Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Vi sinh yếm khí ăn mòn sắt thông qua sợi protein vận chuyễn điện  tử (e-pili)

Sắt khi để bên ngoài thường có hiện tượng bị rỉ sét, điều này không chỉ xảy ra khi tiếp xúc với oxy và nước. Một số vi khuẩn cũng có khả năng phân hủy kỵ khí sắt thông qua 1 quá trình được gọi là ăn mòn điện sinh học. Theo báo cáo của một nhóm các nhà nghiên cứu trên tạp chí Angewandte Chemie, vi khuẩn Geobacter sulfurreducens được tìm thấy trong trầm tích có khả năng sử dụng các sợi protein của chúng dẫn điện cho mục đích này. Chúng tạo ra magnetite (Fe₃O₄) từ sắt, thúc đẩy sự ăn mòn của sắt.

Màng sinh học vi khuẩn (Bacterial biofilms) là nguyên nhân gây ra sự ăn mòn kim loại do vi sinh vật. Quá trình ăn mòn điện sinh học thường do các loại vi khuẩn được tìm thấy trong trầm tích, ví dụ: các nhóm vi khuẩn kỵ khí thuộc chi Geobacter. Các loại vi khuẩn thuộc chi Geobacter không sử dụng oxy trong khí quyển để hô hấp; thay vào đó, nó lấy năng lượng từ việc chuyển hóa các electron từ sắt, tạo thành magnetit (Fe₃O₄). Cho đến nay, cách mà các loại vi khuẩn thuộc chi Geobacter ăn mòn kim loại sắt vẫn còn là một điều bí ẩn.

Cơ chế hoạt động chính xác của ăn mòn điện sinh học hiện đã được nghiên cứu chặt chẽ hơn bởi Dake Xu và các đồng nghiệp từ Đại học Đông Bắc ở Thẩm Dương, Trung Quốc. Nhóm nghiên cứu đã làm việc với giả định rằng protein trong vi khuẩn dẫn điện (e-pili), các sợi mỏng phát triển ra khỏi vi khuẩn, có thể đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế này (hình 1 và hình 2). Các loại vi khuẩn thuộc chi Geobacter tạo thành "e-pili" từ các protein dẫn điện, và các e-pili này hoạt động như dây điện, dẫn điện. Nhiều nghiên cứu trước, chưa cho thấy khả năng các e-pili có thể rút electron trực tiếp khỏi bề mặt kim loại hay không.
Để chứng minh những nghi ngờ của nhóm nghiên cứu, cụ thể là sự rút điện tử trực tiếp, các nhà nghiên cứu đã để hai chủng Geobacter phát triển trên bề mặt thép không gỉ cho đến khi màng sinh học hình thành. Một trong hai chủng hình thành e-pili dẫn điện, trong khi chủng còn lại vẫn tạo ra pili, nhưng đã được biến đổi gen để pili được hình thành từ các protein kém dẫn điện hơn. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy rằng, chủng vi khuẩn phát triển e-pili hoạt động tốt hơn đáng kể trên tấm thép. Nó phát triển nhiều hơn và tạo ra những hố sâu hơn trong kim loại, chứng tỏ nó đã làm hao mòn kim loại. Nhóm nghiên cứu cũng đo được dòng điện ăn mòn, một dấu hiệu trực tiếp của quá trình oxy hóa sắt.

Nhóm nghiên cứu kết luận rằng, tế bào vi khuẩn với các sợi e-pili đã hình thành một loại "kết nối điện" với kim loại. Tế bào vi khuẩn nằm xa hơn trong màng sinh học, không tiếp xúc trực tiếp với kim loại, cũng có thể tự cung cấp điện tử bằng cách sử dụng e-pili.

Vì magnetit được hình thành trong quá trình ăn mòn sắt và khoáng chất này cũng dẫn điện nên nhóm tác giả cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của nó đối với sự ăn mòn của vi sinh vật. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng khi đo trên bề mặt kim loại, việc bổ sung thêm magnetit vào màng sinh học không chỉ làm tăng sự phát triển của Geobacter mà còn dẫn đến dòng điện ăn mòn mạnh. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh: "Sự xuất hiện của magnetit có thể tạo điều kiện cho ăn mòn điện sinh học mạnh và nhanh hơn". Do đó, đối với những nghiên cứu trong tương lai để cải thiện các vật liệu chống ăn mòn, cần nên xem xét các vật liệu tạo thành magnetit.

Nguồn bài viết: Tài liệu do Wiley cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.

Tạp chí tham khảo:
1.Yuting Jin, Enze Zhou, Toshiyuki Ueki, Danni Zhang, Yongqiang Fan, Dake Xu, Fuhui Wang, Derek R. Lovley. Accelerated Microbial Corrosion by Magnetite and Electrically Conductive Pili through Direct Fe0‐to‐Microbe Electron Transfer. Angewandte Chemie International Edition, 2023DOI: 10.1002/anie.202309005
Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/08/230814122334.htm
 2. Derek R. Lovley. Electrically conductive pili: Biological function and potential applications in electronics. Current Opinion in Electrochemistry, Volume 4, Issue 1,
2017, Pages 190-198, ISSN 2451-9103
DOI: 10.1016/j.coelec.2017.08.015.
Nguồn: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451910317301035