Исследование: Видимый свет побуждает бактерии вырабатывать супероксид для окисления марганца

31 марта 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

корректура

издательство высшего образования

Оксиды марганца являются природными химически активными минералами и широко распространены в водной и наземной среде, влияя на судьбу металлов (таких как As3+ и Cd2+) и органических загрязнителей (таких как фенолы и диклофенак) посредством адсорбции и окисления при очистке сточных вод. Обычно считается, что оксиды марганца (III/IV) в окружающей среде образуются в результате окисления растворенного Mn(II) в результате абиотических или биотических процессов.

Окисление водного Mn(II) растворенным кислородом термодинамически выгодно, но кинетика медленная из-за высокого энергетического барьера реакции растворенного Mn(II) с оксидами Mn(III/IV). Присутствие микроорганизмов ускоряет скорость окисления, которая на 4–5 порядков превышает скорость абиотического химического окисления, поэтому рассматривается как первоначальный источник поступления оксидов марганца в окружающую среду.

Бактерии, способные катализировать окисление растворенных ионов Mn(II) до нерастворенных оксидов Mn(III/IV), обычно называют марганецокисляющими бактериями. Бактериальное окисление ионов Mn(II) разделяют на прямой и непрямой пути, а процесс, катализируемый ферментами на поверхности микроорганизмов, называют прямым окислением. Косвенным путем некоторые бактерии могут изменять условия окружающей среды для окисления Mn(II) (например, pH и Eh).

В недавних исследованиях было показано, что клада Roseobacter окисляет Mn(II) путем производства внеклеточных активных форм кислорода. Имеют ли другие клады бактерий процессы окисления Mn(II) сходные с Roseobacter? Насколько тесно связано окисление Mn(II) с физиологическим процессом бактерий?

Чтобы ответить на эти вопросы, профессор Фэн Чжао из Китайской академии наук и члены его команды исследовали процесс микробного окисления марганца под видимым светом, используя микроорганизмы прибрежной морской воды. Проанализирована связь трансформации растворимых оксидов Mn(II) в нерастворимые оксиды Mn(III/IV) микроорганизмами и физиологической ролью. Это исследование опубликовано в журнале Frontiers of Environmental Science & Engineering в 2023 году.

В этом исследовании исследовательская группа обнаружила, что видимый свет значительно повышает скорость окисления Mn(II), и средняя скорость достигает 64 мкмоль/(л·сут). Образовавшиеся оксиды марганца затем способствовали окислению Mn(II), таким образом, быстрое окисление марганца было результатом совместного действия биотических и абиотических веществ, а биологическая функция составляет 88% ± 4%.

Внеклеточный супероксид, продуцируемый микроорганизмами под действием видимого света, является решающим фактором быстрого окисления марганца в нашем исследовании. Но для производства этих супероксидов не требуется присутствия ионов Mn(II), процесс окисления Mn(II) был скорее непреднамеренной побочной реакцией, не влиявшей на рост микроорганизмов.

Более 70 % гетеротрофных микроорганизмов в природе способны продуцировать супероксид, благодаря окислительным свойствам свободных радикалов, все эти бактерии могут участвовать в геохимическом круговороте марганца. Более того, путь супероксидного окисления может быть важным природным источником оксида марганца.

Это исследование выявило важный путь бактериального окисления марганца. Гетеротрофные бактерии под действием видимого света продуцируют супероксид и окисляют ионы Mn(II) в окружающей среде, что является основным источником оксидов марганца. Биогенерированные оксиды Mn(III/IV) также могут окислять ионы Mn(II) косвенно посредством абиотических реакций при световом освещении.