Микробы, питающиеся ржавчиной, могут помочь спасти океаны Земли
Микробы, которые используют железо в качестве источника кислорода и питаются сульфидами, могут незаметно спасать океаны Земли.
Бактерии MISO «дышат» минералами железа, выводя из них сульфиды, что запускает недавно открытый биологический процесс, связывающий глобальные циклы серы, железа и углерода. Фото: Shutterstock
Международная исследовательская группа под руководством микробиологов Марка Муссманна и Александра Лоя из Венского университета открыла совершенно новый тип микробного метаболизма. Недавно обнаруженные микроорганизмы, известные как бактерии MISO, способны «дышать» минералами железа, окисляя токсичный сульфид. Ученые обнаружили, что реакция между сероводородом — ядовитым газом — и твердыми минералами железа является не только химическим, но и биологическим процессом. Этот недавно обнаруженный способ заключается в том, что адаптирующиеся микроорганизмы, живущие в морских отложениях и почвах водно-болотных угодий, удаляют токсичный сульфид и используют его в качестве источника энергии для роста. Эти бактерии также могут играть важную роль в предотвращении расширения «мёртвых зон» с низким содержанием кислорода в водных экосистемах.
Результаты исследования были недавно опубликованы в Nature.
Как микробы управляют круговоротом элементов на Земле
Перемещение таких ключевых элементов, как углерод, азот, сера и железо, в окружающей среде происходит в рамках так называемых биогеохимических циклов. Эти преобразования происходят за счёт реакций восстановления и окисления (редокс-реакций), в результате которых элементы перемещаются между воздухом, водой, почвой, горными породами и живыми организмами. Поскольку эти циклы регулируют выбросы парниковых газов, они оказывают непосредственное влияние на климат и температурный баланс Земли. Микроорганизмы участвуют практически во всех этапах этих процессов, используя такие вещества, как сера и железо, для дыхания, подобно тому, как люди используют кислород для метаболизма пищи.
Сера и железо особенно важны для микробных сообществ, обитающих в местах с низким содержанием кислорода, таких как дно океана, водно-болотные угодья и донные отложения. Сера может существовать в виде газа в атмосфере, в виде сульфата, растворённого в морской воде, или в виде минеральных отложений. Железо, в свою очередь, переходит из одной химической формы в другую в зависимости от наличия кислорода. Когда микробы перерабатывают серу, они часто одновременно меняют форму железа, создавая тесную взаимосвязь между этими двумя элементами. Эта связь влияет на круговорот питательных веществ и на выработку или потребление парниковых газов, таких как углекислый газ и метан. Понимание этих взаимосвязей помогает учёным прогнозировать реакцию природных систем на изменения окружающей среды, включая загрязнение и глобальное потепление.
Микробы, которые используют железо для выведения токсичного сульфида
В средах с низким содержанием кислорода, таких как морские отложения, водно-болотные угодья и подземные водоносные горизонты, некоторые микробы вырабатывают сероводород — газ с неприятным запахом и высокой токсичностью. Взаимодействие между этим сульфидом и минералами оксида железа(III) — по сути, ржавчиной — помогает контролировать уровень сульфида. До недавнего времени учёные считали, что этот процесс происходит только в результате химических реакций, в ходе которых образуется элементарная сера и моносульфид железа (FeS) — чёрный минерал, придающий тёмный цвет пляжному песку с низким содержанием кислорода.
«Мы показываем, что эта важная для окружающей среды окислительно-восстановительная реакция носит не только химический характер, — говорит Александр Лой, руководитель исследовательской группы в CeMESS, Центре микробиологии и изучения экологических систем Венского университета. — Микроорганизмы также могут использовать её для роста».
Открытие команды учёных выявило новую форму производства энергии микроорганизмами под названием MISO. Этот процесс связывает восстановление оксида железа(III) с окислением сульфида. В отличие от чисто химической реакции, MISO напрямую генерирует сульфат, минуя промежуточные этапы в круговороте серы. «Бактерии MISO удаляют токсичный сульфид и могут помочь предотвратить расширение так называемых „мёртвых зон“ в водной среде, при этом фиксируя углекислый газ для роста — подобно растениям», — добавляет Марк Муссманн, старший научный сотрудник CeMESS.
Быстрый и масштабный процесс, меняющий облик планеты
В ходе лабораторных экспериментов исследователи обнаружили, что реакция MISO, осуществляемая микроорганизмами, происходит быстрее, чем та же реакция, протекающая химическим путём. Это указывает на то, что микроорганизмы, скорее всего, являются основной движущей силой этой трансформации в естественной среде. «Различные бактерии и археи обладают генетической способностью к MISO, — объясняет ведущий автор исследования Сонг-Кан Чен, — и они встречаются в самых разных природных и антропогенных средах».
Согласно результатам исследования, активность MISO в морских отложениях может быть причиной до 7 % всего глобального окисления сульфидов до сульфатов. Этот процесс подпитывается постоянным притоком химически активного железа, попадающего в океаны из рек и тающих ледников. Исследование, проведенное при поддержке Австрийского научного фонда (FWF) в рамках кластера передового опыта «Микробиомы — залог здоровья планеты», выявило новый биологический механизм, связывающий круговорот серы, железа и углерода в бескислородной среде.
«Это открытие демонстрирует метаболическую изобретательность микроорганизмов и подчёркивает их незаменимую роль в формировании глобальных круговоротов элементов на Земле», — заключает Александр Лой.
Ссылка на журнал:
Сонг-Кан Чен, Сяо-Мин Ли, Никола Баттисти, Гоцин Гуань, Мария А. Монтойя, Джей Осватич, Петра Пьевац, Шауль Поллак, Андреас Рихтер, Арно Шintlmeister, Вольфганг Ванек, Марк Муссманн, Александр Лой. Респирация микробного оксида железа в сочетании с окислением сульфидов. Nature, 2025; 646 (8086): 925 DOI: 10.1038/s41586-025-09467-0
Больше на COSMOFACT
Подпишитесь, чтобы получать последние записи по электронной почте.
