Πίνακας περιεχομένων:

Μυστήρια βακτήρια που κατασκευάζουν ηλεκτρικά καλώδια
Μυστήρια βακτήρια που κατασκευάζουν ηλεκτρικά καλώδια

Βίντεο: Μυστήρια βακτήρια που κατασκευάζουν ηλεκτρικά καλώδια

Βίντεο: Μυστήρια βακτήρια που κατασκευάζουν ηλεκτρικά καλώδια
Βίντεο: Avi Loeb: Searching for Extraterrestrial Life, UAP / UFOs, Interstellar Objects, David Grusch & more 2024, Μάρτιος
Anonim

Για τον Lars Peter Nielsen, όλα ξεκίνησαν με τη μυστηριώδη εξαφάνιση του υδρόθειου. Ο μικροβιολόγος συνέλεξε τη μαύρη, δύσοσμη λάσπη από τον πυθμένα του λιμανιού του Aarhus στη Δανία, την πέταξε σε μεγάλα γυάλινα ποτήρια και τοποθέτησε ειδικούς μικροαισθητήρες που εντόπισαν αλλαγές στη χημική σύνθεση της λάσπης.

Στην αρχή του πειράματος, η σύνθεση κορέστηκε με υδρόθειο - την πηγή της οσμής και του χρώματος του ιζήματος. Αλλά 30 ημέρες αργότερα, μια λωρίδα βρωμιάς έγινε χλωμή, γεγονός που υποδηλώνει απώλεια υδρόθειου. Τελικά, οι μικροαισθητήρες έδειξαν ότι είχε φύγει ολόκληρη η σύνδεση. Δεδομένων των όσων ήξεραν οι επιστήμονες για τη βιογεωχημεία της λάσπης, θυμάται ο Nielsen από το Πανεπιστήμιο του Aarhus, «δεν είχε καθόλου νόημα».

Η πρώτη εξήγηση, είπε, ήταν ότι οι αισθητήρες ήταν λάθος. Αλλά ο λόγος αποδείχθηκε πολύ πιο περίεργος: τα βακτήρια που συνδέουν τις κυψέλες δημιουργούν ηλεκτρικά καλώδια που μπορούν να μεταφέρουν ρεύμα έως και 5 εκατοστά μέσα από τη βρωμιά.

Μια προσαρμογή που δεν έχει ξαναδεί στα μικρόβια επιτρέπει σε αυτά τα λεγόμενα καλωδιακά βακτήρια να ξεπεράσουν ένα σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουν πολλοί οργανισμοί που ζουν στη λάσπη: την έλλειψη οξυγόνου. Η απουσία του συνήθως εμποδίζει τα βακτήρια να μεταβολίζουν ενώσεις όπως το υδρόθειο για τα τρόφιμα. Αλλά τα καλώδια, δεσμεύοντας μικρόβια σε πλούσιες σε οξυγόνο εναποθέσεις, τους επιτρέπουν να αντιδρούν σε μεγάλες αποστάσεις.

Όταν ο Nielsen περιέγραψε για πρώτη φορά την ανακάλυψη το 2009, οι συνάδελφοί του ήταν δύσπιστοι. Ο Philip Meisman, χημικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Αμβέρσας, θυμάται ότι σκέφτηκε: «Αυτό είναι πλήρης ανοησία». Ναι, οι ερευνητές γνώριζαν ότι τα βακτήρια θα μπορούσαν να μεταφέρουν ηλεκτρισμό, αλλά όχι στις αποστάσεις που πρότεινε ο Nielsen. «Ήταν σαν οι δικές μας μεταβολικές διεργασίες να μπορούσαν να επηρεάσουν μια απόσταση 18 χιλιομέτρων», λέει ο μικροβιολόγος Andreas Teske από το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill.

Όμως όσο περισσότεροι ερευνητές έψαχναν για «ηλεκτρισμένη» λάσπη, τόσο περισσότερο την έβρισκαν τόσο στο αλμυρό όσο και στο γλυκό νερό. Εντόπισαν επίσης έναν δεύτερο τύπο ηλεκτρικού μικροβίου που αγαπά τη βρωμιά: βακτήρια νανοσύρματος, μεμονωμένα κύτταρα που αναπτύσσουν δομές πρωτεΐνης που μπορούν να μετακινήσουν ηλεκτρόνια σε μικρότερες αποστάσεις.

Αυτά τα μικρόβια νανοσύρματος βρίσκονται παντού, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπινου στόματος

Image
Image

Οι ανακαλύψεις αναγκάζουν τους ερευνητές να ξαναγράψουν σχολικά βιβλία. επανεξετάσει το ρόλο των βακτηρίων λάσπης στην επεξεργασία βασικών στοιχείων όπως ο άνθρακας, το άζωτο και ο φώσφορος· και να επανεξετάσουν πώς επηρεάζουν τα υδάτινα οικοσυστήματα και την κλιματική αλλαγή.

Οι επιστήμονες αναζητούν επίσης πρακτικές εφαρμογές, διερευνώντας τις δυνατότητες βακτηρίων που περιέχουν καλώδια και νανοσύρματα για την καταπολέμηση της ρύπανσης και την τροφοδοσία ηλεκτρονικών συσκευών. «Βλέπουμε πολύ περισσότερες αλληλεπιδράσεις μέσα στα μικρόβια και μεταξύ των μικροβίων που χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια», λέει ο Meisman. «Την αποκαλώ ηλεκτρική βιόσφαιρα».

Τα περισσότερα κύτταρα ευδοκιμούν παίρνοντας ηλεκτρόνια από ένα μόριο, μια διαδικασία που ονομάζεται οξείδωση, και μεταφέροντάς τα σε ένα άλλο μόριο, συνήθως οξυγόνο, που ονομάζεται αναγωγή. Η ενέργεια που αποκτάται από αυτές τις αντιδράσεις διέπει άλλες διαδικασίες της ζωής. Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας, τέτοιες αντιδράσεις «οξειδοαναγωγής» συμβαίνουν στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων και οι αποστάσεις μεταξύ τους είναι μικροσκοπικές - μόνο μικρόμετρα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τόσοι πολλοί ερευνητές ήταν επιφυλακτικοί σχετικά με τον ισχυρισμό του Nielsen ότι τα βακτήρια του καλωδίου μετακινούν ηλεκτρόνια μέσα από ένα στρώμα βρωμιάς στο μέγεθος μιας μπάλας του γκολφ.

Η εξαφάνιση του υδρόθειου ήταν το κλειδί για να αποδειχθεί αυτό. Τα βακτήρια δημιουργούν μια ένωση στη λάσπη, διασπώντας φυτικά υπολείμματα και άλλα οργανικά υλικά. Σε βαθύτερες αποθέσεις, το υδρόθειο συσσωρεύεται λόγω έλλειψης οξυγόνου, το οποίο βοηθά άλλα βακτήρια να το διασπάσουν. Ωστόσο, το υδρόθειο εξαφανίστηκε ακόμα στα ποτήρια ζέσεως του Nielsen. Επιπλέον, μια σκουριασμένη απόχρωση εμφανίστηκε στην επιφάνεια της βρωμιάς, η οποία υποδήλωνε το σχηματισμό οξειδίου του σιδήρου.

Ξυπνώντας ένα βράδυ, ο Nielsen σκέφτηκε μια περίεργη εξήγηση: τι θα γινόταν αν βακτήρια θαμμένα στη λάσπη ολοκλήρωναν την αντίδραση οξειδοαναγωγής, παρακάμπτοντας κατά κάποιο τρόπο τα φτωχά σε οξυγόνο στρώματα; Τι θα γινόταν αν, αντί αυτού, χρησιμοποιούσαν την άφθονη παροχή υδρόθειου ως δότη ηλεκτρονίων και στη συνέχεια διοχέτευαν τα ηλεκτρόνια προς την πλούσια σε οξυγόνο επιφάνεια; Εκεί, στη διαδικασία της οξείδωσης, σχηματίζεται σκουριά εάν υπάρχει σίδηρος.

Η εύρεση του τι φέρει αυτά τα ηλεκτρόνια έχει αποδειχθεί δύσκολη. Πρώτον, ο Niels Riesgaard-Petersen της ομάδας του Nielsen έπρεπε να αποκλείσει μια απλούστερη πιθανότητα: τα μεταλλικά σωματίδια στο ίζημα να μεταφέρουν ηλεκτρόνια στην επιφάνεια και να προκαλούν οξείδωση. Αυτό το πέτυχε εισάγοντας ένα στρώμα από γυάλινες χάντρες που δεν μεταφέρουν ηλεκτρισμό σε μια κολόνα βρωμιάς. Παρά αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές βρήκαν ακόμα ένα ηλεκτρικό ρεύμα που κινείται μέσα στη λάσπη, υποδηλώνοντας ότι τα μεταλλικά σωματίδια δεν ήταν αγώγιμα.

Για να δουν εάν ένα καλώδιο ή σύρμα μετέφερε ηλεκτρόνια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν στη συνέχεια σύρμα βολφραμίου για να κάνουν μια οριζόντια τομή μέσω της στήλης λάσπης. Έσβησε το ρεύμα, σαν να είχε κοπεί σύρμα. Άλλες εργασίες περιόρισαν το μέγεθος του αγωγού, υποδηλώνοντας ότι θα πρέπει να έχει διάμετρο τουλάχιστον 1 μικρόμετρο. «Αυτό είναι το κανονικό μέγεθος των βακτηρίων», λέει ο Nielsen.

Image
Image

Τελικά, οι ηλεκτρονικές μικρογραφίες αποκάλυψαν έναν πιθανό υποψήφιο: μακριές, λεπτές βακτηριακές ίνες που εμφανίστηκαν σε ένα στρώμα γυάλινων σφαιριδίων που είχαν εισαχθεί σε ποτήρια γεμάτα με λάσπη από το λιμάνι του Aarhus. Κάθε νήμα αποτελούνταν από μια στοίβα κυττάρων - έως και 2.000 - που περικλείονταν σε μια ραβδωτή εξωτερική μεμβράνη. Στο διάστημα μεταξύ αυτής της μεμβράνης και των κυψελών που στοιβάζονται το ένα πάνω στο άλλο, ένα πλήθος παράλληλων «συρμάτων» τέντωναν το νήμα σε όλο το μήκος του. Η εμφάνιση που μοιάζει με καλώδιο ενέπνευσε το κοινό όνομα του μικροβίου.

Ο Meisman, ένας πρώην σκεπτικιστής, μεταστράφηκε γρήγορα. Λίγο αφότου ο Nielsen ανακοίνωσε την ανακάλυψή του, ο Meismann αποφάσισε να ερευνήσει ένα από τα δικά του δείγματα θαλάσσιας λάσπης. «Παρατήρησα τις ίδιες αλλαγές χρώματος στο ίζημα που είδε», θυμάται ο Meisman. «Ήταν εντολή της Μητέρας Φύσης να το πάρει πιο σοβαρά».

Η ομάδα του άρχισε να αναπτύσσει εργαλεία και μεθόδους για μικροβιακή έρευνα, μερικές φορές σε συνεργασία με την ομάδα του Nielsen. Ήταν δύσκολο. Τα βακτηριακά νήματα τείνουν να αλλοιώνονται γρήγορα μετά την απομόνωση και τα τυπικά ηλεκτρόδια για τη μέτρηση των ρευμάτων σε μικρούς αγωγούς δεν λειτουργούν. Αλλά μόλις οι ερευνητές έμαθαν να διαλέγουν ένα μόνο σκέλος και να προσαρτούν γρήγορα ένα μεμονωμένο ηλεκτρόδιο, «είδαμε πραγματικά υψηλή αγωγιμότητα», λέει ο Meisman. Τα ζωντανά καλώδια δεν μπορούν να ανταγωνιστούν τα χάλκινα καλώδια, είπε, αλλά ταιριάζουν με τους αγωγούς που χρησιμοποιούνται σε ηλιακούς συλλέκτες και οθόνες κινητών τηλεφώνων, καθώς και με τους καλύτερους οργανικούς ημιαγωγούς.

Οι ερευνητές ανέλυσαν επίσης την ανατομία των βακτηρίων του καλωδίου. Χρησιμοποιώντας χημικά λουτρά, απομόνωσαν το κυλινδρικό κέλυφος, διαπιστώνοντας ότι περιείχε 17 έως 60 παράλληλες ίνες κολλημένες μεταξύ τους μέσα. Το κέλυφος είναι η πηγή αγωγιμότητας, ανέφεραν ο Meisman και οι συνεργάτες του πέρυσι στο Nature Communications. Η ακριβής σύνθεσή του είναι ακόμα άγνωστη, αλλά μπορεί να βασίζεται σε πρωτεΐνες.

«Είναι ένας πολύπλοκος οργανισμός», λέει ο Nielsen, ο οποίος τώρα ηγείται του Κέντρου Ηλεκτρο-Μικροβιολογίας, που δημιουργήθηκε το 2017 από τη δανική κυβέρνηση. Μεταξύ των προβλημάτων που επιλύει το κέντρο είναι η μαζική παραγωγή μικροβίων σε καλλιέργεια. «Εάν είχαμε μια καθαρή καλλιέργεια, θα ήταν πολύ πιο εύκολο» να δοκιμάσουμε ιδέες για τον μεταβολισμό των κυττάρων και την επίδραση του περιβάλλοντος στην αγωγιμότητα, λέει ο Andreas Schramm από το κέντρο. Τα καλλιεργημένα βακτήρια θα διευκολύνουν επίσης τη μόνωση των καλωδίων και τη δοκιμή πιθανών εφαρμογών βιοαποκατάστασης και βιοτεχνολογίας.

Ενώ οι ερευνητές προβληματίζονται για τα βακτήρια στο καλώδιο, άλλοι εξετάζουν έναν άλλο σημαντικό παράγοντα στην ηλεκτρική λάσπη: τα βακτήρια με βάση νανοσύρματα που, αντί να διπλώνουν τα κύτταρα σε καλώδια, αναπτύσσουν σύρματα πρωτεΐνης μήκους 20 έως 50 nm από κάθε κύτταρο.

Όπως και με τα βακτήρια του καλωδίου, η μυστηριώδης χημική σύνθεση των κοιτασμάτων οδήγησε στην ανακάλυψη μικροβίων νανοσύρματος. Το 1987, ο μικροβιολόγος Derek Lovley, τώρα στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης Amherst, προσπάθησε να καταλάβει πώς το φωσφορικό άλας από τα λύματα λιπασμάτων - μια θρεπτική ουσία που προάγει την άνθηση των φυκών - απελευθερώνεται από τα ιζήματα κάτω από τον ποταμό Potomac στην Ουάσιγκτον, DC. δούλεψε και άρχισε να τα ξεριζώνει από τη βρωμιά. Αφού ανάπτυξε ένα, που τώρα ονομάζεται Geobacter Metallireducens, παρατήρησε (κάτω από ηλεκτρονικό μικροσκόπιο) ότι τα βακτήρια είχαν αναπτύξει δεσμούς με γειτονικά ορυκτά σιδήρου. Υποψιάστηκε ότι τα ηλεκτρόνια μεταφέρονταν κατά μήκος αυτών των συρμάτων και τελικά ανακάλυψε ότι το Geobacter ενορχηστρώνει χημικές αντιδράσεις στη λάσπη, οξειδώνοντας οργανικές ενώσεις και μεταφέροντας ηλεκτρόνια σε ορυκτά. Αυτά τα μειωμένα μέταλλα απελευθερώνουν στη συνέχεια φώσφορο και άλλα στοιχεία.

Όπως ο Nielsen, ο Lovely αντιμετώπισε σκεπτικισμό όταν περιέγραψε για πρώτη φορά το ηλεκτρικό του μικρόβιο. Σήμερα, ωστόσο, αυτός και άλλοι έχουν καταγράψει σχεδόν δώδεκα τύπους μικροβίων νανοσύρματος, που τα βρίσκουν σε περιβάλλοντα διαφορετικά από τη βρωμιά. Πολλοί μεταφέρουν ηλεκτρόνια από και προς τα σωματίδια στο ίζημα. Αλλά μερικοί βασίζονται σε άλλα μικρόβια για να λάβουν ή να αποθηκεύσουν ηλεκτρόνια. Αυτή η βιολογική συνεργασία επιτρέπει και στα δύο μικρόβια να «εμπλακούν σε νέα είδη χημείας που κανένας οργανισμός δεν μπορεί να κάνει μόνος του», λέει η Victoria Orfan, γεωβιολόγος στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια. Ενώ τα βακτήρια καλωδίων λύνουν τις ανάγκες οξειδοαναγωγής τους μεταφέροντας μεγάλες αποστάσεις σε οξυγονωμένη λάσπη, αυτά τα μικρόβια εξαρτώνται το ένα από το μεταβολισμό του άλλου για να καλύψουν τις ανάγκες οξειδοαναγωγής τους.

Μερικοί ερευνητές εξακολουθούν να συζητούν πώς τα βακτηριακά νανοσύρματα μεταφέρουν ηλεκτρόνια. Ο Lovley και οι συνεργάτες του είναι πεπεισμένοι ότι το κλειδί είναι αλυσίδες πρωτεϊνών που ονομάζονται πιλίνες, οι οποίες αποτελούνται από κυκλικά αμινοξέα. Όταν αυτός και οι συνάδελφοί του μείωσαν την ποσότητα των αμινοξέων με δακτύλιο στην πιλίνη, τα νανοσύρματα έγιναν λιγότερο αγώγιμα. «Ήταν πραγματικά καταπληκτικό», λέει ο Lovely, γιατί είναι γενικά αποδεκτό ότι οι πρωτεΐνες είναι μονωτές. Αλλά άλλοι πιστεύουν ότι αυτό το ερώτημα απέχει πολύ από το να λυθεί. Ο Orphan, για παράδειγμα, λέει ότι αν και «υπάρχουν συντριπτικά στοιχεία… εξακολουθώ να πιστεύω ότι [η αγωγιμότητα του νανοσύρματος] δεν είναι καλά κατανοητή».

Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι τα ηλεκτρικά βακτήρια είναι παντού. Το 2014, για παράδειγμα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν βακτήρια καλωδίων σε τρία πολύ διαφορετικά ενδιαιτήματα στη Βόρεια Θάλασσα: σε έναν παλιρροϊκό αλμυρό βάλτο, σε μια λεκάνη του βυθού όπου τα επίπεδα οξυγόνου πέφτουν σχεδόν στο μηδέν σε ορισμένες εποχές και σε μια πλημμυρισμένη λασπώδη πεδιάδα κοντά στη θάλασσα …. ακτή. (Δεν τα βρήκαν σε μια αμμώδη περιοχή που κατοικείται από σκουλήκια που δημιουργούν ιζήματα και διακόπτουν τα καλώδια.) Αλλού, οι ερευνητές βρήκαν στοιχεία DNA για βακτήρια καλωδίων σε βαθιές, φτωχές σε οξυγόνο λεκάνες ωκεανών, περιοχές με θερμές πηγές και ψυχρές συνθήκες. διαρροές, και μαγγρόβια και παλιρροϊκές όχθες τόσο σε εύκρατες όσο και σε υποτροπικές περιοχές.

Τα βακτήρια του καλωδίου βρίσκονται επίσης σε περιβάλλοντα γλυκού νερού. Αφού διάβασε τα άρθρα του Nielsen το 2010 και το 2012, μια ομάδα με επικεφαλής τον μικροβιολόγο Rainer Meckenstock επανεξέτασε πυρήνες ιζήματος που είχαν διατρηθεί κατά τη διάρκεια μιας έρευνας μόλυνσης των υπόγειων υδάτων στο Ντίσελντορφ της Γερμανίας. «Βρήκαμε [τα βακτήρια του καλωδίου] ακριβώς εκεί που πιστεύαμε ότι θα τα βρίσκαμε», σε βάθη όπου το οξυγόνο είχε εξαντληθεί, θυμάται ο Mekenstock, ο οποίος εργάζεται στο Πανεπιστήμιο του Duisburg-Essen.

Τα βακτήρια νανοσύρματος είναι ακόμη πιο διαδεδομένα. Οι ερευνητές τα βρήκαν σε εδάφη, ορυζώνες, βαθιά έντερα, ακόμη και σε εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, καθώς και σε γλυκά και θαλάσσια ιζήματα. Μπορούν να υπάρχουν οπουδήποτε σχηματίζονται βιομεμβράνες και η πανταχού παρουσία των βιοφίλμ αποτελεί περαιτέρω απόδειξη του μεγάλου ρόλου που μπορούν να παίξουν αυτά τα βακτήρια στη φύση.

Η μεγάλη ποικιλία βακτηρίων ηλεκτρικής λάσπης υποδηλώνει επίσης ότι παίζουν σημαντικό ρόλο στα οικοσυστήματα. Για παράδειγμα, αποτρέποντας τη συσσώρευση υδρόθειου, τα βακτήρια του καλωδίου πιθανότατα κάνουν τη βρωμιά πιο κατοικήσιμη για άλλες μορφές ζωής. Οι Meckenstock, Nielsen και άλλοι τα βρήκαν πάνω ή κοντά στις ρίζες του θαλάσσιου χόρτου και άλλων υδρόβιων φυτών που απελευθερώνουν οξυγόνο, το οποίο τα βακτήρια πιθανότατα χρησιμοποιούν για να διασπάσουν το υδρόθειο. Αυτό, με τη σειρά του, προστατεύει τα φυτά από το τοξικό αέριο. Η συνεργασία "φαίνεται πολύ χαρακτηριστική για τα υδρόβια φυτά", είπε ο Meckenstock.

Ο Robert Aller, θαλάσσιος βιογεωχημικός στο Πανεπιστήμιο Stony Brook, πιστεύει ότι τα βακτήρια μπορούν επίσης να βοηθήσουν πολλά υποβρύχια ασπόνδυλα, συμπεριλαμβανομένων των σκουληκιών που δημιουργούν λαγούμια που επιτρέπουν στο οξυγονωμένο νερό να εισέλθει στη λάσπη. Βρήκε βακτήρια καλωδίων να κολλούν στις πλευρές των σωλήνων σκουληκιών, πιθανώς για να μπορούν να χρησιμοποιούν αυτό το οξυγόνο για να αποθηκεύουν ηλεκτρόνια. Με τη σειρά τους, αυτά τα σκουλήκια προστατεύονται από το τοξικό υδρόθειο. «Τα βακτήρια κάνουν [το λαγούμι] πιο βιώσιμο», λέει ο Aller, ο οποίος περιέγραψε τους συνδέσμους σε άρθρο του Ιουλίου 2019 στο Science Advances.

Τα μικρόβια αλλάζουν επίσης τις ιδιότητες της βρωμιάς, λέει η Saira Malkin, οικολόγος στο Κέντρο Περιβαλλοντικών Επιστημών του Πανεπιστημίου του Maryland. «Είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί… μηχανικοί οικοσυστημάτων». Τα βακτήρια του καλωδίου «αναπτύσσονται σαν πυρκαγιά», λέει. Στους παλιρροιακούς υφάλους στρειδιών, διαπίστωσε ότι ένα κυβικό εκατοστό λάσπης μπορεί να περιέχει 2.859 μέτρα καλωδίων που τσιμεντώνουν τα σωματίδια στη θέση τους, καθιστώντας πιθανώς το ίζημα πιο ανθεκτικό στους θαλάσσιους οργανισμούς.

Τα βακτήρια αλλάζουν επίσης τη χημεία της βρωμιάς, κάνοντας τα στρώματα πιο κοντά στην επιφάνεια πιο αλκαλικά και τα βαθύτερα στρώματα πιο όξινα, διαπίστωσε ο Malkin. Τέτοιες διαβαθμίσεις του pH μπορούν να επηρεάσουν «πολλούς γεωχημικούς κύκλους», συμπεριλαμβανομένων εκείνων που σχετίζονται με το αρσενικό, το μαγγάνιο και τον σίδηρο, είπε, δημιουργώντας ευκαιρίες για άλλα μικρόβια.

Επειδή τεράστιες εκτάσεις του πλανήτη καλύπτονται από λάσπη, λένε οι ερευνητές, τα βακτήρια που σχετίζονται με τα καλώδια και τα νανοσύρματα είναι πιθανό να έχουν αντίκτυπο στο παγκόσμιο κλίμα. Τα βακτήρια νανοσύρματος, για παράδειγμα, μπορούν να πάρουν ηλεκτρόνια από οργανικά υλικά όπως νεκρά διάτομα και στη συνέχεια να τα περάσουν σε άλλα βακτήρια που παράγουν μεθάνιο, ένα ισχυρό αέριο του θερμοκηπίου. Κάτω από διάφορες συνθήκες, τα βακτήρια του καλωδίου μπορούν να μειώσουν την παραγωγή μεθανίου.

Τα επόμενα χρόνια, «θα δούμε ευρεία αναγνώριση της σημασίας αυτών των μικροβίων για τη βιόσφαιρα», λέει ο Malkin. Λίγο περισσότερο από δέκα χρόνια αφότου ο Nielsen παρατήρησε τη μυστηριώδη εξαφάνιση του υδρόθειου από τη λάσπη του Aarhus, λέει: «Είναι ιλιγγιώδες να σκεφτόμαστε τι έχουμε να κάνουμε εδώ».

Επόμενο: ένα τηλέφωνο που τροφοδοτείται από μικροβιακά καλώδια;

Οι πρωτοπόροι των ηλεκτρικών μικροβίων σκέφτηκαν γρήγορα πώς να χρησιμοποιήσουν αυτά τα βακτήρια.«Τώρα που γνωρίζουμε ότι η εξέλιξη μπόρεσε να δημιουργήσει ηλεκτρικά καλώδια, θα ήταν κρίμα αν δεν τα χρησιμοποιούσαμε», λέει ο Lars Peter Nielsen, μικροβιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Aarhus.

Μια πιθανή εφαρμογή είναι η ανίχνευση και ο έλεγχος των ρύπων. Τα μικρόβια του καλωδίου φαίνεται να ευδοκιμούν παρουσία οργανικών ενώσεων όπως το πετρέλαιο, και ο Nielsen και η ομάδα του δοκιμάζουν την πιθανότητα ότι η αφθονία των βακτηρίων του καλωδίου σηματοδοτεί την παρουσία άγνωστης ρύπανσης στους υδροφόρους ορίζοντες. Τα βακτήρια δεν αποδομούν άμεσα το λάδι, αλλά μπορούν να οξειδώσουν το σουλφίδιο που παράγεται από άλλα ελαιώδη βακτήρια. Μπορούν επίσης να βοηθήσουν στον καθαρισμό· οι βροχοπτώσεις ανακάμπτουν γρηγορότερα από τη μόλυνση του αργού πετρελαίου όταν αποικίζονται από βακτήρια καλωδίων, ανέφερε μια άλλη ερευνητική ομάδα τον Ιανουάριο στο περιοδικό Water Research. Στην Ισπανία, μια τρίτη ομάδα ερευνά εάν τα βακτήρια νανοσύρματος μπορούν να επιταχύνουν τον καθαρισμό των μολυσμένων υγροτόπων. Και ακόμη και πριν τα βακτήρια με βάση τα νανοσύρματα γίνουν ηλεκτρικά, έδειχναν την υπόσχεση της απολύμανσης των πυρηνικών αποβλήτων και των υδροφορέων που είχαν μολυνθεί με αρωματικούς υδρογονάνθρακες όπως το βενζόλιο ή το ναφθαλίνιο.

Τα ηλεκτρικά βακτήρια μπορούν επίσης να δημιουργήσουν νέες τεχνολογίες. Μπορούν να τροποποιηθούν γενετικά για να αλλάξουν τα νανοσύρματά τους, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να αποκοπούν για να σχηματίσουν τη ραχοκοκαλιά των ευαίσθητων φορητών αισθητήρων, σύμφωνα με τον Derek Lovley, μικροβιολόγο στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης (UMass), στο Amherst. «Μπορούμε να σχεδιάσουμε νανοσύρματα και να τα προσαρμόσουμε ώστε να δεσμεύουν ειδικά ενώσεις που μας ενδιαφέρουν». Για παράδειγμα, στο τεύχος Lovely της 11ης Μαΐου του Nano Research, ο μηχανικός της UMass Jun Yao και οι συνάδελφοί τους περιέγραψαν έναν αισθητήρα που βασίζεται σε νανοσύρματα που ανιχνεύει την αμμωνία σε συγκεντρώσεις που απαιτούνται για γεωργικές, βιομηχανικές, περιβαλλοντικές και βιοϊατρικές εφαρμογές.

Δημιουργημένα ως φιλμ, τα νανοσύρματα μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό από την υγρασία στον αέρα. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι το φιλμ παράγει ενέργεια όταν εμφανίζεται μια κλίση υγρασίας μεταξύ των άνω και κάτω άκρων του φιλμ. (Το επάνω άκρο είναι πιο ευαίσθητο στην υγρασία.) Καθώς τα άτομα υδρογόνου και οξυγόνου του νερού διαχωρίζονται λόγω της κλίσης, δημιουργείται φορτίο και ρέουν τα ηλεκτρόνια. Ο Yao και η ομάδα του ανέφεραν στο Nature στις 17 Φεβρουαρίου ότι μια τέτοια ταινία θα μπορούσε να δημιουργήσει αρκετή ενέργεια για να ανάψει μια δίοδο εκπομπής φωτός και 17 τέτοιες συσκευές συνδεδεμένες μεταξύ τους θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν ένα κινητό τηλέφωνο. Η προσέγγιση είναι «μια επαναστατική τεχνολογία για την παραγωγή ανανεώσιμων πηγών, καθαρής και φθηνής ενέργειας», λέει ο Qu Lianti, επιστήμονας υλικών στο Πανεπιστήμιο Tsinghua. (Άλλοι είναι πιο προσεκτικοί, σημειώνοντας ότι οι προηγούμενες απόπειρες συμπίεσης ενέργειας από την υγρασία χρησιμοποιώντας γραφένιο ή πολυμερή ήταν ανεπιτυχείς.)

Τελικά, οι ερευνητές ελπίζουν να αξιοποιήσουν τις ηλεκτρικές ικανότητες των βακτηρίων χωρίς να χρειάζεται να αντιμετωπίσουν επιλεκτικά μικρόβια. Ο Catch, για παράδειγμα, έπεισε το κοινό εργαστηριακό και βιομηχανικό βακτήριο Escherichia coli να κατασκευάσει νανοσύρματα. Αυτό θα διευκολύνει τους ερευνητές να παράγουν μαζικά τις δομές και να μελετήσουν τις πρακτικές εφαρμογές τους.

Συνιστάται: