Bactérias de cabo com conexão elétrica ao oxigênio atraem bandos de diversas bactérias

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 1614 (2023) Citar este artigo

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Bactérias de cabo são bactérias filamentosas de centímetros de comprimento que conduzem elétrons através de fios internos, acoplando assim a oxidação de sulfeto em sedimentos anóxicos mais profundos com redução de oxigênio em sedimentos superficiais. Essa atividade induz mudanças geoquímicas no sedimento, e outros grupos bacterianos parecem se beneficiar da conexão elétrica com o oxigênio. Aqui, relatamos que diversas bactérias nadam em um bando compacto ao redor da parte anóxica das bactérias do cabo que respiram oxigênio e se dispersam imediatamente quando a conexão com o oxigênio é interrompida (cortando as bactérias do cabo com um laser). A microscopia Raman mostra que as bactérias floculadas são mais oxidadas quando mais próximas das bactérias do cabo, mas o contato físico parece ser raro e breve, o que sugere transferência potencial de elétrons por meio de intermediários solúveis não identificados. A análise metagenômica indica que a maioria das bactérias floculantes parece ser aeróbica, incluindo organotróficos, oxidantes de sulfeto e possivelmente oxidantes de ferro, que podem transferir elétrons para bactérias de cabo para respiração. A associação e a interação próxima com parceiros tão diversos podem explicar como o oxigênio via cabo bacteriano pode afetar comunidades microbianas e processos distantes em ambientes anóxicos.

As bactérias dos cabos são bactérias filamentosas longas que podem transmitir elétrons em distâncias centimétricas e, assim, acoplar a oxidação do sulfeto à redução remota de oxigênio ou nitrato1,2. Eles ocorrem globalmente em sedimentos e aquíferos marinhos e de água doce3,4,5 e interferem diretamente na ciclagem de enxofre, oxigênio, carbono e nitrogênio6. Por meio de gradientes de pH e campos elétricos induzidos por sua realocação de elétrons, eles também influenciam indiretamente o ciclo de ferro, cálcio, cobalto e arsênico e todos os fluxos de íons em seus habitats6,7,8,9. Em sedimentos de água doce, eles podem causar uma estimulação de 4,5 vezes na redução de sulfato e reduzir drasticamente a emissão de metano10,11.

A atividade das bactérias cabo também foi associada à assimilação aumentada de carbono de oxidadores de sulfeto autotróficos12 e correlacionada com a distribuição de bactérias cicladoras de ferro em sedimentos marinhos13. Essas aparentes associações levaram a especulações de que as bactérias em sedimentos anóxicos podem, de alguma forma, usar as bactérias do cabo como um conduto de elétrons para o oxigênio14,15.

Aqui, usamos uma combinação de observações microscópicas, sequenciamento de metagenoma, microdissecção a laser e microscopia Raman para demonstrar a dinâmica e a intimidade dessa associação, identificar provisoriamente as bactérias envolvidas e propor um mecanismo provável para transferência de elétrons entre bandos bacterianos associados e filamentos bacterianos de cabo .

Bactérias de cabo de um enriquecimento da cepa de água doce Ca. O Electronema aureum GS16 foi observado em condições semi-naturais em uma lâmina de microscópio (a chamada lâmina de trincheira), onde o oxigênio se difundiu a partir da borda da lamela, enquanto matéria orgânica, sulfeto e outros nutrientes foram fornecidos a partir de sedimentos em um centro compartimento (vala)17,18. Esta configuração estabeleceu uma zona de observação onde as bactérias do cabo se estenderam do sedimento para a interface óxi-anóxica, que foi claramente delineada por um véu microaerófilo de bactérias aeróbicas móveis (Fig. S1). Na parte anóxica da zona, até 4 mm de distância da interface óxico-anóxica, descobriu-se que células bacterianas nadam em bando em torno de segmentos de bactérias de cabo, geralmente superando em número as células de bactérias de cabo adjacentes em 2,2:1 (Fig. 1A, Filme S1, Tabela S1). O rastreamento detalhado das células mostrou um comportamento quimiotático em relação às bactérias do cabo: as células floculadas estavam concentradas perto dos filamentos das bactérias do cabo, com as maiores densidades celulares a uma distância de 20 µm, mas ainda com densidades aumentadas até pelo menos 50 µm de distância (Fig. 1B, Fig. . S2). Não houve nenhum padrão evidente de bactéria reunindo-se tocando bactérias de cabo, mas com as limitações de resolução dos microscópios de luz convencionais e a natureza dinâmica da interação impedindo métodos de resolução mais alta, atualmente não podemos excluir que o toque possa ocorrer; mas se assim for, foi raro e breve. A velocidade de natação das bactérias reunidas foi significativamente aumentada em uma distância de 20 µm (Fig. 1C), indicando um aumento da força motriz de prótons19,20,21. A fração de células bacterianas detectáveis ​​por hibridização fluorescente in situ (FISH) dentro de 10 µm de distância das bactérias do cabo foi significativamente maior do que > 10 µm de distância (Tabela S2), sugerindo que elas tinham uma maior contagem de ribossomos e, portanto, maior atividade metabólica em comparação com o volume bactérias do sedimento22. Juntos, isso indica altas taxas metabólicas dentro do bando e estimulação metabólica das bactérias floculantes quando se aproximam muito das bactérias do cabo.