Vi khuẩn bí ẩn tạo ra dây điện

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Đối với Lars Peter Nielsen, tất cả bắt đầu từ sự biến mất bí ẩn của hydrogen sulfide. Nhà vi sinh học này đã thu thập bùn đen, có mùi hôi từ đáy cảng Aarhus ở Đan Mạch, ném vào cốc thủy tinh lớn và đưa vào các cảm biến vi mô đặc biệt để phát hiện những thay đổi trong thành phần hóa học của bùn.

Khi bắt đầu thí nghiệm, thành phần được bão hòa với hydro sulfua - nguồn gốc của mùi và màu sắc của trầm tích. Nhưng 30 ngày sau, một dải bẩn chuyển sang màu nhạt, điều này cho thấy sự mất mát của hydrogen sulfide. Cuối cùng, các cảm biến vi mô cho thấy rằng toàn bộ kết nối đã không còn nữa. Nielsen thuộc Đại học Aarhus nhớ lại những gì các nhà khoa học đã biết về hóa sinh sinh học của bùn, "điều đó chẳng có ý nghĩa gì cả."

Lời giải thích đầu tiên, ông nói, là các cảm biến đã sai. Nhưng lý do trở nên kỳ lạ hơn nhiều: vi khuẩn kết nối các tế bào tạo ra dây cáp điện có thể dẫn dòng điện tới 5 cm xuyên qua bụi bẩn.

Sự thích nghi chưa từng thấy trước đây ở vi sinh vật cho phép những vi khuẩn được gọi là cáp này vượt qua một vấn đề lớn mà nhiều sinh vật sống trong bùn phải đối mặt: thiếu oxy. Sự vắng mặt của nó thường khiến vi khuẩn không thể chuyển hóa các hợp chất như hydro sunfua cho thực phẩm. Nhưng dây cáp, bằng cách liên kết các vi khuẩn với cặn giàu oxy, cho phép chúng phản ứng trong một khoảng cách dài.

Khi Nielsen mô tả khám phá lần đầu tiên vào năm 2009, các đồng nghiệp của ông đã tỏ ra nghi ngờ. Philip Meisman, một kỹ sư hóa học tại Đại học Antwerp, nhớ lại khi nghĩ, "Điều này hoàn toàn vô nghĩa." Đúng, các nhà nghiên cứu biết vi khuẩn có thể dẫn điện, nhưng không ở khoảng cách mà Nielsen đề xuất. Nhà vi sinh vật học Andreas Teske thuộc Đại học Bắc Carolina tại Chapel Hill cho biết: “Cứ như thể quá trình trao đổi chất của chính chúng ta có thể ảnh hưởng đến khoảng cách 18 km.

Nhưng các nhà nghiên cứu càng tìm kiếm bùn "nhiễm điện", họ càng tìm thấy nó ở cả muối và nước ngọt. Họ cũng xác định được loại vi khuẩn điện ưa bụi bẩn thứ hai: vi khuẩn dây nano, các tế bào riêng lẻ phát triển cấu trúc protein có thể di chuyển các electron trong khoảng cách ngắn hơn.

Những vi khuẩn dây nano này được tìm thấy ở khắp mọi nơi, kể cả trong miệng của con người

Khám phá buộc các nhà nghiên cứu phải viết lại sách giáo khoa; suy nghĩ lại về vai trò của vi khuẩn bùn trong quá trình xử lý các nguyên tố chính như cacbon, nitơ và phốt pho; và xem xét chúng ảnh hưởng như thế nào đến hệ sinh thái thủy sinh và biến đổi khí hậu.

Các nhà khoa học cũng đang tìm kiếm các ứng dụng thực tế, khám phá tiềm năng của vi khuẩn có chứa dây cáp và dây nano để chống ô nhiễm và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử. Meisman nói: “Chúng tôi đang thấy nhiều tương tác hơn trong các vi sinh vật và giữa các vi sinh vật sử dụng điện. "Tôi gọi nó là sinh quyển điện."

Hầu hết các tế bào phát triển mạnh bằng cách lấy các electron từ một phân tử, một quá trình được gọi là quá trình oxy hóa, và chuyển chúng sang một phân tử khác, thường là oxy, được gọi là quá trình khử. Năng lượng thu được từ các phản ứng này chi phối các quá trình sống khác. Trong các tế bào nhân chuẩn, bao gồm cả tế bào của chúng ta, các phản ứng "oxy hóa khử" như vậy xảy ra trên màng trong của ti thể, và khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ - chỉ micromet. Đây là lý do tại sao rất nhiều nhà nghiên cứu nghi ngờ về tuyên bố của Nielsen rằng vi khuẩn cáp di chuyển các electron qua một lớp bụi bẩn có kích thước bằng một quả bóng gôn.

Sự biến mất của hydrogen sulfide là chìa khóa để chứng minh điều này. Vi khuẩn tạo ra một hợp chất trong bùn, phá vỡ các mảnh vụn thực vật và các vật liệu hữu cơ khác; ở những lớp cặn sâu hơn, hydrogen sulfide tích tụ do thiếu oxy, giúp các vi khuẩn khác phân hủy nó. Tuy nhiên, hydro sunfua vẫn biến mất trong cốc của Nielsen. Hơn nữa, trên bề mặt vết bẩn xuất hiện một lớp gỉ, điều này cho thấy sự hình thành của oxit sắt.

Một đêm thức dậy, Nielsen đưa ra một lời giải thích kỳ lạ: điều gì sẽ xảy ra nếu vi khuẩn bị chôn vùi trong bùn hoàn thành phản ứng oxy hóa khử, bằng cách nào đó vượt qua các lớp nghèo oxy? Thay vào đó, điều gì sẽ xảy ra nếu họ sử dụng nguồn cung cấp hydro sunfua dồi dào làm chất cho điện tử và sau đó chuyển các điện tử lên bề mặt giàu ôxy thì sao? Ở đó, trong quá trình oxy hóa, gỉ sắt được hình thành nếu có mặt của sắt.

Việc tìm kiếm những gì mang các electron này đã được chứng minh là khó khăn. Đầu tiên, Niels Riesgaard-Petersen thuộc nhóm của Nielsen phải loại trừ một khả năng đơn giản hơn: các hạt kim loại trong trầm tích mang điện tử lên bề mặt và gây ra quá trình oxy hóa. Ông đã thực hiện điều này bằng cách chèn một lớp hạt thủy tinh không dẫn điện vào một cột bụi bẩn. Bất chấp trở ngại này, các nhà nghiên cứu vẫn tìm thấy một dòng điện di chuyển qua lớp bùn, cho thấy rằng các hạt kim loại không dẫn điện.

Để xem liệu một sợi cáp hay dây điện có mang điện tử hay không, các nhà nghiên cứu sau đó sử dụng dây vonfram để cắt ngang qua cột bùn. Dòng điện vụt tắt, như thể một sợi dây bị cắt. Các công việc khác thu hẹp kích thước của dây dẫn, đề xuất rằng nó phải có đường kính ít nhất là 1 micromet. Nielsen nói: “Đây là kích thước bình thường của vi khuẩn.

Cuối cùng, các hình ảnh hiển vi điện tử đã tiết lộ một ứng cử viên có khả năng: các sợi vi khuẩn dài, mỏng xuất hiện trong một lớp hạt thủy tinh được đưa vào cốc chứa đầy bùn từ Cảng Aarhus. Mỗi sợi bao gồm một chồng tế bào - lên đến 2.000 - được bao bọc trong một màng ngoài có gân. Trong không gian giữa màng này và các tế bào xếp chồng lên nhau, nhiều "dây" song song kéo căng sợi trên toàn bộ chiều dài của nó. Vẻ ngoài giống như một sợi cáp đã truyền cảm hứng cho tên gọi chung của vi khuẩn.

Meisman, một người từng là người hoài nghi, đã nhanh chóng cải đạo. Ngay sau khi Nielsen công bố phát hiện của mình, Meismann quyết định điều tra một trong những mẫu bùn biển của chính mình. Meisman kể lại: “Tôi nhận thấy sự thay đổi màu sắc tương tự trong lớp trầm tích mà anh ấy nhìn thấy. "Đó là hướng của Mẹ Thiên nhiên để thực hiện nó một cách nghiêm túc hơn."

Nhóm của ông bắt đầu phát triển các công cụ và phương pháp nghiên cứu vi sinh vật, đôi khi làm việc cùng với nhóm của Nielsen. Nó đã được khó đi. Các sợi vi khuẩn có xu hướng hư hỏng nhanh chóng sau khi cô lập, và các điện cực tiêu chuẩn để đo dòng điện trong dây dẫn nhỏ không hoạt động. Nhưng khi các nhà nghiên cứu học cách chọn ra một sợi đơn và nhanh chóng gắn một điện cực riêng lẻ, “chúng tôi đã thấy độ dẫn điện thực sự cao,” Meisman nói. Ông nói, cáp sống không thể cạnh tranh với dây đồng, nhưng chúng phù hợp với dây dẫn được sử dụng trong các tấm pin mặt trời và màn hình điện thoại di động, cũng như các chất bán dẫn hữu cơ tốt nhất.

Các nhà nghiên cứu cũng phân tích giải phẫu của vi khuẩn cáp. Bằng cách sử dụng bể hóa chất, họ đã cô lập lớp vỏ hình trụ, phát hiện ra rằng nó chứa 17 đến 60 sợi song song được dán lại với nhau bên trong. Năm ngoái, Meisman và các đồng nghiệp đã báo cáo trên tạp chí Nature Communications rằng lớp vỏ là nguồn dẫn điện. Thành phần chính xác của nó vẫn chưa được biết, nhưng nó có thể dựa trên protein.

Nielsen, người hiện đứng đầu Trung tâm Vi sinh vật điện tử, được thành lập vào năm 2017 bởi chính phủ Đan Mạch cho biết: “Đó là một sinh vật phức tạp. Trong số các vấn đề mà trung tâm giải quyết là sản xuất hàng loạt vi sinh vật trong nuôi cấy. Andreas Schramm từ trung tâm cho biết: “Nếu chúng ta có một nền văn hóa thuần túy, sẽ dễ dàng hơn nhiều” để kiểm tra các ý tưởng về sự trao đổi chất của tế bào và ảnh hưởng của môi trường đối với sự dẫn truyền. Vi khuẩn được nuôi cấy cũng sẽ giúp cách điện dây cáp dễ dàng hơn và thử nghiệm các ứng dụng công nghệ sinh học và xử lý sinh học tiềm năng.

Trong khi các nhà nghiên cứu đang phân vân về vi khuẩn trong cáp, những người khác đang xem xét một nhân tố chính khác trong bùn điện: vi khuẩn dựa trên dây nano, thay vì gấp các tế bào thành dây cáp, lại phát triển các dây protein dài từ 20 đến 50 nm từ mỗi tế bào.

Cũng như vi khuẩn cáp, thành phần hóa học bí ẩn của cặn đã dẫn đến việc phát hiện ra vi khuẩn dây nano. Vào năm 1987, nhà vi sinh vật học Derek Lovley, hiện đang làm việc tại Đại học Massachusetts Amherst, đã cố gắng tìm hiểu cách thức phốt phát từ nước thải phân bón - một chất dinh dưỡng thúc đẩy sự nở hoa của tảo - được giải phóng từ trầm tích dưới sông Potomac ở Washington, DC. đã làm việc và bắt đầu làm cỏ chúng ra khỏi bụi bẩn. Sau khi nuôi một con, hiện được gọi là Geobacter Metallireducens, ông nhận thấy (dưới kính hiển vi điện tử) rằng vi khuẩn đã phát triển liên kết với các khoáng chất sắt gần đó. Ông nghi ngờ rằng các điện tử được mang theo những sợi dây này, và cuối cùng phát hiện ra rằng Geobacter đã tổ chức các phản ứng hóa học trong bùn, oxy hóa các hợp chất hữu cơ và chuyển các điện tử đến các khoáng chất. Các khoáng chất bị khử này sau đó giải phóng phốt pho và các nguyên tố khác.

Giống như Nielsen, Lovely phải đối mặt với sự hoài nghi khi lần đầu tiên anh mô tả về vi điện tử của mình. Tuy nhiên, ngày nay, ông và những người khác đã đăng ký gần một chục loại vi khuẩn dây nano, tìm thấy chúng trong môi trường không phải là bụi bẩn. Nhiều hạt mang điện tử đến và đi từ các hạt trong trầm tích. Nhưng một số lại dựa vào các vi khuẩn khác để nhận hoặc lưu trữ các electron. Sự hợp tác sinh học này cho phép cả hai vi sinh vật "tham gia vào các loại hóa học mới mà không sinh vật nào có thể làm một mình", Victoria Orfan, nhà địa sinh học tại Viện Công nghệ California, cho biết. Trong khi vi khuẩn cáp giải quyết nhu cầu oxy hóa khử của chúng bằng cách được vận chuyển một quãng đường dài vào bùn được oxy hóa, những vi khuẩn này phụ thuộc vào sự trao đổi chất của nhau để đáp ứng nhu cầu oxy hóa khử của chúng.

Một số nhà nghiên cứu vẫn đang tranh luận về cách các dây nano của vi khuẩn dẫn điện tử. Khi ông và các đồng nghiệp của mình giảm lượng axit amin vòng trong pilin, các dây nano trở nên kém dẫn điện hơn. Lovely nói: “Nó thực sự tuyệt vời, bởi vì người ta thường chấp nhận rằng protein là chất cách điện. Nhưng những người khác cho rằng câu hỏi này còn lâu mới được giải quyết. Ví dụ, Orphan nói rằng mặc dù "có rất nhiều bằng chứng … tôi vẫn không nghĩ rằng [sự dẫn truyền của dây nano] được hiểu rõ."

Điều rõ ràng là vi khuẩn điện có ở khắp mọi nơi. Ví dụ, vào năm 2014, các nhà khoa học đã phát hiện ra vi khuẩn cáp trong ba môi trường sống rất khác nhau ở Biển Bắc: trong đầm lầy mặn thủy triều, trong lưu vực đáy biển nơi nồng độ oxy giảm xuống gần như bằng không trong một số mùa và trong một đồng bằng bùn ngập nước gần biển. … bờ biển. (Họ không tìm thấy chúng trong một vùng cát sinh sống của những con giun khuấy động trầm tích và làm đứt dây cáp.) Ở những nơi khác, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng DNA của vi khuẩn cáp trong các lưu vực đại dương sâu, nghèo oxy, các khu vực suối nước nóng và điều kiện lạnh giá. tràn, rừng ngập mặn và các bãi triều ở cả vùng ôn đới và cận nhiệt đới.

Vi khuẩn cáp cũng được tìm thấy trong môi trường nước ngọt. Sau khi đọc các bài báo của Nielsen vào năm 2010 và 2012, một nhóm do nhà vi sinh vật học Rainer Meckenstock dẫn đầu đã kiểm tra lại các lõi trầm tích được khoan trong một cuộc khảo sát ô nhiễm nước ngầm ở Düsseldorf, Đức. Mekenstock, người làm việc tại Đại học Duisburg-Essen, nhớ lại: “Chúng tôi đã tìm thấy [vi khuẩn trong cáp] chính xác ở nơi chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi sẽ tìm thấy chúng”.

Vi khuẩn dây nano thậm chí còn lan rộng hơn. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy chúng trong đất, ruộng lúa, ruột sâu và thậm chí cả các nhà máy xử lý nước thải, cũng như trong trầm tích nước ngọt và biển. Chúng có thể tồn tại ở bất cứ nơi nào màng sinh học được hình thành, và sự phổ biến của màng sinh học là bằng chứng thêm về vai trò to lớn của những vi khuẩn này trong tự nhiên.

Sự đa dạng của vi khuẩn bùn điện cũng cho thấy rằng chúng đóng một vai trò quan trọng trong hệ sinh thái. Ví dụ, bằng cách ngăn chặn sự tích tụ của hydrogen sulfide, vi khuẩn trong cáp có thể làm cho bụi bẩn dễ sinh sống hơn đối với các dạng sống khác. Meckenstock, Nielsen và những người khác đã tìm thấy chúng trên hoặc gần rễ cỏ biển và các loài thực vật thủy sinh khác giải phóng oxy, vi khuẩn có thể sử dụng để phân hủy hydro sulfua. Điều này sẽ bảo vệ thực vật khỏi khí độc. Meckenstock cho biết mối quan hệ hợp tác này "có vẻ rất đặc trưng đối với thực vật thủy sinh".

Robert Aller, một nhà hóa sinh học biển tại Đại học Stony Brook, tin rằng vi khuẩn cũng có thể giúp đỡ nhiều loài động vật không xương sống dưới nước, bao gồm cả giun xây hang cho phép nước có oxy đi vào bùn. Ông phát hiện thấy vi khuẩn cáp bám lên các thành bên của các ống giun, có lẽ là do đó chúng có thể sử dụng oxy này để lưu trữ các điện tử. Đổi lại, những con giun này được bảo vệ khỏi hydrogen sulfide độc hại. Aller, người đã mô tả các liên kết trong một bài báo trên Science Advances vào tháng 7 năm 2019 cho biết: “Vi khuẩn làm cho [cái hang] dễ sống hơn.

Saira Malkin, nhà sinh thái học tại Trung tâm Khoa học Môi trường của Đại học Maryland, cho biết vi khuẩn cũng làm thay đổi tính chất của bụi bẩn. "Họ đặc biệt hiệu quả … kỹ sư hệ sinh thái." Vi khuẩn cáp “phát triển như cháy rừng,” cô nói; Bà nhận thấy, trên các rạn san hô thủy triều, một cm khối bùn có thể chứa 2,859 mét dây cáp kết dính các phần tử tại chỗ, có thể làm cho lớp trầm tích trở nên chống chọi tốt hơn với các sinh vật biển.

Malkin nhận thấy vi khuẩn cũng làm thay đổi tính chất hóa học của bụi bẩn, khiến các lớp gần bề mặt có tính kiềm hơn và các lớp sâu hơn có tính axit hơn. Cô cho biết, độ dốc pH như vậy có thể ảnh hưởng đến “nhiều chu trình địa hóa”, bao gồm cả những chu kỳ liên quan đến asen, mangan và sắt, tạo cơ hội cho các vi sinh vật khác.

Các nhà nghiên cứu cho biết do các vùng đất rộng lớn trên hành tinh bị bao phủ bởi bùn, vi khuẩn liên quan đến dây cáp và dây nano có khả năng gây ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu. Ví dụ, vi khuẩn dây nano có thể lấy các electron từ các vật liệu hữu cơ như tảo cát chết và sau đó truyền chúng cho các vi khuẩn khác tạo ra mêtan, một loại khí nhà kính mạnh. Trong nhiều trường hợp khác nhau, vi khuẩn trong cáp có thể làm giảm sản sinh khí mêtan.

Trong những năm tới, “chúng ta sẽ thấy sự công nhận rộng rãi về tầm quan trọng của những vi sinh vật này đối với sinh quyển,” Malkin nói. Hơn mười năm sau khi Nielsen nhận thấy sự biến mất bí ẩn của hydrogen sulfide khỏi bùn Aarhus, ông nói: "Thật là choáng váng khi nghĩ về những gì chúng ta đang đối phó ở đây."

Tiếp theo: một chiếc điện thoại chạy bằng dây vi sinh?

Những người tiên phong về vi khuẩn điện đã nhanh chóng nghĩ về cách sử dụng những vi khuẩn này. Lars Peter Nielsen, một nhà vi sinh vật học tại Đại học Aarhus, cho biết: “Bây giờ chúng ta biết rằng sự tiến hóa đã có thể tạo ra dây dẫn điện, sẽ thật tiếc nếu chúng ta không sử dụng chúng.

Một ứng dụng khả thi là phát hiện và kiểm soát các chất ô nhiễm. Các vi khuẩn trong cáp dường như phát triển mạnh khi có các hợp chất hữu cơ như dầu, Nielsen và nhóm của ông đang kiểm tra khả năng sự phong phú của vi khuẩn trong cáp báo hiệu sự hiện diện của ô nhiễm chưa được phát hiện trong các tầng nước ngầm. Vi khuẩn không trực tiếp phân hủy dầu, nhưng chúng có thể ôxy hóa sulfua do các vi khuẩn có dầu khác tạo ra. Chúng cũng có thể giúp làm sạch; lượng mưa phục hồi nhanh hơn từ sự ô nhiễm dầu thô khi nó bị vi khuẩn cáp xâm chiếm, một nhóm nghiên cứu khác đã báo cáo vào tháng 1 trên tạp chí Water Research. Ở Tây Ban Nha, một nhóm thứ ba đang điều tra xem liệu vi khuẩn dây nano có thể tăng tốc độ dọn dẹp các vùng đất ngập nước ô nhiễm hay không. Và ngay cả trước khi vi khuẩn dựa trên dây nano có điện, chúng đã cho thấy hứa hẹn về khả năng khử nhiễm chất thải hạt nhân và các tầng chứa nước bị ô nhiễm bởi các hydrocacbon thơm như benzen hoặc naphthalene.

Vi khuẩn điện cũng có thể tạo ra các công nghệ mới. Theo Derek Lovley, nhà vi sinh vật học tại Đại học Massachusetts (UMass), Amherst, chúng có thể được biến đổi gen để thay đổi các dây nano của chúng, sau đó có thể bị cắt ra để tạo thành xương sống của các cảm biến có thể đeo được nhạy cảm. "Chúng tôi có thể thiết kế các dây nano và điều chỉnh chúng để liên kết đặc biệt với các hợp chất quan tâm." Ví dụ, trong tạp chí Lovely Research ngày 11 tháng 5, kỹ sư Jun Yao của UMass và các đồng nghiệp của họ đã mô tả một cảm biến dựa trên dây nano phát hiện amoniac ở nồng độ cần thiết cho các ứng dụng nông nghiệp, công nghiệp, môi trường và y sinh.

Được tạo ra như một bộ phim, các dây nano có thể tạo ra điện từ độ ẩm trong không khí. Các nhà nghiên cứu tin rằng bộ phim tạo ra năng lượng khi một gradient độ ẩm xuất hiện giữa các cạnh trên và dưới của phim. (Cạnh trên dễ bị ẩm hơn.) Khi các nguyên tử hydro và oxy của nước tách rời nhau do gradient, điện tích được tạo ra và các electron di chuyển. Yao và nhóm của ông đã báo cáo trên tạp chí Nature vào ngày 17 tháng 2 rằng một bộ phim như vậy có thể tạo ra đủ năng lượng để thắp sáng một điốt phát sáng và 17 thiết bị như vậy được kết nối với nhau có thể cung cấp năng lượng cho điện thoại di động. Qu Lianti, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Thanh Hoa, cho biết phương pháp này là “một công nghệ mang tính cách mạng để tạo ra năng lượng tái tạo, sạch và rẻ”. (Những người khác thận trọng hơn, lưu ý rằng những nỗ lực trước đây để ép năng lượng ra khỏi hơi ẩm bằng cách sử dụng graphene hoặc polyme đã không thành công.)

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể khai thác khả năng điện của vi khuẩn mà không cần phải đối phó với những vi khuẩn kén ăn. Ví dụ, Catch đã thuyết phục phòng thí nghiệm thông thường và vi khuẩn công nghiệp Escherichia coli tạo ra dây nano. Điều này sẽ giúp các nhà nghiên cứu dễ dàng sản xuất hàng loạt các cấu trúc và nghiên cứu các ứng dụng thực tế của chúng.