Впервые Derek Lovley в UMass Amherst в лабораторных условиях было продемонстрировано, как один из самых распространённых метанобразующих микроорганизмов на Земле формирует прямые электрические соединения с прочими видами, при этом высвобождая газ совершенно неожиданным способом.
В течении 40 лет учёные полагали, что им удалось разгадать, как определённые бактерии взаимодействуют, дабы анаэробно «переварить» биомассу и собственно образовать метан, который играет важную роль в биоэнергетике и является основным источником парниковых газов.
Lovley и его коллеги, среди которых и Amelia-Elena Rotaru, описали недавно обнаруженные свойства метанобразующей бактерии Methanosaeta в последнем выпуске журнале Energy and Environmental Science.
По словам Lovley, исследователи обнаружили, что у Methanosaeta есть способность редуцировать углекислый газ (СО2). Он отметил, что метанобразующий механизм этих микроорганизмов весьма специфичен, в частности Methanosaeta вступают в электрические соединения с другими бактериями образуя метаногены, которые ранее были не известны учёным.
Разновидности Methanosaeta важны по нескольким причинам, отметает Lovley. Они являются настолько активными в метаногенных заболоченных местах, что их считают одними из крупнейших производителей метана на планете. Следует отметить, что это вызывает обеспокоенность, поскольку наличие метана в атмосфере в 20 раз более «эффективно» для аккумуляции тепла, нежели в случае с СО2. К тому же тундровые почвы нагреваются должным образом в виду изменения климата. Кроме того, метан, образующийся в анаэробных реакторах биомассы, имеет важное экономическое значение, поскольку является «одним из немногих проверенных, экономических, крупномасштабных биоэнергетических систем», которые активно используются в настоящее время многими странами.
Метанобразующие бактерии исследуются уже не первое десятилетие, но, по словам Lovley, «каждый раз учёные пропускали главный путь, по которому проходят такие микроорганизмы в процессе образования метана». Исследования начались с того, что учёные обнаружили в отходах пивоварни огромное количество микроорганизмов, получивших название геобактерии. Сама геобактерия не может произвести метан, но помимо того, что она характеризуется способностью вырабатывать электрический заряд из своей привычной среды обитания, геобактерия может разрушать более сложные соединения на составляющие, которые метанобразующие бактерии могут использовать в дальнейшем.
Учёные UMass Amherst из предыдущих исследований знали, что геобактерии способны образовывать электропроводящие нити, известные как микробные нанопровода, которые могут транспортировать электроны вне клетки, дабы сформировать электрические соединения с минералами, электродами или прочими клетками. Methanosaeta были доминирующими метанобразующими микроорганизмами в своего рода «варочных котлах» (систематизаторах), преобразовывающих ацетат в метан, но анализ экспрессии генов в систематизаторах показал, что Methanosaeta также характеризуется чрезвычайно выраженными генами для преобразования диоксида углерода в метан. Исследователи предположили, что геобактерии снабжали Methanosaeta электронами через свои нанопровода, содействуя тем самым преобразованию CO2 Methanosaeta в метан.
Дальнейшие исследования, в рамках которых геобактерии и разновидности Methanosaeta культивировали вместе, подтвердили все предположения Lovley. Он и его коллеги использовали радиоактивные отметки, чтобы продемонстрировать, как СО2 превращается в метан. Они реализовывали эту передачу с помощью микробных нанопроводов посредством «прямой передачи электронов от одного вида микроорганизмов, к другому». Было подтверждено, что когда они использовали генетически видоизменные штаммы геобактерий для того, чтобы предотвратить процесс образования нанопрововдов, процесс не работал, то есть метан не образовывался.
По словам Lovely, их открытие оспаривает концепцию, которой придерживались на протяжении десятилетий, согласно которой метанобразующие бактерии прежде всего обмениваются электронами посредством производства и потребления водорода.
«Прямая передача электронов от одного вида микроорганизмов, к другому» — «direct interspecies electron transfer» (DIET) потенциально более эффективный способ насыщения электронами метанобразующих микроорганизмов. По словам Lovely, теперь ему и его коллегам предстоит выяснить, как метанобразующие микроорганизмы реагируют на изменения климата. Микробные сообщества, которые используют для обмена электронами DIET, могут совершенно иначе реагировать на климатические изменения, чем тем, которые полагаются на водородный обмен.
