Phát hiện vi khuẩn ăn kim loại sau một thế kỷ tìm kiếm

Các nhà vi sinh học Viện công nghệ California (Caltech), Mỹ đã phát hiện ra vi khuẩn ăn mangan và sử dụng kim loại làm nguồn calo. Loại vi khuẩn này đã được dự đoán từ hơn một thế kỷ trước, nhưng chưa được tìm thấy hoặc mô tả cho đến tận lúc này.

Hình ảnh các nốt oxit mangan được tạo ra bởi các vi khuẩn được phát hiện bởi nhóm Caltech. Các nốt thường có đường kính khoảng 0,1 đến 0,5 mm. Ảnh: Hang Yu/Caltech.

Các nhà vi sinh học Viện công nghệ California (Caltech), Mỹ đã phát hiện ra vi khuẩn ăn mangan và sử dụng kim loại làm nguồn calo. Loại vi khuẩn này đã được dự đoán từ hơn một thế kỷ trước, nhưng chưa được tìm thấy hoặc mô tả cho đến tận lúc này.

Phát hiện mới này được công bố trên tạp chí Nature số ra ngày 16-7. Giáo sư vi sinh học môi trường Jared Leadbetter, tại Caltech, người hợp tác với học giả sau tiến sĩ Hang Yu để mô tả phát hiện cho biết, đây là những vi khuẩn đầu tiên được tìm thấy sử dụng mangan làm nguồn nhiên liệu của chúng.

Một khía cạnh tuyệt vời của vi khuẩn trong tự nhiên là chúng có thể chuyển hóa các vật liệu dường như không thể như kim loại để mang lại năng lượng hữu ích cho tế bào.

Nghiên cứu cũng tiết lộ rằng, vi khuẩn có thể sử dụng mangan để chuyển đổi carbon dioxide thành sinh khối, đây là một quá trình tổng hợp hóa học. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã biết vi khuẩn và nấm có thể oxy hóa mangan, hoặc loại bỏ các hạt electron, nhưng họ chỉ suy đoán rằng các vi khuẩn có thể khai thác quá trình này để thúc đẩy tăng trưởng.

Giáo sư Leadbetter đã tìm thấy vi khuẩn một cách tình cờ sau khi sử dụng một dạng mangan nhẹ thực hiện các thí nghiệm không liên quan. Ông đã để một lọ thủy tinh dính đầy chất này ngâm vào nước máy trong bồn rửa văn phòng ở Caltech trước khi khởi hành đi vài tháng để làm việc ngoài khuôn viên trường. Khi ông trở về, chiếc bình được phủ một vật liệu tối.

“Tôi nghĩ không biết điều gì đã xảy ra và bắt đầu tự hỏi liệu có phải các vi khuẩn đang được tìm kiếm lâu nay đã làm điều này không. Vì vậy, chúng tôi đã thực hiện một cách có hệ thống các xét nghiệm để tìm ra nó”, Giáo sư nói.

Lớp phủ màu đen trên thực tế là do mangan bị vi khuẩn mới phát hiện oxy hóa, và loại vi khuẩn này nằm trong chính nguồn nước máy. Bằng chứng cho thấy họ hàng của những sinh vật này sống trong nước ngầm, và một phần nước uống của thành phố Pasadena, California được bơm từ các tầng nước ngầm ở đây, ông cho biết.

Mangan là một trong những nguyên tố kim loại phong phú nhất trên bề mặt Trái đất. Oxit mangan có dạng của một chất tối, vón cục và phổ biến trong tự nhiên; chúng đã được tìm thấy trong các lớp trầm tích dưới bề mặt và cũng có thể hình thành trong các hệ thống phân phối nước.

Có cả một bộ tài liệu kỹ thuật môi trường về các hệ thống phân phối nước uống bị các oxit mangan làm cho tắc nghẽn. Tuy nhiên, làm thế nào và vì lý do gì mà kim loại này trở nên như vậy vẫn còn là một bí ẩn. Rõ ràng, nhiều nhà khoa học đã xem xét việc vi khuẩn sử dụng mangan làm năng lượng, nhưng bằng chứng ủng hộ ý tưởng này thì đến bây giờ mới có.

Phát hiện này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về địa hóa học của nước ngầm. Được biết, vi khuẩn có thể làm suy giảm các chất ô nhiễm trong nước ngầm theo một quá trình xử lý sinh học tự nhiên, theo cách tương tự như con người sử dụng oxy trong không khí. Các nhà khoa học đã tự hỏi nơi mà oxit mangan xuất phát đầu tiên.

“Các vi khuẩn mà chúng tôi đã phát hiện ra có thể đã tạo ra nó, vì thế chúng thích một lối sống cũng cung cấp cho các vi khuẩn khác những gì vi khuẩn đó cần để thực hiện các phản ứng mà chúng ta xem là có lợi và mong muốn”, Giáo sư Leadbetter nói.

Kết quả nghiên cứu này cũng có thể lý giải việc các nốt mangan rải rác dưới đáy biển. Những quả bóng kim loại tròn to bằng quả bưởi, được các nhà nghiên cứu hàng hải biết đến ngay từ những chuyến hải trình vào những năm 1870.

Kể từ đó, những nốt sần như vậy đã được tìm thấy nằm dưới đáy của nhiều đại dương trên Trái đất. Trong những năm gần đây, các công ty đã lên kế hoạch thu hoạch và khai thác các nốt này, bởi vì kim loại hiếm thường được tìm thấy tập trung ở trong đó.

Nhưng ít ai hiểu được làm thế nào các nốt sần hình thành. Hai nhà khoa học Yu và Leadbetter tự hỏi liệu các vi khuẩn họ tìm thấy trong nước ngọt có thể đóng vai trò tương tự ở biển hay không và họ đang có kế hoạch điều tra thêm về bí ẩn này.

“Chúng tôi cần phải hiểu rõ hơn về các nốt mangan dưới biển trước khi chúng bị khai thác”, Tiến sĩ Yu nói.

“Phát hiện này đã lấp đầy một khoảng trống trí tuệ lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về chu kỳ nguyên tố của Trái đất, và thêm vào những cách thức đa dạng mà mangan, một kim loại chuyển tiếp nhưng phổ biến, đã định hình sự tiến hóa của sự sống trên hành tinh của chúng ta”, Giáo sư địa chất học Woodward Fischer, thuộc Caltech, người không tham gia vào nghiên cứu đưa ra đánh giá.