El suelo debajo de nuestros pies está haciendo algo extraño. En algún lugar de las profundidades opacas del suelo saturado, donde la luz solar nunca alcanza, las bacterias están impulsando las reacciones químicas con la energía que almacenaban horas antes, cuando el sol todavía estaba levantado. Los científicos ahora han descubierto cómo lo hacen, y la respuesta se lee como algo de la ciencia ficción.
Los investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Kunming y la Universidad de Massachusetts Amherst descubrieron que las bacterias del suelo comunes pueden unirse con minerales de hierro para formar lo que equivale a un condensador biológico. El sistema se cobra a la luz del día y libera sus electrones almacenados en la oscuridad para descomponer los contaminantes antibióticos. Es, en esencia, una batería viva hecha de suciedad.
Los jugadores clave son Bacillus Megaterium, bacterias abundantes en suelos en todo el mundo y minerales de óxido de hierro como hematita y goethita. Cuando se cultivan, forman biopelículas con una propiedad eléctrica peculiar. Bajo la luz, los minerales de hierro absorben fotones y generan electrones. Las bacterias, a través de sus procesos metabólicos, facilitan el almacenamiento de estos cargos en la interfaz mineral-microbe. Cuando cae la oscuridad, los electrones almacenados se liberan para impulsar las reacciones químicas.
Cargándose para el turno nocturno
En pruebas de laboratorio, el Fe2O3-B. Megaterium compuesto acumuló 8.06 microcoulombs por centímetro cuadrado durante los ciclos de luz-oscuridad. La carga neta aumentó de 2.87 a 4.08 microcoulombas por centímetro cuadrado en tres ciclos, lo que indica que los electrones se acumulaban en el sistema como el agua que llena un depósito.
Las implicaciones prácticas surgieron cuando los investigadores introdujeron antibióticos a las biopelículas cargadas en completa oscuridad. Después de 60 minutos de exposición a la luz, el sistema degradó el 20 por ciento del clorhidrato de tetraciclina y el 22 por ciento de cloranfenicol durante una fase oscura posterior. Esto representó una mejora del rendimiento del 47 al 67 por ciento en comparación con las biopelículas que recibieron solo 20 minutos de carga de luz.
Nuestros hallazgos revelan que los microorganismos y minerales del suelo pueden en conjunto, como pequeñas baterías naturales. Este sistema puede capturar la luz solar durante el día y usar esa energía por la noche para eliminar los contaminantes.
El mecanismo depende del ciclo de hierro entre sus formas ferrosas (Fe (II)) y férricas (Fe (III)). La espectroscopía de fotoelectrones de rayos X reveló que las bacterias reducen Fe (III) en hematita a Fe (II), con el contenido de Fe (II) aumentando de 17.4 por ciento a 28.4 por ciento a medida que aumentaba la densidad bacteriana. Este estado de valencia mixta permite que la superficie mineral almacene y libere electrones, mientras que los metabolitos bacterianos como los compuestos de fosfato y las moléculas que contienen nitrógeno mejoran la transferencia de carga.
Más que solo control de la contaminación
El análisis electroquímico mostró que la interfaz bacteria mineral crea una estructura pseudocapacitiva. La capacitancia interfacial aumentó de cinco a nueve veces en comparación con cualquier componente solo, mientras que la resistencia a la transferencia de electrones cayó en tres órdenes de magnitud. La constante de tiempo para la migración del portador de carga disminuyó en dos o tres órdenes de magnitud, lo que indica un movimiento de electrones mucho más rápido a través de la biopelícula.
Los investigadores notaron que los experimentos de control con minerales de hierro o bacterias solas mostraron una degradación antibiótica insignificante después de la exposición a la luz. El efecto solo surgió cuando ambos componentes estaban presentes, lo que sugiere que la interfaz entre mineral y microbio es donde ocurre la acción.
Este descubrimiento abre una nueva ventana sobre cómo la energía solar puede impulsar procesos biogeoquímicos incluso debajo de la superficie del suelo donde la luz solar no puede alcanzar. También sugiere una forma ambientalmente sostenible de remediar los suelos contaminados y el agua subterránea.
Las observaciones de campo admiten los hallazgos del laboratorio. B. megaterium coloniza las rizosferas vegetales a concentraciones de 100,000 a 10 millones de unidades formadoras de colonias por gramo en cultivos como el arroz y la alfalfa, y con frecuencia encuentra sedimentos ricos en hierro en zonas de marea. La bacteria permaneció viable durante los experimentos, como se confirma por la microscopía de fluorescencia.
El estudio plantea preguntas sobre las vías de energía ocultas en los ecosistemas. Los modelos tradicionales suponen que la energía solar en suelos saturados fluye principalmente a través de plantas fotosintéticas, que producen materia orgánica que los microbios consumen. Este trabajo sugiere una ruta alternativa donde las bacterias no fotosintéticas pueden cosechar energía de la luz indirectamente a través de fotosensibilizadores minerales.
Los investigadores encontraron que las biopelículas desarrollaron estructuras laminares similares a las costras biológicas del suelo que se encuentran en entornos naturales. Estas estructuras mostraron una mayor capacidad de almacenamiento de carga que aumentó con el tiempo a medida que la biopelícula maduró. Después de siete días de cultivo, la acumulación de carga neta aumentó 3.2 veces en comparación con las biopelículas de un día de edad.
Si los sistemas similares operan en entornos naturales sigue siendo una pregunta abierta. Los investigadores señalan descubrimientos anteriores de películas minerales-microbianas en diversos hábitats chinos, incluidas pinturas de rocas del desierto de Gobi, formaciones de kárstica del suroeste y suelos rojos del sur, todos que muestra evidencia de actividad quimiosintética basada en la luz.
El trabajo, publicado en procesos ambientales y biogeoquímicos, recibió el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo clave, junto con fondos de la provincia de Yunnan.
Procesos ambientales y biogeoquímicos: 10.48130/EBP-0025-0006
No hay muro de pago aquí
Si nuestros informes lo han informado o inspirado, considere hacer una donación. Cada contribución, sin importar el tamaño, nos permite continuar entregando noticias y noticias médicas precisas, atractivas y confiables. El periodismo independiente requiere tiempo, esfuerzo y recursos: su apoyo asegura que podamos seguir descubriendo las historias que más le importan.
Únase a nosotros para hacer que el conocimiento sea accesible e impactante. ¡Gracias por estar con nosotros!