Kabelbakterie

Kabelbakterier mellem to adskilte sedimentlag indeni en glascylinder.
Diagram som demonstrerer kabelbakteriers metabolisme i overflade sediment. Hydrogensulfid (H2S) bliver oxideret i det sulfidholdige sedimentlag og de resulterende elektroner (e−) ledes op gennem kabelbakteriefilamenter til det iltrige lag og anvendt til at reducere molekulær oxygen (O2).

En kabelbakterie er filamentøs bakterie, som leder elektricitet over afstande omkring 1 cm i sediment og ved grundvandsreservoirer.[1][2] Kabelbakterier kobler reduktionen af oxygen[2] eller nitrat[3] ved sedimentets overflade til oxidation af sulfid[2] i det dybere, iltfrie, sedimentlag.

Kabelbakterier kan blive spist af amøber.[4]

Opdagelse

Langdistance elektrisk konduktans i sediment blev første gang observeret i 2010 af forskere fra Aarhus Universitet som en rumlig adskillelse af sulfidoxidation og oxygenreduktion i marin sediment i Aarhus Bugt (Aarhus Havn), som i laboratoriet blev afbrudt og re-etableret med en hastighed hurtigere end som ville kunne forklares ved kemisk diffusion.[1][5][6]

Det blev senere opdaget, at denne elektriske konduktans kunne blive observeret over et ikke-ledende lag af mikroglaskugler, hvor den eneste mulige ledende struktur var filamentøse bakterier, som tilhører familien Desulfobulbaceae.[2] Konduktansen af individuelle levende filamenter blev senere demonstreret ved af observere oxidationstilstande af cytochromer ved at anvende Raman-mikroskopi.[7] Det samme fænomen blev senere observeret i ferskvandssedimenter[8] og grundvandsreservoirer.[9]

Kabelbakterietætheder på op til 2,38 km/cm2 (kilometer per kvadratcentimeter) af sedimentoverflade er blevet observeret.[10] Eller formuleret anderledes: I en enkelt teskefuld mudder viste der sig at være over en kilometer kabelbakterier. Enheden km/cm2 (= km·cm-2) svarer her til, at de 2,38 km kabelbakterier per cm2 er det samme som 8×108 celler/cm2. Kabelbakterierne udgjorde 25 % af den samlede mængde mikrober.

Morfologi

Kabelbakteriefilamenter er 0,4—1,7 µm i diameter og op til 15 mm lange.[10] Filamenter består af rørformede celler med en middellængde på 3 µm og 15-58 kamme (som bjergkamme) omkring cellen. Disse kamme formodes at udgøre cellens ledende strukturer.[2][11]

Taksonomi

Der er blevet beskrevet to kandidatslægter af kabelbakterier: Electrothrix indeholdende fire kandidatarter, fundet i marin- eller brakvandssedimenter, og Electronema indeholdende to kandidatarter, fundet i ferskvandssedimenter.[12] Disse slægter er klassificeret i familien Desulfobulbaceae. Kabelbakterierne er defineret ved deres funktion og ikke deres fylogeni, og det er muligt at flere kabelbakterietaksa vil blive opdaget.

Økologisk betydning

Kabelbakterier yder stærk indflydelse på de geokemiske egenskaber af det omgivende miljø. Kabelbakteriers aktiviteter promoverer oxidationen af jern ved overfladen af sedimentet - og de resulterende jernoxider binder fosforholdige kemiske forbindelser[13] og hydrogensulfid,[14] hvilket mindsker fosfor og hydrogensulfid i vandet. Fosfor kan forårsage eutrofikation, og hydrogensulfid kan være giftigt for havliv, hvilket betyder, at kabelbakterier spiller en vigtig rolle med at opretholde havøkosystemer i kystnære områder.

Udbredelse

Kabelbakterier er blevet identificeret ved flere forskellige klimatiske betingelser verden rundt,[15] inklusive Danmark,[2][8] Holland,[11] Japan,[12] Australien,[16] og USA.[17]

Referencer

  1. ^ a b Nielsen LP, Risgaard-Petersen N, Fossing H, Christensen PB, Sayama M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment. Nature 463: 1071–1074.
  2. ^ a b c d e f Pfeffer C, Larsen S, Song J, Dong M, Besenbacher F, Meyer RL, et al. (2012). Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances. Nature 491: 218–221.
  3. ^ Marzocchi U, Trojan D, Larsen S, Meyer RL, Revsbech NP, Schramm A, et al. (2014). Electric coupling between distant nitrate reduction and sulfide oxidation in marine sediment. The ISME Journal 8: 1682–1690.
  4. ^ 11 juni 2017, videnskab.dk: Fascinerende syn: Amøber æder lange kabelbakterier som spaghetti. Kabelbakterier forsvinder hvert forår på grund af glubske amøber, der slubrer de lange, elektriske kabelbakterier i sig
  5. ^ 28. okt 2012, ing.dk: Sådan opdagede danske forskere ledende kabelbakterier i havbunden. For nogle år siden opdagede danske biologer, at noget levende trak 'strømkabler' på havbunden i Aarhus Bugt. Nu afslører forskerne, at der er tale om en ukendt bakterie Citat: "...Målinger viste, at de øverste par millimeter af mudderet i glasprøven var blevet meget basiske, fortæller Risgaard-Petersen, men jo længere nede man målte, desto mere surt blev det. Et par centimeter nede var pH-værdien cirka 6,5 mod cirka 8,5 i toppen. »Det stred mod alt, hvad vi vidste om sedimentkemi,« forklarer Nils Risgaard-Petersen...»Efter mange fejlslagne forsøg på at finde bakterierne begyndte vi at designe en række egne eksperimenter,« siger Nils Risgaard-Petersen. »Først skar vi igennem lederen med en meget tynd og stærk tråd lavet af wolfram, som vi trak horisontalt igennem sedimentet...I en enkel teskefuld mudder viste der sig at være over en kilometer kabelbakterier...Historien om kabelbakterien Desulfobulbaceae viser, at det kan være en langvarig og kompliceret proces at opdage en ny organisme..."
  6. ^ 24 oktober 2012, videnskab.dk: Levende el-kabler opdaget i Aarhus havn?: Citat: "...Kabelbakterierne er helt unikke, fordi de er i stand til at spise et sted og trække vejret et andet sted. Ved at føre et kabel op gennem mudderlaget har kabelbakterien mulighed for at dele vejrtrækning og ernæring..."
  7. ^ Bjerg JT, Boschker HTS, Larsen S, Berry D, Schmid M, Millo D, et al. (2018). Long-distance electron transport in individual, living cable bacteria. Proc Natl Acad Sci USA 115: 5786–5791.
  8. ^ a b Risgaard-Petersen N, Kristiansen M, Frederiksen RB, Dittmer AL, Bjerg JT, Trojan D, et al. (2015). Cable Bacteria in Freshwater Sediments. Appl Environ Microbiol 81: 6003–6011.
  9. ^ Müller H, Bosch J, Griebler C, Damgaard LR, Nielsen LP, Lueders T, et al. (2016). Long-distance electron transfer by cable bacteria in aquifer sediments. The ISME Journal 10: 2010–2019.
  10. ^ a b Schauer R, Risgaard-Petersen N, Kjeldsen KU, Tataru Bjerg JJ, B Jørgensen B, Schramm A, et al. (2014). Succession of cable bacteria and electric currents in marine sediment. The ISME Journal 8: 1314–1322.
  11. ^ a b Malkin SY, Rao AMF, Seitaj D, Vasquez-Cardenas D, Zetsche E-M, Hidalgo-Martinez S, et al. (2014). Natural occurrence of microbial sulphur oxidation by long-range electron transport in the seafloor. The ISME Journal 8: 1843–1854.
  12. ^ a b Trojan D, Schreiber L, Bjerg JT, Bøggild A, Yang T, Kjeldsen KU, et al. (2016). A taxonomic framework for cable bacteria and proposal of the candidate genera Electrothrix and Electronema. Syst Appl Microbiol 39: 297–306.
  13. ^ Sulu-Gambari F, Seitaj D, Meysman FJR, Schauer R, Polerecky L, Slomp CP. (2016). Cable Bacteria Control Iron-Phosphorus Dynamics in Sediments of a Coastal Hypoxic Basin. Environ Sci Technol 50: 1227–1233.
  14. ^ Seitaj D, Schauer R, Sulu-Gambari F, Hidalgo-Martinez S, Malkin SY, Burdorf LDW, et al. (2015). Cable bacteria generate a firewall against euxinia in seasonally hypoxic basins. Proc Natl Acad Sci USA 112: 13278–13283.
  15. ^ Burdorf LDW, Tramper A, Seitaj D, Meire L, Hidalgo-Martinez S, Zetsche E-M, et al. (2017). Long-distance electron transport occurs globally in marine sediments. Biogeosciences 14: 683–701.
  16. ^ Loading 3rd party ad content
  17. ^ Larsen S, Nielsen LP, Schramm A. (2014). Cable bacteria associated with long-distance electron transport in New England salt marsh sediment. Environmental Microbiology Reports 7: 175–179.

Eksterne henvisninger

Medier brugt på denne side

Cable bacteria in sediment.png
Forfatter/Opretter:

Nils Risgaard-Petersen

Lars Peter Nielsen, Licens: CC BY-SA 4.0
Cable bacteria in between two layers of sediment split apart inside a glass cylinder.
Cable diagram.svg
Forfatter/Opretter: Ian PG Marshall, Licens: CC BY-SA 4.0
Diagram demonstrating cable bacteria metabolism in surface sediment. Hydrogen sulfide (H2S) is oxidized in the sulfidic sediment layer, and the resulting electrons (e-) are conducted up through the cable bacteria filament to the oxic layer and used to reduce molecular oxygen (O2).