Elektrik Bakterileri Petrol Sızıntılarını Temizlemeye ve Metan Emisyonlarını Azaltmaya Yardımcı Olabilir
Bir tutam mikroorganizmanın çevresi üzerindeki etkisi, toksik sülfürleri ve metanı temizler.
Küçük motorlu tekne Chesapeake Körfezi’nin ortasında demirliyor. Kışı geçiren kuşların çığlıkları, geminin tümü parlak turuncu yüzdürme takımları giymiş beş mürettebat üyesine saldırır. Mürettebattan biri, körfezin dibinden çamurla dolu, insan kolu uzunluğunda plastik bir tüp almak için yavaşça sudan bir ip çeker. Tüp gemiye taşınırken, çürük yumurta kokusu havayı doldurur.
Teknede bulunan Cambridge’deki Maryland Üniversitesi Çevre Bilimleri Merkezi’nde biyojeokimyacı olan Sairah Malkin, “Chesapeake Körfezi çamuru kokuyor” diyor. Koku, çamurun içindeki sülfür adı verilen sülfit kimyasallarından gelir. Malkin, oldukça zehirli olduklarını açıklıyor.
Malkin ve ekibi, kirli çamurdan numune almak ve kablo bakterisi adı verilen dalgalı çamur sakinlerinin bolluğunu izlemek için birkaç ayda bir körfeze çıkıyor. Mikroplar canlı tellerdir: İnsan saçından daha ince olan ipliksi vücutları elektriği iletebilir.
Kablo bakterileri bu gücü çevrelerini kimyasal olarak yeniden kablolamak için kullanır. Bölgedeki bazı mikroplar sülfür üretirken, kablo bakterileri bu kimyasalları uzaklaştırır ve su sütununa doğru hareket etmelerini önlemeye yardımcı olur. Belçika’daki Antwerp Üniversitesi’nde biyojeokimyacı olan Filip Meysman, sülfürleri yöneterek kablo bakterileri balıkları, kabukluları ve diğer suda yaşayan organizmaları “zehirli bir kabustan” koruyabilir. “Bu kıyı ekosistemlerindeki koruyucu melekler gibiler.”
Şimdi bilim insanları, bu canlı elektrik filamanlarının başka şekillerde nasıl iyi olabileceğini araştırıyorlar. Laboratuvar deneyleri, kablo bakterilerinin ham petrol tüketen diğer mikropları destekleyebileceğini gösteriyor, bu nedenle araştırmacılar, petrol sızıntılarını temizlemeye yardımcı olmak için bakterilerin büyümesini nasıl teşvik edeceklerini araştırıyorlar. Dahası, araştırmacılar kablo bakterilerinin atmosfere güçlü bir sera gazı olan metan emisyonlarını azaltmaya yardımcı olabileceğini gösterdi.
Meysman, kablo bakterilerinin mikrobiyal komşuları üzerinde güçlü bir etki yarattığına dair çok sayıda kanıt olduğunu söylüyor. Bir sonraki adımın, bu etkiyi daha iyiye nasıl kanalize edeceğini bulmak olduğunu söylüyor.
Elektrik Ömrü
Mikroskop altında, kablo bakterileri uzun sosis bağlantılarına benzer. Çok hücreli vücutları 5 santimetreye kadar büyüyebilir. Her hücrenin zarfına gömülü, bakterilerin elektronları yönlendirmek için kullandığı iletken proteinlerin paralel “telleri” vardır. Meysman’a göre teller elektronikte bulunan yarı iletkenlerden daha iletkendir.
Yaklaşık on yıl önce, bir bilim insanları ekibi, Danimarka’nın Aarhus Körfezi’nin dibinden toplanan tortuda ilk olarak kablo bakterisini keşfetti. O zamandan beri, en az dört kıtada, akarsularda, göllerde, haliçlerde ve kıyı ortamlarında kablo bakterileri bulunmuştur. Meysman, “Bana bir ülke söyleyin, size kablo bakterilerinin nerede olduğunu göstereyim” diyor.
Çoğu zaman, kablo bakterileri tortuda sığ bir şekilde yuvalanır, bir ucu oksijenin bulunduğu yüzeye yakın konumlandırılmış ve diğer ucu daha derin, sülfür açısından zengin bölgelere takılır. Hollanda’daki Utrecht Üniversitesi’nde biyojeokimyacı olan Nicole Geerlings, kablo bakterilerinin elektrik iletkenleri olarak ipliksi gövdelerini kullanarak bir uçta sülfürlerden elektronları kaptığını ve diğer uçta onları oksijene hevesli bir elektron alıcısı – yüklediğini söylüyor. Pillerin bir anot ve katot arasında elektronları aktararak enerjiyi nasıl şarj edip serbest bıraktığına benzer şekilde, kablo bakterileri elektronları kanalize ederek kendilerine güç sağlar, diyor. “Elektron taşıması [kablo bakterileri] enerjisi verir.”
Bu eşsiz yaşam tarzı, kablo bakterilerinin birçok organizmanın dayanamayacağı bir ortamda yaşamasını sağlar.
Zehirli Yangın Duvarı
2015 yılında Malkin, Meysman ve meslektaşları, kablo bakterilerinin, oksijen açlığı çeken su kütlelerinde ölümcül bir sülfit birikimi olan euxinia’nın başlangıcını önlemeye yardımcı olabileceğini bildirdi. Euxinia balıkların, kabukluların ve diğer su canlılarının toplu ölümlerini tetikleyebilir.
Ölümcül fenomen, gübrelerin veya kanalizasyonun denize veya göllere yıkanmasından sonra ortaya çıkabilir. Bu besin akışı alg çiçeklerini tetikleyebilir. Bu besinler tükendiğinde, çiçekler ölür ve büyük miktarlarda organik madde çökelti üzerinde birikir. Mikroplar daha sonra ölü materyali ayrıştırır ve bu süreçte çevredeki sudaki oksijenin çoğunu tüketir. Oksijen seviyeleri kritik derecede düşük olduğunda, sülfürler tortudan suya sızmaya başlayabilir ve öksiniye neden olabilir.
Malkin ve meslektaşları Hollanda’da acı bir su kütlesindeki kablo bakterilerini incelerken, gölün dibini kaplayan ince bir pas tabakası keşfettiler. Kablo bakterileri, zararlı kimyasalları daha az zararlı sülfatlara dönüştürerek sülfürlerden elektronları çekerken, tortu içindeki su daha asidik hale geldi ve bu da demir içeren bazı mineralleri çözdü. Artık hareket halinde olan demir, pas oluşturmak üzere oksijenle etkileşime girene kadar tortuda yukarı doğru süzüldü.
Araştırmacılar, bu pas tabakasının, aksi takdirde suya akan sülfürleri yakalayabileceğini, euxinia’yı bir aydan fazla geciktirebilecek veya hatta tamamen önleyebilecek bir “ateş duvarı” görevi görebileceğini bildirdi. Kablo bakterilerinin popülasyonu düştüğünde bile pas tabakası varlığını sürdürerek diğer suda yaşayan canlıları sülfür maruziyetinden koruyordu. Pas, besin kirliliği, alg patlamaları ve oksijen tükenmesi örneklerinin nispeten yaygın olmasına rağmen, öksinia raporlarının neden nadir olduğunu açıklayabilir.
Yağ Temizleme
Bazı araştırmacılar, kıyı ekosistemlerine yönelik başka bir yıkıcı tehdit olan petrol sızıntılarıyla mücadele etmek için bakterinin elektriksel yeteneklerini kullanmaya çalışıyor.
Bir su kütlesinde bir petrol sızıntısı meydana geldiğinde, hidrokarbonların yüzeye yayılmasını sınırlamak için genellikle engeller, sıyırıcılar veya emici maddeler kullanılır. Ancak petrol aynı zamanda kumsallara da akabilir, sığ sulardaki tortularla karışabilir ve batan organik enkaz parçacıkları üzerinde toplanarak deniz tabanına doğru bir yolculuk yapabilir.
Danimarka’daki Aarhus Üniversitesi’nde biyojeokimyacı olan Ugo Marzocchi, denizin dibindeki petrolü temizlemenin zor bir iş olduğunu söylüyor. “Deniz tabanından hidrokarbonları temizlemenin çok etkili bir yolunun farkında değilim” diyor. Denizde daha da pahalıya mal olacak pahalı bir strateji olarak “İç tatlı su sistemlerinde genellikle yapılan şey tortuları kazmaktır” diyor.
Bazı toprakta yaşayan mikroorganizmalar, metabolizmalarını beslemek için hidrokarbonları kullanabilir ve araştırmacılar, bu yağ yakıcıların bazılarının kirlenmiş tortuların temizlenmesine nasıl yardımcı olabileceğini araştırıyorlar. Ancak, hidrokarbonları parçaladıkça mikroplar, mikropların kendi hayatta kalmasına zarar veren sülfürlerle ilgili olanları üretir, diyor Marzocchi. Başka bir deyişle, mikroplar, kendi zehirli atıklarıyla boğulmadan çok önce yağın temizlenmesine yardımcı olabilir.
Marzocchi, kablo bakterilerinin tam çözüm olabileceğini düşündü. 2016’da araştırmacılar, Almanya’da katranlı petrolle kirlenmiş bir yeraltı suyu akiferinde elektrik mikroplarına dair kanıtlar bulduklarını bildirdiler. Kablo bakterilerinin hidrokarbonlarla kirlenmiş tortuları işgal edebileceğini bilen Marzocchi ve meslektaşları, bu bakterilerin yağ yakan mikroplara yardımcı olabileceğini ve petrolün temizlenmesini hızlandırabileceğini düşündüler.
Araştırmacılar, doğal olarak oluşan yağ yiyen bakterileri içeren Aarhus Körfezi’nden gelen yağla kirlenmiş tortu ile birkaç kabı doldurdu. Grup daha sonra birkaç kaba kablo bakterisi enjekte etti ve yedi hafta boyunca tüm kaplardaki hidrokarbon bozunma derecesini izledi. Testin sonunda, kablo bakterili tortudaki alkan konsantrasyonu bir tür hidrokarbon gram tortu başına 0.125 miligramdan gram başına 0.086 miligrama yüzde 31’lik bir düşüş düştü. Bu, kontrol numunelerindeki yüzde 9’luk düşüşten 23 puan fazla. Kablo bakterileri, toksik sülfitleri sülfatlara dönüştürerek yağ yiyen komşularının metabolik aktivitesini hızlandırmaya yardımcı oldu. Sülfatlar yağ yiyen mikroplara zarar vermedi aslında kimyasalları yakıt olarak kullandılar.
Kurtarmak için
Petrol yiyen mikroplar, bir petrol sızıntısı ile kirlenmiş deniz tabanındaki tortuları temizleyebilir. Ancak mikroplar, mikropların aktivitesini engelleyen atık olarak toksik sülfürler üretir. Kablo bakterileri, sülfürlerden elektronları toplayarak, onları yağ yiyen mikropların yakıt olarak kullandığı sülfatlara dönüştürerek yardımcı olabilir. Bu arada, kablo bakterileri elektronları vücutlarına yönlendirir ve tortudaki oksijene iletir. Bu taşıma, süreçte kablo bakterilerinin metabolizmasına güç sağlar.
Kablo bakterileri petrol sızıntısı temizlemelerine nasıl yardımcı olabilir?
Araştırmacılar şimdi sahada kablo bakterilerinin büyümesini teşvik etmek için yöntemler geliştirmeye çalışıyorlar ve petrol bozulması üzerindeki etkilerini arttırmanın mümkün olup olmadığını görüyorlar. Bir yakalama, petrolle kirlenmiş tortuda, hidrokarbonları parçalayan mikroplar tarafından oksijenin hızla tüketilmesidir. Kablo bakterilerinin oksijene erişmesi gerektiğinden bu bir problemdir. Kablo bakterilerinin oksijen yerine kullanabileceği oksijeni veya nitratı yavaşça salan tuzlar, petrol sızıntılarında elektrikli organizmaların büyümesini teşvik etmeye yardımcı olabilir. Ancak Marzocchi, doğru kimyasal bileşenleri ve dozu belirlemek için daha fazla çalışmaya ihtiyaç olduğunu söylüyor.
Bu arada bilim insanları, kablo bakterilerinin gökyüzünde biriken başka bir hidrokarbon emisyonunu azaltmaya nasıl yardımcı olabileceğini araştırıyorlar.
Kökteki Metan
Renksiz, kokusuz metan en basit hidrokarbondur. Dörtlü hidrojen atomuna bağlı tek bir karbon atomundan oluşur. Ve güçlü bir sera gazıdır atmosferdeki ısıyı karbondioksitten 25 kat daha etkilidir.
Ana metan kaynaklarından biri pirinç tarlalarıdır. Büyüme mevsimi boyunca, pirinç çiftçileri genellikle yabani otları ve zararlıları uzaklaştırmak için tarlalarını sular altında bırakır. Metan üreten mikroplar uygun şekilde metanojenler olarak adlandırılırlar bu su dolu topraklarda gelişirler. Çeltikte yaşayan metanojenler o kadar üretken ki, pirinç tarlalarının insan kaynaklı tüm metan emisyonlarının yaklaşık yüzde 11’ini oluşturduğu tahmin ediliyor.
Ancak kablo bakterileri de çeltik gibi. 2019’da Aarhus Üniversitesi’nde mikrobiyolog olan Vincent Scholz ve meslektaşları, kablo bakterilerinin pirinç bitkilerinin ve diğer bazı sucul bitki türlerinin kökleri arasında gelişebileceğini bildirdi.
Bu keşif, araştırmacılara, bakterilerin pirinç yetiştiren topraklarda metanojenlerle nasıl etkileşime girdiğini araştırmaları için ilham verdi. Ekip, kendi pirinç bitkilerini yetiştirdi bazıları kablo bakterili topraklarda saksılı, bazıları ise yok ve metan emisyonlarını izledi.
Araştırmacıların sürprizine göre, kablo bakterilerinin eklenmesi, pirinç toprağı metan emisyonlarını yüzde 93 oranında azalttı. Sülfürlerden elektronları uzaklaştırma sürecinde bakteriler, diğer mikropların yakıt olarak kullanabileceği sülfatlar üretir. Araştırmacılar, sülfat tüketen bu mikropların pirinç topraklarındaki hidrojen ve asetat gibi besinler için metanojenleri geride bıraktığını buldu. Scholz, gerçek pirinç tarlalarındaki elektrik mikroplarının etkinliği henüz test edilmemiş olsa da sonuçların “oldukça şaşırtıcı” olduğunu söylüyor.
Kablo bakterilerinin gerçek çeltik toprağına zaten takılmış olduğuna dair işaretler var. Scholz ve meslektaşları, Amerika Birleşik Devletleri, Hindistan, Vietnam ve Çin’deki pirinç tarlalarından toplanan genetik verileri analiz ettikten sonra, 2021’de dört ülkedeki tesislerde kablo bakterilerinin varlığını bildirdiler. Scholz bu yaz Kuzey Kaliforniya’da kablo bakterilerinin pirinç tarlalarında nasıl yaşadığını ve metan emisyonlarını zaten etkileyip etkilemediklerini araştırıyor. Ayrıca kablo bakterilerini pirinç tarlalarına henüz var olmadıkları yerlerde sokmanın veya mikropların bulundukları alanlardaki sayılarını artırmanın yollarını araştırıyor.
Malkin, incecik elektrik iletkenlerinin dünyamızı nasıl etkilediğine dair keşfedilecek daha çok şey olduğunu söylüyor. Chesapeake Körfezi’ne geri döndüğünde, o ve meslektaşları, kablo bakterilerinin ilkbaharda gelişme eğiliminde olduğunu keşfettiler, bu Hollanda’da da gözlenen bir artış. Bulgular, kablo bakterilerinin, çevreleriyle dünyanın her yerinde benzer şekillerde etkileşime giren fırsatçı organizmalar olduğunu öne süren büyüyen bir çalışma grubuna katkıda bulunuyor.
Kablo bakterileri gezegende zaten çok çalışıyorsa, çamurda yaşayan yaratıkları bir canlının isteyebileceği en yararlı komşulara dönüştürmek için araştırmacıların biraz ikna etmesi yeterli olabilir.
Yazan: İlknur YEŞİLYURT
Referans
VV Scholz ve ark . Su bitkilerinin oksijen salan köklerindeki kablo bakterileri: yaygın ve çeşitli bir bitki-mikrop birliği . Yeni Fitolog . Cilt 232, Aralık 2021.
AS Barajı et al . Tuzluluğun kablo bakteri tür kompozisyonu ve çeşitliliği üzerine etkisi . Çevre Mikrobiyolojisi . Cilt 23 Mayıs 2021, s. 2605.
Marzocchi ve ark . Paralel yapay ve biyolojik elektrik devreleri petrol dekontaminasyonuna güç sağlar: Şnorkel ve kablo bakterileri durumu . Su Araştırması . Cilt 173, Nisan 2020.
VV Scholz ve ark. Su bitkilerinin rizosferi, kablo bakterileri için bir yaşam alanıdır . FEMS Mikrobiyal Ekoloji . Cilt 95, Haziran 2019.
LDW Burdorf ve ark . Uzun mesafeli elektron taşınması, küresel olarak deniz tortullarında meydana gelir . Biyojeobilimler . Cilt 14 Şubat 2017, s. 683.
Seitaj ve diğerleri . Kablo bakterileri mevsimsel hipoksik havzalarda euxinia’ya karşı bir güvenlik duvarı oluşturur . PNAS . Cilt 112, Ekim 2015, s. 13278.