Microbial interspecies electron transfer via electric currents through conductive minerals

电子转移 导电的 电流 化学 材料科学 电子 导电体 光电子学 物理 电气工程 光化学 量子力学 工程类 复合材料
作者
Souichiro Kato,Kazuhito Hashimoto,Kazuya Watanabe
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:109 (25): 10042-10046 被引量:619
标识
DOI:10.1073/pnas.1117592109
摘要

In anaerobic biota, reducing equivalents (electrons) are transferred between different species of microbes [interspecies electron transfer (IET)], establishing the basis of cooperative behaviors and community functions. IET mechanisms described so far are based on diffusion of redox chemical species and/or direct contact in cell aggregates. Here, we show another possibility that IET also occurs via electric currents through natural conductive minerals. Our investigation revealed that electrically conductive magnetite nanoparticles facilitated IET from Geobacter sulfurreducens to Thiobacillus denitrificans, accomplishing acetate oxidation coupled to nitrate reduction. This two-species cooperative catabolism also occurred, albeit one order of magnitude slower, in the presence of Fe ions that worked as diffusive redox species. Semiconductive and insulating iron-oxide nanoparticles did not accelerate the cooperative catabolism. Our results suggest that microbes use conductive mineral particles as conduits of electrons, resulting in efficient IET and cooperative catabolism. Furthermore, such natural mineral conduits are considered to provide ecological advantages for users, because their investments in IET can be reduced. Given that conductive minerals are ubiquitously and abundantly present in nature, electric interactions between microbes and conductive minerals may contribute greatly to the coupling of biogeochemical reactions.
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