Les bactéries des câbles connectées électriquement à l'oxygène attirent des troupeaux de bactéries diverses

Nature Communications volume 14, Numéro d'article : 1614 (2023) Citer cet article

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Les bactéries des câbles sont des bactéries filamenteuses d'un centimètre de long qui conduisent les électrons via des fils internes, couplant ainsi l'oxydation des sulfures dans les sédiments anoxiques plus profonds avec la réduction de l'oxygène dans les sédiments de surface. Cette activité induit des changements géochimiques dans les sédiments, et d'autres groupes bactériens semblent bénéficier de la connexion électrique à l'oxygène. Nous rapportons ici que diverses bactéries nagent en troupeau serré autour de la partie anoxique des bactéries du câble respirant l'oxygène et se dispersent immédiatement lorsque la connexion à l'oxygène est interrompue (en coupant les bactéries du câble avec un laser). La microscopie Raman montre que les bactéries du flocage sont plus oxydées lorsqu'elles sont plus proches des bactéries du câble, mais le contact physique semble rare et bref, ce qui suggère un transfert potentiel d'électrons via des intermédiaires solubles non identifiés. L'analyse métagénomique indique que la plupart des bactéries floquées semblent être des aérobies, notamment des organotrophes, des oxydants de sulfure et éventuellement des oxydants de fer, qui pourraient transférer des électrons aux bactéries du câble pour la respiration. L'association et l'interaction étroite avec des partenaires aussi divers pourraient expliquer comment l'oxygène via les bactéries du câble peut affecter les communautés et les processus microbiens jusque dans les environnements anoxiques.

Les bactéries du câble sont de longues bactéries filamenteuses qui peuvent transmettre des électrons sur des distances centimétriques et ainsi coupler l'oxydation du sulfure à la réduction à distance de l'oxygène ou du nitrate1,2. Ils sont présents à l’échelle mondiale dans les sédiments et aquifères marins et d’eau douce3,4,5 et interfèrent directement avec le cycle du soufre, de l’oxygène, du carbone et de l’azote6. Via les gradients de pH et les champs électriques induits par la relocalisation de leurs électrons, ils influencent également indirectement le cycle du fer, du calcium, du cobalt et de l'arsenic ainsi que tous les flux ioniques dans leurs habitats6,7,8,9. Dans les sédiments d’eau douce, ils peuvent stimuler la réduction des sulfates par 4,5 et réduire considérablement les émissions de méthane10,11.

L’activité des bactéries du câble a également été associée à une meilleure assimilation du carbone des oxydants sulfurés autotrophes12 et corrélée à la répartition des bactéries cyclant le fer dans les sédiments marins13. Ces associations apparentes ont conduit à des spéculations selon lesquelles les bactéries présentes dans les sédiments anoxiques pourraient d'une manière ou d'une autre utiliser les bactéries du câble comme conduit d'électrons vers l'oxygène14,15.

Nous utilisons ici une combinaison d'observations microscopiques, de séquençage du métagénome, de microdissection laser et de microscopie Raman pour démontrer la dynamique et l'intimité de cette association, identifier provisoirement les bactéries impliquées et proposer un mécanisme probable de transfert d'électrons entre les troupeaux bactériens associés et les filaments bactériens des câbles. .

Bactéries de câble issues d'un enrichissement de la souche d'eau douce Ca. Electronema aureum GS16 ont été observés dans des conditions semi-naturelles sur une lame de microscope (appelée lame de tranchée), où l'oxygène se diffusait depuis le bord de la lamelle, tandis que la matière organique, le sulfure et d'autres nutriments provenaient des sédiments dans un milieu central. compartiment (tranchée)17,18. Cette configuration a établi une zone d'observation dans laquelle les bactéries du câble s'étendaient du sédiment jusqu'à l'interface oxique-anoxique, qui était clairement délimitée par un voile microaérophile de bactéries aérobies mobiles (Fig. S1). Dans la partie anoxique de la zone, jusqu'à 4 mm de l'interface oxique-anoxique, des cellules bactériennes ont été découvertes nageant en groupe autour des segments de bactéries du câble, dépassant généralement de 2,2 : 1 les cellules bactériennes du câble adjacentes (Fig. 1A, Film). S1, tableau S1). Un suivi cellulaire détaillé a montré un comportement chimiotactique envers les bactéries du câble : les cellules floquées étaient concentrées à proximité des filaments des bactéries du câble, avec les densités cellulaires les plus élevées à une distance de 20 µm, mais des densités toujours accrues jusqu'à au moins 50 µm (Fig. 1B, Fig. .S2). Il n'y avait pas de motif manifeste de flocage de bactéries touchant les bactéries des câbles, mais avec les limitations de résolution des microscopes optiques conventionnels et la nature dynamique de l'interaction dissuadant les méthodes à plus haute résolution, nous ne pouvons actuellement pas exclure qu'un contact puisse se produire ; mais si c'était le cas, c'était rare et bref. La vitesse de nage des bactéries floquées était significativement améliorée sur une distance de 20 µm (Fig. 1C), indiquant une augmentation de la force motrice des protons . La fraction de cellules bactériennes détectables par hybridation in situ par fluorescence (FISH) à une distance de 10 µm des bactéries du câble était significativement supérieure à une distance >10 µm (Tableau S2), ce qui suggère qu'elles avaient un nombre de ribosomes plus élevé et donc une activité métabolique plus élevée que la masse. bactéries des sédiments22. Pris ensemble, cela indique des taux métaboliques élevés au sein du troupeau et une stimulation métabolique des bactéries floquées lorsqu’elles se rapprochent vraiment des bactéries du câble.