Bacteriile electrice pot ajuta la curățarea deversărilor de petrol și la reducerea emisiilor de metan

Mica barcă cu motor ancorează în mijlocul golfului Chesapeake. Țipetele păsărilor care iernează asaltează cei cinci membri ai echipajului navei, toți îmbrăcați în costume de plutire portocalii strălucitoare. Unul dintre membrii echipajului scoate încet o frânghie din apă pentru a recupera un tub de plastic, cam de lungimea brațului unei persoane și umplut cu noroi de pe fundul golfului. În timp ce tubul este tras la bord, mirosul de ouă stricate umple aerul.

„Noroiul din Golful Chesapeake este puturos”, spune Sairah Malkin, un biogeochimist de la Centrul pentru Știința Mediului de la Universitatea din Maryland din Cambridge, care se află la bordul vasului. Mirosul provine de la substanțele chimice sulfuroase numite sulfuri din interiorul noroiului. Acestea sunt destul de toxice, explică Malkin.

Malkin și echipa ei se aventurează în golf la fiecare două luni pentru a lua probe din noroiul infect și pentru a urmări abundența locuitorilor noroiului numiți bacterii de cablu. Microbii sunt cabluri vii: Corpurile lor filiforme – mai subțiri decât un fir de păr uman – pot canaliza electricitatea.

Sairah Malkin se uită la un tub de carotă de sedimente pe o barcă în Golful Chesapeake.
Sairah Malkin, de la Centrul pentru Știința Mediului al Universității din Maryland, taie găuri într-un tub mare de carotaj de sedimente pentru a preleva probe de noroi colectate de pe fundul golfului Chesapeake.Clara Fuchsman

Bacteriile de cablu folosesc această putere pentru a-și reconfigura chimic mediul înconjurător. În timp ce unii microbi din zonă produc sulfuri, bacteriile de cablu elimină aceste substanțe chimice și ajută la împiedicarea deplasării lor în coloana de apă. Prin gestionarea sulfurilor, bacteriile de cablu pot proteja peștii, crustaceele și alte organisme acvatice de un „coșmar toxic”, spune Filip Meysman, biogeochimist la Universitatea din Anvers, Belgia. „Ele sunt un fel de îngeri păzitori în aceste ecosisteme de coastă”.

Acum, oamenii de știință studiază modul în care aceste filamente electrice vii ar putea face bine în alte moduri. Experimentele de laborator arată că bacteriile de cablu pot susține alți microbi care consumă țiței, astfel încât cercetătorii investighează cum să încurajeze creșterea bacteriilor pentru a ajuta la curățarea deversărilor de petrol. Mai mult, cercetătorii au arătat că bacteriile de cablu ar putea contribui la reducerea emisiilor în atmosferă a unui puternic gaz cu efect de seră – metanul.

Există o mulțime de dovezi că bacteriile de cablu exercită o influență puternică asupra vecinilor lor microbieni, spune Meysman. Următorul pas, spune el, este să ne dăm seama cum să canalizăm această influență pentru un bine mai mare.

Viața electrică

La microscop, bacteriile de cablu seamănă cu legături lungi de cârnați. Corpurile lor pluricelulare pot crește până la 5 centimetri lungime. Învelite în învelișul fiecărei celule se află „fire” paralele de proteine conductoare, pe care bacteriile le folosesc pentru a canaliza electronii. Potrivit lui Meysman, firele sunt mai conductive decât semiconductorii care se găsesc în electronice.

Cu aproximativ un deceniu în urmă, o echipă de oameni de știință a descoperit pentru prima dată bacteriile cablurilor, în sedimentele colectate de pe fundul golfului Aarhus din Danemarca. De atunci, bacteriile de cablu au fost găsite pe cel puțin patru continente, în cursuri de apă, lacuri, estuare și medii de coastă. „Spuneți-mi o țară și vă voi arăta unde se află bacteriile de cablu”, spune Meysman.

Cel mai adesea, bacteriile de cablu se cuibăresc la mică adâncime în sedimente, cu un capăt poziționat aproape de suprafață, unde există oxigen, iar celălalt capăt conectat în zonele mai adânci, bogate în sulfuri. Utilizându-și corpurile filamentoase ca niște conducte electrice, bacteriile de cablu captează electroni de la sulfuri la un capăt și îi descarcă la oxigen – un acceptor de electroni dornic – la celălalt capăt, spune Nicole Geerlings, biogeochimist la Universitatea Utrecht din Olanda. Similar modului în care bateriile se încarcă și eliberează energie prin transferul de electroni între anod și catod, bacteriile de cablu se alimentează singure prin canalizarea electronilor, spune ea. „Transportul de electroni dă [cable bacteria] energie”.

Acest stil de viață unic permite bacteriilor de cablu să supraviețuiască într-un mediu pe care multe organisme nu l-ar putea suporta.

imagini microscopice compozite ale unui prim-plan care arată fibrele paralele (în alb și negru) și o bacterie de cablu (în culori false roz și violet)
O bacterie de cablu (dreapta) are un corp pluricelular, segmentat, care poate crește până la 5 centimetri. Fibrele paralele, conducătoare de electricitate (vizibile în prim-planul din stânga) învelesc corpul.De la stânga: N. Geerlings/Universitatea din Utrecht; Silvia Hidalgo Martinez/Universitatea din Antwerp.

Perete de foc toxic

În 2015, Malkin, Meysman și colegii au raportat că bacteriile de cablu pot ajuta la contracararea apariției euxiniei – o acumulare fatală de sulfuri în corpurile de apă lipsite de oxigen. Euxinia poate declanșa dispariții în masă de pești, crustacee și alte viețuitoare acvatice.

Fenomenul letal poate apărea după ce îngrășămintele sau apele reziduale sunt spălate în mare sau în lacuri. Acest flux de nutrienți poate declanșa înflorirea algelor. Atunci când acești nutrienți se epuizează, florile mor, iar cantități mari de materie organică se scufundă și se acumulează pe sedimente. Microbii descompun apoi materialul mort, devorând în acest proces o mare parte din oxigenul din apa înconjurătoare. Atunci când nivelurile de oxigen devin critic de scăzute, sulfurile pot începe să se scurgă din sedimente în apă, dând naștere la euxinia.

carota de sedimente prelevată din Golful Chesapeake
Sedimentele din apropierea fundului acestei carote, prelevate din Golful Chesapeake, sunt probabil întunecate din cauza prezenței sulfurilor, în timp ce sedimentele din partea superioară sunt mai deschise, deoarece bacteriile de cablu au eliminat sulfurile.S. Malkin

În timp ce studiau bacteriile de cablu dintr-un corp de apă salmastră din Olanda, Malkin și colegii săi au descoperit un strat subțire de rugină care acoperea fundul lacului. Pe măsură ce bacteriile de cablu extrăgeau electroni din sulfuri, transformând substanțele chimice nocive în sulfați mai puțin nocivi, apa din sediment a devenit mai acidă, ceea ce a dizolvat unele minerale care conțin fier. Fierul, acum mobil, s-a infiltrat în sedimente până când a interacționat cu oxigenul pentru a forma rugina.

Acest strat de rugină ar putea capta sulfurile care altfel ar curge în apă, acționând ca un „zid de foc” care ar putea întârzia euxinia timp de peste o lună, sau chiar să o împiedice cu totul, au raportat cercetătorii. Chiar și atunci când populația de bacterii de cablu a scăzut, stratul de rugină a persistat, protejând alte creaturi acvatice de expunerea la sulfuri. Rugina ar putea explica de ce, chiar dacă cazurile de poluare cu nutrienți, de înflorire a algelor și de epuizare a oxigenului sunt relativ frecvente, rapoartele de euxinia sunt rare.

Curățarea petrolului

Unii cercetători încearcă să exploateze abilitățile electrice ale bacteriei pentru a aborda o altă amenințare devastatoare pentru ecosistemele de coastă – deversările de petrol.

Atunci când o scurgere de petrol are loc într-un corp de apă, se folosesc adesea baraje, skimmere sau sorbenți pentru a limita răspândirea hidrocarburilor la suprafață. Dar petrolul poate, de asemenea, să ajungă pe plaje, să se amestece cu sedimentele din apele de mică adâncime și să se agregheze la particule de resturi organice care se scufundă, ajungând pe fundul mării.

Curățarea petrolului de pe fundul mării este o sarcină dificilă, spune Ugo Marzocchi, biogeochimist la Universitatea Aarhus din Danemarca. „Nu am cunoștință de o modalitate foarte eficientă de a elimina hidrocarburile de pe fundul mării”, spune el. „În sistemele interioare de apă dulce, ceea ce se face în general este să se sape sedimentele”, spune el, o strategie costisitoare care ar fi și mai costisitoare pe mare.

Bacteriile de cablu electric (filamente albe) ies din sedimentele de pe fundul mării (în partea de jos) întinzându-și corpul pentru a ajunge într-o zonă cu oxigen din apă. Organismele filiforme folosesc oxigenul pentru a descărca electronii pe care i-au recoltat de la sulfurile dăunătoare găsite în sedimente. Pe măsură ce concentrațiile de sulfuri scad, apa devine mai locuibilă pentru microbii care pot curăța deversările de petrol.

Unele microorganisme care locuiesc în sol pot folosi hidrocarburi pentru a-și alimenta metabolismul, iar cercetătorii au studiat modul în care unii dintre acești arzători de petrol ar putea ajuta la curățarea sedimentelor contaminate. Dar, pe măsură ce descompun hidrocarburile, microbii generează acele sulfuri îngrijorătoare, care sunt în detrimentul propriei supraviețuiri a microbilor, spune Marzocchi. Cu alte cuvinte, microbii pot ajuta la curățarea petrolului doar pentru o perioadă limitată de timp înainte de a fi copleșiți de propriile deșeuri toxice.

Bacteriile de cablu ar putea fi exact soluția, s-a gândit Marzocchi. În 2016, cercetătorii au raportat că au găsit dovezi ale microbilor electrici într-un acvifer subteran contaminat cu petrol de gudron în Germania. Știind că bacteriile de cablu ar putea ocupa sedimentele contaminate cu hidrocarburi, Marzocchi și colegii au gândit că aceste bacterii ar putea fi capabile să ajute microbii care ard petrolul și să accelereze curățarea petrolului.

Cercetătorii au umplut mai multe recipiente cu sedimente contaminate cu petrol din Golful Aarhus – care conțineau bacterii care mănâncă petrol în mod natural. Grupul a injectat apoi câteva recipiente cu bacterii de cablu și a monitorizat gradul de degradare a hidrocarburilor în toate recipientele pe parcursul a șapte săptămâni. Până la sfârșitul testului, concentrația de alcani – un tip de hidrocarburi – în sedimentele cu bacterii de cablu scăzuse de la 0,125 miligrame pe gram de sediment la 0,086 miligrame pe gram – o scădere de 31%. Aceasta este cu 23 de puncte procentuale mai mult decât scăderea de 9 procente în probele de control. Bacteriile de cablu au ajutat la accelerarea activității metabolice a vecinilor lor care se hrănesc cu petrol, transformând sulfurile toxice în sulfați. Sulfații nu au dăunat microbilor mâncători de petrol – de fapt, aceștia au folosit substanțele chimice ca și combustibil.

Cercetătorii încearcă acum să dezvolte metode pentru a promova creșterea bacteriilor de cablu pe teren și să vadă dacă este posibil să le sporească efectul asupra degradării petrolului. Una dintre capcane este că, în sedimentele contaminate cu petrol, oxigenul este consumat rapid de către microbii care descompun hidrocarburile. Aceasta este o problemă, deoarece bacteriile de cablu au nevoie de acces la oxigen. Sărurile care eliberează lent oxigenul sau nitrații – pe care bacteriile de cablu le pot folosi în locul oxigenului – ar putea ajuta la stimularea creșterii organismelor electrice în cazul deversărilor de petrol. Dar este nevoie de mai multă muncă pentru a identifica componentele chimice și dozajul corect, spune Marzocchi.

Între timp, oamenii de știință investighează modul în care bacteriile de cablu ar putea ajuta la reducerea emisiilor unei alte hidrocarburi – una care se acumulează în cer.

Metan la rădăcină

Metanul incolor și inodor este cea mai simplă hidrocarbură (SN: 8/15/20/20, p. 8). Este format dintr-un singur atom de carbon atașat la un cvartet de atomi de hidrogen. Și este un gaz cu efect de seră puternic – de peste 25 de ori mai eficient în captarea căldurii în atmosferă decât dioxidul de carbon.

O sursă majoră de metan este reprezentată de orezăriile (SN: 9/25/21, p. 16). În timpul sezonului de creștere, cultivatorii de orez își inundă de obicei câmpurile pentru a ajuta la combaterea buruienilor și a dăunătorilor. Microbii producători de metan – numiți pe bună dreptate metanogeni – se dezvoltă în aceste soluri îmbibate cu apă. Metanogenii care trăiesc în orezării sunt atât de prolifici încât se estimează că câmpurile de orez generează aproximativ 11 % din toate emisiile de metan cauzate de om.

Dar și bacteriilor de cablu le plac orezăriile. În 2019, Vincent Scholz, un microbiolog de la Universitatea Aarhus, și colegii săi au raportat că bacteriile de cablu ar putea înflori printre rădăcinile plantelor de orez și mai multe alte specii de plante acvatice.

imagine compozită a unei plante de orez în ghiveci cultivate în sol cu bacterii de cablu și a unei plante de orez în ghiveci cultivate în sol fără bacterii de cablu
În cadrul unui experiment, ghivecele de plante de orez cultivate în soluri cu bacterii de cablu (dreapta) au dezvoltat straturi portocalii de rugină și au emis mai puțin metan decât ghivecele fără bacterii de cablu (stânga).V.V. Scholz/Aarhus Univ.

Această descoperire i-a inspirat pe cercetători să investigheze modul în care bacteriile interacționează cu metanogenii din solurile în care se cultivă orez. Echipa a cultivat propriile plante de orez – unele în ghiveci în soluri cu bacterii de cablu, iar altele fără – și a monitorizat emisiile de metan.

Spre surprinderea cercetătorilor, adăugarea bacteriilor de cablu a redus emisiile de metan din solul de orez cu 93%. În procesul de îndepărtare a electronilor din sulfuri, bacteriile generează sulfați, pe care alți microbi îi pot folosi drept combustibil. Cercetătorii au constatat că acești microbi consumatori de sulfat au depășit metanogenii pentru nutrienți precum hidrogenul și acetatul din solurile de orez. Rezultatele au fost „destul de uimitoare”, spune Scholz, deși eficacitatea microbilor electrici în câmpurile de orez reale nu a fost încă testată.

Există semne că bacteriile cablate sunt deja conectate în solurile reale ale orezăriilor. După ce au analizat datele genetice colectate din orezării din Statele Unite, India, Vietnam și China, Scholz și colegii săi au raportat în 2021 prezența bacteriilor de cablu în situri din toate cele patru țări. În această vară, Scholz se află în nordul Californiei și studiază modul în care bacteriile de cablu trăiesc în câmpurile de orez și dacă acestea au deja un impact asupra emisiilor de metan. El explorează, de asemenea, modalități de a introduce bacterii de cablu în câmpurile de orez unde acestea nu există încă sau de a spori numărul microbilor în câmpurile unde există.

Mai sunt încă multe de descoperit despre cum influențează conductorii electrici zvelți lumea noastră, spune Malkin. Înapoi în Golful Chesapeake, ea și colegii ei au descoperit că bacteriile de cablu tind să înflorească primăvara, o creștere care a fost observată și în Olanda. Descoperirile se adaugă la un număr tot mai mare de lucrări care sugerează că bacteriile de cablu sunt organisme oportuniste care interacționează cu mediul lor în moduri similare în întreaga lume.

Dacă bacteriile de cablu sunt deja la lucru pe întreaga planetă, atunci un pic de convingere din partea cercetătorilor ar putea fi tot ceea ce este nevoie pentru a transforma creaturile care locuiesc în noroi în cei mai utili vecini pe care o ființă vie și-ar putea dori.