Bakterier tar sig ett järn

I ett relativt nybyggt villaområde utanför Skara blev källarna plötsligt fyllda av vatten. Detta trots att dräneringsrör hade grävts ner i marken runt husen. Orsaken var inledningsvis ett mysterium. En ledtråd fick man dock snart av den erfarenhet som gjorts av alla rörmokare som bytt gamla vattenledningar: att innerdiametern med tiden minskar så drastiskt att det bara finns plats för en bråkdel av det ursprungliga flödet. I fallet med villorna hade dräneringsrören täppts igen. Men vad är det för slags otrevlig beläggning som fastnar inuti rören?

Även tunnlar kan bli näst intill oframkomliga på grund av en slemmig rostfärgad massa. Och mindre vattendrag kan plötsligt förefalla helt förstörda av kraftigt färgade utsläpp av industrikemikalier.

I alla dessa fall handlar det dock om naturliga och inte det minsta hälsofarliga så kallade järnbakterier. I rätt miljö kan de växa till i oanade mängder.

Ser ut som rost

Järnbakterier ser ut som rost, och delvis är det faktiskt fråga om just det. Tittar man på rosten i mikroskop, ser man också de små encelliga organismerna. De är inte stora, ibland bara en tusendels millimeter, men just järnbakterier har ofta utskott eller finns inuti tunna rör och ser därför något större ut.

Den tyske naturforskaren Christian Gottfried Ehrenberg lade redan år 1836 sådan rostmassa under mikroskopet. Han kallade bakterierna för ”de små järnockradjuren”. Det här var dock så tidigt att vetenskapen ännu inte hade införlivat encelliga organismer i livets träd. Detta skedde först 1866, och inte förrän 1879 fördes järnbakterierna in i gruppen bakterier.

Större och mindre problem

Stora resurser satsas i dag runt om i världen, inte minst i USA, på forskning om järnbakterier. Skälet är att de täpper till vattenledningar och filter i både industrier och bostadsfastigheter och orsakar problem för enorma belopp varje år.

I det mindre perspektivet är järnbakterierna ett estetiskt och praktiskt problem. De kan orsaka brungult ludd i bottnen på vattenhinkar i hushåll med egen brunn. Man kan också få problem med missfärgning av sanitetsporslin.

I min forskning om järnbakterier har den bästa källan för nya järnbakterier till mina odlingar varit grannens djupa borrade brunn. Det började med att han en kväll berättade att när han ska göra vin måste han låta vattnet stå ett dygn. Då samlas ett tjockt lager orangebrunt ludd på bottnen av flaskorna. Därefter häller han över vattnet i en damejeanne och fortsätter vintillverkningen som om inget hänt.

Lever på vatten och luft

En förutsättning för järnbakterierna är att järn finns i vattnet. Bakterierna föredrar att vattnet i övrigt är förhållandevis ”rent”, det vill säga fritt från näring i form av organiskt material, kväve och fosfor. De fixerar i stället koldioxid ur luften som de omvandlar till kolhydrater på samma sätt som växter gör. En av järnbakterierna, Gallionella ferruginea, använder till och med exakt samma system som växterna, den så kallade Calvincykeln.

Den energi som växter behöver för att omvandla luftens koldioxid till druvsocker tar de från solens ljus i den välkända process som kallas fotosyntes. Men järnbakterier fixerar koldioxid även i miljöer där det inte finns något ljus – hur kan det gå till? Jo, de utnyttjar energi som de får genom att oxidera tvåvärda järnjoner, Fe2+, till trevärda, Fe3+. Det är precis samma typ av reaktion som sker i ett vanligt ficklampsbatteri där ett energi- och elektronrikt ämne, zink, lämnar över elektroner till ett mindre energirikt, manganoxid. Strömmen av elektroner får lampan att lysa.

Motsvarande reaktion sker i celler hos oss människor, hos djur och många bakterier. Men då är det organiskt kol som är energirikt och som lämnar ifrån sig elektroner till luftens syre. Fotosyntetiserande växter kan dock inte få några elektroner från sin energikälla, solen. Dessa får växterna i stället från vatten. Det är när syreatomer i vattnet lämnat ifrån sig sina ”lösa” elektroner som atmosfärens syrgas bildas, den som vi sedan andas in.

Järnoxiderande bakterier använder alltså det tvåvärda järnet som energi- och elektrongivare och har, precis som vi människor, syre som elektronmottagare.

Att leva på en gräns

Förmågan hos järn att lämna över elektroner till syre är inte enbart en biologisk process utan sker, till människans stora förtret, även kemiskt. Om ett föremål av järn befinner sig i fuktig miljö, dröjer det inte länge förrän det börjar rosta.

Just det att järn så gärna reagerar med syre är ett problem för de järnoxiderande bakterierna. De måste kunna plocka åt sig elektronerna först, så att dessa kan ta vägen genom cellens enzymsystem och lämna sin energi där. Det är därför vi hittar de roströda mängderna av järnbakterier på ställen där syrefattigt men järnrikt grundvatten strömmar ut och möter den syrerika luften.

När mina kolleger och jag odlar bakterierna i laboratoriet bereder vi först ett så kallat odlingsmedium, som består av enbart oorganiska ämnen och vatten. Järnet tillsätts som pulver av järnsulfid, och över alltihopa hälls en saltlösning som innehåller koldioxid. När Gallionella växer ser man att det bildas en ring av rost en bit ovanför den svarta järnsulfiden. Det är precis där bakterierna sitter.

Bakterie med fläta

Ovan nämnde jag att järnbakterier ofta har strukturer som växer ut från eller runt cellerna. Gallionella har en utväxt som ser ut som två band som är tvinnade runt varandra. Fortfarande vet vi inte riktigt vad den här så kallade stjälken är gjord av eller vad den har för uppgift.

Den nästan 0,1 millimeter långa stjälken bildas först när bakterierna har slutat växa. Den verkar inte vara livsnödvändig för Gallionella, för det finns livskraftiga stammar av bakterien som har förlorat förmågan att tillverka stjälkar.

En av idéerna om varför Gallionella har stjälk är att den fungerar som ett verktyg för fastsättning. Mikroskopstudier har visat att stjälkens speciella form uppkommer först när bakterien sätter sig fast på en yta och börjar tillverka en stjälkutväxt. När Gallionella inte sitter fast simmar den omkring, och den fortsätter att simma även när den sitter fast – men nu bara runt runt. Det gör att stjälkutväxten snurras omkring sig själv och att den vackra tvinnade spiralen bildas.

En annan funktion som stjälken skulle kunna ha är att fånga upp det oxiderade järnet på sin yta så att cellen inte blir helt inbäddad i rostmassorna.