Международная группа исследователей под руководством микробиологов Марка Муссмана и Александра Лоя из Венского университета обнаружила совершенно новый тип микробного метаболизма. Эти недавно идентифицированные микроорганизмы, получившие название MISO–бактерий, способны «дышать» минералами железа, окисляя при этом токсичный сульфид. Ученые выяснили, что реакция между сероводородом – ядовитым газом – и твердыми минералами железа является не только химическим, но и биологическим процессом. В рамках этого открытого пути адаптивные микробы, обитающие в морских отложениях и водно–болотных угодьях, удаляют токсичный сульфид, используя его как источник энергии для роста. Кроме того, эти бактерии могут играть важную роль в предотвращении расширения так называемых «мертвых зон» – обедненных кислородом участков – в водных экосистемах.
Открытие было недавно опубликовано в журнале Nature. Перемещение ключевых элементов – таких как углерод, азот, сера и железо – в окружающей среде осуществляется посредством так называемых биогеохимических циклов. Эти преобразования происходят через реакции восстановления и окисления (редокс–реакции), которые перемещают элементы между воздухом, водой, почвой, горными породами и живыми организмами. Поскольку данные циклы регулируют парниковые газы, они напрямую влияют на климат Земли и температурный баланс. Микроорганизмы участвуют практически на каждом этапе этих процессов, используя такие вещества, как сера и железо, для дыхания, подобно тому как люди используют кислород для метаболизма пищи.
Сера и железо особенно важны для микробных сообществ, обитающих в среде с низким содержанием кислорода – например, на дне океанов, в водно–болотных угодьях и отложениях. Сера может существовать в атмосфере как газ, в морской воде как растворенный сульфат или в составе минеральных отложений. Железо же меняет свои химические формы в зависимости от доступности кислорода. Когда микробы перерабатывают серу, они часто одновременно изменяют форму железа, создавая тесную взаимосвязь между этими двумя элементами. Это сопряжение влияет на круговорот питательных веществ и на производство или потребление парниковых газов, таких как углекислый газ и метан. Понимание этих связей помогает ученым прогнозировать, как природные системы реагируют на изменения окружающей среды, включая загрязнение и глобальное потепление.
В бескислородных условиях, таких как морские отложения, водно–болотные угодья и подземные водоносные горизонты, некоторые микробы производят сероводород – едкий и высокотоксичный газ. Взаимодействие этого сульфида с минералами оксида железа(III), по сути ржавчиной, помогает контролировать уровни сульфида. До сих пор ученые полагали, что этот процесс происходит исключительно посредством химических реакций, в результате которых образуются элементарная сера и моносульфид железа (FeS) – черный минерал, ответственный за темный цвет низкокислородных пляжных песков. «Мы показываем, что эта экологически важная редокс–реакция не является исключительно химической, – отмечает Александр Лой, руководитель исследовательской группы в CeMESS, Центре микробиологии и систем наук об окружающей среде Венского университета. – Микроорганизмы также могут использовать ее для роста».
Открытие команды раскрывает новую форму микробного производства энергии, названную MISO. Этот процесс связывает восстановление оксида железа(III) с окислением сульфида. В отличие от чисто химической реакции, MISO напрямую производит сульфат, минуя промежуточные стадии в цикле серы. «MISO–бактерии удаляют токсичный сульфид и могут помочь предотвратить расширение так называемых «мертвых зон» в водной среде, при этом фиксируя углекислый газ для роста – подобно растениям», – дополняет Марк Муссман, старший научный сотрудник CeMESS.
В ходе лабораторных экспериментов исследователи установили, что реакция MISO, осуществляемая микробами, происходит быстрее, чем та же реакция в химическом варианте. Это указывает на то, что микроорганизмы, вероятно, являются основной движущей силой этих преобразований в природных условиях. «Разнообразные бактерии и археи обладают генетической способностью к MISO, – поясняет ведущий автор Сонг–Кан Чен, – и они встречаются в широком спектре природных и искусственных сред». Согласно исследованию, активность MISO в морских отложениях может отвечать за до 7% всего глобального окисления сульфида до сульфата. Этот процесс подпитывается постоянным потоком реактивного железа, поступающего в океаны из рек и тающих ледников. Исследование, поддержанное Австрийским научным фондом (FWF) в рамках кластера передового опыта «Микробиомы движут здоровьем планеты», выявляет новый биологический механизм, связывающий круговорот серы, железа и углерода в бескислородных средах.
«Это открытие демонстрирует метаболическую изобретательность микроорганизмов и подчеркивает их незаменимую роль в формировании глобальных циклов элементов Земли», – заключает Александр Лой.
