Бактерии анаммокса генерируют энергию из сточных вод, "дыша" через внешние материалы

Исследователи из KAUST обнаружили, что анаэробные бактерии анаммокса, ответственные за более 50% потерь азота в морских средах, способны использовать твердотельные материалы вне своих клеток для дыхания. Это открытие расширяет знания о глобальном азотном цикле и имеет важный потенциал для энергосбережения при очистке сточных вод.

Живые организмы используют реакции окисления/восстановления для получения энергии. Обычно у бактерий анаммокса считалось, что они используют аммоний в качестве донора электронов, а внутриклеточный растворимый нитрит — в качестве акцептора, с выделением газообразного азота.

Однако команда под руководством специалиста по экологической биотехнологии Паскаля Сайкали обнаружила, что пресноводные и морские бактерии анаммокса также могут переносить электроны от аммония к внеклеточным акцепторам, таким как оксид графена или электроды в микробных электролизных элементах.

Изучив геном анаммокс-бактерий, исследователи нашли в них железосодержащие белки — цитохромы, которые также присутствуют у бактерий, известных способностью к переносу электронов за пределы клетки.

Ключевое открытие: электроны переносились от аммония внутри бактерии к твердотельному материалу снаружи клетки. При этом электроны преодолевали три различных клеточных барьера, начиная из клеточной органеллы под названием анаммоксосома.

"Это означает, что мы впервые продемонстрировали тип бактерий, способных переносить электроны через три различные мембраны. Это открытие бросает вызов нашим представлениям о клеточной биологии", — говорит Паскаль Сайкали.

Практическое значение для очистки сточных вод:

• Бактерии анаммокса уже используются для удаления аммония, что экономит энергию по сравнению с аэробными бактериями, требующими кислорода.
• Однако сейчас им для работы нужен нитрит, который производят другие бактерии, требующие кислорода и энергии.
• Новое открытие предполагает, что анаммокс-бактерии можно использовать отдельно для удаления аммония, одновременно генерируя энергию в виде электрического тока или богатого энергией газообразного водорода в микробных электролизных элементах.

"Наши выводы — это прорыв в областях микробной экологии, биоэлектрохимии и устойчивой очистки сточных вод", — добавляет аспирант Дарио Шоу.