酸素と電気的につながったケーブルバクテリアが多様なバクテリアの群れを引き寄せる

Nature Communications volume 14、記事番号: 1614 (2023) この記事を引用

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ケーブルバクテリアは、内部ワイヤーを介して電子を伝導するセンチメートル長の糸状細菌であり、したがって、より深い無酸素堆積物における硫化物の酸化と、表面堆積物の酸素還元とを結びつける。 この活動は堆積物に地球化学的変化を引き起こし、他の細菌群は酸素との電気的接続から恩恵を受けるようです。 今回我々は、酸素を呼吸するケーブルバクテリアの無酸素部分の周囲に、多様なバクテリアが密集して泳ぎ、（ケーブルバクテリアをレーザーで切断することによって）酸素との接続が遮断されるとすぐに分散することを報告する。 ラマン顕微鏡検査では、群がるバクテリアがケーブルバクテリアに近づくとより酸化されることが示されていますが、物理的接触はまれで短時間であるようであり、これは未確認の可溶性中間体を介して電子が移動する可能性を示唆しています。 メタゲノム解析によると、群がるバクテリアのほとんどは、有機栄養生物、硫化物酸化剤、そしておそらく鉄酸化剤を含む好気性菌であるようで、呼吸のためにケーブルバクテリアに電子を渡す可能性があることが示されている。 このような多様なパートナーとの関係と緊密な相互作用は、ケーブルバクテリアを介した酸素が無酸素環境の奥深くまで微生物群集やプロセスにどのように影響を与えるかを説明する可能性があります。

ケーブルバクテリアは長い糸状のバクテリアで、数センチメートルの距離を超えて電子を伝達することができ、それによって硫化物の酸化と酸素または硝酸塩の遠隔還元を結びつけることができます1,2。 それらは海洋および淡水の堆積物および帯水層で世界中で発生し 3,4,5 、硫黄、酸素、炭素、窒素の循環を直接妨害します6。 電子の再配置によって引き起こされる pH 勾配や電場を介して、鉄、カルシウム、コバルト、ヒ素の循環や、生息地内のすべてのイオン束にも間接的に影響を与えます 6、7、8、9。 淡水堆積物では、硫酸塩の還元が 4.5 倍促進され、メタン排出量が大幅に減少します 10,11。

ケーブルバクテリアの活動は、独立栄養性硫化物酸化剤の炭素同化の促進にも関連しており 12、海洋堆積物中の鉄循環バクテリアの分布と相関している 13。 これらの明らかな関連性は、酸素欠乏の堆積物中のバクテリアが何らかの形でケーブルバクテリアを酸素への電子導管として利用しているのではないかという推測につながっている 14,15。

今回我々は、顕微鏡観察、メタゲノム配列決定、レーザー顕微解剖、ラマン顕微鏡法を組み合わせて、この関連性の動態と親密性を実証し、関与する細菌を暫定的に同定し、関連する細菌群とケーブル細菌フィラメント間の電子伝達の考えられる機構を提案する。 。

淡水株 Ca の濃縮から得たケーブル バクテリア。 黄色エレクトロネマ GS16 は、顕微鏡スライド (いわゆるトレンチ スライド) 上の半自然条件下で観察されました。酸素はカバーガラスの端から拡散し、有機物、硫化物、その他の栄養素はカバーガラスの中央の堆積物から供給されました。コンパートメント（トレンチ）17、18。 この設定により、ケーブルバクテリアが堆積物から酸素と無酸素の界面まで伸びる観察ゾーンが確立され、運動性好気性バクテリアの微好気性ベールによって明確に輪郭が描かれました（図S1）。 酸素と無酸素の境界面から最大 4 mm 離れたゾーンの無酸素部分では、細菌細胞がケーブル バクテリア セグメントの周りを群れで泳ぐことが発見され、一般に隣接するケーブル バクテリア細胞の数を 2.2:1 上回っていました (図 1A、動画) S1、テーブル S1)。 詳細な細胞追跡により、ケーブル バクテリアに対する走化性挙動が示されました。群がった細胞はケーブル バクテリアのフィラメントの近くに集中しており、20 μm の距離以内で細胞密度が最も高くなりましたが、少なくとも 50 μm 離れるまで密度は増加しました (図 1B、図 1B)。 .S2)。 群がるバクテリアがケーブルバクテリアに接触する明白なパターンはありませんでしたが、従来の光学顕微鏡の解像度の限界と、より高解像度の方法を妨げる相互作用の動的な性質により、現時点では接触が発生する可能性を排除することはできません。 しかし、もしあったとしても、それはまれであり、短期間でした。 群がる細菌の遊泳速度は 20 µm の距離内で大幅に増加し (図 1C)、プロトンの推進力が増加したことを示しています 19,20,21。 ケーブルバクテリアから 10 μm 以内の距離で蛍光 in situ ハイブリダイゼーション (FISH) によって検出可能な細菌細胞の割合は、10 μm を超える距離よりも有意に高く (表 S2)、これは、バクテリアのリボソーム数が多く、したがってバルクと比較して代謝活性が高いことを示唆しています。底質バクテリア22． 総合すると、これは、ケーブルバクテリアに非常に近づくと、群れ内の代謝率が高く、群れをなすバクテリアの代謝が刺激されることを示しています。