Bacteriën die ijzermineralen ‘ademen’ en sulfide ontgiften, overtreffen chemische reacties

Internationaal team van wetenschappers ontdekt nieuw microbiologisch metabolisme

Een internationaal team van wetenschappers, geleid door microbiologen Marc Mussmann en Alexander Loy van de Universiteit van Wenen, heeft een nieuw microbiologisch metabolisme ontdekt: de zogenaamde MISO-bacteriën “ademen” ijzer-mineralen door toxisch sulfide te oxideren.

De onderzoekers ontdekten dat de reactie tussen toxisch waterstofsulfide en vaste ijzer-mineralen niet alleen een chemisch proces is, maar ook een voorheen onbekend biologisch proces. Hierbij verwijderen veelzijdige microben in mariene sedimenten en terrestrische moerassen toxisch sulfide en gebruiken ze dit voor hun groei. Deze bacteriën zouden de verspreiding van zuurstofloze “dode zones” in aquatische omgevingen kunnen voorkomen. De bevindingen zijn gepubliceerd in Nature.

De wereldwijde elementenkringlopen

De biogeochemische cycli van koolstof, stikstof, zwavel en ijzer beschrijven hoe deze elementen worden getransformeerd door reductie- en oxidatiereacties (redox) en hoe ze zich verplaatsen tussen de atmosfeer, water, bodem, gesteente en levende organismen. Deze cycli zijn nauw verbonden met het klimaat van de aarde, aangezien ze de stroom van broeikasgassen reguleren en de temperatuurbalans van de planeet beïnvloeden. Micro-organismen spelen een centrale rol in bijna elke stap van deze redox-transformaties, waarbij ze verbindingen zoals zwavel en ijzer gebruiken voor ademhaling, op dezelfde manier als mensen zuurstof gebruiken om voedsel te metaboliseren.

Zwavel en ijzer zijn bijzonder vitaal voor microbieel leven in zuurstofarme omgevingen, zoals de oceaanbodem of moerassen. Zwavel komt voor in verschillende vormen: als gas in de atmosfeer, als sulfaat in oceanen, of als onderdeel van mineralen in gesteente. Op dezelfde manier kan ijzer tussen verschillende vormen overgaan, afhankelijk van de aanwezigheid van zuurstof.

Wanneer microben zwavel metaboliseren, veranderen ze vaak tegelijkertijd de vorm van ijzer, en vice versa. Deze koppeling van zwavel- en ijzercycli heeft verstrekkende implicaties, die de beschikbaarheid van voedingsstoffen en de productie of afbraak van broeikasgassen zoals kooldioxide en methaan beïnvloeden. Het begrijpen van deze onderling verbonden cycli is cruciaal voor het voorspellen van hoe ecosystemen reageren op vervuiling, klimaatverandering en andere menselijke activiteiten.

Ademen van ijzer-mineralen om sulfide te ontgiften

De activiteiten van gespecialiseerde microben in zuurstofloze omgevingen, zoals mariene sedimenten, moerassen en zoetwateraquifers, produceren waterstofsulfide — een giftig gas met een kenmerkende geur van rotte eieren. De interactie tussen sulfide en vaste ijzer(III)oxide-mineralen, zoals roestig ijzer, speelt een sleutelrol bij het beheersen van sulfideconcentraties.

Tot nu toe hebben biogeochemische modellen deze reactie als puur abiotisch behandeld, met voornamelijk de vorming van elementaire zwavel en ijzermonosulfide (FeS) als resultaat, een zwart mineraal dat bijvoorbeeld verantwoordelijk is voor de donkere kleur van strand sedimenten onder lage zuurstofcondities. “Wij tonen aan dat deze milieubelangrijke redox-reactie niet uitsluitend chemisch is,” legt Loy uit, groepsleider van het CeMESS, het Centrum voor Microbiologie en Milieu-Systemenwetenschappen aan de Universiteit van Wenen. “Micro-organismen kunnen deze ook benutten voor groei.”

Het nieuw ontdekte microbiële energie metabolisme, kortweg MISO genoemd, koppelt de reductie van ijzer(III)oxide aan de oxidatie van sulfide. In tegenstelling tot de chemische reactie produceert MISO direct sulfaat, waardoor tussenstappen in de zwavelcyclus worden omzeild. “MISO-bacteriën verwijderen toxisch sulfide en kunnen helpen de uitbreiding van zogenaamde ‘dode zones’ in aquatische omgevingen te voorkomen, terwijl ze kooldioxide fixeren voor groei — vergelijkbaar met planten,” voegt Mussmann, senior wetenschapper bij CeMESS, toe.

Een wereldwijd belangrijk microbiëel proces dat de chemie overstijgt

In laboratoriumgroeiexperimenten met een gekweekte MISO-bacterie hebben de onderzoekers aangetoond dat de enzymatisch gekatalyseerde reactie sneller is dan de equivalente chemische reactie. Dit suggereert dat microben de belangrijkste drijfveren van dit proces in de natuur zijn. “Diverse bacteriën en archaea bezitten de genetische capaciteit voor MISO,” legt Song-Can Chen, hoofdauteur van de studie, uit, “en zij komen voor in een breed scala aan natuurlijke en door de mens gemaakte omgevingen.”

In mariene sedimenten zou MISO goed voor maximaal 7% van de wereldwijde sulfideoxidatie naar sulfaat kunnen zorgen, gedreven door de aanzienlijke flux van reactief ijzer vanuit rivieren en smeltende gletsjers in de oceanen. De bevindingen van het team van de Universiteit van Wenen onthullen een voorheen onbekend biologisch mechanisme dat de cyclus van zwavel, ijzer en koolstof in zuurstofarme omgevingen verbindt. “Deze ontdekking toont de metabole vindingrijkheid van micro-organismen aan en benadrukt hun onmiskenbare rol in het vormgeven van de wereldwijde elementenkringlopen van de aarde,” concludeert Loy.