Sådan opdagede danske forskere ledende kabelbakterier i havbunden
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Teknologiens Mediehus kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Sådan opdagede danske forskere ledende kabelbakterier i havbunden

»Det hele startede med nogle forsøg, der gik skævt,« siger seniorforsker Nils Risgaard-Petersen fra Center for Geomikrobiologi ved Aarhus Universitet.

»Vi kiggede på nogle bakterier, som kan ernære sig af svovl og opsamle nitrat. De hedder Beggiatoa og er i stand til at vandre ned igennem havbundens sediment, mens de bruger nitrat til at oxidere sulfid. Men vores kontrolforsøg blev ikke til noget, og så lod vi prøverne stå i laboratoriet. Da vi kom tilbage efter et par uger, havde der udviklet sig denne her mærkelige pH-gradient og meget underlige ilt- og svovlbrinteprofiler.«

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.

Læs også: Kabelbakterierne i Aarhus Bugt

»Det stred mod alt, hvad vi vidste om sedimentkemi,« forklarer Nils Risgaard-Petersen.

»Når man snakker pH, ser man normalt det omvendte billede: Ilten i toppen af havbunden giver mulighed for oxiderende respirationsprocesser, og de er syredannende. I de iltfrie lag længere nede i sedimentet ser man derimod typisk jern- og magnesiumreduktioner, og de er basedannende. Men her var det lige omvendt, og vi vidste ikke hvorfor.«

Heller ikke Nils Risgaard-Petersens kollega, professor Lars Peter Nielsen, vidste, hvordan man skulle fortolke målingerne. Og uden en ordentlig teori var det svært at komme videre.

Men en søvnløs nat fik Lars Peter Nielsen en idé: Hvad nu, hvis der var blevet etableret en slags elektriske forbindelser i mudderet? Hvad nu, hvis der var dannet et netværk af forskelligartede bakterier, som kunne transportere elektroner opad via en ukendt mekanisme - måske ved hjælp af en slags biologiske nanowires? Det ville kunne forklare en hel masse af de observerede fænomener. Og det ville være en helt ny opdagelse.

»Det første vi gjorde for at teste hypotesen, var at fjerne ilttilførslen, og lige så snart det var sket, kunne vi se, at sulfiden langsomt steg op igennem sedimentet og op mod overfladen,« siger Risgaard-Petersen.

»Men lige så snart vi iltede overfladen igen, blev sulfiden presset nedad, og der foregik tydeligvis en forbrænding. Og det skete, selvom der jo ikke var nogen øjensynlig fysisk eller kemisk forbindelse mellem de to lag.«

Målingerne blev publiceret i fagbladet Nature i 2010, og i et forsøg på at finde ud af, hvilke bakterier, der var involveret, hvordan de opbyggede deres netværk, og hvordan elektrontransporten foregik, begynde Aarhusgruppen at samarbejde med forskere fra USA og andre steder.

Biofilm på hjernen

Men ideen om, at der var tale om strømledende nanotråde, havde sat sig fast i deres hjerne, som var det biofilm. De forestillede sig et løst netværk af bakterier, måske koblet til et slags ekstracellulært sporvognsystem af svovlkiskrystaller, der kunne transportere elektronerne. Ekstracellulær elektrontransport var en opdagelse, der var blevet gjort nogle få år forinden, og det gjorde dem lidt blinde for andre ideer.

»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. På den måde fik vi klippet de elektriske tråde over, og det viste sig som regel at ødelægge populationen.«

Kun nogle ganske få prøver kunne regenerere elektrontransporten i løbet af nogle uger - og vel at mærke kun, hvis der var nok ilt og sulfid til stede. I et yderligere forsøg ville mikrobiologerne undersøge, om der var nogle metalliske forbindelser af jern eller mangan, der stod for elektrontransporten. Nils Risgaard-Petersen erstattede dele af mudderet med et lag af små glaskugler, og efter at have stået i laboratoriet i et par uger, var de karakteristiske gradienter igen blevet etableret. Der var altså ikke tale om elektrontransport gennem ledende metaller i sedimentet.

Den endelige bekræftelse kom med en scanning i et elektronmikroskop.

»Pludselig var de der over det hele,« husker Risgaard-Petersen.

»Jeg kan ikke helt forklare, hvorfor vi ikke havde set dem før, men der var altså masser af dem,« siger han om fundet af spindelvævslignende strukturer spundet ind imellem hinanden, op til to centimeter lange, hundrede gange tyndere end et menneskehår og med enten 17 eller 15 strømførende tråde under en isolerende membran.

Sammen med kolleger fra Institut for Bioscience, Aarhus Universitet, blev bakterien hurtigt artsbestemt til at være et hidtil ukendt medlem af familien Desulfobulbaceae, en svovlspisende bakterie, der normalt lever i iltfrie miljøer under jorden, og resultaterne er i denne uge blevet publiceret i en ny artikel i fagbladet Nature.

I en enkel teskefuld mudder viste der sig at være over en kilometer kabelbakterier, og så længe anode-enden sidder nede i den næringsrige sulfid, og katode-enden stikker op i ilten, kan bakterien nyde livet og mærke elektronerne krible opad igennem systemet. Kabelbakterien kan måske bedst beskrives som en slags batterier i sedimentet. Dens evne til at lede strøm synes at give så store fordele, at den erobrer store dele af energien fra stofomsætningen i havbunden. Det foregår ved at oxidere sulfid til sulfat. Dette producerer et overskud af protoner og elektroner. Elektronerne transporteres op til havbunden via kablerne, hvor de reagerer med den frie ilt i vandet. Protonerne reagerer med calciumcarbonat og jernsulfid, der frigør calcium- og jern-ioner, der driver opad og danner en beskyttende skorpe af jernhydroxid (rust) på havbunden.

»Hele den måde, hvorpå elektronerne transporteres inde i lederen, ved vi på nuværende tidspunkt intet om,« siger Risgaard-Petersen.

»Men det er ikke et helt rigtigt batteri. Det er en bakterie, som både virker som et kabel, som en anode og som en katode. Det er ikke sikkert, at man kan høste strøm ud af sådan en. Men det kan godt være, at der i sedimentet også findes nogle symbionter, som kan nyde godt af det. Men det ved vi ikke. Vores hypotese er, at bakterien får energi via denne her proces,« siger han.

Biologiske el-ledninger?

Kabelbakterien er indtil videre fundet i Aarhus Bugt og i Tokyobugten. Men de findes sandsynligvis mange andre steder - måske også på landjorden.

»Til gengæld ser det ud til, at bakterien kun optræder periodevist - primært efter iltsvindsperioder,« siger Risgaard-Petersen.

»Der er data fra Tokyobugten, som viser, at den formerer sig kraftigt i en kort periode efter iltsvind, hvorefter andre bakterier får overtaget. Måske skyldes det en overproduktion af protoner, som gør sedimentet for surt til, at bakterien selv kan leve i det. I vores inkubationsforsøg viste der sig et formeringsmaksimum efter cirka en måned, og man kunne jo forestille sig, at det er, fordi bakterierne producerer en masse syre, og at de løber tør for energi, fordi de får brugt al jernsulfiden i sedimentet.«

Da bakterietrådene er nogle temmelig skrøbelige strukturer, kan det også være, at man kun finder dem i den første tid efter et iltsvind, fordi det er en periode med relativt få dyr på havbunden. Når ilten og dyrene kommer tilbage, roder de op i sedimentet og ødelægger forbindelserne. Til gengæld kan kabelbakterien bidrage til at reetablere gode bundforhold efter et iltsvind, idet den opbygger en lille skorpe af frit tilgængeligt oxideret jern, hvilket bidrager yderligere til at tilbageholde sulfider fra havbunden.

Der er stadig mange ting at udforske, siger Risgaard-Petersen: Hvor på kloden findes disse bakterier? Hvordan er de opbygget mere præcist? Hvad er kemien og fysikken bag? Kan de eventuelt bruges til at lave biologiske el-ledninger?

Historien om kabelbakterien Desulfobulbaceae viser, at det kan være en langvarig og kompliceret proces at opdage en ny organisme, selvom den står lige foran øjnene på én. Man skal have blik for det, og det kræver en god hypotese - men også en evne til at forkaste hypotesen, så snart den viser sig ikke at holde.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først