Mikroorganizmy odgrywają kluczową rolę w utrzymaniu obiegu siarki, wpływając na procesy klimatyczne. W badaniu odkryto różnorodne, wielofunkcyjne mikroorganizmy redukujące siarczany, zdolne do jednoczesnej redukcji siarczanów i oddychania tlenem, co wywraca do góry nogami poprzedni konsensus naukowy. (Koncepcja techniczna.)
Badania mikroorganizmów istotnych dla środowiska wykazują większą różnorodność, niż wcześniej zakładano
Zespół naukowców wykazał, że w przyrodzie występuje niezwykle duża różnorodność biologiczna mikroorganizmów istotnych dla środowiska. Różnorodność ta jest co najmniej 4,5 razy większa niż dotychczas sądzono. Naukowcy opublikowali niedawno swoje odkrycia w prestiżowych czasopismach Komunikacja przyrodnicza oraz recenzje mikrobiologiczne FEMS.
Często pomijany jest ukryty świat mikroorganizmów, chociaż mikroorganizmy wpływają na wiele procesów związanych z klimatem, co często wiąże się z niesamowitą różnorodnością organizmów. Klasyfikować W obrębie grup bakterii i archeonów („archaebacteria”). Na przykład mikroorganizmy redukujące siarczany przekształcają jedną trzecią węgla organicznego w osadach morskich w dwutlenek węgla. Powoduje to wytwarzanie toksycznego siarkowodoru. Zaletą jest to, że mikroorganizmy utleniające siarkę szybko wykorzystują ją jako źródło energii i czynią ją nieszkodliwą.
„Procesy te odgrywają również ważną rolę w jeziorach, bagnach, a nawet w jelitach człowieka, umożliwiając utrzymanie równowagi i zdrowia przyrody” – mówi profesor Michael Bester, kierownik Katedry Mikroorganizmów w Leibniz DSMZ i profesor tego instytutu. Mikrobiologia na Uniwersytecie Technicznym w Brunszwiku. W jednym z badań bardziej szczegółowo zbadano metabolizm jednego z tych nowych mikroorganizmów, ujawniając wielofunkcyjność, która była wcześniej nieosiągalna.
Odkryto bardzo dużą różnorodność gatunków mikroorganizmów redukujących siarczany. Reduktory siarczanów występują obecnie łącznie w 27 typach bakterii i archeonów, zamiast sześciu znanych wcześniej. Źródło: DSMZ
Bilans krytyczny obiegu siarki
Cykl siarkowy jest jednym z najważniejszych i najstarszych cykli biogeochemicznych na naszej planecie. Jednocześnie jest ściśle powiązany z obiegiem węgla i azotu, co podkreśla jego znaczenie. Działają w nim głównie mikroorganizmy redukujące siarczany i utleniające siarkę. W skali globalnej reduktory siarczanów odwracają co roku około jedną trzecią węgla organicznego docierającego do dna morskiego. Natomiast utleniacze siarki zużywają około jednej czwartej tlenu zawartego w osadach morskich.
Kiedy w tych ekosystemach brakuje równowagi, aktywność tych mikroorganizmów może szybko doprowadzić do wyczerpania się tlenu i gromadzenia się toksycznego siarkowodoru. Tworzy to „martwe strefy”, w których zwierzęta i rośliny nie mogą już przetrwać. Powoduje to nie tylko szkody gospodarcze, na przykład w rybołówstwie, ale także szkody społeczne poprzez niszczenie ważnych lokalnych obszarów rekreacyjnych. Dlatego ważne jest, aby zrozumieć, które mikroorganizmy utrzymują homeostazę cyklu siarkowego i jak to robią.
Opublikowane wyniki pokazują, że różnorodność gatunkowa mikroorganizmów redukujących siarczany obejmuje co najmniej 27 typów (szczepów). Wcześniej znanych było tylko sześć typów. Dla porównania, w królestwie zwierząt istnieje obecnie 40 znanych typów Kręgowce Należy tylko do jednego typu, Chordata.
Schematyczne przedstawienie degradacji pektyny roślinnej – albo przez redukcję siarczanów, albo przez oddychanie tlenem w niedawno odkrytych bakteriach acidofilnych. Źródło: DSMZ
Nowo odkryte wielofunkcyjne gatunki bakterii
Naukowcom udało się zmapować jeden z tych nowych „reduktorów siarczanów” do mało zbadanego typu Acidobacteria i zbadać go w bioreaktorze.
Wykorzystując najnowsze metody mikrobiologii środowiskowej, udało im się wykazać, że bakterie te potrafią pozyskiwać energię z redukcji siarczanów i oddychać tlenem. Te dwie ścieżki zazwyczaj wykluczają się wzajemnie u wszystkich znanych mikroorganizmów. Jednocześnie badaczom udało się wykazać, że kwasobakterie redukujące siarczany mogą rozkładać złożone węglowodany roślinne, takie jak pektyna – to kolejna nieznana wcześniej właściwość „reduktorów siarczanów”.
W ten sposób badacze wywrócili wiedzę podręcznikową do góry nogami. Wykazali, że złożone związki roślinne mogą ulegać degradacji w warunkach wykluczenia tlenu nie tylko w wyniku skoordynowanej interakcji między różnymi mikroorganizmami, jak wcześniej sądzono, ale także na skróty przez pojedynczy gatunek bakterii.
Dr Stefan Dyskma (po lewej) i prof. dr Michael Bester obok bioreaktora w DSMZ, gdzie można badać nowe „reduktory siarczanów”. Źródło: DSMZ
Kolejnym nowym odkryciem jest to, że bakterie te potrafią wykorzystywać do tego celu siarczany i tlen. Naukowcy z DSMZ i Politechniki w Braunschweigu badają obecnie, w jaki sposób nowe odkrycia wpływają na interakcję między obiegami węgla i siarki oraz jaki mają one związek z procesami związanymi z klimatem.
Bibliografia:
„Oddychanie tlenem i degradacja polisacharydów przez bakterie acidofilne redukujące siarczany”, Stefan Dijksma i Michael Bester, 10 października 2023 r., Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-023-42074-z
„Globalna różnorodność i wywnioskowana ekofizjologia mikroorganizmów o rozbieżnym potencjale redukcji siarczanów/siarczanów” Mohi Diao, Stefan Dijksma, Elif Koksoy, David Kamanda Ngugi, Karthik Anantharaman, Alexander Lowe i Michael Bester, 5 października 2023 r., Recenzje mikrobiologii FEMS.
doi: 10.1093/femsre/fuad058