Бактерии MISO «дышат» твердым оксидом железа, окисляя сульфиды

Бактерии и археи — важные участники биогеохимического цикла серы. Серовосстанавливающие микроорганизмы способны восстанавливать сульфат до сульфидов и сероводорода, а сероокисляющие, напротив, окисляют сульфиды, сульфиты и другие соединения серы до сульфата. Сероокисляющие бактерии могут использовать в качестве акцептора электронов не кислород, а соединения железа (III). Однако до сих пор считалось, что окисление серы бактериями происходит только в кислой среде (pH ниже 3) и при одновременном восстановлении растворенных форм железа (III). Твердые же фазы соединений железа (III) — оксидов и оксигидроксидов, — как предполагалось, бактерии не используют; и эта ветвь биогеохимического цикла серы считалась исключительно химической.

Группа ученых из Китая и Австрии показала, что существуют бактерии, способные окислять серу и восстанавливать соединения железа (III) из твердой фазы. Этот вид метаболизма назвали MISO (Microbial reduction of extracellular Iron (III) coupled to Sulfide Oxidation — микробное восстановление внеклеточного железа (III), сопряженное с окислением сульфида). Для этого ученые провели обширный филогенетический поиск среди бактерий и архей, а также сравнили способность к окислению серы в присутствии окиси железа (III) в абиотических и биотических условиях.

Для начала исследователи провели поиск по базе данных геномов, чтобы найти микроорганизмы, в геноме которых представлен один или несколько из 42 ферментов, участвующих в метаболизме серы. Оказалось, что больше чем в половине фил бактерий и архей имеется хотя бы один такой белок. Кроме того, такие ферменты были закодированы в геномах 5 561 некультивируемых видов бактерий.

Биоинформатический анализ выявил виды бактерий и архей, которые потенциально способны окислять соединения серы и восстанавливать соединения железа. Гены, ассоциированные с этими процессами, встречались в 37 филах. Обобщив эти данные, исследователи выделили три основных типа реакций, которые осуществляют микроорганизмы. Первая группа микроорганизмов окисляет сульфид до сульфата, при этом восстанавливая соединения железа (III): для этого, например, бактерии рода Desulfurivibrionaceae используют такие ферменты, как сульфатаденилилтрансферазу, аденозин-5'-фосфосульфатредуктазу и сульфитредуктазу. Вторая группа микроорганизмов окисляет сульфид до элементарной серы: Aquifex aeolicus и Rhodobacter capsulatus используют для этого сульфид:хинон-оксидоредуктазу, а Rhodoferax ferrireducens — мультигемовый белковый комплекс. Третья группа микроорганизмов, включающая рода Burkholderiaceae, Sulfurifustaceae, Thiohalomonadaceae, Ectothiorhodospiraceae, окисляет тиосульфат.

Рассчитав свободную энергию Гиббса трех реакций, катализируемых этими микроорганизмами, ученые показали, что каждая из них может использоваться для получения энергии в большом диапазоне условий — даже в нейтральной или щелочной среде. Например, при окислении сульфида за счет восстановления соединений железа (III) в пресной воде свободная энергия Гиббса составляла от –20 до –40 кДж/моль-электрон — этого достаточно для роста бактерий.

Далее ученые провели ряд экспериментов с участием Desulfovibrio alkaliphilus — анаэробной мезофильной бактерии, которая обитает в осадочных отложениях водоемов. Известно, что эта бактерия может осуществлять диспропорционирование элементной серы — одновременно окислять и восстанавливать ее, — а также может окислять сульфиды, причем эта реакция сопряжена с восстановлением нитратов. Новые эксперименты показали, что D. alkaliphilus также может восстанавливать твердый оксид железа (III) и при этом окислять формиат, кристаллический пирит (FeS) или растворимые сульфиды. При бактериальном окислении пирита в присутствии оксида железа (III) образовывались сульфаты и железо (II). Такая реакция не происходила в стерильных образцах, следовательно, она действительно осуществляется именно биологическим способом.

При ежедневном добавлении в питательную среду, где культивировали бактерию, растворенных сульфидов также образовывались сульфаты, элементная сера и соединения железа (II); в стерильных контролях сульфаты не наблюдались. Исследователи предположили, что химическое окисление сульфида оксидом железа (III) приводит к появлению элементарной серы, которая и используется бактерией для дальнейшего диспропорционирования. В таком случае скорость реакции должна со временем снизиться, ведь она ограничена доступностью реакционных сайтов на поверхности оксида железа (III). Так как в ходе диспропорционирования элементной серы помимо сульфата также получается сульфид, все больше молекул взаимодействует с оксидом железа, в результате чего его поверхность становится перенасыщена, и скорость реакции падает. Именно такое снижение скорости реакции наблюдалось в стерильных образцах. Однако после каждого добавления растворимого сульфида в среду с бактериями скорость реакции временно повышалась, что указало на наличие дополнительных процессов — а именно прямого окисления сульфидов бактерией. Более подробный анализ кинетики показал, что бактерии действительно быстро потребляют сульфид — это происходит быстрее, чем в стерильных контролях. При этом больше 90% сульфида бактерии конвертируют сразу в сульфат, в то время как количества элементарной серы крайне малы.

Исследователи также продемонстрировали, что окисление сульфидов с одновременным восстановлением оксида железа (III) может поддерживать рост бактерий. За 4 дня культивирования бактерий в присутствии оксида железа (III) и пирита или растворимых сульфидов количество бактериальных клеток увеличилось в 2–3 раза. Для сравнения, в среде с растворимыми сульфидами и нитратами количество клеток D. alkaliphilus возрастало в 5–6 раз за 3 дня.

Транскриптомный анализ выявил гены, важные для метаболизма MISO. В частности, для окисления серы в присутствии окиси железа (III) D. alkaliphilus использовала сульфид:хинон-окисредуктазу Sqr, мультигемовые цитохромы, мембранный белок YeeE, который участвует в транспорте серы, митохондриальную роданазу Rhd и серотрансферазу TusA.

Таким образом, ученые доказали, что MISO — процесс, который ранее считался чисто абиотическим — на самом деле осуществляется бактериями. При этом скорость окисления сульфидов за счет восстановления железа (III) бактериями гораздо выше по сравнению с абиотическим процессом, а также может протекать в широком диапазоне pH. Исследователи предположили, что на самом деле бактерии могут осуществлять 1–7% всего окисления сульфидов до сульфатов в морских осадочных отложениях в мире, что меняет существующие представления о биогеохимическом цикле серы.

Голодные бактерии медленно поглощают еще живых конкурентов