stringtranslate.com

Диссимиляционные металловосстанавливающие микроорганизмы

Диссимиляционные металлредуцирующие микроорганизмы — это группа микроорганизмов (как бактерий, так и архей ), которые могут осуществлять анаэробное дыхание, используя металл в качестве терминального акцептора электронов , а не молекулярный кислород (O 2 ), который является терминальным акцептором электронов, восстановленным до воды (H 2 O) . ) при аэробном дыхании . [1] Наиболее распространенными металлами, используемыми для этой цели, являются железо [Fe(III)] и марганец [Mn(IV)], которые восстанавливаются до Fe(II) и Mn(II) соответственно, а также большинство микроорганизмов, восстанавливающих Fe( III) также может восстанавливать Mn(IV). [2] [3] [4] Но в качестве терминальных акцепторов электронов также используются другие металлы и металлоиды, такие как ванадий [V(V)], хром [Cr(VI)), молибден [Mo(VI)], кобальт [ Co(III)], палладий [Pd(II)], золото [Au(III)] и ртуть [Hg(II)]. [1]

Условия и механизмы диссимиляционного восстановления металлов.

Диссимиляционные восстановители металлов представляют собой разнообразную группу микроорганизмов, что отражается на факторах, влияющих на различные формы восстановления металлов. Процесс диссимиляционного восстановления металлов происходит в отсутствие кислорода (О 2 ), но к диссимиляционным восстановителям металлов относятся как облигатные (строгие) анаэробы , например семейство Geobacteraceae , так и факультативные анаэробы , например Shewanella spp. [5] Кроме того, среди диссимиляционных металлов-восстановителей в окислительной реакции, связанной с восстановлением металла, используются различные доноры электронов. Например, некоторые виды ограничиваются небольшими органическими кислотами и водородом (H 2 ), тогда как другие могут окислять ароматические соединения. В некоторых случаях, например, при восстановлении Cr(VI), использование небольших органических соединений может оптимизировать скорость восстановления металла. [6] Еще одним фактором, влияющим на дыхание металлов, является кислотность окружающей среды. Хотя существуют ацидофильные и алкафильные диссимиляционные восстановители металлов, группа нейтрофильных восстановителей металлов содержит наиболее хорошо охарактеризованные роды. [7] В почве и отложениях, где pH часто нейтральный, такие металлы, как железо, встречаются в твердых окисленных формах и обладают переменным восстановительным потенциалом, что может повлиять на их использование микроорганизмами. [8]

Из-за непроницаемости клеточной стенки для минералов и нерастворимости оксидов металлов диссимиляционные восстановители металлов разработали способы восстановления металлов внеклеточно посредством переноса электронов. [5] [9] Цитохромы c , являющиеся трансмембранными белками, играют важную роль в транспортировке электронов из цитозоля к ферментам, прикрепленным к внешней стороне клетки. Затем электроны далее транспортируются к терминальному акцептору электронов посредством прямого взаимодействия между ферментами и оксидом металла. [10] [8] Помимо установления прямого контакта, диссимиляционные восстановители металлов также демонстрируют способность выполнять восстановление металла в диапазоне. Например, некоторые виды диссимиляционных восстановителей металлов производят соединения, которые могут растворять нерастворимые минералы или действовать как переносчики электронов, что позволяет им выполнять восстановление металлов на расстоянии. [11] Другие органические соединения, часто встречающиеся в почвах и отложениях, такие как гуминовые кислоты, также могут действовать как переносчики электронов. [12] В биопленках нанопроволоки и многоступенчатый переход электронов (при котором электроны перепрыгивают из клетки в клетку в сторону минерала) также были предложены в качестве методов восстановления металлов без необходимости прямого контакта с клетками. [13] [14] Было высказано предположение, что цитохромы c участвуют в обоих этих механизмах. [9] [10] Например, в нанопроволоках цитохромы c действуют как конечный компонент, который переносит электроны на оксид металла. [10]

Терминальные акцепторы электронов

Было обнаружено, что широкий спектр минералов, содержащих Fe (III), действует как концевые акцепторы электронов, включая магнетит, гематит, гетит, лепидокрокит, ферригидрит, водный оксид железа, смектит, иллит, ярозит и другие. [15]

Вторичное минеральное образование

В природных системах вторичные минералы могут образовываться как побочный продукт бактериального восстановления металлов. [16] Обычно наблюдаемые вторичные минералы, образующиеся в ходе экспериментального биовосстановления с помощью диссимиляционных восстановителей металлов, включают магнетит, сидерит, грин раст, вивианит и водный карбонат Fe(II).

Роды, включающие диссимиляционные восстановители металлов.

Рекомендации

  1. ^ аб Ллойд, Джонатан Р. (1 июня 2003 г.). «Микробное восстановление металлов и радионуклидов». Обзоры микробиологии FEMS . 27 (2–3): 411–425. дои : 10.1016/s0168-6445(03)00044-5 . ISSN  0168-6445. ПМИД  12829277.
  2. ^ Ловли, Д.Р. (1991). «Диссимиляционное восстановление Fe (III) и Mn (IV)». Микробиологические обзоры . 55 (2): 259–287. doi : 10.1128/mmbr.55.2.259-287.1991 . ПМЦ 372814 . ПМИД  1886521. 
  3. ^ Ловли, доктор Дерек (2013). «Диссимиляционные прокариоты, восстанавливающие Fe (III) и Mn (IV)». Розенберг, Юджин; Делонг, Эдвард Ф.; Лори, Стивен; Штакебрандт, Эрко; Томпсон, Фабиано (ред.). Прокариоты - физиология и биохимия прокариот . Шпрингер Берлин Гейдельберг. стр. 287–308. дои : 10.1007/978-3-642-30141-4_69. ISBN 9783642301407.
  4. ^ Вебер, Кэрри А.; Ахенбах, Лори А.; Коутс, Джон Д. (1 октября 2006 г.). «Микроорганизмы, перекачивающие железо: анаэробное микробное окисление и восстановление железа». Обзоры природы Микробиология . 4 (10): 752–764. doi : 10.1038/nrmicro1490. ISSN  1740-1534. PMID  16980937. S2CID  8528196.
  5. ^ Аб Ши, Лян; Сквайер, Томас С.; Захара, Джон М.; Фредриксон, Джеймс К. (1 июля 2007 г.). «Дыхание (гидр)оксидов металлов Shewanella и Geobacter: ключевая роль мультигемовых цитохромов c-типа». Молекулярная микробиология . 65 (1): 12–20. дои : 10.1111/j.1365-2958.2007.05783.x. ISSN  1365-2958. ЧВК 1974784 . ПМИД  17581116. 
  6. ^ Ллойд, Джонатан Р. (1 июня 2003 г.). «Микробное восстановление металлов и радионуклидов». Обзоры микробиологии FEMS . 27 (2–3): 411–425. дои : 10.1016/S0168-6445(03)00044-5 . ISSN  1574-6976. ПМИД  12829277.
  7. ^ Штурм, Гуннар; Дольч, Керстин; Рихтер, Катрин; Раутенберг, Миха; Гешер, Йоханнес (2013). «Редукторы металлов и цели восстановления. Краткий обзор о распространении диссимиляционных восстановителей металлов и множестве терминальных акцепторов электронов». Микробное дыхание металлов . стр. 129–159. дои : 10.1007/978-3-642-32867-1_6. ISBN 978-3-642-32866-4.
  8. ^ аб Рихтер, Катрин; Шикльбергер, Маркус; Гешер, Йоханнес (2012). «Диссимиляционное восстановление внеклеточных акцепторов электронов при анаэробном дыхании». Прикладная и экологическая микробиология . 78 (4): 913–921. дои : 10.1128/AEM.06803-11. ISSN  0099-2240. ПМК 3273014 . ПМИД  22179232. 
  9. ^ Аб Ши, Лян; Донг, Хайлян; Регера, Джемма; Бейенал, Халук; Лу, Аньхуай; Лю, Хуан; Ю, Хань-Цин; Фредриксон, Джеймс К. (2016). «Механизмы внеклеточного переноса электронов между микроорганизмами и минералами». Обзоры природы Микробиология . 14 (10): 651–662. doi : 10.1038/nrmicro.2016.93. PMID  27573579. S2CID  20626915.
  10. ^ abc Тихонова, ТВ; Попов, ВО (01.12.2014). «Структурные и функциональные исследования мультигемовых цитохромов с, участвующих во внеклеточном транспорте электронов при бактериальном диссимиляционном восстановлении металлов». Биохимия (Москва) . 79 (13): 1584–1601. дои : 10.1134/S0006297914130094. ISSN  0006-2979. PMID  25749166. S2CID  16090097.
  11. ^ Невин, Келли П.; Ловли, Дерек Р. (1 марта 2002 г.). «Механизмы восстановления оксида железа (III) в осадочных средах». Геомикробиологический журнал . 19 (2): 141–159. дои : 10.1080/01490450252864253. ISSN  0149-0451. S2CID  98225737.
  12. ^ Ловли, Д.Р., Фрага, Дж.Л., Блант-Харрис, Э.Л., Хейс, Л.А., Филлипс, EJP, и Коутс, JD (1998). Гуминовые вещества как медиатор микробно-катализируемого восстановления металлов. Acta Hydrochimica et Hydrobiologica, 26(3), 152-157.
  13. ^ Регера, Джемма; Маккарти, Кевин Д.; Мехта, Тина; Николл, Джули С.; Туоминен, Марк Т.; Ловли, Дерек Р. (2005). «Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопроволоки». Природа . 435 (7045): 1098–1101. дои : 10.1038/nature03661. PMID  15973408. S2CID  4425287.
  14. ^ Снайдер, Рэйчел М.; Стрихарц-Главен, Сара М.; Цой, Станислав Д.; Эриксон, Джеффри С.; Тендер, Леонард М. (2012). «Перенос электронов на большие расстояния в биопленках Geobacter серы-редуценса обусловлен окислительно-восстановительным градиентом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (38): 15467–15472. дои : 10.1073/pnas.1209829109 . JSTOR  41706427. PMC 3458377 . ПМИД  22955881. 
  15. ^ Миот, Дж.; Этик, М. (2016). «Образование и трансформация железосодержащих минералов железо(II)-окисляющими и железо(III)-восстанавливающими бактериями». Оксиды железа: от природы к применению . стр. 53–98. ISBN 978-3-527-33882-5.
  16. ^ Ловли, Д.Р.; Штольц, Дж. Ф.; Норд, ГЛ; Филлипс, Э.Дж. (1987). «Анаэробное производство магнетита диссимиляционными железовосстанавливающими микроорганизмами». Природа . 330 (6145): 252–254. дои : 10.1038/330252a0. S2CID  4234140.