Dissimilerende metalreducerende mikroorganismer - Dissimilatory metal-reducing microorganisms

Dissimilatoriske metalreducerende mikroorganismer er en gruppe af mikroorganismer (både bakterier og archaea ), der kan udføre anaerob respiration ved hjælp af et metal som terminal elektronacceptor frem for molekylært oxygen (O 2 ), som er den terminale elektronacceptor reduceret til vand (H 2 O ) ved aerob respiration . De mest almindelige metaller, der bruges til dette formål, er jern [Fe (III)] og mangan [Mn (IV)], som reduceres til henholdsvis Fe (II) og Mn (II), og de fleste mikroorganismer, der reducerer Fe (III), kan reducer også Mn (IV). Men andre metaller og metalloider bruges også som terminalelektronacceptorer, såsom vanadium [V (V)], chrom [Cr (VI)], molybdæn [Mo (VI)], kobolt [Co (III)], palladium [Pd (II)], guld [Au (III)] og kviksølv [Hg (II)].

Betingelser og mekanismer til dissimilatorisk metalreduktion

Dissimilerende metalreduktionsgear er en forskelligartet gruppe af mikroorganismer, hvilket afspejles i de faktorer, der påvirker de forskellige former for metalreduktion. Processen med dissimilatorisk metalreduktion sker i fravær af ilt (O 2 ), men dissimilatoriske metalreduktionsmidler omfatter både obligatoriske (strenge) anaerober , såsom familien Geobacteraceae , og fakultative anaerober , såsom Shewanella spp. På tværs af de dissimilerende metalreduktionsarter bruges forskellige elektrondonorer i den oxidative reaktion, der er koblet til metalreduktion. For eksempel er nogle arter begrænset til små organiske syrer og hydrogen (H 2 ), mens andre kan oxidere aromatiske forbindelser. I visse tilfælde, såsom reduktion af Cr (VI), kan brugen af ​​små organiske forbindelser optimere metalreduktionshastigheden. En anden faktor, der påvirker metalåndning, er miljøets surhed. Selvom der findes acidofile og alkalifile dissimilerende metalreduktionsmidler, indeholder den neutrofile metalreduktionsgruppe de mest velkarakteriserede slægter. I jord- og sedimentmiljøer, hvor pH ofte er neutralt, findes metaller som jern i deres faste oxiderede former og udviser variabelt reduktionspotentiale, som kan påvirke deres anvendelse af mikroorganismer.

På grund af cellevæggenes uigennemtrængelighed for mineraler og metaloxidernes uopløselighed har dissimilatoriske metalreduktorer udviklet måder at reducere metaller ekstracellulært via elektronoverførsel. Cytokromer c , som er transmembrane proteiner, spiller en vigtig rolle i transport af elektroner fra cytosolen til enzymer, der er knyttet til ydersiden af ​​cellen. Elektronerne transporteres derefter yderligere til terminalelektronacceptoren via direkte interaktion mellem enzymerne og metaloxidet. Ud over at etablere direkte kontakt, viser dissimilerende metalreduktionsgear også evnen til at udføre varieret metalreduktion. For eksempel producerer nogle arter af dissimilerende metalreduktionsmidler forbindelser, der kan opløse uopløselige mineraler eller fungere som elektronskib, så de kan udføre metalreduktion på afstand. Andre organiske forbindelser, der ofte findes i jord og sedimenter, såsom humussyrer, kan også fungere som elektronbusser. I biofilm er nanotråde og multistep elektronhopping (hvor elektroner hopper fra celle til celle mod mineralet) også blevet foreslået som metoder til at reducere metaller uden at kræve direkte cellekontakt. Det er blevet foreslået, at cytokromer c er involveret i begge disse mekanismer. I nanotråde fungerer for eksempel cytokromer c som den sidste komponent, der overfører elektroner til metaloxidet.

Terminalelektronacceptorer

En bred vifte af Fe (III) -bærende mineraler er blevet observeret til at fungere som terminale elektronacceptorer, herunder magnetit, hæmatit, goethit, lepidocrocit, ferrihydrit, vandholdigt jernoxid, smectit, illit, jarosite, blandt andre.

Sekundær mineraldannelse

I naturlige systemer kan sekundære mineraler dannes som et biprodukt af bakteriel metalreduktion. Almindeligt observerede sekundære mineraler produceret under eksperimentel bioreduktion ved dissimilatoriske metalreduktionsmidler omfatter magnetit, siderit, grøn rust, vivianit og vandigt Fe (II) -carbonat.

Slægter, der omfatter dissimilatoriske metalreduktører

Referencer

  1. ^ a b Lloyd, Jonathan R. (2003-06-01). "Mikrobiel reduktion af metaller og radionuklider" . FEMS Microbiology Anmeldelser . 27 (2–3): 411–425. doi : 10.1016/s0168-6445 (03) 00044-5 . ISSN  0168-6445 . PMID  12829277 .
  2. ^ Lovley, DR (1991). "Dissimilatorisk Fe (III) og Mn (IV) reduktion" . Mikrobiologiske anmeldelser . 55 (2): 259–287. doi : 10.1128/mmbr.55.2.259-287.1991 . PMC  372814 . PMID  1886521 .
  3. ^ Lovley, Dr Derek (2013). "Dissimilatorisk Fe (III)- og Mn (IV) -reducerende prokaryoter". I Rosenberg, Eugene; DeLong, Edward F .; Lory, Stephen; Stackebrandt, Erko; Thompson, Fabiano (red.). Prokaryoter . Prokaryoter - Prokaryotisk fysiologi og biokemi . Springer Berlin Heidelberg. s. 287–308. doi : 10.1007/978-3-642-30141-4_69 . ISBN 9783642301407.
  4. ^ Weber, Karrie A .; Achenbach, Laurie A .; Coates, John D. (2006-10-01). "Mikroorganismer, der pumper jern: anaerob mikrobiel jernoxidation og reduktion" . Naturanmeldelser Mikrobiologi . 4 (10): 752–764. doi : 10.1038/nrmicro1490 . ISSN  1740-1534 . PMID  16980937 . S2CID  8528196 .
  5. ^ a b Shi, Liang; Squier, Thomas C .; Zachara, John M .; Fredrickson, James K. (2007-07-01). "Respiration af metal (hydr) oxider af Shewanella og Geobacter: en nøglerolle for multihaem c-type cytokromer" . Molekylær mikrobiologi . 65 (1): 12–20. doi : 10.1111/j.1365-2958.2007.05783.x . ISSN  1365-2958 . PMC  1974784 . PMID  17581116 .
  6. ^ Lloyd, Jonathan R. (2003-06-01). "Mikrobiel reduktion af metaller og radionuklider" . FEMS Microbiology Anmeldelser . 27 (2–3): 411–425. doi : 10.1016/S0168-6445 (03) 00044-5 . ISSN  1574-6976 . PMID  12829277 .
  7. ^ Sturm, Gunnar; Dolch, Kerstin; Richter, Katrin; Rautenberg, Micha; Gescher, Johannes (2013). Mikrobiel metalånding . s. 129–159. doi : 10.1007/978-3-642-32867-1_6 . ISBN 978-3-642-32866-4.
  8. ^ a b Richter, Katrin; Schicklberger, Marcus; Gescher, Johannes (2012). "Dissimilatorisk reduktion af ekstracellulære elektronacceptorer i anaerob respiration" . Anvendt og miljømikrobiologi . 78 (4): 913–921. doi : 10.1128/AEM.06803-11 . ISSN  0099-2240 . PMC  3273014 . PMID  22179232 .
  9. ^ a b Shi, Liang; Dong, Hailiang; Reguera, Gemma; Beyenal, Haluk; Lu, Anhuai; Liu, Juan; Yu, Han-Qing; Fredrickson, James K. (2016). "Ekstracellulære elektronoverførselsmekanismer mellem mikroorganismer og mineraler". Naturanmeldelser Mikrobiologi . 14 (10): 651–662. doi : 10.1038/nrmicro.2016.93 . PMID  27573579 . S2CID  20626915 .
  10. ^ a b c Tikhonova, TV; Popov, VO (2014-12-01). "Strukturelle og funktionelle undersøgelser af multiheme -cytochromer c involveret i ekstracellulær elektrontransport i bakteriel dissimilatorisk metalreduktion". Biokemi (Moskva) . 79 (13): 1584–1601. doi : 10.1134/S0006297914130094 . ISSN  0006-2979 . PMID  25749166 . S2CID  16090097 .
  11. ^ Nevin, Kelly P .; Lovley, Derek R. (2002-03-01). "Mekanismer til Fe (III) oxidreduktion i sedimentære miljøer". Geomicrobiology Journal . 19 (2): 141–159. doi : 10.1080/01490450252864253 . ISSN  0149-0451 . S2CID  98225737 .
  12. ^ Lovley, DR, Fraga, JL, Blunt-Harris, EL, Hayes, LA, Phillips, EJP, & Coates, JD (1998). Humiske stoffer som mediator til mikrobielt katalyseret metalreduktion. Acta hydrochimica et hydrobiologica, 26 (3), 152-157.
  13. ^ Reguera, Gemma; McCarthy, Kevin D .; Mehta, Teena; Nicoll, Julie S .; Tuominen, Mark T .; Lovley, Derek R. (2005). "Ekstracellulær elektronoverførsel via mikrobielle nanotråde". Natur . 435 (7045): 1098–1101. doi : 10.1038/nature03661 . PMID  15973408 . S2CID  4425287 .
  14. ^ Snider, Rachel M .; Strycharz-Glaven, Sarah M .; Tsoi, Stanislav D .; Erickson, Jeffrey S .; Tender, Leonard M. (2012). "Elektronisk transport over lange afstande i Geobacter sulfurreducens biofilm er redox-gradientdrevet" . Procedurer fra National Academy of Sciences i Amerikas Forenede Stater . 109 (38): 15467–15472. doi : 10.1073/pnas.1209829109 . JSTOR  41706427 . PMC  3458377 . PMID  22955881 .
  15. ^ Miot, J .; Etique, M. (2016). "Dannelse og transformation af jernholdige mineraler med jern (II) -oxiderende og jern (III) -reducerende bakterier". Jernoxider: Fra natur til applikationer . s. 53–98. ISBN 978-3-527-33882-5.
  16. ^ Lovley, DR; Stolz, JF; Nord, GL; Phillips, EJ (1987). "Anaerob produktion af magnetit ved en dissimilatorisk jernreducerende mikroorganisme". Natur . 330 (6145): 252–254. doi : 10.1038/330252a0 . S2CID  4234140 .