Бактерии, окисляющие железо (или железобактерии ), являются хемотрофными бактериями , которые получают энергию путем окисления растворенного железа . Известно, что они растут и размножаются в водах, содержащих концентрацию железа всего 0,1 мг/л. Однако для осуществления окисления необходимо не менее 0,3 ppm растворенного кислорода . [1]
Когда вода, лишенная кислорода, достигает источника кислорода, железобактерии преобразуют растворенное железо в нерастворимую красновато-коричневую студенистую слизь, которая обесцвечивает русла рек и может оставлять пятна на сантехнике, одежде или посуде, вымытой водой, содержащей ее. [2]
Органический материал, растворенный в воде, часто является основной причиной популяции бактерий, окисляющих железо. Грунтовые воды могут естественным образом дезоксигенироваться разлагающейся растительностью в болотах . Полезные минеральные месторождения болотной железной руды образовались там, где грунтовые воды исторически выходили на поверхность и подвергались воздействию атмосферного кислорода. [3] Антропогенные опасности , такие как фильтрат свалок , поля септических дренажей или утечка легкого нефтяного топлива, такого как бензин, являются другими возможными источниками органических материалов, позволяющими почвенным микробам дезоксигенировать грунтовые воды. [4]
Подобная реакция может привести к образованию черных отложений диоксида марганца из растворенного марганца , но встречается реже из-за относительного содержания железа (5,4%) по сравнению с марганцем (0,1%) в обычных почвах. [5] Сернистый запах гниения или разложения, иногда связанный с бактериями, окисляющими железо, возникает в результате ферментативного превращения сульфатов почвы в летучий сероводород как альтернативный источник кислорода в анаэробной воде. [6]
Железо — очень важный химический элемент, необходимый живым организмам для осуществления многочисленных метаболических реакций, таких как образование белков, участвующих в биохимических реакциях. Примерами таких белков являются железо-серные белки , гемоглобин и координационные комплексы . Железо широко распространено по всему миру и считается одним из самых распространенных элементов в земной коре, почве и отложениях. Железо является микроэлементом в морской среде . [7] Его роль в качестве донора электронов некоторых хемолитотрофов , вероятно, очень древняя. [8]
Аноксигенное фототрофное окисление железа было первым анаэробным метаболизмом, описанным в рамках метаболизма анаэробного окисления железа. Фотоферротрофные бактерии используют Fe 2+ в качестве донора электронов и энергию света для ассимиляции CO 2 в биомассу через цикл Кальвина Бенсона-Бассама (или цикл rTCA ) в нейтрофильной среде (pH 5,5-7,2), производя оксиды Fe 3+ в качестве отходов, которые осаждаются в виде минерала, в соответствии со следующей стехиометрией (4 мМ Fe(II) могут дать 1 мМ CH 2 O):
ХСО−3+ 4Fe(II) + 10H 2 O → [CH 2 O] + 4Fe(OH) 3 + 7H + (∆G° > 0) [7] [9]
Тем не менее, некоторые бактерии не используют фотоавтотрофный метаболизм окисления Fe(II) для целей роста. [10] Вместо этого было высказано предположение, что эти группы чувствительны к Fe(II) и, следовательно, окисляют Fe(II) в более нерастворимый оксид Fe(III), чтобы снизить его токсичность, что позволяет им расти в присутствии Fe(II). [10] С другой стороны, на основе экспериментов с R. capsulatus SB1003 (фотогетеротрофный) было продемонстрировано, что окисление Fe(II) может быть механизмом, посредством которого бактерии получают доступ к органическим источникам углерода (ацетат, сукцинат), использование которых зависит от окисления Fe(II) [11] Тем не менее, многие окисляющие железо бактерии могут использовать другие соединения в качестве доноров электронов в дополнение к Fe(II) или даже выполнять диссимиляционное восстановление Fe(III), как Geobacter metallireducens . [10]
Зависимость фотоферротрофов от света как важнейшего ресурса [12] [9] [13] может привести бактерии к затруднительной ситуации, когда из-за их потребности в бескислородных освещенных областях (вблизи поверхности) [9] они могут столкнуться с конкуренцией со стороны абиотических реакций из-за присутствия молекулярного кислорода. Чтобы избежать этой проблемы, они переносят микроаэрофильные поверхностные условия или выполняют фотоферротрофное окисление Fe(II) глубже в толще осадка/воды, при низкой доступности света. [9]
Проникновение света может ограничить окисление Fe(II) в толще воды. [12] Однако зависимое от нитрата микробное окисление Fe(II) является независимым от света метаболизмом, который, как было показано, поддерживает рост микробов в различных пресноводных и морских отложениях (рисовая почва, ручей, солоноватая лагуна, гидротермальные, глубоководные отложения) и позже был продемонстрирован как выраженный метаболизм в толще воды в зоне минимального содержания кислорода . [14] [13] Микробы, которые осуществляют этот метаболизм, успешны в нейтрофильных или щелочных средах из-за высокой разницы между окислительно-восстановительным потенциалом пар Fe2 + /Fe3 + и NO3− / NO2− ( +200 мВ и +770 мВ соответственно ) , высвобождая много свободной энергии по сравнению с другими метаболизмами окисления железа. [10] [15]
2Fe2 + + НЕТ−3+ 5H2O → 2Fe(OH) 3 + NO−2+ 4H + (∆G°=-103,5 кДж/моль)
Микробное окисление двухвалентного железа, сопряженное с денитрификацией (конечным продуктом которого является нитрит или диазот) [7], может быть автотрофным с использованием неорганического углерода или органических косубстратов (ацетат, бутират, пируват, этанол), осуществляя гетеротрофный рост в отсутствие неорганического углерода. [10] [15] Было высказано предположение, что гетеротрофное нитрат-зависимое окисление двухвалентного железа с использованием органического углерода может быть наиболее благоприятным процессом. [16] Этот метаболизм может быть очень важным для осуществления важного этапа в биогеохимическом цикле в пределах OMZ. [17]
Несмотря на филогенетическое разнообразие, микробная метаболическая стратегия окисления двухвалентного железа (обнаруженная у архей и бактерий) присутствует в 7 типах , будучи наиболее выраженной в типе Pseudomonadota (ранее Proteobacteria), особенно в классах Alpha , Beta , Gamma и Zetaproteobacteria , [10] [18] и среди домена Archaea в типах « Euryarchaeota » и Thermoproteota , а также в типах Actinomycetota , Bacillota , Chlorobiota и Nitrospirota . [18]
Существуют очень хорошо изученные виды бактерий, окисляющих железо, такие как Thiobacillus ferrooxidans и Leptospirillum ferrooxidans , а некоторые, такие как Gallionella ferruginea и Mariprofundis ferrooxydans, способны производить особую внеклеточную ленточную структуру, богатую железом, известную как типичная биосигнатура микробного окисления железа. Эти структуры можно легко обнаружить в образце воды, что указывает на присутствие бактерий, окисляющих железо. Эта биосигнатура стала инструментом для понимания важности метаболизма железа в прошлом Земли. [19]
Бактерии, окисляющие железо, колонизируют переходную зону, где деоксигенированная вода из анаэробной среды перетекает в аэробную среду. Грунтовые воды, содержащие растворенный органический материал, могут быть деоксигенированы микроорганизмами, питающимися этим растворенным органическим материалом. В аэробных условиях изменение pH играет важную роль в управлении реакцией окисления Fe 2+ /Fe 3+ . [7] [13] При нейтрофильных pH (гидротермальные источники, глубоководные базальты, просачивания железа из грунтовых вод) окисление железа микроорганизмами является весьма конкурентоспособным по сравнению с быстрой абиотической реакцией, происходящей менее чем за 1 минуту. [20] Поэтому микробное сообщество должно обитать в микроаэрофильных областях, где низкая концентрация кислорода позволяет клетке окислять Fe(II) и вырабатывать энергию для роста. [21] [22] Однако в кислых условиях, где двухвалентное железо более растворимо и стабильно даже в присутствии кислорода, только биологические процессы ответственны за окисление железа, [9] таким образом, окисление двухвалентного железа становится основной метаболической стратегией в богатых железом кислых средах. [18] [7]
В морской среде наиболее известным классом бактерий, окисляющих железо, являются зетапротеобактерии , [23] которые играют важную роль в морских экосистемах. Будучи в целом микроаэрофильными, они приспособлены к жизни в переходных зонах, где смешиваются кислородные и бескислородные воды . [21] Зетапротеобактерии присутствуют в различных богатых Fe(II) местообитаниях, обнаруженных в глубоких участках океана, связанных с гидротермальной активностью , а также в прибрежных и наземных местообитаниях, и были зарегистрированы на поверхности мелководных отложений, пляжного водоносного слоя и поверхностных вод.
Mariprofundus ferrooxydans — один из наиболее распространенных и хорошо изученных видов зетапротеобактерий. Впервые он был выделен из жерла подводной горы Камаэуаканалоа (ранее Лоихи) недалеко от Гавайев [18] на глубине от 1100 до 1325 метров на вершине этого щитового вулкана . Жерла могут быть обнаружены при температуре от немного выше температуры окружающей среды (10 °C) до высокой (167 °C). Воды жерла богаты CO2 , Fe(II) и Mn. [24] Большие, сильно покрытые коркой маты с студенистой текстурой создаются бактериями, окисляющими железо, в качестве побочного продукта (осаждение оксигидроксида железа) и могут присутствовать вокруг отверстий жерла. Жерла, присутствующие на подводной горе Камаэуаканалоа, можно разделить на два типа в зависимости от концентрации и температуры потока. Те, у кого есть сфокусированный и высокотемпературный поток (выше 50 °C), как ожидается, также покажут более высокие скорости потока. Эти источники характеризуются хлопьевидными матами, агрегированными вокруг отверстий источников. Глубина мата в сфокусированных, высокотемпературных источниках составляет в среднем десятки сантиметров, но может варьироваться. Напротив, источники с более прохладным (10-30 °C) и диффузным потоком могут создавать маты толщиной до одного метра. Эти маты могут покрывать сотни квадратных метров морского дна. [18] Любой тип мата может быть колонизирован другими бактериальными сообществами, которые могут изменить химический состав и поток местных вод. [25]
В отличие от большинства литотрофных метаболизмов, окисление Fe 2+ до Fe 3+ дает клетке очень мало энергии (∆G° = 29 кДж/моль и ∆G° = -90 кДж/моль в кислой и нейтральной средах соответственно) по сравнению с другими хемолитотрофными метаболизмами. [18] Поэтому клетка должна окислять большие количества Fe 2+ для удовлетворения своих метаболических потребностей, одновременно способствуя процессу минерализации (через выделение скрученных стеблей). [7] [26] Считается, что аэробный железоокисляющий бактериальный метаболизм внес значительный вклад в формирование крупнейшего месторождения железа ( формирование полосчатого железа (BIF) ) из-за появления кислорода в атмосфере 2,7 миллиарда лет назад (вырабатываемого цианобактериями ). [13]
Однако с открытием окисления Fe(II), осуществляемого в бескислородных условиях в конце 1990-х годов [16] с использованием света в качестве источника энергии или хемолитотрофно, используя другой конечный акцептор электронов (в основном NO3− ) , [ 9] возникло предположение, что бескислородный метаболизм Fe2 + может предшествовать аэробному окислению Fe2 + и что возраст BIF предшествует оксигенному фотосинтезу. [7] Это говорит о том, что микробный бескислородный фототрофный и анаэробный хемолитотрофный метаболизм могли присутствовать на древней Земле, и вместе с восстановителями Fe(III) они могли быть ответственны за BIF в докембрийском эоне. [9]
В открытых океанических системах, полных растворенного железа, метаболизм бактерий, окисляющих железо, распространен повсеместно и влияет на цикл железа. В настоящее время этот биохимический цикл претерпевает изменения из-за загрязнения и изменения климата; тем не менее, нормальное распределение двухвалентного железа в океане может быть затронуто глобальным потеплением при следующих условиях: закисление, смещение океанических течений и тенденция гипоксии океанической воды и грунтовых вод. [20]
Все это последствия существенного увеличения выбросов CO 2 в атмосферу из антропогенных источников. В настоящее время концентрация углекислого газа в атмосфере составляет около 420 ppm (на 120 ppm больше, чем 20 миллионов лет назад), и около четверти от общего объема выбросов CO 2 попадает в океаны (2,2 пг C год −1 ). Вступая в реакцию с морской водой, он производит ион бикарбоната (HCO 3 − ), и, таким образом, кислотность океана увеличивается. Кроме того, температура океана увеличилась почти на один градус (0,74 °C), что привело к таянию большого количества ледников, способствуя повышению уровня моря. Это снижает растворимость O 2 , препятствуя обмену кислорода между поверхностными водами, где O 2 очень много, и бескислородными глубинными водами. [27] [28]
Все эти изменения в морских параметрах (температура, кислотность и оксигенация) влияют на биогеохимический цикл железа и могут иметь несколько критических последствий для микробов, окисляющих железо; гипоксические и кислотные условия могут улучшить первичную продуктивность в поверхностных и прибрежных водах, поскольку это увеличит доступность железа Fe(II) для микробного окисления железа. Тем не менее, в то же время этот сценарий может также нарушить каскадный эффект для осадка в глубокой воде и вызвать гибель придонных животных. Более того, очень важно учитывать, что циклы железа и фосфата строго взаимосвязаны и сбалансированы, так что небольшое изменение в первом может иметь существенные последствия для второго. [29]
Бактерии, окисляющие железо, могут представлять проблему для управления скважинами водоснабжения , поскольку они могут вырабатывать нерастворимый оксид железа , который выглядит как коричневая желеобразная слизь, оставляющая пятна на сантехнике, а также на одежде и посуде, вымытой водой, содержащей этот оксид.
Драматические эффекты железобактерий видны в поверхностных водах в виде коричневых слизистых масс на дне ручьев и берегах озер или в виде маслянистого блеска на воде. Более серьезные проблемы возникают, когда бактерии скапливаются в системах скважин. Железобактерии в скважинах не вызывают проблем со здоровьем, но они могут снизить дебит скважин, засоряя сетки и трубы.
Методы обработки, которые могут успешно удалить или уменьшить количество железобактерий, включают физическое удаление, пастеризацию и химическую обработку. Обработка сильно инфицированных скважин может быть сложной, дорогой и лишь частично успешной. [30] Недавнее применение ультразвуковых устройств, которые разрушают и предотвращают образование биопленки в скважинах, как было доказано, очень успешно предотвращает инфицирование железобактериями и связанное с этим засорение. [31] [32]
Физическое удаление обычно выполняется в качестве первого шага. Трубы малого диаметра иногда очищаются проволочной щеткой, в то время как более крупные линии можно чистить и промывать с помощью канализационной машины . [33] Насосное оборудование в скважине также должно быть удалено и очищено. [34]
Фильтры для железа использовались для обработки железобактерий. Фильтры для железа похожи по внешнему виду и размеру на обычные умягчители воды, но содержат слои наполнителей, которые обладают слабой окислительной способностью. Когда вода, содержащая железо, проходит через слой, любое растворимое двухвалентное железо преобразуется в нерастворимое трехвалентное состояние, а затем отфильтровывается из воды. Любое ранее осажденное железо удаляется простой механической фильтрацией. В этих фильтрах для железа можно использовать несколько различных фильтрующих наполнителей, включая марганцевый зеленый песок, Birm, MTM, многослойный, песок и другие синтетические материалы. В большинстве случаев высшие оксиды марганца производят желаемое окислительное действие. Фильтры для железа имеют ограничения; поскольку окислительное действие относительно слабое, оно не будет хорошо работать, когда в воде присутствуют органические вещества, либо в сочетании с железом, либо полностью отдельно. В результате железобактерии не будут убиты. Чрезвычайно высокие концентрации железа могут потребовать неудобной частой обратной промывки и/или регенерации. Наконец, для надлежащей обратной промывки железосодержащего фильтрующего материала требуются высокие скорости потока воды, а такие скорости потока не всегда доступны.
Лесные пожары могут высвобождать железосодержащие соединения из почвы в небольшие лесные ручьи и вызывать быстрое, но обычно временное распространение бактерий, окисляющих железо, с оранжевой окраской, желатиновыми матами и сернистыми запахами. Для удаления бактерий, запаха и восстановления прозрачности воды можно использовать более качественные персональные фильтры.
{{cite journal}}
: Цитировать журнал требует |journal=
( помощь )