I batteri dei cavi collegati elettricamente all'ossigeno attirano stormi di batteri diversi

Nature Communications volume 14, numero articolo: 1614 (2023) Citare questo articolo

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I batteri dei cavi sono batteri filamentosi lunghi un centimetro che conducono gli elettroni tramite fili interni, accoppiando così l'ossidazione dei solfuri nei sedimenti anossici più profondi con la riduzione dell'ossigeno nei sedimenti superficiali. Questa attività induce cambiamenti geochimici nel sedimento e altri gruppi batterici sembrano trarre beneficio dalla connessione elettrica con l’ossigeno. Qui riportiamo che diversi batteri nuotano in uno stormo stretto attorno alla parte anossica dei batteri del cavo che respirano ossigeno e si disperdono immediatamente quando la connessione con l'ossigeno viene interrotta (tagliando i batteri del cavo con un laser). La microscopia Raman mostra che i batteri che si affollano sono più ossidati quando sono più vicini ai batteri del cavo, ma il contatto fisico sembra essere raro e breve, il che suggerisce un potenziale trasferimento di elettroni tramite intermedi solubili non identificati. L'analisi metagenomica indica che la maggior parte dei batteri che si affollano sembrano essere aerobi, inclusi organotrofi, ossidanti del solfuro e possibilmente ossidanti del ferro, che potrebbero trasferire elettroni ai batteri cavi per la respirazione. L’associazione e la stretta interazione con partner così diversi potrebbero spiegare come l’ossigeno attraverso i batteri del cavo possa influenzare le comunità e i processi microbici anche negli ambienti anossici.

I batteri del cavo sono batteri filamentosi lunghi che possono trasmettere elettroni su distanze centimetriche e quindi accoppiare l'ossidazione del solfuro alla riduzione remota dell'ossigeno o del nitrato1,2. Si trovano a livello globale nei sedimenti e nelle falde acquifere marine e di acqua dolce3,4,5 e interferiscono direttamente con il ciclo dello zolfo, dell'ossigeno, del carbonio e dell'azoto6. Attraverso i gradienti di pH e i campi elettrici indotti dal loro trasferimento di elettroni, influenzano anche indirettamente il ciclo del ferro, del calcio, del cobalto e dell’arsenico e tutti i flussi di ioni nei loro habitat6,7,8,9. Nei sedimenti di acqua dolce, possono provocare una stimolazione di 4,5 volte della riduzione dei solfati e ridurre drasticamente le emissioni di metano10,11.

L'attività dei batteri cavi è stata anche collegata a una maggiore assimilazione del carbonio degli ossidanti autotrofi del solfuro12 e correlata alla distribuzione dei batteri che ciclano il ferro nei sedimenti marini13. Queste apparenti associazioni hanno portato a ipotizzare che i batteri nei sedimenti anossici possano in qualche modo utilizzare i batteri del cavo come condotto elettronico verso l'ossigeno14,15.

Qui utilizziamo una combinazione di osservazioni microscopiche, sequenziamento del metagenoma, microdissezione laser e microscopia Raman per dimostrare la dinamica e l'intimità di questa associazione, identificare provvisoriamente i batteri coinvolti e proporre un probabile meccanismo per il trasferimento di elettroni tra stormi batterici associati e filamenti batterici cavi .

Batteri del cavo da un arricchimento del ceppo di acqua dolce Ca. L'Electronema aureum GS16 è stato osservato in condizioni seminaturali su un vetrino da microscopio (un cosiddetto vetrino da trincea), dove l'ossigeno si diffondeva dal bordo del vetrino, mentre la materia organica, il solfuro e altri nutrienti venivano forniti dal sedimento in un vetrino centrale. compartimento (trincea)17,18. Questa configurazione ha stabilito una zona di osservazione in cui i batteri del cavo si estendevano dal sedimento all'interfaccia ossico-anossica, che era chiaramente delineata da un velo microaerofilo di batteri aerobi mobili (Fig. S1). Nella parte anossica della zona, fino a 4 mm di distanza dall'interfaccia ossico-anossica, è stato scoperto che le cellule batteriche nuotano in uno stormo attorno ai segmenti di batteri cavo, generalmente superando in numero le cellule batteriche cavo adiacenti di 2,2:1 (Fig. 1A, Filmato S1, tabella S1). Il tracciamento cellulare dettagliato ha mostrato un comportamento chemiotattico nei confronti dei batteri del cavo: le cellule floccate erano concentrate vicino ai filamenti dei batteri del cavo, con le densità cellulari più elevate entro una distanza di 20 µm ma densità comunque aumentate fino ad almeno 50 µm di distanza (Fig. 1B, Fig. S2). Non è stato riscontrato alcun modello evidente di floccaggio di batteri che toccasse i batteri dei cavi, ma con le limitazioni di risoluzione dei microscopi ottici convenzionali e la natura dinamica dell'interazione che scoraggia i metodi a risoluzione più elevata, attualmente non possiamo escludere che possa verificarsi un contatto; ma se era così, era raro e breve. La velocità di nuoto dei batteri che si affollano è stata significativamente aumentata entro una distanza di 20 µm (Fig. 1C), indicando un aumento della forza motrice dei protoni19,20,21. La frazione di cellule batteriche rilevabili mediante ibridazione in situ fluorescente (FISH) entro una distanza di 10 µm dai batteri del cavo era significativamente superiore a quella di >10 µm di distanza (Tabella S2), suggerendo che avevano un conteggio di ribosomi più elevato e quindi un'attività metabolica più elevata rispetto alla massa batteri dei sedimenti22. Nel loro insieme, ciò indica tassi metabolici elevati all'interno del gruppo e stimolazione metabolica dei batteri che si affollano quando ci si avvicina molto ai batteri del cavo.