Bakterie redukující sírany

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 25. května 2013; kontroly vyžadují 42 úprav .

Prokaryota redukující sírany (jiné názvy jsou desulfatační, sulfidogenní) jsou heterogenní skupinou anaerobních prokaryot ( bakterií a archeí ) schopných získávat energii za anaerobních podmínek v důsledku sulfátové respirace - oxidace vodíku nebo jiných anorganických nebo organických látek, za použití síranu jako konečný akceptor elektronů [1] .

Stáří nejstarších fosilií sulfátových reduktorů se odhaduje na 3,5 miliardy let, jsou tedy považovány za jedny z nejstarších živých organismů, které se účastnily cyklu síry krátce po vzniku života na Zemi [2] . Předpokládá se, že reduktory síranů se staly dominantní formou života v anaerobních oceánech během události Great Dying na hranici permu a triasu (asi před 250 miliony let) a jsou zodpovědné za masivní tvorbu a ukládání sirovodíku . během tohoto období [3] .

Metabolismus

Z hlediska metabolických drah jsou sulfátové reduktory poměrně různorodou skupinou prokaryot, včetně zástupců, kteří jsou spolu se sulfátovou respirací schopni realizovat další cesty pro disimilaci živinových substrátů. Terminálními akceptory elektronů se mohou stát fumarát ( dýchání fumarátu ), dusičnany a dusitany ( denitrifikace ), železité železo ( dýchání železem ) a dimethylsulfoxid [4] .

Většina druhů je považována za obligátní anaeroby , i když někteří zástupci prokázali aerotoleranci - schopnost tolerovat přítomnost kyslíku [5] [1] . Aerotolerantní sulfátové reduktory využívají enzymy, které neutralizují reaktivní formy kyslíku ( katalázy , superoxiddismutázy , peroxidázy , superoxidreduktázy ), a také různé metody chemické redukce molekulárního kyslíku, včetně v dýchacím řetězci se syntézou ATP [5] [6] . Přesto ani sulfátové reduktory schopné respirace kyslíku nemohou růst za aerobních podmínek a přecházejí do neaktivního stavu [5] .

Disimilační redukce síranů (respirace síranů) naznačuje, že tělo, které ji provádí, je chemotrofní , to znamená, že jako zdroj energie používá redoxní reakce . Přitom se různé sulfátové reduktory ve vztahu ke zdroji organických látek ukazují jako autotrofy a heterotrofy a ve vztahu k povaze substrátu oxidovaného při dýchání jsou to litotrofy a organotrofy [1] .

Organotrofní zástupci oxidují širokou škálu organických látek: metan (zoxidovaný na hydrogenuhličitan ), sacharidy , alkoholy , organické kyseliny (včetně mastných , až C 18 ), aminokyseliny a aromatické sloučeniny [6] . Zejména schopnost některých sulfátových redukčních činidel růst na aromatických uhlovodících umožňuje jejich použití pro biologické čištění půd a vodonosných vrstev od kontaminace benzenem , toluenem , xylenem , ethylbenzenem a některými dalšími ropnými produkty [2] .

Většina lithotrofních sulfátových reduktorů provádí oxidaci molekulárního vodíku . Některé druhy jsou schopny oxidovat oxid uhelnatý a železo .

4CO + 4H20 → 4CO2 + 4H2 ( AG = -80 kJ/mol) 4H2 + SO42− + 2H + → H2S + 4H20 ( AG = −152 kJ/mol)

Některé druhy jsou schopné fermentace: pyruvát na acetát, malát na sukcinát, propionát a acetát, cukr na acetát, ethanol, laktát. Ve všech případech[ co? ] jsou také tvořeny CO 2 a H 2 [1] .

Sulfátový dech

Konečným akceptorem elektronů při dýchání síranu je ve většině případů síranový iont . Některé druhy, kromě síranu, jsou schopny zapojit do tohoto procesu další sloučeniny síry ( thiosíran , siřičitan , molekulární síra ), ale někteří badatelé tyto cesty nepřipisují samotnému dýchání síranů. Zejména disimilační redukce síry se nazývá respirace síry .

Konečným produktem redukce síranu je sulfid (S 2− ) prostřednictvím tvorby siřičitanu (S0 3 2− ) jako meziproduktu . Pro účast v procesu je sulfát aktivován molekulou ATP za vzniku adenosinfosfosulfátu (APS) a pyrofosfátu (PPn ) . Dále se síra ve složení APS redukuje za vzniku siřičitanu (S0 3 2− ) a AMP . V průběhu dalších reakcí je siřičitan v různých typech prokaryot redukován jedním ze dvou následujících způsobů:

1 ) SO32− → S2− + 3H20 + ΔμH 2) SO 3 2− → S 3 O 6 2− → S 2 O 3 2− → S 2−

Některé z reakcí probíhají na proteinech a proteinových komplexech spojených s cytoplazmatickou membránou. Předpokládá se také, že existuje ATP difosfatáza schopná regenerovat ATP z AMP a pyrofosfátu s vynaložením energie protonového gradientu.

Redukce síranů je reverzibilní proces. Řada síranových reduktorů může provádět reakce disproporcionace meziproduktů (siřičitanu, thiosíranu) na sulfid a sulfát s uvolňováním energie [6] .

Další možnosti dýchání

Je znám organismus - Desulfocapsa thiozymogenes - schopný růstu za použití sulfitu nebo thiosíranu jako jediného zdroje energie. Také tato bakterie je schopna disproporcionovat síru (do stejných produktů, tato reakce (ΔG = +10 kJ/mol) však sama o sobě zřejmě nepřispívá k ukládání energie). Tato bakterie je také schopna růst nízkou rychlostí v přítomnosti metahydroxidu železa (FeO(OH)), redukovat jej na sulfid železitý a současně oxidovat sulfid na síru (součet této reakce a reakce disproporcionace síry lze považovat za variantu anorganické fermentace: síra + hydroxid (3) → sulfid (2) + síran, ΔG = −34 kJ/mol v přepočtu na síra).

Někteří členové skupiny jsou schopni redukční dechlorace (vazba C-Cl je redukována na vazbu C-H):

Je znám zástupce Desulfomonile tiedjei , který je schopen používat kyselinu 3-chlorbenzoovou a další m-chloraromatické sloučeniny jako akceptor elektronů (redukuje je na benzoát).

Zástupce Dehalospirillum multivorans je schopen růstu s využitím vodíku jako donoru elektronů a průmyslového rozpouštědla tetrachlorethenu jako akceptoru (redukuje se na cis-dichlorethen).

Snížení asimilace síranu

Je třeba rozlišovat mezi redukcí disimilačního sulfátu (respirace sulfátu) a redukcí asimilačního sulfátu , která neslouží k vytvoření protonového gradientu na cytoplazmatické membráně a generování energie, ale k zahrnutí síry do organických sloučenin. Tato cesta je známá mnoha organismům – prokaryotům, houbám, rostlinám. Proces asimilace je pomalejší než cesta disimilace a nevede k akumulaci velkého množství sirovodíku a sulfid na výstupu je zahrnut do složení aminokyselin obsahujících síru [1] . Sulfátreduktázy zapojené do procesu asimilace nejsou spojeny s buněčnými membránami a jsou reprezentovány globulárními proteiny. Během reakcí asimilace síranů se tvoří následující produkty:

APS → fosfoadenosin fosfosulfát ( FAPS ) → fosfoadenosin fosfát (PAF ) + SO 3 2− → S 2−

Asimilace uhlíku

V současné době byla prokázána schopnost některých sulfátových reduktorů růst autotrofně . Asimilace C02 se provádí buď cestou acetyl - CoA , nebo cestou redukujícího TCA .

Fixace dusíku

Mnoho zástupců skupiny se vyznačuje schopností fixace dusíku.

Katabolismus

Produkty katabolismu organických sloučenin v různých sulfátových redukcích jsou buď oxid uhličitý („úplná oxidace“, obvykle probíhá buď při reakcích modifikované TCA, nebo (častěji) při reverzních reakcích acetogeneze), nebo oxid uhličitý a acetát ( „neúplná oxidace“, tato možnost znamená oxidaci organických látek na acetyl-CoA, který nelze dále přímo oxidovat a převádí se do řetězce reakcí připomínajících buď „uzavřenou“ TCA nebo obrácenou acetyl-CoA cestu asimilace oxidu uhličitého) [1] .

Ekologie

Role v ekosystémech

Obvykle žijí ve spodních mořských sedimentech (na rozdíl od metanogenů, které obvykle rostou v sedimentech sladkovodních útvarů) nebo se nacházejí ve vodních útvarech bohatých na rozkládající se organickou hmotu. Jsou součástí sulfidogenních mikrobiálních společenstev. Většina sirovodíku na planetě vzniká právě v procesech sulfátové respirace a disimilace redukce síranu. Významná část organické hmoty v dnových sedimentech je rozkládána právě sulfidogenními společenstvy. Zástupci skupiny jsou důležitým článkem v globálním cyklu síry. Je hlavním zdrojem sulfidů pro anoxygenní fotosyntézu jiných prokaryů [7] [8] .

Právě sulfátové reduktory jsou zodpovědné za charakteristický zápach bahna a některých slanin, za charakteristický černý odstín sedimentárních hornin (tedy za přítomnost sulfidů kovů v nich).

Obvykle soutěží s methanogeny o vodík a další substráty.

Sulfátové reduktory jsou schopny růst při nižších koncentracích vodíku (reakce redukce síranů je energeticky příznivější) a obvykle dominují metanogenům a potlačují je. Možnost použití širšího spektra substrátů.

V komunitě síranové reduktory primárně provádějí sink vodíku (který zajišťuje práci syntrofů a udržuje příznivou termodynamickou rovnováhu komunity). Důležitá je také schopnost sulfátových reduktorů využívat laktát (tvořený bakteriemi mléčného kvašení) – a zabránit tak okyselování prostředí. Cenou za energetické benefity, využití metanu, laktátu a vodíku, pomoc při využití acetátu, mastných kyselin, je tvorba sirovodíku (obvyklá koncentrace je 2-3 mM, to je hranice pro existenci většiny druhů ), který deprimuje většinu společenstev (s výjimkou thiofilních, schopných existovat při vyšších koncentracích sulfidů) [6] [8] .

Pro sulfidogenní společenstva je důležitým limitujícím faktorem příliv síranů zvenčí. Regenerace síranů ve společenstvu je možná dvěma způsoby: horní členové společenstva oxidují sirovodík aerobně, nebo anoxygenní fototrofní bakterie - členové společenstva jej oxidují anaerobně.

Když už mluvíme o konkurenci mezi metanogenní a sulfidogenní flórou, je třeba také zmínit existenci „nekompetitivní“ metabolické cesty pro sloučeniny s jedním uhlíkem: například sulfátové reduktory mohou produkovat metanol, který sami dále nepoužívají, a methanogeny přítomní v komunitě jej mohou volně používat.

Hromadění sulfidu ve vodních útvarech může vést ke smrti ryb (stejně jako ostatních obyvatel těchto vodních útvarů).

Konstrukční koroze

Tvorba biofilmů (jejichž důležitou součástí jsou síranové reduktory) na površích potrubí v ropovodech je jedním z významných problémů přepravy a výroby ropy .

Rozsah koroze způsobený životně důležitou aktivitou sulfátových redukčních činidel je obrovský. Podle odhadů [9] za rok 1956 činily škody způsobené biologickou korozí potrubí a konstrukcí ropných zařízení asi 600 milionů dolarů ve Spojených státech, asi 20 milionů liber šterlinků v Anglii a asi 0,2 milionů dolarů v Japonsku.

Korozi jsou vystaveny nejen trubky ze slitin železa , ale i jiné konstrukce z nich vyrobené, ale i z jiných slitin (např. hliník ), a také betonové konstrukce. Bylo prokázáno, že cín, zinek a olovo jsou odolné vůči korozi v přítomnosti síranových redukčních činidel (pravděpodobně kvůli jejich toxicitě) [9] .

Mechanismus koroze je popsán jako katodická depolarizace . Na příkladu železa a jeho slitin (prostudovanější případ). Na jedné straně železo v kyselém prostředí pomalu koroduje a na povrchu kovového roztoku se vytváří film molekulárního vodíku, který kov chrání před další korozí. Ukázalo se, že nejen sulfátové reduktory, ale i další bakterie mající hydrogenázy jsou schopny tento vodík spotřebovávat ve svých metabolických procesech, což vede k urychlené korozi železa. K urychlení koroze navíc přispívá skutečnost, že ionty železa se mohou vázat na sulfid nebo hydroxid (na povrchu kovu se tvoří další galvanické páry) [9] . Kromě toho mohou být ionty železa transportovány do buňky a použity pro metabolické potřeby.

Hydrogenázy jsou především transmembránové enzymatické komplexy lokalizované v periplazmatickém prostoru [7] . Obsahují Fe, Ni, Fe-S-klastry.

Popisují mikrobiocenózy železných bakterií a sulfátové reduktory, které urychlují korozi vodovodního potrubí. A společenstva vláknitých hub, bakterií rodu Pseudomonas a sulfátových reduktorů, které urychlují korozi hliníkových konstrukcí [9] .

Vzhledem ke schopnosti oxidovat metan na hydrogenuhličitan v přítomnosti síranu mohou narušovat produkci metanu a jeho přepravu.

Zástupci

Do skupiny patří organismy s různými morfologickými, fyziologickými, biochemickými charakteristikami, organismy s velmi odlišnými genomy (např. rozsah podílu GC bází je 37–67 %) [1] .

Bakterie

K roku 2009 je známo 220 druhů sulfátových reduktorů v 60 rodech, které představují pět nepříbuzných skupin [10] [6] [7] .

Síranové reduktory, které zcela oxidují substráty, byly popsány ve velkém množství. Zbytek se nazývá "neúplná oxidační činidla". A tyto rostou mnohem rychleji a snáze se odlišují od komunit.

Archaea

Rod Archaeoglobus (typ druhu A. fulgidus ). Archaea s nepravidelným tvarem buněk. Izolováno od horkých mořských sedimentů poblíž hydrotermálních podvodních průduchů , od černých kuřáků Středoatlantického hřbetu, od ropných vrtů v Severním moři , z pod zamrzlým povrchem severního svahu Aljašky . Mohou existovat jako auto- i jako heterotrofní. Proveďte sulfitové a siřičitanové dýchání. Nemohou používat dusičnany a dusitany jako akceptory elektronů. V procesu růstu se uvolňuje sirovodík a metan (ten se tvoří jinak než u metanogenů). Podle výsledků sekvenování je skupina příbuzná metanogenům. Kromě síranu může být akceptorem elektronů: elementární síra, siřičitan, thiosíran, železo (3). Síra není obnovena. Donory elektronů mohou být: glukóza, formiát, formamid, pyruvát, laktát, acetát, isopropanol, ethanol, fumarát, vodík (podle některých zpráv druhý není vhodný pro růst se sulfátem) [11] .

Rody Thermocladium a Caldivirga . Nalezeno v blízkosti hydrotermálních průduchů a ropných polí [10] .

Poznámky

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Gusev M. V., Mineeva L. A. Mikrobiologie. - M. : MGU, 2004. - S. 388-393. — 448 s.
  2. ↑ 1 2 Barton, LL, Fauque, GD Biochemie, fyziologie a biotechnologie bakterií redukujících sírany // Pokroky v aplikované mikrobiologii. - 2009. - Sv. 68. - S. 41-98. - doi : 10.1016/s0065-2164(09)01202-7 .
  3. ↑ Ward PW Impact from the Deep . Scientific American (říjen 2006). Získáno 27. prosince 2020. Archivováno z originálu dne 27. listopadu 2020.
  4. ↑ Plugge CM, Zhang W., Scholten JCM, Stams AJM Metabolická flexibilita bakterií redukujících sulfáty // Frontiers in Microbiology. - 2011. - Sv. 2. - S. 81. - doi : 10.3389/fmicb.2011.00081 . — PMID 21734907 .
  5. ↑ 1 2 3 Kjeldsen KU, Joulian C., Ingvorsen K. Kyslíková tolerance bakterií redukujících sírany v aktivovaném kalu // Environmental Science and Technology. - 2004. - Sv. 38, č. 7 . - S. 2038-2043. - doi : 10.1021/es034777e . — PMID 15112804 .
  6. ↑ 1 2 3 4 5 Moderní mikrobiologie. Prokaryota: Ve 2 svazcích / Ed. J. Lengler, G. Drews, G. Schlegel. - M .: Mir, 2005. - S. 363-368.
  7. ↑ 1 2 3 Netrusov A. I, Kotová I. B. Mikrobiologie: učebnice pro vysokoškoláky. - M .: Akademie, 2006. - S. 136-139, 211-215. — 352 s.
  8. ↑ 1 2 Zavarzin G.A., Kolotilova N.N. Úvod do přírodní mikrobiologie. - M. : Knižní dům "Univerzita", 2001. - S. 238-240. — 256 s.
  9. ↑ 1 2 3 4 Průmyslová mikrobiologie / Egorov N. S. (ed.). - M .: Vyšší škola, 1989. - S.  669 -672. — 688 s.
  10. ↑ 1 2 překlad anglické verze článku
  11. ↑ Vorobyova L. I. Archei: učebnice pro vysoké školy. - M .: Akademikniga, 2007. - S. 314-315. — 447 s.
  Přejděte na položku Wikidata  V bibliografických katalozích