Abstract A key feature that differentiates prokaryotes from eukaryotes is the absence of an intracellular membrane surrounding the chromosomal DNA. Here, we report isolation of an anaerobic bacterium that possesses an additional intracytoplasmic membrane surrounding a nucleoid, affiliates with the yet-to-be-cultivated ubiquitous phylum ‘ Ca . Atribacteria’, and possesses unique genomic features likely associated with organization of complex cellular structure. Exploration of the uncharted microorganism overturned the prevailing dogma of prokaryotic cell structure.

Most of Earth's prokaryotes live under energy limitation, yet the full breadth of strategies that enable survival under such conditions remain poorly understood. Here we report the isolation of a bacterial strain, IA91, belonging to the candidate phylum Marine Group A (SAR406 or 'Candidatus Marinimicrobia') that is unable to synthesize the central cell wall compound peptidoglycan itself. Using cultivation experiments and microscopy, we show that IA91 growth and cell shape depend on other bacteria, deriving peptidoglycan, energy and carbon from exogenous muropeptide cell wall fragments released from growing bacteria. Reliance on exogenous muropeptides is traceable to the phylum's ancestor, with evidence of vertical inheritance across several classes. This dependency may be widespread across bacteria (16 phyla) based on the absence of key peptidoglycan synthesis genes. These results suggest that uptake of exogenous cell wall components could be a relevant and potentially common survival strategy in energy-limited habitats like the deep biosphere. Marine Group A isolate IA91 captures peptidoglycan fragments produced by other growing bacteria and uses them to build its own cell wall, an effective and potentially common energy-saving strategy for surviving in energy-limited ecosystems.

Mine drainage waters often contain elevated concentrations of toxic metals and can be a source of environmental pollution. Manganese (Mn)-oxidizing bacteria (MnOB), which can oxidize soluble Mn(II) to insoluble Mn(III, IV) under neutral pH conditions, are expected to be a promising biological agent in passive mine drainage remediation. However, the diversity, functionality and applicability of MnOB for mine drainage treatment remain mostly unknown. Given that many mine environments are poor in organic substances, it is necessary to elucidate the functions of MnOB communities that contribute to metal removal without supplementation with extra organic matter. Here, we constructed in situ continuous-flow bioreactors for treating mine drainage containing approximately 20 mg L−1 Mn(II) and 6 mg L−1 zinc (Zn) (II) and operated these bioreactors without amended organic matter. The removal of Mn(II) and Zn(II) ions reached more than 98% at a hydraulic retention time of 0.5 days. The XRD pattern of Mn oxides deposited on the surface of limestone carriers indicated woodruffite-like mineral accumulation in the reactors. Several heterotrophic MnOB were isolated from the bioreactor, and metagenomic analysis revealed a predominance of diverse lineages of heterotrophs, including Elusimicrobiota, which harbored MoxA-like multicopper oxidase genes. Furthermore, the metagenomic analysis also suggested the involvement of gammaproteobacterial species that possessed putative genes for extracellular electron uptake and CO2 fixation. Our findings offer the first insights into the potential for chemolithoautotrophic Mn(II) oxidation processes via electron transfer from Mn(II/III) and application of chemolithoautotrophic and heterotrophic MnOB in mine drainage remediation without supplying organic materials.

The biotreatment of mine drainage containing dissolved manganese (Mn) using Mn(II)-oxidizing bacteria is challenging. Sequencing-batch (SBRs) and continuous-flow reactors (CFRs) packed with limestones and inoculated with the mine-drainage microbial community were compared to determine the removal efficiency of Mn(II) from mine drainage. Mn(II) removal in CFRs was 11.4 %±0.0 % (mean ± standard deviation) during the initial two-weeks and; it slightly increased to 13.6 %±0.0 % after four-weeks, and more than 94 % of Mn(II) was removed under the steady-state treatment phase. The performance of SBRs was more effective, wherein 24.4 %±0.1 % of Mn was removed in the first two-weeks, and in four-weeks, surpassed 66.6 %±0.2 %. Rapid Mn(II) removal observed in the start-up of SBR resulted from higher microbial metabolic activities. The adenosine triphosphate (ATP) content of the microbial community was four-fold more than in CFR, but comparable during the steady-state phase. The Mn-oxide deposits occurring in the SBR and CFR at steady-state were mixed phases of birnessite and woodruffite, and the average Mn oxidation valence in the SBR (+3.73) was slightly higher than that in the CFR (+3.54). During the start-up treatment, the closest relatives of Methyloversatilis, Methylibium, and Curvibacter dominated the SBR, whereas putative Mn oxidizers were associated with Hyphomicrobium, Pedobacter, Pedomicrobium, Terricaulis sp., Sulfuritalea, and Terrimonas organisms. The growth of potential Mn-oxidizing genera, including Mesorhizobium, Rhodococcus, Hydrogenophaga, Terricaulis sp., and 'Candidatus Manganitrophus-noduliformans' was observed under the steady state. These results suggest that SBR operation was effective as a prior start-up treatment for mine drainage-containing Mn(II), through which the CFR performed well as posterior bio-treatment.