Блог

Nov 02, 2023

Активные формы кислорода влияют на потенциал процессов минерализации в проницаемых приливных отмелях.

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 938 (2023) Цитировать эту статью

2507 Доступов

70 Альтметрика

Подробности о метриках

Проницаемые отложения приливной зоны являются важнейшими местами реминерализации органического вещества. Эти отложения, вероятно, обладают большой способностью производить активные формы кислорода (АФК) из-за сдвига границ кислородно-бескислородной границы и интенсивного круговорота железа и серы. Здесь мы показываем, что высокие концентрации перекиси водорода АФК присутствуют в приливных отложениях с помощью микросенсоров и хемилюминесцентного анализа извлеченной поровой воды. Кроме того, мы исследуем влияние АФК на потенциальную скорость процессов микробной деградации в приливных поверхностных отложениях после временной оксигенации, используя суспензии, которые перешли из кислородных условий в бескислородные. Ферментативное удаление АФК сильно увеличивает скорость аэробного дыхания, восстановления сульфатов и накопления водорода. Мы пришли к выводу, что АФК образуются в осадках и, как следствие, снижают скорость процесса микробной минерализации. Хотя сульфатредукция полностью ингибируется в кислородный период, она возобновляется сразу же после аноксии. Это исследование демонстрирует сильное влияние АФК и временной оксигенации на биогеохимию приливных отложений.

Активные формы кислорода (АФК) представляют собой короткоживущие кислородсодержащие промежуточные соединения со временем жизни от нескольких секунд до часов, включая супероксид, перекись водорода и гидроксильные радикалы. Они образуются в результате множества фотохимических, абиотических и биотических процессов1. Биотическое образование происходит как внутриклеточно, так и внеклеточно как побочный продукт метаболических и других физиологических механизмов2. Помимо фотохимических путей, к образованию АФК может привести ряд светонезависимых абиотических процессов, в том числе окисление сульфида и двухвалентного железа (Fe2+)3,4, а также анаэробные реакции с пиритом5. Внутриклеточные АФК могут повреждать компоненты клеток, такие как ДНК, белки и липиды, посредством ряда окислительных процессов6 и, таким образом, при повышенных уровнях быть губительными для микроорганизмов. Однако как внутриклеточные, так и внеклеточные АФК также играют полезную роль, включая устойчивость к патогенам7, усвоение питательных веществ8, рост микробов9 и работу в качестве сигнальных молекул10. Таким образом, уровни АФК строго контролируются ферментами разложения2, такими как супероксиддисмутаза, которая превращает супероксид в перекись водорода, и каталаза, которая превращает перекись водорода в кислород и воду. Механизмы, управляемые донорами электронов, также активно разрушают АФК, например, посредством реакций с металлами и органическими материалами11.

Несмотря на большой потенциал АФК влиять на микробные процессы, распределение АФК, в том числе перекиси водорода, в морских отложениях изучено недостаточно. На сегодняшний день лишь несколько исследований изучали концентрацию перекиси водорода в отложениях12, и большинство из них были сосредоточены на способности отложений генерировать перекись водорода при насыщении кислородом или воздействии сульфидов3. Исследования бескислородных почв и отложений водоносных горизонтов показали большой потенциал образования АФК при реоксигенации, а также показали, что АФК напрямую влияют на выделение CO213,14,15,16,17. Поскольку также было продемонстрировано, что перекись водорода оказывает как стимулирующее, так и ингибирующее действие на микроорганизмы6,7,10, она может существенно влиять на круговорот углерода в морских отложениях.

В частности, во время возмущений и на границах кислородно-бескислородной зоны, которые часто случаются в проницаемых отложениях приливной зоны, ожидаются повышенные уровни АФК12,16,17,18,19,20. Глубина, на которую кислород проникает в проницаемые отложения приливной зоны, варьируется в зависимости от приливов, течений, штормов и биотурбации21. Кислородная зона может смещаться на глубину от нескольких мм до нескольких см несколько раз в день22. Тем не менее, анаэробы в верхних отложениях поддерживают высокие темпы сульфатредукции, диссимиляционной нитратредукции, ферментации и других анаэробных процессов23,24,25. Высокие темпы реминерализации углерода и азота делают эти отложения биокаталитическими фильтрами21,26, необходимыми для функционирования мелководных экосистем. Следовательно, АФК могут играть недооцененную роль в биогеохимии динамичных прибрежных отложений.