Электрические бактерии могут помочь очистить нефтяные разливы и ограничить выбросы метанаЭлектрические бактерии могут помочь очистить нефтяные разливы и ограничить выбросы метана
Небольшой моторный катер бросает якорь посреди Чесапикского залива.
Крики зимующих птиц будоражат пятерых членов команды судна, одетых в ярко-оранжевые гидрокостюмы. Один из членов команды медленно вытягивает из воды веревку, чтобы достать пластиковую трубку длиной примерно с руку человека, наполненную илом со дна залива. Когда трубку поднимают на борт, воздух наполняется зловонием тухлых яиц.
"Грязь Чесапикского залива вонючая, - говорит Сайра Малкин, биогеохимик из Центра экологических наук Университета Мэриленда в Кембридже, которая находится на борту лодки. Запах исходит от сернистых химических веществ, называемых сульфидами, содержащихся в грязи. Они довольно токсичны, объясняет Малкин. Она и ее коллеги каждые пару месяцев выходят на берег залива, чтобы взять пробы зловонной грязи и проследить за обилием ее подвижных обитателей, называемых кабельными бактериями. Эти микробы - живые провода: их нитевидные тела - тоньше человеческого волоса - могут проводить электричество.
Кабельные бактерии используют эту энергию для химической перестройки окружающей среды. В то время как некоторые микроорганизмы в этом регионе производят сульфиды, кабельные бактерии удаляют эти химические вещества и помогают предотвратить их перемещение вверх в толщу воды. Управляя сульфидами, кабельные бактерии защищают рыб, ракообразных и другие водные организмы от "токсичного кошмара", - говорит Филип Мейсман, биогеохимик из Университета Антверпена в Бельгии.
"Они своего рода ангелы-хранители в этих прибрежных экосистемах".
Сегодня ученые изучают, как эти живые электрические нити могут приносить пользу другими способами. Лабораторные эксперименты показывают, что кабельные бактерии могут служить помощниками для других микроорганизмов, потребляющих сырую нефть, поэтому исследователи изучают, как стимулировать рост бактерий, чтобы они помогали ликвидировать разливы нефти. Более того, исследователи показали, что кабельные бактерии могут способствовать сокращению выбросов в атмосферу мощного парникового газа - метана.
Есть много доказательств того, что кабельные бактерии оказывают сильное влияние на своих соседей-микробов, говорит Мейсман. Следующий шаг, по его словам, - выяснить, как направить это влияние на общее благо.
Электрическая жизнь
Под микроскопом кабельные бактерии напоминают длинные сосиски. Их многоклеточные тела могут вырастать до 5 сантиметров в длину. В оболочку каждой клетки встроены параллельные "провода" из проводящих белков, которые бактерии используют для передачи электронов. По словам Мейсмана, эти провода обладают большей проводимостью, чем полупроводники, используемые в электронике.
Около десяти лет назад группа ученых впервые обнаружила кабельные бактерии в отложениях, собранных со дна Орхусского залива в Дании. С тех пор кабельные бактерии были обнаружены по меньшей мере на четырех континентах, в ручьях, озерах, эстуариях и прибрежной среде. "Назовите мне страну, и я покажу вам, где там есть кабельные бактерии", - утверждает Мейсман.
Чаще всего кабельные бактерии обитают на мелководье в осадочных породах: один их конец располагается у поверхности, где есть кислород, а другой - в более глубоких, богатых сульфидами зонах. Используя свои нитевидные тела как электрические провода, кабельные бактерии захватывают электроны из сульфидов на одном конце и передают их кислороду - активному акцептору электронов - на другом, объясняет Николь Гирлингс, биогеохимик из Утрехтского университета в Нидерландах. По ее словам, подобно тому, как аккумуляторы заряжаются и высвобождают энергию путем передачи электронов между анодом и катодом, кабельные бактерии заряжаются энергией, направляя электроны. "Перенос электронов дает [кабельным бактериям] энергию". Этот уникальный образ жизни позволяет кабельным бактериям выживать в среде, которую не могут выдержать многие организмы.
Токсичный файрвол (firewall – термин, который переводится как «противопожарная стена». Эта система активно используется в сетевом оборудовании и компьютерах для защиты подключения от различных вирусов и хакерских атак - прим.ред.).
В 2015 году Малкин, Мейсман и их коллеги сообщили, что кабельные бактерии могут помочь противостоять наступлению эвксинии - фатального скопления сульфидов в водоемах с недостатком кислорода. Эвксиния может вызвать массовую гибель рыбы, ракообразных и других водных обитателей.
Это гибельное последствие может наступить после того, как в море или озера попадают удобрения или сточные воды. Такой поток питательных веществ может вызвать цветение водорослей. Когда питательные вещества истощаются, цветение заканчивается, и большое количество органических веществ опускается и накапливается в отложениях. Затем микроорганизмы разлагают этот мертвый материал, поглощая при этом большую часть кислорода в окружающей воде. Когда уровень кислорода становится критически низким, сульфиды могут начать просачиваться из отложений в воду, что приводит к эвксинии.
Изучая кабельные бактерии в солоноватом водоеме в Нидерландах, Малкин и его коллеги обнаружили тонкий слой ржавчины, покрывающий дно озера. Поскольку кабельные бактерии отбирали электроны у сульфидов, превращая вредные химические вещества в менее опасные сульфаты, вода в осадке стала более кислой, что привело к растворению некоторых минералов, содержащих железо. Подвижное железо просачивалось вверх в осадок, пока не вступало во взаимодействие с кислородом, образуя ржавчину.
Этот слой ржавчины мог захватывать сульфиды, которые в противном случае попали бы в воду, действуя как "файрвол", который мог задержать эвксинию более чем на месяц или даже полностью предотвратить ее, сообщили исследователи. Даже когда популяция кабельных бактерий сокращалась, слой ржавчины сохранялся, защищая других водных обитателей от воздействия сульфидов. Ржавчина может объяснить, почему, хотя случаи загрязнения питательными веществами, цветения водорослей и кислородного голодания относительно распространены, сообщения об эвксинии редки.
Очистка от нефти
Некоторые исследователи пытаются использовать электрические способности бактерий для борьбы с другой разрушительной угрозой для прибрежных экосистем - разливами нефти.
Когда в водоеме происходит разлив нефти, часто используются боновые заграждения, скиммеры или сорбенты, чтобы ограничить распространение углеводородов на поверхности. Однако нефть также может попадать на пляжи, смешиваться с отложениями на мелководье и скапливаться на тонущих частицах органического мусора, добираясь до морского дна.
Очистка от нефти на дне моря - сложная задача, говорит Уго Марзокки, биогеохимик из Орхусского университета в Дании. "Я не знаю эффективного способа удаления углеводородов с морского дна", - заявляет он. "Во внутренних пресноводных системах, как правило, выкапывают отложения", - говорит он, а это дорогостоящая стратегия, которая будет еще более затратной в море.
Некоторые обитающие в почве микроорганизмы могут использовать углеводороды в качестве топлива для своего метаболизма, и исследователи изучают, как некоторые из этих любителей нефти могут помочь в очистке загрязненных отложений. Но при расщеплении углеводородов микробы вырабатывают сульфиды, которые вредят их собственному выживанию, поясняет Марзокки. Другими словами, микроорганизмы могут помогать очищать нефть только до тех пор, пока их не захлестнут собственные токсичные отходы.
Кабельные бактерии могут быть именно таким решением, считает Марзокки. В 2016 году исследователи сообщили об обнаружении электрических микробов в загрязненном гудроновым маслом подземном водоносном горизонте в Германии. Зная, что кабельные бактерии могут обитать в отложениях, загрязненных углеводородами, Марзокки и его коллеги предположили, что эти бактерии могут помочь микробам, потребляющим нефть, и ускорить очистку от нефти.
Исследователи наполнили несколько контейнеров загрязненным нефтью осадком из Орхусского залива, в котором содержались нефтепожирающие бактерии естественного происхождения. Затем группа ввела в несколько контейнеров кабельные бактерии и в течение семи недель наблюдала за степенью разложения углеводородов во всех контейнерах. К концу испытания концентрация алканов - одного из видов углеводородов - в осадке с кабельными бактериями снизилась с 0,125 миллиграмма на грамм осадка до 0,086 миллиграмма на грамм, то есть на 31 %. Это было на 23 % больше, чем снижение на 9 % в контрольных образцах. Кабельные бактерии помогли ускорить метаболическую активность своих соседей, питающихся нефтью, преобразуя токсичные сульфиды в сульфаты. Сульфаты не причиняли вреда бактериям, питающимся нефтью, - более того, они использовали эти химические вещества в качестве топлива.
Сейчас исследователи пытаются разработать методы стимулирования роста кабельных бактерий в полевых условиях и выяснить, можно ли усилить их влияние на разложение нефти. Одна из трудностей заключается в том, что в загрязненных нефтью отложениях кислород быстро расходуется микроорганизмами, разлагающими углеводороды. Это проблема, поскольку кабельным бактериям необходим доступ к кислороду. Соли, медленно выделяющие кислород или нитраты, которые кабельные бактерии могут использовать вместо кислорода, могут помочь стимулировать рост электрических организмов в местах разливов нефти. Но для определения правильных химических компонентов и дозировки требуется дополнительная работа, отмечает Марзокки.
Тем временем ученые исследуют, как кабельные бактерии могут помочь уменьшить выброс другого углеводорода - того, который накапливается в атмосфере.
Метан рисовых полей
Бесцветный метан без запаха является простейшим углеводородом и состоит из одного атома углерода, соединенного с квартетом атомов водорода. Он является мощным парниковым газом - более чем в 25 раз эффективнее задерживает тепло в атмосфере, чем углекислый газ.
Одним из основных источников метана являются рисовые поля. Во время вегетационного периода фермеры, выращивающие рис, обычно затапливают свои поля, чтобы уничтожить сорняки и вредителей. Микробы, вырабатывающие метан (метаногены) процветают в этих залитых водой почвах. Метаногены, обитающие на рисовых полях, настолько многочисленны, что, по оценкам, рисовые поля производят около 11 % всех выбросов метана, вызванных деятельностью человека.
Но кабельные бактерии тоже любят рисовые поля. В 2019 году Винсент Шольц, микробиолог из Орхусского университета, и его коллеги сообщили, что кабельные бактерии могут процветать среди корней рисовых растений и некоторых других видов водных растений.
В ходе эксперимента горшки с растениями риса, выращенными в почве с кабельными бактериями (справа), покрылись оранжевым слоем ржавчины и выделяли меньше метана, чем горшки без кабельных бактерий (слева). Фото: V.V. Scholz/Aarhus Univ.
Это открытие вдохновило исследователей изучить, как бактерии взаимодействуют с метаногенами в почве, на которой выращивается рис. Команда вырастила свои собственные растения риса - некоторые в горшках в почве с кабельными бактериями, а некоторые без них - и проследила за выбросами метана.
К удивлению исследователей, добавление кабельных бактерий сократило выбросы метана из рисовой почвы на 93 %. В процессе удаления электронов из сульфидов бактерии производят сульфаты, которые другие микробы могут использовать в качестве топлива. Эти микробы, потребляющие сульфаты, превзошли метаногены в борьбе за такие нутриенты, как водород и ацетат в рисовой почве, обнаружили исследователи. По словам Шольца, результаты были "просто потрясающими", хотя эффективность электрических микробов на реальных рисовых полях еще предстоит проверить.
Есть признаки того, что кабельные бактерии уже работают в реальных почвах рисовых полей. После анализа генетических данных, собранных с рисовых полей в США, Индии, Вьетнаме и Китае, Шольц и его коллеги в 2021 году сообщили о присутствии кабельных бактерий на участках во всех четырех странах. Этим летом Шольц находится в Северной Калифорнии и изучает, как кабельные бактерии обитают на рисовых полях и влияют ли они уже на выбросы метана. Он также изучает способы внедрения кабельных бактерий на рисовые поля, где их еще нет, или увеличения численности микробов на тех полях, где они есть.
По словам Малкина, еще многое предстоит выяснить о том, как эти тонкие электрические проводники влияют на наш мир. Вернувшись в Чесапикский залив, она и ее коллеги обнаружили, что кабельные бактерии, как правило, активизируются весной, и этот всплеск также наблюдался в Нидерландах. Эти результаты пополняют растущий объем работ, свидетельствующих о том, что кабельные бактерии являются оппортунистическими организмами, которые взаимодействуют с окружающей средой сходным образом по всему миру.
Если кабельные бактерии уже активно работают по всей планете, то, возможно, достаточно немного подтолкнуть исследователей, чтобы превратить этих обитающих в грязи существ в самых полезных соседей, о которых только может мечтать человек.
