21] Kabelové bakterie jsou definovány spíše jejich funkcí než jejich fylogenezí a je možné, že budou objeveny další taxony kabelových bakterií.
Ekologický význam
Kabelové bakterie silně ovlivňují geochemické vlastnosti okolního prostředí. Jejich aktivita podporuje oxidaci žehlička na povrchu sedimentu a výsledné oxidy železa váží sloučeniny obsahující fosfor[22] a sirovodík,[23] omezení množství fosfor a sirovodík ve vodě. Fosfor může způsobit eutrofizace, a sirovodík mohou být toxické pro mořský život, což znamená, že kabelové bakterie hrají důležitou roli při udržování mořských ekosystémů v pobřežních oblastech.
Emise metanu
Přítomnost kabelových bakterií může vést ke snížení emisí metanu z nasycených půd. Přenos elektronů kabelovými bakteriemi umožňuje vyvážení redukce síranů, která se vyskytuje v zaplavených půdách, oxidací síranů. Oxidace je možná z důvodu uvolňování elektronů vlákny kabelových bakterií. Díky této rovnováze zůstává síran snadno dostupný pro bakterie snižující síran, které soutěží methanogeny. To způsobuje pokles produkce methanu methanogeny.[24]
Praktické aplikace
Bylo zjištěno, že kabelové bakterie jsou spojovány s benticitou mikrobiální palivové články, zařízení, která převádějí chemickou energii na mořském dně na elektrickou energii.[25] V budoucnu mohou kabelové bakterie hrát roli při zvyšování účinnosti mikrobiální palivové články. Bylo také zjištěno, že kabelové bakterie jsou spojeny s bioelektrochemickým systémem pro degradaci kontaminujících uhlovodíků v mořském sedimentu [26] a tak může v budoucnu hrát roli únik oleje technologie čištění.
Viz také
Reference
- ^ A b Nielsen LP, Risgaard-Petersen N, Fossing H, Christensen PB, Sayama M (únor 2010). „Elektrické proudy spojují prostorově oddělené biogeochemické procesy v mořském sedimentu“. Příroda. 463 (7284): 1071–4. Bibcode:2010Natur.463.1071N. doi:10.1038 / nature08790. PMID 20182510.
- ^ A b C d E F G Pfeffer C, Larsen S, Song J, Dong M, Besenbacher F, Meyer RL a kol. (Listopad 2012). "Vláknité bakterie transportují elektrony na vzdálenosti centimetrů". Příroda. 491 (7423): 218–21. Bibcode:2012Natur.491..218P. doi:10.1038 / příroda11866. PMID 23103872.
- ^ Nielsen LP, Risgaard-Petersen N (2015). „Přehodnocení biogeochemie sedimentů po objevení elektrických proudů“. Výroční zpráva o námořní vědě. 7: 425–42. Bibcode:2015 ARMS .... 7..425N. doi:10.1146 / annurev-marine-010814-015708. PMID 25251266.
- ^ Marzocchi U, Trojan D, Larsen S, Meyer RL, Revsbech NP, Schramm A, et al. (Srpen 2014). „Elektrické propojení mezi redukcí vzdálených dusičnanů a oxidací sulfidů v mořském sedimentu“. Časopis ISME. 8 (8): 1682–90. doi:10.1038 / ismej.2014.19. PMC 4817607. PMID 24577351.
- ^ Bjerg JT, Boschker HT, Larsen S, Berry D, Schmid M, Millo D a kol. (Květen 2018). „Dálkový přenos elektronů v jednotlivých živých kabelových bakteriích“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 115 (22): 5786–5791. doi:10.1073 / pnas.1800367115. PMC 5984516. PMID 29735671.
- ^ A b Risgaard-Petersen N, Kristiansen M, Frederiksen RB, Dittmer AL, Bjerg JT, Trojan D a kol. (Září 2015). „Kabelové bakterie ve sladkovodních sedimentech“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 81 (17): 6003–11. doi:10.1128 / AEM.01064-15. PMC 4551263. PMID 26116678.
- ^ Müller H, Bosch J, Griebler C, Damgaard LR, Nielsen LP, Lueders T, Meckenstock RU (srpen 2016). „Dálkový přenos elektronů kabelovými bakteriemi v sedimentech zvodnělé vrstvy“. Časopis ISME. 10 (8): 2010–9. doi:10.1038 / ismej.2015.250. PMC 4939269. PMID 27058505.
- ^ A b Schauer R, Risgaard-Petersen N, Kjeldsen KU, Tataru Bjerg JJ, B Jørgensen B, Schramm A, Nielsen LP (červen 2014). „Dědictví kabelových bakterií a elektrických proudů v mořském sedimentu“. Časopis ISME. 8 (6): 1314–22. doi:10.1038 / ismej.2013.239. PMC 4030233. PMID 24451206.
- ^ A b Meysman FJ (květen 2018). „Kabelové bakterie se nadechněte pomocí dálkové elektřiny“. Trendy v mikrobiologii. 26 (5): 411–422. doi:10.1016 / j.tim.2017.10.011. PMID 29174100.
- ^ Cornelissen R, Bøggild A, Thiruvallur Everyambadi R, Koning RI, Kremer A, Hidalgo-Martinez S a kol. (2018). "Struktura buněčné obálky kabelových bakterií". Hranice v mikrobiologii. 9: 3044. doi:10.3389 / fmicb.2018.03044. PMC 6307468. PMID 30619135.
- ^ A b Malkin SY, Rao AM, Seitaj D, Vasquez-Cardenas D, Zetsche EM, Hidalgo-Martinez S a kol. (Září 2014). „Přirozený výskyt mikrobiální oxidace síry dálkovým transportem elektronů v mořském dně“. Časopis ISME. 8 (9): 1843–54. doi:10.1038 / ismej.2014.41. PMC 4139731. PMID 24671086.
- ^ A b C d E F G h i j Jiang Z, Zhang S, Klausen LH, Song J, Li Q, Wang Z a kol. (Srpen 2018). „Jednobunková disekce in vitro odhalující vnitřní strukturu kabelových bakterií“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 115 (34): 8517–8522. doi:10.1073 / pnas.1807562115. PMC 6112711. PMID 30082405.
- ^ A b C Scholz VV, Müller H, Koren K, Nielsen LP, Meckenstock RU (červen 2019). „Rhizosféra vodních rostlin je stanovištěm kabelových bakterií“. Ekologie mikrobiologie FEMS. 95 (6). doi:10.1093 / femsec / fiz062. PMC 6510695. PMID 31054245.
- ^ Trojan D, Schreiber L, Bjerg JT, Bøggild A, Yang T, Kjeldsen KU, Schramm A (červenec 2016). „Taxonomický rámec pro kabelové bakterie a návrh kandidátských rodů Electrothrix a Electronema“. Systematická a aplikovaná mikrobiologie. 39 (5): 297–306. doi:10.1016 / j.syapm.2016.05.006. PMC 4958695. PMID 27324572.
- ^ Risgaard-Petersen N, Kristiansen M, Frederiksen RB, Dittmer AL, Bjerg JT, Trojan D a kol. (Září 2015). Kostka JE (ed.). „Kabelové bakterie ve sladkovodních sedimentech“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 81 (17): 6003–11. doi:10.1128 / AEM.01064-15. PMC 4551263. PMID 26116678.
- ^ Burdorf LD, Tramper A, Seitaj D, Meire L, Hidalgo-Martinez S, Zetsche EM a kol. (2017). „Dálkový přenos elektronů probíhá globálně v mořských sedimentech“. Biogeovědy. 14 (3): 683–701. Bibcode:2017BGeo ... 14..683B. doi:10.5194 / bg-14-683-2017.
- ^ A b Trojan D, Schreiber L, Bjerg JT, Bøggild A, Yang T, Kjeldsen KU, Schramm A (červenec 2016). „Taxonomický rámec pro kabelové bakterie a návrh kandidátských rodů Electrothrix a Electronema“. Systematická a aplikovaná mikrobiologie. 39 (5): 297–306. doi:10.1016 / j.syapm.2016.05.006. PMC 4958695. PMID 27324572.
- ^ Smith B (5. prosince 2014). „Šok, když vědci nacházejí v Yarře„ elektrické “bakterie“. Věk.
- ^ Larsen S, Nielsen LP, Schramm A (duben 2015). "Kabelové bakterie spojené s dálkovým přenosem elektronů v sedimentu solného močálu v Nové Anglii". Zprávy o mikrobiologii životního prostředí. 7 (2): 175–9. doi:10.1111/1758-2229.12216. PMID 25224178.
- ^ A b C d E F G h Bjerg JT, Damgaard LR, Holm SA, Schramm A, Nielsen LP (červenec 2016). Drake HL (ed.). „Motilita bakterií z elektrických kabelů“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 82 (13): 3816–21. doi:10.1128 / AEM.01038-16. PMC 4907201. PMID 27084019.
- ^ A b C d Kjeldsen KU, Schreiber L, Thorup CA, Boesen T, Bjerg JT, Yang T a kol. (Září 2019). „O vývoji a fyziologii kabelových bakterií“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 116 (38): 19116–19125. doi:10.1073 / pnas.1903514116. PMC 6754541. PMID 31427514.
- ^ Sulu-Gambari F, Seitaj D, Meysman FJ, Schauer R, Polerecky L, Slomp CP (únor 2016). „Kabelové bakterie regulují dynamiku železa a fosforu v sedimentech pobřežní hypoxické pánve“. Věda o životním prostředí a technologie. 50 (3): 1227–33. Bibcode:2016EnST ... 50.1227S. doi:10.1021 / acs.est.5b04369. PMID 26720721.
- ^ Seitaj D, Schauer R, Sulu-Gambari F, Hidalgo-Martinez S, Malkin SY, Burdorf LD a kol. (Říjen 2015). „Kabelové bakterie vytvářejí firewall proti euxinii v sezónně hypoxických povodích“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 112 (43): 13278–83. Bibcode:2015PNAS..11213278S. doi:10.1073 / pnas.1510152112. PMC 4629370. PMID 26446670.
- ^ Scholz VV, Meckenstock RU, Nielsen LP, Risgaard-Petersen N (duben 2020). „Kabelové bakterie snižují emise metanu z půd pěstovaných rýží“. Příroda komunikace. 11 (1): 1878. doi:10.1038 / s41467-020-15812-w. PMC 7171082. PMID 32313021.
- ^ Wendeberg A (leden 2010). "Fluorescenční in situ hybridizace pro identifikaci environmentálních mikrobů". Cold Spring Harbor Protocols. 2010 (1): pdb.prot5366. doi:10.1101 / pdb.prot5366. PMID 20150125.
- ^ Matturro B, Cruz Viggi C, Aulenta F, Rossetti S (2017). „Kabelové bakterie a bioelektrochemický šnorchl: Přirozené a inženýrsky vytvořené aspekty hrající roli v degradaci uhlovodíků v mořských sedimentech“. Hranice v mikrobiologii. 8: 952. doi:10.3389 / fmicb.2017.00952. PMC 5447156. PMID 28611751.
externí odkazy
Média související s Kabelové bakterie na Wikimedia Commons