Микроорганизмы играют ключевую роль в глобальных биогеохимических циклах, особенно в циклах элементов, таких как сера и железо. В течение миллиардов лет микробы формировали и поддерживали сложные модели преобразования химических соединений, что оказывают огромное влияние на состояние окружающей среды и глобальный климат. Одним из наиболее загадочных процессов считается совмещённый метаболизм, при котором микробы осуществляют восстановление оксидов железа III, используя окисление сульфида как источник электронов. Этот процесс происходит в анаэробных средах, где традиционные окислители, такие как кислород или нитраты, недоступны. Ранее считалось, что реакция между сульфидом и оксидами железа III носит исключительно абиотический характер, преимущественно образуя элементарную серу (S0) и малоосадочные соединения, однако последние исследования изменили это представление, выявив активное участие микроорганизмов в окислении сульфида с одновременным восстановлением железа III.
Современные геномные и физиологические исследования демонстрируют, что разнообразный спектр бактерий и архей обладают генами для диссимиляторного превращения соединений серы и одновременного использования твердых фаз железа III в качестве электронного акцептора. Среди них ярко выделяется бактерия Desulfurivibrio alkaliphilus, способная расти в щелочных условиях, переводя сульфид или железосульфид FeS в сульфат, при этом инактивируя наружные частицы ферригидрита, одного из наиболее распространённых оксидов железа на Земле. В ходе экспериментов с культивированными штаммами было установлено, что данный микроб способен использовать этот метаболизм не только в лабораторных условиях, но и потенциал его метаболизма простирается на широкий спектр экосистем - от морских и пресноводных донных наносов до болот и грунтовых вод. Микробное окисление сульфида в сочетании с восстановлением оксидов железа происходит посредством особых ферментативных путей. Один из ключевых механизмов представляет собой обратный ход классического пути диссимиляторного сульфатного восстановления, при котором ферменты, типичные для восстановления сульфата до сульфида, работают в обратном направлении, окисляя сульфид до сульфата.
Импорт электронов сульфида происходит в цитоплазму через белки и ферменты, такие как диссимиляторная бифункциональная дисульфидредуктаза (DsrAB), аденозин-5'-фосфат-редуктаза (AprAB) и сульфатаденилаттрансфераза (Sat). Электроны от окисления сульфида направляются к мембранным цепям переноса электронов, которые обеспечивают передачу их к внешне окружающим соединениям железа III. Таким образом, процесс связан с цепочкой экстрацеллюлярного переноса электронов, обеспечиваемой многогемными c-типа цитохромами и пориновыми белками, формирующими своеобразный "проводящий тоннель" для электронов от внутренней части клетки к твёрдым внешним оксидам железа. Физиологические эксперименты показали, что D. alkaliphilus может использовать в качестве электронного донора не только растворённый сульфид, но и твердый железосульфид, который до сих пор считался химически инертным к реакции с оксидами железа.
Это открытие меняет парадигму: теперь известно, что микробы могут катализировать окисление железосульфида в совокупности с респираторным восстановлением железа III, расширяя экологическую нишу таких организмов в природных условиях. В частности, культура демонстрирует рост и биомассу, подтверждая способность к фиксации углерода автотрофным путём, используя энергию окисления сульфида с железом III. Более того, в процессе наблюдается ускоренная консумация сульфида по сравнению с чисто химическими реакциями с его участием и оксидами железа, особенно при экологически соответствующих низких концентрациях сульфида. Этот факт свидетельствует о преобладании биологического механизма над абиотическим и о потенциальной значимости микробного процесса в природе. Анализ транскриптома выявил, что множество генов, кодирующих многогемные цитохромы и белки, участвующие в формировании проводящих структур и пилюль, активируются в условиях окисления сульфида с железом III.
Особое внимание уделяется белкам, подобным OmcS из Geobacter, что доказывает сходство в механизмах экстрацеллюлярного переноса электронов между микроорганизмами, способными к респираторному восстановлению твердых металлов. Распределение геномных признаков для совмещённого метаболизма серы и железа характеризует широкое распространение микробного дыхания сульфида с оксидами железа во многих бактериальных и архейских таксонах. Такой метаболизм наблюдается в 37 филлах прокариот, многие из которых до сегодняшнего дня оставались недостаточно изученными или даже некультивированными. Эти данные меняют понимание взаимодействий между биогеохимическими циклами серы и железа, подчёркивая роль микробов в формировании сред обитания и регуляции химического состава геосферы, особенно в анаэробных и слабоокисленных экосистемах. Новые открытия в области микробного окисления сульфида с оксидами железа открывают перспективы для пересмотра существующих biogeochemical моделей.
В частности, данный процесс может являться недооценённым источником сульфата в морских и пресноводных донных отложениях, где традиционные окислители отсутствуют. Включение микробного процесса MISO (microbial iron oxide-dependent sulfide oxidation) в модели объясняет многочисленные наблюдения по высокому уровню окисления сульфида в таких условиях. Кроме того, данный метаболизм оказывает влияние на локальное состояние окислительно-восстановительного потенциала и способствует воздействию на другие циклы, включая углеродный и азотный. Могут возникать совместные преобразования с другими процессами, такими как прямая передача электронов между микроорганизмами и образование биогенных минералов. С технологической точки зрения, понимание микробного дыхания на оксидах железа с участием сульфида может стать основой для развития биотехнологий по биоремедиации и контролю сероводорода в загрязнённых системах, а также созданию микробных топливных ячеек с улучшенной эффективностью передачи электронов.
Таким образом, исследования в области микробного окисления сульфида с железом III значительно углубили знания о биоэлектрохимии и биогеохимии геосферы, переосмыслили взаимодействие стихийных химических процессов и биологической активности. Признание столь значимой роли микробов открывает новые горизонты для экологического мониторинга, моделирования глобальных циклов веществ и разработки инновационных приложений в области микробной экологии и биотехнологий. .
