Международная группа учёных под руководством микробиологов Марка Муссманна и Александра Лоя из Венского университета обнаружила новый микробный метаболизм: так называемые бактерии MISO «дышат» минеральными соединениями железа, окисляя токсичный сульфид.
Открытие нового микробного метаболизма
Исследователи выяснили, что реакция между токсичным водородом (сульфидом) и твёрдыми минеральными соединениями железа — это не только химический процесс, но и ранее неизвестный биологический процесс, в котором универсальные микробы в морских отложениях и земных заболоченных местностях удаляют токсичный сульфид и используют его для своего роста.
Эти бактерии могут предотвращать распространение бескислородных «мёртвых зон» в водной среде.
Результаты исследования опубликованы в Nature
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
Биогеохимические циклы
Биогеохимические циклы углерода, азота, серы и железа описывают, как эти элементы преобразуются в результате реакций восстановления и окисления (редокс) и как они перемещаются между атмосферой, водой, почвой, горными породами и живыми организмами.
Микроорганизмы играют центральную роль практически на каждом этапе этих редокс-преобразований, используя такие соединения, как сера и железо, для дыхания так же, как люди используют кислород для метаболизма пищи.
Сера и железо особенно важны для микробной жизни в средах, лишённых кислорода, таких как дно океана или заболоченные местности. Сера существует в различных формах — как газ в атмосфере, как сульфат в океанах или как часть минералов в горных породах. Аналогично железо может переходить между различными формами в зависимости от наличия кислорода.
Когда микробы метаболизируют серу, они часто одновременно изменяют форму железа, и наоборот. Эта связь циклов серы и железа имеет далеко идущие последствия, влияя на доступность питательных веществ и производство или разрушение парниковых газов, таких как углекислый газ и метан.
Взаимодействие сульфида и твёрдых минералов
Деятельность специализированных микробов в бескислородных средах, таких как морские отложения, заболоченные местности и пресноводные водоносные горизонты, приводит к образованию сероводорода — токсичного газа с характерным запахом тухлых яиц. Взаимодействие между сульфидом и твёрдыми минералами оксида железа (III), такими как ржавое железо, играет ключевую роль в контроле концентраций сульфида.
До сих пор биогеохимические модели рассматривали эту реакцию как чисто абиотическую, приводящую в основном к образованию элементарной серы и моносульфида железа (FeS), чёрного минерала, который, например, отвечает за тёмную окраску пляжных отложений при низком содержании кислорода.
«Мы показываем, что эта экологически важная редокс-реакция не является исключительно химической», — объясняет Лой, руководитель исследовательской группы в CeMESS, Центре микробиологии и наук об экологических системах в Венском университете. «Микроорганизмы также могут использовать её для роста».
Новый микробный энергетический метаболизм
Недавно обнаруженный микробный энергетический метаболизм, кратко называемый MISO, связывает восстановление оксида железа (III) с окислением сульфида. В отличие от химической реакции, MISO напрямую производит сульфат, эффективно минуя промежуточные этапы в цикле серы.
«Бактерии MISO удаляют токсичный сульфид и могут помочь предотвратить расширение так называемых «мёртвых зон» в водной среде, одновременно фиксируя углекислый газ для роста — подобно растениям», — добавляет Муссманн, старший научный сотрудник CeMESS.
В лабораторных экспериментах по выращиванию культивируемых бактерий MISO исследователи продемонстрировали, что ферментативно катализируемая реакция протекает быстрее, чем эквивалентная химическая реакция. Это говорит о том, что микробы являются основными движущими силами этого процесса в природе.
«Разнообразные бактерии и археи обладают генетической способностью к MISO, — объясняет Сун-Кан Чен, ведущий автор исследования, — и они встречаются в самых разных природных и созданных человеком средах».
В морских отложениях MISO может составлять до 7% от общего окисления сульфида до сульфата в глобальном масштабе, что обусловлено значительным притоком реактивного железа из рек и тающих ледников в океаны.
Выводы команды Венского университета раскрывают ранее неизвестный биологический механизм, который связывает круговорот серы, железа и углерода в бескислородных средах.
«Это открытие демонстрирует метаболическую изобретательность микроорганизмов и подчёркивает их незаменимую роль в формировании глобальных циклов элементов на Земле», — заключает Лой.