Диссимиляционные металлоредуцирующие микроорганизмы - Dissimilatory metal-reducing microorganisms

Диссимиляционные металлоредуцирующие микроорганизмы группа микроорганизмы (обе бактерии и археи ) которые могут выполнять анаэробное дыхание используя металл как терминал акцептор электронов скорее, чем молекулярный кислород (O2), который является концевым акцептором электронов, восстановленным до воды (ЧАС2O) в аэробного дыхания.[1] Наиболее распространенные металлы, используемые для этой цели: утюг [Fe (III)] и марганец [Mn (IV)], которые восстанавливаются до Fe (II) и Mn (II) соответственно, и большинство микроорганизмов, восстанавливающих Fe (III), также могут восстанавливать Mn (IV).[2][3][4] Но другие металлы и металлоиды также используются в качестве концевых акцепторов электронов, например ванадий [V (V)], хром [Cr (VI)], молибден [Пн (VI)], кобальт [Co (III)], палладий [Pd (II)], золото [Au (III)] и Меркурий [Hg (II)].[1]

Условия и механизмы диссимиляционного восстановления металлов

Диссимиляционные восстановители металлов представляют собой разнообразную группу микроорганизмов, что отражается в факторах, влияющих на различные формы восстановления металлов. Процесс диссимиляционного восстановления металла происходит в отсутствие кислорода (O2), но диссимиляционные металлические редукторы включают оба облигатные (строгие) анаэробы, например, семья Geobacteraceae, и факультативные анаэробы, Такие как Shewanella виды[5] Кроме того, среди разновидностей диссимиляторов металлов-восстановителей различные доноры электронов используются в окислительной реакции, которая связана с восстановлением металла. Например, некоторые виды ограничены небольшими органическими кислотами и водородом (H2), тогда как другие могут окислять ароматические соединения. В некоторых случаях, таких как восстановление Cr (VI), использование небольших органических соединений может оптимизировать скорость восстановления металла.[6] Еще одним фактором, влияющим на дыхание металлов, является кислотность окружающей среды. Хотя существуют ацидофильные и алкалифильные диссимиляционные восстановители металлов, группа нейтрофильных восстановителей металлов содержит наиболее хорошо охарактеризованные роды.[7] В почве и отложениях, где pH часто бывает нейтральным, металлы, такие как железо, находятся в их твердых окисленных формах и обладают переменным восстановительным потенциалом, что может повлиять на их использование микроорганизмами.[8]

Из-за непроницаемости клеточной стенки для минералов и нерастворимости оксидов металлов диссимиляционные восстановители металлов разработали способы внеклеточного восстановления металлов посредством переноса электронов.[5][9] Цитохромы c, которые являются трансмембранными белками, играют важную роль в транспортировке электронов из цитозоля к ферментам, прикрепленным за пределами клетки. Затем электроны транспортируются к конечному акцептору электронов посредством прямого взаимодействия между ферментами и оксидом металла.[10][8] В дополнение к установлению прямого контакта, диссимиляционные редукторы металла также демонстрируют способность выполнять восстановление металла в диапазоне. Например, некоторые виды диссимиляционных восстановителей металлов производят соединения, которые могут растворять нерастворимые минералы или действовать как переносчики электронов, позволяя им восстанавливать металл на расстоянии.[11] Другие органические соединения, часто встречающиеся в почвах и отложениях, такие как гуминовые кислоты, также могут действовать как переносчики электронов.[12] В биопленки, нанопровода и многоэтапные прыжки электронов (при которых электроны прыгают от ячейки к ячейке по направлению к минералу) также были предложены в качестве методов восстановления металлов без необходимости прямого контакта с ячейками.[13][14] Было высказано предположение, что цитохромы c участвуют в обоих этих механизмах.[9][10] В нанопроволоках, например, цитохромы c действуют как последний компонент, который переносит электроны на оксид металла.[10]

Терминальные акцепторы электронов

Было обнаружено, что широкий спектр Fe (III) -содержащих минералов действует в качестве концевых акцепторов электронов, включая магнетит, гематит, гетит, лепидокрокит, ферригидрит, водный оксид железа, смектит, иллит, ярозит и другие.[15]

Вторичное минеральное образование

В природных системах вторичные минералы могут образовываться как побочный продукт бактериального восстановления металлов.[16] Обычно наблюдаемые вторичные минералы, образующиеся во время экспериментального биовосстановления диссимиляционными металлическими восстановителями, включают магнетит, сидерит, грин раст, вивианит и водный карбонат Fe (II).

Роды, включающие диссимиляционные металлические редукторы

Рекомендации

  1. ^ а б Ллойд, Джонатан Р. (01.06.2003). «Микробиологическое восстановление металлов и радионуклидов». Обзор микробиологии FEMS. 27 (2–3): 411–425. Дои:10.1016 / s0168-6445 (03) 00044-5. ISSN  0168-6445. PMID  12829277.
  2. ^ Ловли, Д. Р. (1991). «Диссимиляционное восстановление Fe (III) и Mn (IV)». Микробиологические обзоры. 55 (2): 259. Дои:10.1128 / mmbr.55.2.259-287.1991. PMID  1886521.
  3. ^ Ловли, доктор Дерек (2013). «Прокариоты, снижающие диссимиляции Fe (III) и Mn (IV)». В Розенберге, Юджин; Делонг, Эдвард Ф .; Лори, Стивен; Стакебрандт, Эрко; Томпсон, Фабиано (ред.). Прокариоты. Прокариоты - физиология и биохимия прокариот. Springer Berlin Heidelberg. С. 287–308. Дои:10.1007/978-3-642-30141-4_69. ISBN  9783642301407.
  4. ^ Weber, Karrie A .; Achenbach, Laurie A .; Коутс, Джон Д. (01.10.2006). «Микроорганизмы, перекачивающие железо: анаэробное микробное окисление и восстановление железа». Обзоры природы Микробиология. 4 (10): 752–764. Дои:10.1038 / nrmicro1490. ISSN  1740-1534. PMID  16980937. S2CID  8528196.
  5. ^ а б Ши, Лян; Squier, Thomas C .; Захара, Джон М .; Фредриксон, Джеймс К. (2007-07-01). «Дыхание (гидр) оксидов металлов с помощью Shewanella и Geobacter: ключевая роль мультигемных цитохромов c-типа». Молекулярная микробиология. 65 (1): 12–20. Дои:10.1111 / j.1365-2958.2007.05783.x. ISSN  1365-2958. ЧВК  1974784. PMID  17581116.
  6. ^ Ллойд, Джонатан Р. (01.06.2003). «Микробиологическое восстановление металлов и радионуклидов». Обзор микробиологии FEMS. 27 (2–3): 411–425. Дои:10.1016 / S0168-6445 (03) 00044-5. ISSN  1574-6976. PMID  12829277.
  7. ^ Штурм, Гуннар; Дольч, Керстин; Рихтер, Катрин; Раутенберг, Миха; Гешер, Йоханнес (2013). Микробное дыхание металлов. С. 129–159. Дои:10.1007/978-3-642-32867-1_6. ISBN  978-3-642-32866-4.
  8. ^ а б Рихтер, Катрин; Шиклбергер, Маркус; Гешер, Йоханнес (2012). «Диссимиляционное уменьшение внеклеточных электронных акцепторов при анаэробном дыхании». Прикладная и экологическая микробиология. 78 (4): 913–921. Дои:10.1128 / AEM.06803-11. ISSN  0099-2240. ЧВК  3273014. PMID  22179232.
  9. ^ а б Ши, Лян; Донг, Хайлянь; Регера, Джемма; Бейенал, Халук; Лу, Аньхуай; Лю, Хуан; Юй Хань-Цин; Фредриксон, Джеймс К. (2016). «Механизмы внеклеточного переноса электронов между микроорганизмами и минералами». Обзоры природы Микробиология. 14 (10): 651–662. Дои:10.1038 / nrmicro.2016.93. PMID  27573579. S2CID  20626915.
  10. ^ а б c Тихонова, Т. В .; Попов, В. О. (2014-12-01). «Структурные и функциональные исследования мультигемных цитохромов c, участвующих во внеклеточном электронном транспорте в бактериальном диссимиляционном восстановлении металлов». Биохимия (Москва). 79 (13): 1584–1601. Дои:10.1134 / S0006297914130094. ISSN  0006-2979. PMID  25749166. S2CID  16090097.
  11. ^ Невин, Келли П .; Ловли, Дерек Р. (2002-03-01). «Механизмы восстановления оксида Fe (III) в осадочных средах». Журнал геомикробиологии. 19 (2): 141–159. Дои:10.1080/01490450252864253. ISSN  0149-0451. S2CID  98225737.
  12. ^ Ловли, Д. Р., Фрага, Дж. Л., Блант-Харрис, Э. Л., Хейс, Л. А., Филлипс, Э. Дж. П., и Коутс, Дж. Д. (1998). Гуминовые вещества как медиатор для восстановления металлов, катализируемого микробами. Acta hydrochimica et hydrobiologica, 26 (3), 152-157.
  13. ^ Регера, Джемма; Маккарти, Кевин Д.; Мехта, Тина; Nicoll, Julie S .; Туоминен, Марк Т .; Ловли, Дерек Р. (2005). «Внеклеточный перенос электронов через микробные нанопроволоки». Природа. 435 (7045): 1098–1101. Дои:10.1038 / природа03661. PMID  15973408. S2CID  4425287.
  14. ^ Снайдер, Рэйчел М .; Стрихарц-Главен, Сара М .; Цой, Станислав Д .; Эриксон, Джеффри С .; Тендер, Леонард М. (2012). «Транспорт электронов на большие расстояния в биопленках Geobacter Sulfurreducens обусловлен окислительно-восстановительным градиентом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (38): 15467–15472. Дои:10.1073 / pnas.1209829109. JSTOR  41706427. ЧВК  3458377. PMID  22955881.
  15. ^ Miot, J .; Этик, М. (2016). «Формирование и преобразование железосодержащих минералов железо (II) -окисляющими и железо (III) -редуцирующими бактериями». Оксиды железа: от природы к применению. С. 53–98. ISBN  978-3-527-33882-5.
  16. ^ Lovley, D. R .; Stolz, J. F .; Nord, G.L .; Филлипс, Э. Дж. (1987). «Анаэробное производство магнетита диссимиляционным железоредуцирующим микроорганизмом». Природа. 330 (6145): 252–254. Дои:10.1038 / 330252a0. S2CID  4234140.