Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с сульфатредуцирующих бактерий )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Desulfovibrio vulgaris - наиболее изученный вид сульфатредуцирующих микроорганизмов; полоса в правом верхнем углу имеетдлину0,5 микрометра .

Сульфатредуцирующие микроорганизмы ( SRM ) или сульфатредуцирующие прокариоты ( SRP ) представляют собой группу, состоящую из сульфатредуцирующих бактерий (SRB) и сульфатредуцирующих архей (SRA), оба из которых могут выполнять анаэробное дыхание с использованием сульфата (SO 4 2– ) в качестве концевого акцептора электронов , восстанавливая его до сероводорода (H 2 S). [1] [2] Следовательно, эти сульфидогенные микроорганизмы «дышат» сульфатом, а не молекулярным кислородом (O 2), который является концевым акцептором электронов, восстанавливаемым до воды (H 2 O) при аэробном дыхании .

Большинство сульфатредуцирующих микроорганизмов могут также восстанавливать некоторые другие окисленные неорганические соединения серы , такие как сульфит (SO 3 2– ), дитионит (S 2 O 4 2– ), тиосульфат (S 2 O 3 2– ), тритионат (S 3 O). 6 2– ), тетратионат (S 4 O 6 2− ), элементарная сера (S 8 ) и полисульфиды (S n 2−). В зависимости от контекста, «сульфатредуцирующие микроорганизмы» могут использоваться в более широком смысле (включая все виды, которые могут восстанавливать любое из этих соединений серы) или в более узком смысле (включая только виды, которые восстанавливают сульфат, и исключая строгое содержание тиосульфата и серы. редукторы , например).

Сульфатредуцирующие микроорганизмы появились 3,5 миллиарда лет назад и считаются одними из самых старых форм микробов, внесших свой вклад в цикл серы вскоре после появления на Земле жизни. [3]

Многие организмы восстанавливают небольшие количества сульфатов, чтобы синтезировать серосодержащие компоненты клеток; это называется восстановлением ассимиляционного сульфата . В отличие от этого, рассматриваемые здесь сульфатредуцирующие микроорганизмы восстанавливают сульфат в больших количествах для получения энергии и вытесняют образующийся сульфид как отходы; это известно как диссимиляционное восстановление сульфата . [4] Они используют сульфат в качестве конечного акцептора электронов в своей цепи переноса электронов . [5] Большинство из них - анаэробы ; однако есть примеры сульфатредуцирующих микроорганизмов, которые толерантны к кислороду, и некоторые из них могут даже выполнять аэробное дыхание.[6] При использовании кислорода в качестве акцептора электронов роста не наблюдается. [7] Кроме того, существуют сульфатредуцирующие микроорганизмы, которые также могут восстанавливать другие акцепторы электронов, такие как фумарат , нитрат (NO 3 - ), нитрит (NO 2 - ), трехвалентное железо [Fe (III)] и диметилсульфоксид. (ДМСО). [1] [8]

С точки зрения донора электронов в эту группу входят как органотрофы, так и литотрофы . Органотрофы окисляют органические соединения , такие как углеводы , органические кислоты (например, формиат , лактат , ацетат , пропионат и бутират ), спирты ( метанол и этанол ), алифатические углеводороды (включая метан ) и ароматические углеводороды ( бензол , толуол ,этилбензол и ксилол ). [9] Литотрофы окисляют молекулярный водород (H 2 ), за который они конкурируют с метаногенами и ацетогенами в анаэробных условиях. [9] Некоторые сульфатредуцирующие микроорганизмы могут напрямую использовать металлическое железо [Fe (0)] ( железо с нулевой валентностью , или ZVI) в качестве донора электронов, окисляя его до двухвалентного железа [Fe (II)]. [10]

Экологическое значение и маркеры [ править ]

Сульфат широко встречается в морской воде, отложениях и воде, богатой разлагающимся органическим материалом. [5] Сульфат также встречается в более экстремальных условиях, таких как гидротермальные источники, участки дренажа кислотных шахт, нефтяные месторождения и глубокие недра, [11] включая самые старые изолированные грунтовые воды в мире. [12] [13] Сульфатредуцирующие микроорганизмы широко распространены в анаэробных средах, где они способствуют разложению органических материалов. [14] В этих анаэробных средах ферментирующие бактерии извлекают энергию из крупных органических молекул; образующиеся более мелкие соединения, такие как органические кислоты и спирты , дополнительно окисляютсяацетогены и метаногены и конкурирующие сульфатредуцирующие микроорганизмы. [5]

Ил из пруда; черный цвет обусловлен сульфидами металлов, которые возникают в результате действия сульфатредуцирующих микроорганизмов.

Токсичный сероводород является продуктом жизнедеятельности сульфатредуцирующих микроорганизмов; его запах тухлых яиц часто является маркером присутствия в природе сульфатредуцирующих микроорганизмов. [14] Сульфатредуцирующие микроорганизмы ответственны за сернистый запах солончаков и грязей. Большая часть сероводорода будет реагировать с ионами металлов в воде с образованием сульфидов металлов . Эти сульфиды металлов, такие как сульфид железа (FeS), нерастворимы и часто имеют черный или коричневый цвет, что приводит к темному цвету ила. [2]

Во время пермско-триасового вымирания (250 миллионов лет назад), похоже, произошло серьезное аноксическое событие , когда эти формы бактерий стали доминирующей силой в океанических экосистемах, производя обильные количества сероводорода. [15]

Сульфатредуцирующие бактерии также генерируют нейротоксичную метилртуть в качестве побочного продукта своего метаболизма в результате метилирования неорганической ртути, присутствующей в их окружении. Известно, что они являются основным источником этой формы биоаккумуляции ртути в водных системах. [16]

Использует [ редактировать ]

Некоторые сульфатредуцирующие микроорганизмы могут восстанавливать углеводороды , и их использовали для очистки загрязненных почв. Их использование было также предложено для других видов загрязнений. [3]

Сульфатредуцирующие микроорганизмы рассматриваются как возможный способ борьбы с кислыми шахтными водами , которые производятся другими микроорганизмами. [17]

Проблемы, вызванные сульфатредуцирующими микроорганизмами [ править ]

В технике сульфатредуцирующие микроорганизмы могут создавать проблемы, когда металлические конструкции подвергаются воздействию сульфатсодержащей воды: взаимодействие воды и металла создает слой молекулярного водорода на поверхности металла; Затем сульфатредуцирующие микроорганизмы окисляют водород, образуя сероводород, который способствует коррозии .

Сероводород из сульфатредуцирующих микроорганизмов также играет определенную роль в биогенном сульфиде коррозии из бетона . Он также встречается в кислой сырой нефти . [3]

Некоторые сульфатредуцирующие микроорганизмы играют роль в анаэробном окислении метана : [3]

CH 4 + SO 4 2− → HCO 3 - + HS - + H 2 O

Важная часть метана, образованного метаногенами ниже морского дна, окисляется сульфатредуцирующими микроорганизмами в переходной зоне, отделяющей метаногенез от сульфатредуктивной активности в отложениях. Этот процесс также считается основным стоком сульфатов в морских отложениях.

При гидроразрыве пласта жидкости используются для гидроразрыва сланцевых пластов с целью извлечения метана ( сланцевого газа ) и углеводородов . Биоцидные соединения часто добавляют в воду для подавления микробной активности сульфатредуцирующих микроорганизмов, чтобы, помимо прочего, избежать анаэробного окисления метана и образования сероводорода , что в конечном итоге приводит к минимизации потенциальных производственных потерь.

Биохимия [ править ]

Основная статья: диссимиляционное восстановление сульфата

Прежде чем сульфат можно будет использовать в качестве акцептора электронов, он должен быть активирован. Это делается с помощью фермента АТФ-сульфурилазы , который использует АТФ и сульфат для создания аденозин-5'-фосфосульфата (APS). Впоследствии APS восстанавливается до сульфита и AMP . Затем сульфит восстанавливается до сульфида, а АМФ превращается в АДФ с использованием другой молекулы АТФ. Таким образом, весь процесс включает в себя вложение двух молекул энергоносителя АТФ, которые должны быть восстановлены после восстановления. [1]

Обзор трех ключевых ферментативных стадий диссимиляционного пути восстановления сульфата. Ферменты: sat и atps, соответственно, означают сульфат-аденилилтрансферазу и АТФ-сульфурилазу (EC 2.7.7.4); apr и aps оба используются для аденозин-5'-фосфосульфатредуктазы (EC 1.8.4.8); и dsr представляет собой диссимиляционную (би) сульфитредуктазу (EC 1.8.99.5);

Фермент диссимиляционная (би) сульфитредуктаза, dsrAB (EC 1.8.99.5), который катализирует последнюю стадию диссимиляционного восстановления сульфата, является функциональным геном, наиболее используемым в качестве молекулярного маркера для обнаружения присутствия сульфатредуцирующих микроорганизмов. [18]

Филогения [ править ]

Сульфатредуцирующие микроорганизмы рассматривались как фенотипическая группа вместе с другими серовосстанавливающими бактериями для целей идентификации. Они находятся в нескольких различных филогенетических линиях. [19] По состоянию на 2009 год известно 60 родов, содержащих 220 видов сульфатредуцирующих бактерий. [3]

Среди Deltaproteobacteria отряды сульфатредуцирующих бактерий включают Desulfobacterales , Desulfovibrionales и Syntrophobacterales . Это самая большая группа сульфатредуцирующих бактерий, около 23 родов. [1]

Вторая по величине группа сульфатредуцирующих бактерий находится среди Firmicutes , включая роды Desulfotomaculum , Desulfosporomusa и Desulfosporosinus .

В подразделении Nitrospirae мы находим виды Thermodesulfovibrio, восстанавливающие сульфат .

Еще две группы, которые включают термофильные сульфатредуцирующие бактерии, получили свой собственный тип: Thermodesulfobacteria и Thermodesulfobium .

Есть также три известных родов сульфатредуцирующих архебактерий: Archaeoglobus , Thermocladium и Caldivirga . Они встречаются в гидротермальных источниках, нефтяных месторождениях и горячих источниках.

В июле 2019 года научное исследование шахты Кидд в Канаде обнаружило сульфатредуцирующие микроорганизмы, живущие на глубине 7 900 футов (2400 м) под поверхностью. Сульфатредукторы, обнаруженные на шахте Кидд, являются литотрофами, получающими энергию за счет окисления минералов, таких как пирит, а не органических соединений. [20] [21] [22] Кидд Майн также является местом, где находится самая старая известная вода на Земле. [23]

См. Также [ править ]

  • Анаэробное дыхание
  • Глубокая биосфера
  • Экстремофил
  • Микробный метаболизм
  • Микроорганизм
  • Хинон-взаимодействующая мембраносвязанная оксидоредуктаза
  • Серный цикл

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d Muyzer, G .; Стамс, AJ (июнь 2008 г.). «Экология и биотехнология сульфатредуцирующих бактерий» (PDF) . Обзоры природы микробиологии . 6 (6): 441–454. DOI : 10.1038 / nrmicro1892 . PMID  18461075 . S2CID  22775967 . Архивировано из оригинального (PDF) 25 апреля 2012 года.
  2. ^ a b Эрнст-Детлеф Шульце; Гарольд А. Муни (1993), Биоразнообразие и функция экосистем , Springer-Verlag, стр. 88–90, ISBN. 9783540581031
  3. ^ a b c d e Бартон, Ларри Л. и Фок, Гай Д. (2009). Биохимия, физиология и биотехнология сульфатредуцирующих бактерий . Успехи прикладной микробиологии . 68 . С. 41–98. DOI : 10.1016 / s0065-2164 (09) 01202-7 . ISBN 9780123748034. PMID  19426853 .
  4. ^ Рюкерт, Кристиан (2016). «Сульфатредукция в микроорганизмах - последние достижения и биотехнологические применения». Текущее мнение в микробиологии . 33 : 140–146. DOI : 10.1016 / j.mib.2016.07.007 . PMID 27461928 . 
  5. ^ a b c Ларри Бартон (редактор) (1995), сульфатредуцирующие бактерии , Springer, ISBN 9780306448577CS1 maint: дополнительный текст: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Каспер У. Кьельдсен; Кэтрин Джулиан и Кьельд Ингворсен (2004). «Кислородная толерантность сульфатредуцирующих бактерий в активном иле». Наука об окружающей среде и технологии . 38 (7): 2038–2043. Bibcode : 2004EnST ... 38.2038K . DOI : 10.1021 / es034777e . PMID 15112804 . 
  7. ^ " Симона Данненберг, Майкл Kroder;. Диллинг Вальтруда & Гериберт Cypionka (1992)„ Окисление H2, органические соединения и неорганические соединения серы в сочетании с уменьшением O2 или нитратов сульфатредуцирующих бактерий“ Архивы микробиологии . 158 (2) :. 93-99 DOI : 10.1007 / BF00245211 . S2CID 36923153 . 
  8. ^ Plugge, Кэролайн М .; Чжан, Вэйвэнь; Scholten, Johannes CM; Стамс, Альфонс Дж. М. (2011). «Метаболическая гибкость сульфатредуцирующих бактерий» . Границы микробиологии . 2 : 81. DOI : 10,3389 / fmicb.2011.00081 . ISSN 1664-302X . PMC 3119409 . PMID 21734907 .   
  9. ^ a b Лиамлим, Вароунсак; Annachhatre, Аджит П. (2007). «Доноры электронов для биологического сульфатредукции». Достижения биотехнологии . 25 (5): 452–463. DOI : 10.1016 / j.biotechadv.2007.05.002 . PMID 17572039 . 
  10. ^ Като, Souichiro (2016-03-01). «Микробный внеклеточный перенос электронов и его значение для коррозии железа» . Микробная биотехнология . 9 (2): 141–148. DOI : 10.1111 / 1751-7915.12340 . ISSN 1751-7915 . PMC 4767289 . PMID 26863985 .   
  11. ^ Muyzer G, Stams AJ (июнь 2008). «Экология и биотехнология сульфатредуцирующих бактерий». Обзоры природы. Микробиология . 6 (6): 441–54. DOI : 10.1038 / nrmicro1892 . PMID 18461075 . S2CID 22775967 .  
  12. ^ Лоллар, Гранат S .; Уорр, Оливер; Рассказывая, Джон; Osburn, Magdalena R .; Лоллар, Барбара Шервуд (18 июля 2019 г.). « « Следуй за водой »: гидрогеохимические ограничения на микробиологические исследования на глубине 2,4 км в обсерватории глубинных флюидов и глубинной жизни Кидд-Крик». Геомикробиологический журнал . 36 (10): 859–872. DOI : 10.1080 / 01490451.2019.1641770 . S2CID 199636268 . 
  13. ^ «Самые старые подземные воды в мире поддерживают жизнь благодаря химии воды и горных пород» . Глубокая углеродная обсерватория . 29 июля 2019 . Проверено 13 сентября 2019 .
  14. ^ a b Декстер Дайер, Бетси (2003). Полевой справочник по бактериям . Comstock Publishing Associates / Cornell University Press.
  15. ↑ Питер Д. Уорд (октябрь 2006 г.), «Воздействие из глубины» , Scientific American
  16. ^ GC Compeau и Р. Барта (август 1985), "сульфатредуцирующих бактерий: Основные Methylators Меркурия в бескислородных отложениях эстуария", прикладной и экологической микробиологии , 50 (2): 498-502, DOI : 10,1128 / AEM.50.2. 498-502.1985 , PMC 238649 , PMID 16346866  
  17. ^ Ayangbenro, Ayansina S .; Olanrewaju, Oluwaseyi S .; Бабалола, Олубукола О. (22 августа 2018 г.). «Сульфатредуцирующие бактерии как эффективный инструмент для устойчивого биоремедиации кислых шахт» . Границы микробиологии . 9 : 1986. DOI : 10,3389 / fmicb.2018.01986 . PMC 6113391 . PMID 30186280 .  
  18. ^ Мюллер, Альберт Леопольд; Кьельдсен, Каспер Уруп; Раттей, Томас; Приставать, Майкл; Лой, Александр (2014-10-24). «Филогенетическое и экологическое разнообразие диссимиляционных (би) сульфитредуктаз DsrAB-типа» . Журнал ISME . 9 (5): 1152–1165. DOI : 10.1038 / ismej.2014.208 . ISSN 1751-7370 . PMC 4351914 . PMID 25343514 .   
  19. ^ Pfennig N .; Бибель Х. (1986), «Диссимиляционные сульфатредуцирующие бактерии», в Starr; и другие. (ред.), Прокариоты: справочник по средам обитания, изоляции и идентификации бактерий , Springer
  20. ^ 'Follow the Water': гидрогеохимические ограничения на микробные исследования 2,4 км под поверхностью в обсерватории Deep Fluid и Deep Life в Кидд-Крик , Гранат С. Лоллар, Оливер Уорр, Джон Теллинг, Магдалена Р. Осберн и Барбара Шервуд Лоллар, получено 15 января Дата принятия решения - 01 июля 2019 г., опубликована онлайн: 18 июля 2019 г.
  21. ^ Самые старые подземные воды в мире поддерживают жизнь благодаря химическому составу воды и горных пород , 29 июля 2019 г., deepcarbon.net.
  22. ↑ Странные формы жизни, обнаруженные глубоко в шахте, указывают на обширные «подземные Галапагосы» , Кори С. Пауэлл, 7 сентября 2019 г., nbcnews.com.
  23. ↑ Самая старая вода на Земле, найденная глубоко под канадским щитом , 14 декабря 2016 г., Мэгги Ромулд

Внешние ссылки [ править ]

  • «Следуй за водой»: гидрогеохимические ограничения на микробные исследования 2,4 км под поверхностью в обсерватории Deep Fluid and Deep Life в Кидд-Крик , Гранат С. Лоллар, Оливер Уорр, Джон Теллинг, Магдалена Р. Осберн и Барбара Шервуд Лоллар, получено 15 января 2019 г. , Дата принятия 1 июля 2019 г., Дата публикации онлайн: 18 июля 2019 г.
  • Флюиды глубоких трещин, изолированные в коре с докембрийской эры , Г. Холланд, Б. Шервуд Лоллар, Л. Ли, Г. Лакрамп-Кулум, Г. Ф. Слейтер и С. Дж. Баллентин, журнал Nature 497, страницы 357–360 (16 мая 2013 г.)
  • Массово-независимое фракционирование серы в подземных водах трещин указывает на длительный цикл серы в докембрийских породах , авторы Л. Ли, Б. Винг, Т. Х. Буй, Дж. М. Макдермотт, Г. Ф. Слейтер, С. Вей, Г. Лакрампе-Кулум и Б. Шервуд. Lollar, 27 октября 2016 г., том 7, Nature Communications, номер статьи: 13252 (2016 г.)
  • Загадочная «глубокая биосфера» Земли может содержать миллионы неоткрытых видов , Автор Брэндон Спектор, Live Science, 11 декабря 2018 г., опубликовано на сайте nbcnews.com.