МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 4, с. 553-557
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.844.91.017.73
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МИКРОБНАЯ СУЛЬФАТРЕДУКЦИЯ МОЖЕТ СОПРОВОЖДАТЬСЯ ОБРАЗОВАНИЕМ МАГНЕТИТА
© 2004 г. А. И. Слободкин*, Н. И. Чистякова**, В. С. Русаков**
*Институт микробиологии РАН, Москва **Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Поступила в редакцию 03.11.03 г.
Обнаружена способность к литоавтотрофному росту гипертермофильной сульфатвосстанавливаю-щей архебактерии Archaeoglobus fulgidus на среде, содержащей молекулярный водород, сульфат и аморфный оксид Ре(Ш). В процессе роста микроорганизма аморфный оксид Ре(Ш) трансформировался в черный сильномагнитный осадок. Мёссбауэровские исследования показали, что осадок содержит значительное количество магнетита. Эксперименты с ингибированием микробной сульфа-тредукции и абиотическими контролями выявили, что образование магнетита вызвано химическими взаимодействиями при повышенной температуре (83°С) между молекулярным водородом, аморфным оксидом Ре(Ш) и сульфидом, образуемым энзиматически в результате диссимиляционн-го восстановления сульфата. Таким образом, в данной системе процесс образования магнетита может быть охарактеризован как биотически опосредованная минерализация. Это первое сообщение об образовании магнетита в результате активности сульфатвосстанавливающих микроорганизмов.
Ключевые слова: магнетит, сульфатредукция, микробное восстановление Ре(Ш), Archaeoglobus fulgidus.
Образование магнетита в результате деятельности микроорганизмов, по современным представлениям, может быть вызвано активностью магнетотактических [1], диссимиляционных же-лезовосстанавливающих [2] или БеЩ) окисляющих [3] микроорганизмов. Лабораторные культуры диссимиляционных железоредукторов трансформируют аморфный оксид Ре(Ш) в магнетит в подходящих физико-химических условиях; считается, что энзиматической является только фаза восстановления Ре(Ш) в Ре(П), а дальнейшее формирование минералов протекает без участия ферментов [4]. Биогеохимические циклы железа и серы связаны, в частности, деятельностью диси-миляционных сульфатвосстанавливающих микроорганизмов. Сульфид, являющийся продуктом метаболизма этой физиологической группы прокариот, может реагировать с соединениями трехвалентного железа, образуя элементную серу и различные сульфиды железа [5, 6]. Сульфиды железа, образующиеся в результате активности мезофильных сульфатредукторов в лабораторных культурах, были идентифицированы как маки-навит или грегит, если культивирование проводилось в присутствии растворимых соединений Ре(П) [7, 8], как пирит при наличии в среде аморфного оксида железа [9] или как пиротин при культивировании в присутствии гематита [10]. Некоторые суль-фатвостанавливающие бактерии обладают способностью к энзиматическому восстановлению Ре(Ш) и их активность может приводить к образованию конкреций сидерита [11]. Неорганический химичес-
кий синтез магнетита возможен в частности при одновременном наличии в реакционной системе ионов Fe2+ и оксидов Fe(III) и ускоряется повышением температуры и pH [12, 13]. Об образовании магнетита в результате активности сульфатвосстанавливающих микроорганизмов ранее не сообщалось.
Исследуя способность сульфатредукторов к диссимиляционному восстановлению окисного железа, мы обнаружили, что гипертермофильная сульфатредуцирующая архебактерия Archaeoglo-bus fulgidus образует магнитный осадок при росте с аморфным оксидом Fe(III) в присутствии сульфата. В данной работе мы приводим анализ магнитного осадка, а также условия и возможный механизм его образования.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Archaeoglobus fulgidus VC-16T (=DSM 4304T) был получен из Немецкой коллекции микроорганизмов (DSMZ), Брауншвейг, Германия и рутинно культивировался на рекомендованной среде с лактатом и сульфатом (DSMZ medium 399 [http:// www.dsmz.de]). Среда для культивирования A. fulgidus в присутствии окисного железа и для экспериментов по абиотическому восстановлению Fe(III) имела следующий состав (в г/л дистиллированной воды): 18.0 NaCl, 0.4 MgCl2 ■ 6H2O, 0.34 KCl, 0.25 NH4Cl, 0.11 CaCl2, 0.18 K2HPO4 ■ 3H2O, 0.002 Fe(NH4)2(SO4)2 ■ 7H2O, 5.0 NaHCO3, 1 мл раствора микроэлементов [14]. Среда готовилась
Таблица 1. Рост, концентрация Ре(П) и состав твердой фазы в культурах А. fulgidus выращенных в разных условиях*
Условия культивирования Характеристики выросших культур**
Донор электронов Б 02 , мМ Изменения в среде культивирования Рост***, 107 кл/мл Ре(11), мМ Относительное содержание Ре(Ш) в твердой фазе, % Относительное содержание Ре304 в твердой фазе, %
Н2 Н2 Н2 Н2 Лактат + Н2 Лактат + Н2 Нет Н2 Н2 0 0.5 2.0 14.0 2.0 14.0 14.0 14.0 2.0 N (100%) в газовой фазе нет КаИС03 + №2Мо04 (20 мМ) <0.1 1.1 1.1 1.2 1.9 10.2 <0.1 <0.1 <0.1 <0.05 10.3 11.9 15.4 10.3 22.9 <0.05 <0.05 <0.05 100 ± 1.7 80.6 ± 2.3 70.9 ± 2.9 54.3 ± 1.6 92.1 ± 2.3 77.9 ± 3.1 не опре не опре не опре 0 ± 0 19.4 ± 2.1 29.1 ± 2.1 45.7 ± 1.4 7.9 ± 1.4 22.2 ± 2.0 деляли деляли деляли
* Инокулят для этих экспериментов был выращен на среде с Н2, аморфным оксидом Бе(Ш) и 2 мМ сульфата по крайней мере в 5 последовательных 5%-ных пересевах. Показано среднее значение 3 независимых экспериментов. ** Через 7 сут культивирования при 83°С. *** Максимальная наблюдавшаяся концентрация клеток.
анаэробно, с кипячением и охлаждением под током С02 (100%, о.с.ч.) и разливалась по 10 мл под током 100% Н2 или 100% N в пробирки Хангейта объемом 17 мл, снабженные резиновыми пробками и завинчивающимися крышками. Среда не содержала никаких восстанавливающих реагентов и органических веществ, если специально не оговорено. Ре(Ш) добавлялось в форме аморфного оксида в концентрации 90 ммоль/л. Аморфный оксид Ре(Ш) был получен титрованием раствора РеС13 ■ 6Н20 до рН 9.0. Среда была стерилизована автоклавированием при 135°С в течение 1 ч. рН среды измеренный при 20°С составлял 6.9-7.0. Сульфат (в форме М§Б04 ■ 7Н20) или сульфид (в форме Ка2Б ■ 9Н20) были внесены в среду в разных концентрациях из стерильных растворов. Для экспериментов по влиянию С02/НС 03 на рост, среду готовили под током N (100%), а затем если необходимо, добавляли стерильный раствор С0^аНС03 (рН 7.5) до конечной концентрации КаНС03 в среде 2 г/л. Культивирование проводилось при 83°С.
Подсчет клеток проводили с использованием люминесцентного оптического микроскопа Л4 (ЛОМО, Россия). Ре(11) определяли с 2,2'-дипириди-лом [15] после 24-часовой экстракции в 0.6 М НС1. Наличие магнитных свойств у осадка определяли с помощью постоянного магнита. Мёссбауэровские исследования проводили как описано ранее [16]. Осадок собирали и высушивали до постоянного веса в эксикаторе заполненным N (100%) при 60°С.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Archaeoglobus fulgidus рос на среде, содержащей сульфат и аморфный оксид Ре(Ш), с молекулярным водородом в качестве единственного донора электронов (табл. 1). Хотя максимальное количество клеток не превышало 2 х 107 кл/мл, культуры были способны устойчиво расти в этих условиях по крайней мере в шести последовательных 5%-ных пересевах. Через 2-6 сут культивирования, аморфный оксид Ре(Ш) превращался в черный магнитный осадок с высоким содержанием Ре(11). А. fulgidus рос только в присутствии сульфата (проверенные концентрации 0.5-14 мМ).
При отсутствии в среде Н2 или НС 03 роста и изменения внешнего вида аморфного оксида Ре(Ш) не наблюдалось. Роста микроорганизма и образования Ре(11) не происходило, если в среде присутствовал молибдат, специфический ингибитор ферментов диссимиляционного восстановления сульфата. Добавление в среду лактата натрия (16 мМ), как дополнительного донора электронов и источника углерода, приводило к увеличению максимальной концентрации клеток. рН среды значительно не изменялся на всем протяжении культивирования.
Методами мёссбауэровской спектроскопии были проведены исследования осадков, образованных в процессе роста микроорганизма. Обработка и анализ полученных спектров осуществлялись путем восстановления функций распределения сверхтонких параметров парциальных мёссбауэ-ровских спектров [16]. Как видно на рисунке, мёс-сбауэровский спектр исходной аморфной гидроокиси представлял собой квадрупольный дублет, сверхтонкие параметры которого соответствали
высокоспиновому состоянию иона Ее3+ в октаэд-рическом окружении. При добавлении сульфата в среду культивирования в мёссбауэровском спектре осадка наблюдалось появление парциального спектра с квазинепрерывным распределением сверхтонких магнитных полей, что соответствовало образованию магнетита, не обладающего полной кристаллической упорядоченностью, как было описано ранее [17]. С увеличением начальной концентрации сульфата относительное содержание магнетита возрастало пропорционально этой концентрации и уменьшалось при добавлении лактата.
Для того чтобы определить состав минеральной фазы, образующейся при восстановлении аморфного оксида Ее(Ш) сульфидом, в контрольных экспериментах в пробирки со стерильной не-инокулированной средой был введен раствор №28 • 9Н20 таким образом, чтобы обеспечить различные конечные концентрации сульфида (табл. 2). Эксперименты проводились при 20 и 83°С, с газовой фазой, содержащей Н2 (100%) или N (100%). Мёссбауэровские исследования установили образование магнетита только при 83°С в вариантах с водородом при концентрации сульфида 2.0 и 10.0 мМ (68 ± 3 и 52 ± 2% магнетита в твердой фазе соответственно), в остальных вариантах при восстановлении Ее(Ш) магнетит не образовывался. В этих же вариантах образование магнетита сопровождалось образованием небольшого количества сидерита. Образование сидерита было также отмечено и при 20°С, с водородом и 10 мМ сульфида. В отсутствие молекулярного водорода даже в вариантах со значительным восстановлением Ее(Ш), образования магнетита и сидерита не наблюдалось.
ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты наших исследований показывают, что магнетит может образовываться при повышенной температуре из аморфного оксида Ее(Ш) в присутствии молекулярного водорода и сульфида, образуемого энзиматически при микробном восстановлении сульфата. Вероятно, в исследуемой нами системе протекаю
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.