Bakteri misterius membuat kabel listrik

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Bagi Lars Peter Nielsen, semuanya dimulai dengan hilangnya hidrogen sulfida secara misterius. Ahli mikrobiologi mengumpulkan lumpur hitam dan bau dari dasar pelabuhan Aarhus di Denmark, melemparkannya ke dalam gelas kimia besar dan memasukkan mikrosensor khusus yang mendeteksi perubahan komposisi kimia lumpur.

Pada awal percobaan, komposisinya jenuh dengan hidrogen sulfida - sumber bau dan warna sedimen. Tapi 30 hari kemudian, satu strip kotoran menjadi pucat, yang menunjukkan hilangnya hidrogen sulfida. Akhirnya, mikrosensor menunjukkan bahwa seluruh koneksi terputus. Mengingat apa yang para ilmuwan ketahui tentang biogeokimia lumpur, kenang Nielsen dari Aarhus University, "itu tidak masuk akal sama sekali."

Penjelasan pertama, katanya, sensornya salah. Tapi alasannya ternyata jauh lebih aneh: bakteri yang menghubungkan sel membuat kabel listrik yang dapat mengalirkan arus hingga 5 sentimeter melalui tanah.

Adaptasi yang belum pernah terlihat sebelumnya pada mikroba memungkinkan apa yang disebut bakteri kabel ini untuk mengatasi masalah utama yang dihadapi oleh banyak organisme yang hidup di lumpur: kekurangan oksigen. Ketidakhadirannya biasanya membuat bakteri tidak dapat memetabolisme senyawa seperti hidrogen sulfida untuk makanan. Tetapi kabel, dengan mengikat mikroba pada endapan kaya oksigen, memungkinkan mereka untuk bereaksi dalam jarak jauh.

Ketika Nielsen pertama kali menjelaskan penemuan itu pada 2009, rekan-rekannya skeptis. Philip Meisman, seorang insinyur kimia di University of Antwerp, mengingat pemikirannya, "Ini benar-benar omong kosong." Ya, para peneliti tahu bakteri dapat menghantarkan listrik, tetapi tidak pada jarak yang disarankan Nielsen. “Seolah-olah proses metabolisme kita sendiri dapat mempengaruhi jarak 18 kilometer,” kata ahli mikrobiologi Andreas Teske dari University of North Carolina di Chapel Hill.

Tetapi semakin banyak peneliti mencari lumpur "berlistrik", semakin banyak mereka menemukannya di air asin dan air tawar. Mereka juga mengidentifikasi jenis kedua dari mikroba listrik yang menyukai kotoran: bakteri kawat nano, sel individu yang menumbuhkan struktur protein yang dapat memindahkan elektron pada jarak yang lebih pendek.

Mikroba nanowire ini ditemukan di mana-mana, termasuk di mulut manusia

Penemuan memaksa peneliti untuk menulis ulang buku teks; memikirkan kembali peran bakteri lumpur dalam pemrosesan elemen kunci seperti karbon, nitrogen, dan fosfor; dan meninjau bagaimana mereka mempengaruhi ekosistem perairan dan perubahan iklim.

Para ilmuwan juga mencari aplikasi praktis, mengeksplorasi potensi bakteri yang mengandung kabel dan kawat nano untuk memerangi polusi dan perangkat elektronik daya. "Kami melihat lebih banyak interaksi dalam mikroba dan antara mikroba yang menggunakan listrik," kata Meisman. "Saya menyebutnya biosfer listrik."

Sebagian besar sel berkembang dengan mengambil elektron dari satu molekul, proses yang disebut oksidasi, dan mentransfernya ke molekul lain, biasanya oksigen, yang disebut reduksi. Energi yang diperoleh dari reaksi ini mengatur proses kehidupan lainnya. Dalam sel eukariotik, termasuk kita sendiri, reaksi "redoks" semacam itu terjadi pada membran bagian dalam mitokondria, dan jarak di antara mereka sangat kecil - hanya mikrometer. Inilah sebabnya mengapa begitu banyak peneliti skeptis tentang klaim Nielsen bahwa bakteri kabel memindahkan elektron melalui lapisan tanah seukuran bola golf.

Hilangnya hidrogen sulfida adalah kunci untuk membuktikan hal ini. Bakteri membuat senyawa dalam lumpur, memecah sisa-sisa tanaman dan bahan organik lainnya; di deposit yang lebih dalam, hidrogen sulfida terakumulasi karena kekurangan oksigen, yang membantu bakteri lain untuk memecahnya. Namun, hidrogen sulfida masih hilang dalam gelas Nielsen. Selain itu, warna berkarat muncul di permukaan tanah, yang menunjukkan pembentukan oksida besi.

Bangun pada suatu malam, Nielsen datang dengan penjelasan yang aneh: bagaimana jika bakteri yang terkubur dalam lumpur menyelesaikan reaksi redoks, entah bagaimana melewati lapisan miskin oksigen? Bagaimana jika, sebaliknya, mereka menggunakan pasokan hidrogen sulfida yang melimpah sebagai donor elektron dan kemudian menyalurkan elektron ke permukaan yang kaya oksigen? Di sana, dalam proses oksidasi, karat terbentuk jika ada besi.

Menemukan apa yang membawa elektron ini terbukti sulit. Pertama, Niels Riesgaard-Petersen dari tim Nielsen harus mengesampingkan kemungkinan yang lebih sederhana: partikel logam dalam sedimen membawa elektron ke permukaan dan menyebabkan oksidasi. Dia melakukannya dengan memasukkan lapisan manik-manik kaca yang tidak menghantarkan listrik ke dalam pilar tanah. Terlepas dari kendala ini, para peneliti masih menemukan arus listrik yang bergerak melalui lumpur, menunjukkan bahwa partikel logam tidak konduktif.

Untuk melihat apakah kabel atau kawat membawa elektron, para peneliti kemudian menggunakan kawat tungsten untuk membuat potongan horizontal melalui kolom lumpur. Arus padam, seolah-olah ada kabel yang terputus. Pekerjaan lain mempersempit ukuran konduktor, menunjukkan bahwa itu harus berdiameter minimal 1 mikrometer. "Ini adalah ukuran normal bakteri," kata Nielsen.

Pada akhirnya, mikrograf elektron mengungkapkan calon yang mungkin: serat bakteri panjang dan tipis yang muncul di lapisan manik-manik kaca yang dimasukkan ke dalam gelas kimia yang diisi dengan lumpur dari Pelabuhan Aarhus. Setiap filamen terdiri dari setumpuk sel - hingga 2.000 - tertutup dalam membran luar berusuk. Di ruang antara membran ini dan sel-sel yang ditumpuk di atas satu sama lain, sejumlah "kawat" paralel meregangkan benang di seluruh panjangnya. Penampilan seperti kabel mengilhami nama umum mikroba.

Meisman, seorang mantan skeptis, dengan cepat bertobat. Tak lama setelah Nielsen mengumumkan penemuannya, Meismann memutuskan untuk menyelidiki salah satu sampel lumpur lautnya sendiri. “Saya melihat perubahan warna yang sama pada sedimen yang dia lihat,” kenang Meisman. "Itu adalah arahan Ibu Alam untuk menganggapnya lebih serius."

Timnya mulai mengembangkan alat dan metode untuk penelitian mikroba, terkadang bekerja sama dengan kelompok Nielsen. Itu sulit. Filamen bakteri cenderung cepat rusak setelah diisolasi, dan elektroda standar untuk mengukur arus dalam konduktor kecil tidak berfungsi. Tapi begitu para peneliti belajar untuk memilih satu untai dan dengan cepat memasang elektroda individu, "kami melihat konduktivitas yang sangat tinggi," kata Meisman. Kabel hidup tidak dapat bersaing dengan kabel tembaga, katanya, tetapi mereka cocok dengan konduktor yang digunakan di panel surya dan layar ponsel, serta semikonduktor organik terbaik.

Para peneliti juga menganalisis anatomi bakteri kabel. Menggunakan rendaman kimia, mereka mengisolasi cangkang silinder, menemukan bahwa itu berisi 17 hingga 60 serat paralel yang direkatkan di dalamnya. Cangkang adalah sumber konduksi, Meisman dan rekan melaporkan tahun lalu di Nature Communications. Komposisi pastinya masih belum diketahui, tetapi mungkin berbasis protein.

“Ini adalah organisme yang kompleks,” kata Nielsen, yang sekarang mengepalai Pusat Elektro-Mikrobiologi, yang didirikan pada 2017 oleh pemerintah Denmark. Di antara masalah yang dipecahkan oleh pusat ini adalah produksi massal mikroba dalam kultur. “Jika kita memiliki kultur murni, akan lebih mudah” untuk menguji gagasan tentang metabolisme sel dan pengaruh lingkungan terhadap konduksi, kata Andreas Schramm dari pusat tersebut. Kultur bakteri juga akan memudahkan untuk mengisolasi kabel kabel dan menguji potensi aplikasi bioremediasi dan bioteknologi.

Sementara para peneliti bingung tentang bakteri di kabel, yang lain melihat pemain utama lain dalam lumpur listrik: bakteri berbasis kawat nano yang, alih-alih melipat sel menjadi kabel, menumbuhkan kabel protein dengan panjang 20 hingga 50 nm dari setiap sel.

Seperti halnya bakteri kabel, komposisi kimia misterius dari endapan mengarah pada penemuan mikroba kawat nano. Pada tahun 1987, ahli mikrobiologi Derek Lovley, sekarang di University of Massachusetts Amherst, mencoba memahami bagaimana fosfat dari air limbah pupuk - nutrisi yang mendorong pertumbuhan alga - dilepaskan dari sedimen di bawah Sungai Potomac di Washington, DC. bekerja dan mulai menyiangi mereka dari tanah. Setelah menumbuhkan satu, sekarang disebut Geobacter Metallireducens, dia memperhatikan (di bawah mikroskop elektron) bahwa bakteri telah menumbuhkan ikatan dengan mineral besi di dekatnya. Dia menduga bahwa elektron dibawa sepanjang kabel ini, dan akhirnya menemukan bahwa Geobacter mengatur reaksi kimia di lumpur, mengoksidasi senyawa organik dan mentransfer elektron ke mineral. Mineral tereduksi ini kemudian melepaskan fosfor dan elemen lainnya.

Seperti Nielsen, Lovely menghadapi skeptisisme ketika dia pertama kali menggambarkan mikroba listriknya. Namun, hari ini, dia dan yang lainnya telah mendaftarkan hampir selusin jenis mikroba kawat nano, menemukannya di lingkungan selain kotoran. Banyak membawa elektron ke dan dari partikel dalam sedimen. Tetapi beberapa bergantung pada mikroba lain untuk menerima atau menyimpan elektron. Kemitraan biologis ini memungkinkan kedua mikroba untuk "terlibat dalam jenis kimia baru yang tidak dapat dilakukan oleh organisme sendiri," kata Victoria Orfan, ahli geobiologi di California Institute of Technology. Sementara bakteri kabel memecahkan kebutuhan redoks mereka dengan diangkut jarak jauh ke dalam lumpur beroksigen, mikroba ini bergantung pada metabolisme satu sama lain untuk memenuhi kebutuhan redoks mereka.

Beberapa peneliti masih memperdebatkan bagaimana kawat nano bakteri menghantarkan elektron. Lovley dan rekan-rekannya yakin bahwa kuncinya adalah rantai protein yang disebut pilin, yang terdiri dari asam amino sirkular. Ketika dia dan rekan-rekannya mengurangi jumlah asam amino bercincin di pilin, kawat nano menjadi kurang konduktif. “Benar-benar menakjubkan,” kata Lovely, karena secara umum diterima bahwa protein adalah isolator. Tetapi yang lain berpikir bahwa pertanyaan ini masih jauh dari penyelesaian. Orphan, misalnya, mengatakan bahwa meskipun "ada banyak bukti … saya masih tidak berpikir [konduksi kawat nano] dipahami dengan baik."

Yang jelas bakteri elektrik ada dimana-mana. Pada tahun 2014, misalnya, para ilmuwan menemukan bakteri kabel di tiga habitat yang sangat berbeda di Laut Utara: di rawa asin pasang surut, di cekungan dasar laut di mana kadar oksigen turun hampir nol di beberapa musim, dan di dataran berlumpur yang tergenang di dekat laut. … … pantai. (Mereka tidak menemukan mereka di daerah berpasir yang dihuni oleh cacing yang mengaduk sedimen dan mengganggu kabel.) Di tempat lain, para peneliti telah menemukan bukti DNA bakteri kabel di cekungan laut yang dalam dan miskin oksigen, daerah sumber air panas, dan kondisi dingin. tumpahan, dan bakau dan tepian pasang surut di daerah beriklim sedang dan subtropis.

Bakteri kabel juga ditemukan di lingkungan air tawar. Setelah membaca artikel Nielsen pada tahun 2010 dan 2012, tim yang dipimpin oleh ahli mikrobiologi Rainer Meckenstock memeriksa kembali inti sedimen yang dibor selama survei kontaminasi air tanah di Düsseldorf, Jerman. “Kami menemukan [bakteri kabel] persis di tempat yang kami pikir akan kami temukan,” pada kedalaman di mana oksigen menipis, kenang Mekenstock, yang bekerja di University of Duisburg-Essen.

Bakteri nanowire bahkan lebih tersebar luas. Para peneliti telah menemukannya di tanah, sawah, perut yang dalam dan bahkan pabrik pengolahan limbah, serta di sedimen air tawar dan laut. Mereka bisa ada di mana pun biofilm terbentuk, dan keberadaan biofilm di mana-mana adalah bukti lebih lanjut tentang peran besar bakteri ini di alam.

Berbagai macam bakteri lumpur listrik juga menunjukkan bahwa mereka memainkan peran penting dalam ekosistem. Misalnya, dengan mencegah penumpukan hidrogen sulfida, bakteri kabel kemungkinan membuat kotoran lebih layak huni untuk bentuk kehidupan lain. Meckenstock, Nielsen, dan lainnya telah menemukannya di atau di dekat akar lamun dan tanaman air lainnya yang melepaskan oksigen, yang mungkin digunakan bakteri untuk memecah hidrogen sulfida. Ini, pada gilirannya, melindungi tanaman dari gas beracun. Kemitraan "tampaknya sangat khas tanaman air," kata Meckenstock.

Robert Aller, ahli biogeokimia laut di Universitas Stony Brook, percaya bakteri juga dapat membantu banyak invertebrata bawah air, termasuk cacing yang membangun liang yang memungkinkan air beroksigen masuk ke lumpur. Dia menemukan bakteri kabel menempel di sisi tabung cacing, mungkin agar mereka bisa menggunakan oksigen ini untuk menyimpan elektron. Pada gilirannya, cacing ini dilindungi dari hidrogen sulfida beracun. "Bakteri membuat [liang] lebih layak huni," kata Aller, yang menjelaskan tautan dalam artikel Juli 2019 di Science Advances.

Mikroba juga mengubah sifat kotoran, kata Saira Malkin, ahli ekologi di Pusat Ilmu Lingkungan Universitas Maryland. "Mereka sangat efektif … insinyur ekosistem." Bakteri kabel “tumbuh seperti api,” katanya; Di terumbu tiram pasang surut, dia menemukan, Satu sentimeter kubik lumpur mungkin mengandung 2.859 meter kabel yang mengikat partikel di tempatnya, mungkin membuat sedimen lebih tahan terhadap organisme laut.

Bakteri juga mengubah kimia kotoran, membuat lapisan yang lebih dekat ke permukaan lebih basa dan lapisan yang lebih dalam lebih asam, Malkin menemukan. Gradien pH seperti itu dapat mempengaruhi “banyak siklus geokimia,” termasuk yang terkait dengan arsenik, mangan, dan besi, katanya, menciptakan peluang bagi mikroba lain.

Karena sebagian besar planet ini tertutup lumpur, kata para peneliti, bakteri yang terkait dengan kabel dan kawat nano kemungkinan akan berdampak pada iklim global. Bakteri kawat nano, misalnya, dapat mengambil elektron dari bahan organik seperti diatom mati dan kemudian meneruskannya ke bakteri lain yang menghasilkan metana, gas rumah kaca yang kuat. Dalam berbagai keadaan, bakteri kabel dapat mengurangi produksi metana.

Di tahun-tahun mendatang, “kita akan melihat pengakuan luas tentang pentingnya mikroba ini bagi biosfer,” kata Malkin. Sedikit lebih dari sepuluh tahun setelah Nielsen menyadari hilangnya hidrogen sulfida secara misterius dari lumpur Aarhus, dia berkata: "Memusingkan untuk memikirkan apa yang kita hadapi di sini."

Selanjutnya: telepon yang ditenagai oleh kabel mikroba?

Para pionir mikroba listrik dengan cepat memikirkan cara menggunakan bakteri ini.“Sekarang kita tahu bahwa evolusi telah mampu membuat kabel listrik, sayang sekali jika kita tidak menggunakannya,” kata Lars Peter Nielsen, ahli mikrobiologi di University of Aarhus.

Salah satu aplikasi yang mungkin adalah deteksi dan pengendalian polutan. Mikroba kabel tampaknya berkembang dengan adanya senyawa organik seperti minyak, dan Nielsen dan timnya sedang menguji kemungkinan bahwa kelimpahan bakteri kabel menandakan adanya polusi yang belum ditemukan di akuifer. Bakteri tidak secara langsung mendegradasi minyak, tetapi mereka dapat mengoksidasi sulfida yang dihasilkan oleh bakteri berminyak lainnya. Mereka juga dapat membantu membersihkan; curah hujan pulih lebih cepat dari kontaminasi minyak mentah ketika dijajah oleh bakteri kabel, kelompok penelitian lain melaporkan pada bulan Januari di jurnal Water Research. Di Spanyol, tim ketiga sedang menyelidiki apakah bakteri kawat nano dapat mempercepat pembersihan lahan basah yang tercemar. Dan bahkan sebelum bakteri berbasis nanowire menjadi listrik, mereka menunjukkan janji dekontaminasi limbah nuklir dan akuifer yang terkontaminasi dengan hidrokarbon aromatik seperti benzena atau naftalena.

Bakteri listrik juga dapat memunculkan teknologi baru. Mereka dapat dimodifikasi secara genetik untuk mengubah kawat nano mereka, yang kemudian dapat dipotong untuk membentuk tulang punggung sensor sensitif yang dapat dipakai, menurut Derek Lovley, ahli mikrobiologi di University of Massachusetts (UMass), Amherst. "Kami dapat merancang kawat nano dan mengadaptasinya untuk secara khusus mengikat senyawa yang diinginkan." Misalnya, dalam Nano Research edisi Lovely 11 Mei, insinyur UMass Jun Yao dan rekan mereka menggambarkan sensor berbasis kawat nano yang mendeteksi amonia dalam konsentrasi yang dibutuhkan untuk aplikasi pertanian, industri, lingkungan, dan biomedis.

Dibuat sebagai film, kawat nano dapat menghasilkan listrik dari uap air di udara. Para peneliti percaya bahwa film menghasilkan energi ketika gradien uap air terjadi antara tepi atas dan bawah film. (Tepi atas lebih rentan terhadap kelembaban.) Saat atom hidrogen dan oksigen dari air terpisah karena gradien, muatan dihasilkan dan elektron mengalir. Yao dan timnya melaporkan di Nature pada 17 Februari bahwa film semacam itu dapat menciptakan energi yang cukup untuk menyalakan dioda pemancar cahaya, dan 17 perangkat semacam itu yang terhubung bersama dapat memberi daya pada ponsel. Pendekatannya adalah “teknologi revolusioner untuk menghasilkan energi terbarukan, bersih, dan murah,” kata Qu Lianti, ilmuwan material di Universitas Tsinghua. (Yang lain lebih berhati-hati, mencatat bahwa upaya masa lalu untuk memeras energi dari kelembaban menggunakan graphene atau polimer tidak berhasil.)

Pada akhirnya, para peneliti berharap untuk memanfaatkan kemampuan listrik bakteri tanpa harus berurusan dengan mikroba pemilih. Catch, misalnya, membujuk laboratorium umum dan bakteri industri Escherichia coli untuk membuat kawat nano. Ini akan memudahkan peneliti untuk memproduksi secara massal struktur dan mempelajari aplikasi praktisnya.