Микробный метаболизм: связка дыхания железных оксидов и окисления сульфидов в природных экосистемах

Виртуальная реальность Стартапы и венчурный капитал

Жизнь на Земле тесно связана с обменом химическими элементами, где микроорганизмы выступают главными драйверами глобальных биогеохимических циклов. В последние годы учёные всё глубже исследуют связи между циклами серы и железа, особенно когда речь идёт о микробных механизмах, способных одновременно осуществлять дыхание железных оксидов и окислять сульфиды. Эти процессы жизненно важны для понимания природных экосистем, особенно анаэробных условий морских и пресноводных осадков, болот и грунтовых вод. Традиционно взаимодействие сульфидов и железных оксидов рассматривалось как чисто химический процесс, в результате которого происходит восстановление железа и образование элементарной серы или слабо кристаллических сульфидов железа. Однако недавние открытия показали, что существуют микроорганизмы, способные использовать этот механизм как часть своей энергетической метаболической деятельности, что открывает новую страницу в понимании микробной экологии и биогеохимии.

Учёные объединили данные о геномных характеристиках сотен микроорганизмов и выявили широкий спектр бактерий и архей, обладающих генетическим аппаратом для одновременного осуществления окисления сульфидов и редукции железных оксидов. Это означает, что такая микробная физиология распространена в 37 различных филогенетических группах, охватывающих огромное разнообразие природных условий. Культивируемый представитель таких организмов - бактерия Desulfurivibrio alkaliphilus - стала предметом глубоких физических и молекулярных экспериментов. Было подтверждено, что она способна ростать, используя сульфид или железомоноcульфид в роли доноров электронов, а железные оксиды в виде феррихидрита - как акцептор электронов. Эксперименты показали, что биологический процесс окисления сульфидов на фоне редукции железа протекает быстрее, чем одновременные химические реакции при экологически релевантных концентрациях сульфидов.

Механистика такой микробной энергетики основывается на обратном функционировании классического пути редукции сульфатов, где ключевым энзимным комплексов выступают сульфит-редуктазы (DsrAB), аденилсульфатредуктаза (AprAB) и сульфат аденилтрансфераза (Sat). При этом электроны от окисления сульфидов передаются на внеклеточные твердые железные оксиды через цепочку мультигемовых цитохромов, что аналогично механизмам, описанным у известных железоредуцирующих бактерий таких как Geobacter и Shewanella. Подтверждением эффективности этого механизма служат результаты культурных опытов, где бактерии демонстрируют рост в условиях, когда единственным источником энергии служит окисление сульфидов с одновременным восстановлением железных оксидов. Интересно, что при низких концентрациях сульфидов механизмы микробного дыхания работают с большей скоростью по сравнению с химическим процессом, что имеет важные экологические последствия для сред с ограниченным доступом к кислороду и нитратам. Такое микробное взаимодействие серы и железа играет огромную роль в поддержании баланса элементов и определяет направление течения основных биогеохимических процессов в анаэробных зонах экосистем.

 

Примеры таких процессов можно найти в морских осадках, болотах, пресноводных и подземных водах, где часто наблюдается насыщение серой и железом. Ранее считалось, что переработка сульфидов в этих условиях осуществляется в основном химическими реакциями с элементарной серой как промежуточным продуктом, который затем биологически диспропорционируется. Однако обнаружение прямого микробного окисления сульфидов до сульфатов на фоне восстановления твердых железных оксидов меняет эту парадигму и предлагает более быструю и эффективную биохимическую цепочку. На уровне молекулярных механизмов исследования показали, что D. alkaliphilus при дыхании железными оксидами активирует экспрессию множества генов, кодирующих многогемовые цитохромы и ферменты, участвующие в обратном пути сульфатного редуцирования.

 

Межклеточные структуры типа типа IV пили также играют роль в контакте с твердыми оксидами железа, способствуя электронному переносу. Геохимическое моделирование показало, что реакции окисления сульфидов с использованием твердых железных оксидов как акцепторов электронов энергетически выгодны при широком диапазоне природных условий, включая нейтральные и слабо щелочные среды. Это выделяет микробный метаболизм, связывающий железо и серу, как стабильный и широко распространённый процесс во многих земных экосистемах. Экологический масштаб этой микробной физиологии чрезвычайно велик. Члены семейства Desulfurivibrionaceae, к которому относится D.

 

alkaliphilus, обнаружены в самых разных местообитаниях: от морских и пресноводных осадков до горячих источников и даже техногенных систем. Наличие у этих микроорганизмов потенциала для окисления сульфидов с восстановлением железа делает их важными участниками регулирования серо- и железосодержащих соединений в природе, а также влияет на процессы очистки воды, биоремедиацию и формирование минералов. Появившиеся данные дают новое понимание интерфейса между биотическими и абиотическими процессами в циклах элементов. Теперь мы знаем, что роль микроорганизмов выходит далеко за границы традиционно признанных моделей и что микробное дыхание твердых железных оксидов играет ключевую роль в утилизации сульфидов и формировании сульфатов, влияя на хемические параметры среды и биоэнергетику экосистем. Дальнейшие исследования в этой области позволят не только детальнее понять базовые принципы жизнедеятельности микробов в анаэробных средах, но и использовать эти знания для разработки инновационных технологий в очистке сточных вод, управлении загрязнениями, а также в электробиотехнологиях и биоинженерии.

Резюмируя, микробное дыхание железных оксидов сопряжённое с окислением сульфидов представляет собой важный и ранее недооценённый процесс, играющий значительную роль в глобальных циклах элементов. Его изучение раскрывает новые горизонты в микробной экологии и биогеохимии, а также имеет практическое значение для оценки и моделирования окружающей среды. .