Kabelové bakterie

Kabelové bakterie jsou bakterie, které vytvářejí spojené řetězce o délce až několika centimetrů složené z tisíců bakteriálních buněk; jsou proto označovány jako mnohobuněčné bakterie (nebo mnohobuněčné orgamismy) Tyto řetězce bakterií pak fungují jako živé vodiče elektřiny. Vyskytují se v sedimentech a podzemních vodách, kde vedou elektřinu na vzdálenosti řádově centimetrů. Tím, že transportují elektrony na relativně velké vzdálenosti, propojují donory elektronů s akceptory elektronů, čímž propojují jinak oddělené oxidační a redukční reakce. Kabelové bakterie spojují redukci kyslíku nebo dusičnanů na povrchu sedimentu s oxidací sulfidů v hlubších, anoxických (= bez kyslíku) vrstvách sedimentu.

Kabelové bakterie mezi dvěma oddělenými vrstvami sedimentu uvnitř skleněného válce.

Diagram znázorňující metabolismus kabelových bakterií v povrchovém sedimentu. Sirovodík (H₂S) je oxidován v sulfidické vrstvě sedimentu a uvolněné elektrony (e⁻) jsou vedeny vzhůru vláknem kabelových bakterií do vrstvy obsahující kyslík a použity k redukci molekulárního kyslíku (O₂).

Objev

Vedení elektřiny v sedimentu na relativně velkou vzdálenost bylo poprvé pozorováno v roce 2010 jako prostorová separace oxidace sulfidů a redukce kyslíku v mořském sedimentu, která byla po přerušení znovu obnovena rychleji, než by umožnila chemická difúze. Později bylo zjištěno, že elektrickou vodivost lze pozorovat i na nevodivé vrstvě skleněných mikrokuliček, kde jedinými možnými vodivými strukturami byly vláknité bakterie patřící do čeledi Desulfobulbaceae . Vodivost jednotlivých živých vláken byla později prokázána pozorováním oxidačního stavu cytochromů pomocí Ramanovy spektroskopie. Stejný jev byl později pozorován ve sladkovodních sedimentech a podzemních vodách. V povrchové vrstvě sedimentu o tloušťce 15 cm je hustota bakterií taková, že jejich celková délka dosahuje až 2 km na čtvereční centimetr povrchu.

Morfologie

Vlákna kabelových bakterií mají průměr 1–4 μm a délku přes 1 cm. Jednotlivé bakterie ve vláknech jsou tyčinkovitého tvaru s průměrnou délkou 3 μm. Stejně jako ostatní gramnegativní bakterie mají buněčnou stěnu tvořenou dvěma membránami, vnější membrána je však společná všem bakteriím ve vláknu. Ve společné periplazmě je kolem 15–60 elektronově vodivých vláken o průměru kolem 50 nm, které jsou zvenčí viditelné jako rovnoběžná, podélná žebra. Skládají se z proteinů bohatých na nikl a síru, které jsou elektricky izolované a probíhají po celé délce vlákna.

Výskyt

Kabelové bakterie byly nalezeny v různých klimatických podmínkách po celém světě. Jmenovitě v Dánsku, Nizozemsku, Japonsku, Austrálii a USA. Obecně se vyskytují v redukovaných sedimentech sladkých vod, slaných jezer i mořského dna. Vyskytují se jako jednotlivá vlákna nebo jako aglomerace vláken, mohou být přítomny v rhizosféře v kontaktu s kořenovými vlásky vodních rostlin.

Pohyblivost

Kabelové bakterie postrádají bičíky, ale jsou schopné motility ve formě klouzání tím, že se pohánějí dopředu pomocí vypuzování látek. Rychlost pohybu dosahuje až 2,2 μm/s, s průměrem asi 0,5 μm/s a nezávisí na velikostí bakterií. Průměrná vzdálenost, kterou kabelová bakterie klouže bez přerušení, je přibližně 74 μm. Kabelové bakterie pravděpodobně využívají kyslíkovou chemotaxi, protože bylo pozorováno, že v anoxických nebo hypoxických prostředích se pohybují a při kontaktu s kyslíkem pohyb ustává.

Taxonomie

V roce 2016 byly navrženy dva kandidátní rody kabelových bakterií: Electrothrix obsahující čtyři kandidátní druhy, nalezené v mořských nebo brakických sedimentech, a Electronema obsahující dva kandidátní druhy, nalezené ve sladkovodních sedimentech. Na základě srovnání 16S ribozomální RNA bylo zjištěno, že obě skupiny jsou z 88 % podobné. Oba rody jsou zařazeny do čeledi Desulfobulbaceae . Kabelové bakterie jsou definovány spíše svou funkcí než fylogenezí a je možné, že budou objeveny další taxony kabelových bakterií.

Ekologický význam

Kabelové bakterie silně ovlivňují geochemické vlastnosti v okolním prostředí. Jejich aktivita podporuje oxidaci železa na povrchu sedimentu. Tyto oxidy následně vážou sloučeniny obsahující fosfor a sirovodík, čímž omezují množství fosforu a sirovodíku ve vodě. Fosfor může způsobit eutrofizaci a sirovodík může být toxický pro mořský život. Kabelové bakterie proto hrají důležitou roli při udržování mořských ekosystémů v pobřežních oblastech.

Emise metanu

Přítomnost kabelových bakterií může vést ke snížení emisí metanu z vodou nasycených půd. Přenos elektronů prostřednictvím kabelových bakterií zajišťuje, aby byla redukce síranů, ke které dochází v zaplavených půdách, vyvážena oxidací sulfidů. Díky této rovnováze zůstávají sírany snadno dostupné pro sirné bakterie, které konkurují metanogenům. Tím se produkce metanu snižuje.

Potenciální aplikace

Vodivá vlákna produkovaná bakteriemi byla známa už dříve, dosahovala však délek pouze v řádu mikrometrů. Vodivá vlákna v řetězcích kabelových bakterií tyto hodnoty překonávají o několik řádů. Vodivost proteinových vláken přesahuje 20 S/cm, což je srovnatelné s používanými vodivými polymery.

Předpokládá se, že by kabelové bakterie mohly najít uplatnění v bioelektronice, například k propojení anorganické elektroniky s živými systémy, pro biologicky kompatibilní nebo vstřebaelné implantáty, případně pro biodegradabilní mikroelektroniku.

Kabelové bakterie byly nalezeny v souvislosti s mikrobiálními palivovými články, které s pomocí mikroorganismů přeměňují chemickou energii na dně oceánu na elektrickou energii. V budoucnosti by mohly hrát roli při zvyšování účinnosti těchto článků. Kabelové bakterie byly také nalezeny v souvislosti s bioelektrochemickým systémem, který zvyšuje degradaci mořských sedimentů kontaminovaných uhlovodíky, mohly by proto hrát roli v budoucích technologiích odstraňování následků ropných havárií.

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Cable bacteria na anglické Wikipedii.