Demir soluyan mikropların kükürt döngüsünde bir rolü olabilir.

Mikroorganizmalar, Dünya tarihi boyunca kükürt döngüsünü yönlendirmiştir ve yönlendirmeye devam etmektedir. Bu organizmalar sülfid ile sülfat arasında önemli dönüşümlere katalizörlük yapmaktadır. Sülfid, oksijensiz veya oksijenden fakir ortamlarda, örneğin deniz tortulları, sulak alanlar ve gastrointestinal (mide-bağırsak) sistemde yaygın olarak bulunan potansiyel olarak toksik bir bileşiktir. Bazı mikroorganizmalar sülfidi oksitler ve elektronları oksijen, nitrat veya manganez okside aktararak enerji üretirler. Küresel olarak bol bulunan demir (Ⅲ) mineralleri, örneğin ferrihidrit, aynı zamanda kimyasal olarak sülfidi oksitler fakat mikrobiyal sülfid oksidasyonunu doğrudan desteklediği gösterilmemiştir.

Mikropların sülfid oksidasyonunu demir (III) minerallerinin solunumu ile ilişkilendirdiğini ve böylece kimyasal tepkimeyi potansiyel olarak geride bıraktığını göstermek, mikroorganizmaların oksijensiz ortamlarda kükürt dönüşümlerini nasıl sürdürdüğüne dair anlayışımızı yeniden şekillendirecektir.

KEŞİF

Çalışmanın yazarları, kükürt oksidasyonunu demir(Ⅲ) oksit solunumu ile birleştiren bir mikrobiyal metabolizmayı tanımlamak ve karakterize etmek için geniş ölçekli genomik analizi laboratuvar deneyleriyle birleştirdiler. Bu sürece MISO (kükürt oksidasyonu ile birleştirilmiş mikrobiyal demir solunumu) adını verdiler. 10.000'den fazla genomu tarayarak, bu süreci gerçekleştirebilecek genetik potansiyele sahip 37 mikrobiyal grubu tanımladılar.

Deneylerin doğruluğunu kontrol etmek amacıyla Desulfurivibrio alkaliphilus bakterisini şeçtiler çünkü genomu genellikle sülfür oksidasyonu ve demir solunumu ile ilgili anahtar genleri içermekteydi (Şekil 1a). Bakteriyi oksijensiz koşullarda yetiştirip ona katı demir(Ⅲ) oksit ferrihidrit ile ya çözünmüş sülfür ya da katı demir monosülfür sağladılar. Hücre büyümesini, gen transkripsiyonunu ve tepkime ürünleri olan demir(Ⅱ) ve sülfat oluşumunu kontrol grubu ile karşılaştırdılar. D. alkaliphilus'un büyüme için karbondioksiti kullanabilme yeteneğini göstermek amacıyla, kültürleri yalnızca C₁₃ ile etiketlenmiş bikarbonatın tek karbon kaynağı olarak kullanıldığı ortamlarda da inkübe edip etiketli karbonun hücresel biyokütleye katılışını analiz ettiler.

Ferrihidrit ve sülfürün her ikisi de bulunduğunda, hücre büyümesi ve sülfat üretiminde önemli bir artış gözlendi ve bu da D. alkaliphilus'un ferrihidriti alarak sülfürü sülfata oksitlemekte olduğunu gösteriyor (Şekil 1b). D. alkaliphilus tarafından gerçekleştirilen biyolojik sülfür oksidasyonu, özellikle düşük sülfür konsantrasyonlarında, karşılık gelen kimyasal (biyolojik olmayan) reaksiyona göre daha hızlı gerçekleşti.

RNA transkriptlerinin analizi, metabolik sülfür oksidasyon yolunu ve muhtemelen sülfürün ferrihidrit'e elektron transferinden sorumlu birden fazla "hem" proteini içeren sitokromlar olarak bilinen solunum protein komplekslerini içeren koordineli bir gen yapısını ortaya çıkardı. Kütle spektrometresinin bir varyantı, etiketlenmiş bikarbonattan elde edilen C₁₃'nin bireysel hücrelere entegre olduğunu gösterdi ve D. alkaliphilus'un yalnızca karbon kaynağı olarak karbondioksit alarak büyüdüğünü, ve bunun bitkilerle benzer bir şekilde olduğunu doğruladı. Bulgularımız, bu metabolik bağlantının sadece uygulanabilir değil, aynı zamanda verimli olduğunu göstermektedir ve bu, demir soluyan mikroorganizmaların birçok oksijensiz ortamda sülfür oksidasyonunun arkasındaki göz ardı edilen bir güç olabileceğini önermektedir.

Gelecekteki Çalışmalar

Bu çalışma, mikroorganizmaların sülfür ve demirin önemli jeokimyasal dönüşümlerindeki rolünü yeniden tanımlamaktadır. MISO’nun, sulak alanlar ve okyanus tortullarında sülfür birikimini önlemede henüz bilinmeyen bir role sahip olabileceği, toksik sülfür bölgelerini hafifletebileceği ve ışık olmadan karbon fiksasyonuna katkıda bulunabileceği düşünülmektedir. İlk tahminler, MISO’nun deniz tortullarındaki küresel sülfür oksidasyonunun yaklaşık %7’sinden sorumlu olabileceğini göstermektedir.

MISO’nun biyogeokimyasal modellere dahil edilmesi, başka solunabilir bileşikler olmadan sülfat oluşumunun gözlenmesini de açıklayabilir. MISO’nun yerinde biyogeokimyaya olası katkısı şu anda laboratuvar deneyleri ve genomik verilerden çıkarılmaktadır. Ancak gerçek çevresel etkisini değerlendirmek için doğal ortamlarda doğrudan ölçümler yapılması gerekmektedir.

Gelecekteki araştırmalar, MISO yeteneğine sahip diğer mikroorganizmaların belirlenmesine ve farklı ekosistemlerdeki aktivitelerinin nicel olarak incelenmesine odaklanacaktır. Bu çalışmalar; biyogeokimyasal analizler, ilgili popülasyonların ölçümü ve çevresel genomik gibi çeşitli deneysel yaklaşımlar gerektirecektir.

Bu araştırma, katı demir oksitler aracılığıyla indirgenmiş kükürt bileşiklerinin mikroorganizmalar tarafından oksitlenebildiğini ortaya koyuyor. Daha önce bilinmeyen bu süreç, hem mikrobiyoloji hem de yer ve çevre bilimleri açısından büyük bir dönüm noktası niteliğinde. Çalışma, mikrobiyal dünyada kükürt döngüsünde görev alan belirteç genlerin dağılımına dair bugüne kadar yapılmış en kapsamlı incelemeyi sunuyor. Demir indirgeme ile ilişkili genlerle birlikte ele alındığında, bu genler hem öngörülen metabolizmaya sahip aday bakterileri tanımlıyor hem de demir oksitlere bağlı mikrobiyal sülfür oksidasyonunun aslında sanılandan çok daha yaygın olduğunu gösteriyor. Andreas Schramm, Aarhus Üniversitesi'nden.

Nature