Одновременное окисление сульфида и метана экстремофилом

Новости

ДомДом / Новости / Одновременное окисление сульфида и метана экстремофилом

Nov 01, 2023

Одновременное окисление сульфида и метана экстремофилом

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2974 (2023) Цитировать эту статью

Доступы 1970 г.

27 Альтметрика

Подробности о метриках

Сероводород (H2S) и метан (CH4) образуются в бескислородной среде в результате сульфатредукции и разложения органических веществ. Оба газа диффундируют вверх в кислородные зоны, где аэробные метанотрофы снижают выбросы CH4, окисляя этот мощный парниковый газ. Хотя метанотрофы во многих средах сталкиваются с токсичным H2S, практически неизвестно, как на них это влияет. Здесь, посредством обширного культивирования хемостата, мы показываем, что один микроорганизм может окислять CH4 и H2S одновременно с одинаково высокой скоростью. Окисляя H2S до элементарной серы, термоацидофильный метанотроф Mmethylacidiphilum fumariolicum SolV смягчает ингибирующее воздействие H2S на метанотрофию. Штамм SolV адаптируется к увеличению количества H2S путем экспрессии нечувствительной к сульфидам терминальной оксидазы типа ba3 и растет как хемолитоавтотроф, используя H2S в качестве единственного источника энергии. Геномные исследования выявили предполагаемые ферменты, окисляющие сульфиды, у многих метанотрофов, что позволяет предположить, что окисление H2S гораздо более распространено у метанотрофов, чем предполагалось ранее, что позволяет им соединять циклы углерода и серы новыми способами.

Сероводород (H2S) является наиболее восстановленной формой серы (S) и мощным источником энергии и серы, токсикантом и сигнальной молекулой1,2,3. Это слабая кислота, которая легко диффундирует через мембраны и ингибирует различные процессы, такие как аэробное дыхание, путем связывания с оксидазой цитохрома с. Кроме того, другие метаболические процессы, в которых используются медь- и железосодержащие ферменты, сильно ингибируются H2S1,4,5,6. Следовательно, микроорганизмам, живущим в средах, богатых сульфидами, необходимы адекватные механизмы детоксикации H2S7,8. Во множестве сред, таких как водно-болотные угодья, морские отложения, почва, очистные сооружения, озера, рисовые поля, свалки и кислые геотермальные среды, H2S образуется в результате восстановления сульфата (SO42-), минерализации органических веществ и термохимии8. 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18.

После истощения сульфатов органическое вещество в конечном итоге превращается в метан (CH4) в экосистемах, обедненных кислородом9,12,13,19,20,21. Когда и H2S, и CH4 диффундируют в вышележащие кислородные зоны, CH4 может использоваться в качестве источника энергии аэробными бактериями, окисляющими метан, которые, как предполагается, уменьшают большую часть выбросов этого мощного парникового газа22. Несмотря на этот эффективный биофильтр метана, ежегодно в атмосферу из различных природных и антропогенных источников выбрасывается от 548 до 736 Тг CH423,24. Аэробные метанотрофы являются частью различных классов и семейств бактерий, включая вездесущие альфа- и гаммапротеобактерии16,25,26, актинобактерии27 и экстремофильные Mmethylacidiphilaceae типа Verrucomicrobia28,29,30,31. Последние представляют собой ацидофильные бактерии, которые имеют низкий оптимум pH (2,0–3,5) и живут при температуре от 35 до 60 °C26,31,32. Все известные веррукомикробные метанотрофы были выделены из геотермальных местообитаний, таких как фумаролы и грязевые котлы, из которых выделяются большие количества преимущественно термогенных CH4 и H2S16,28,33,34,35. Геотермальная среда обычно характеризуется высокими выбросами H2S, и поэтому веррукомикробные метанотрофы, выделенные из этих экосистем, являются выдающимися примерами для изучения того, как H2S влияет на метанотрофов.

Становится все более очевидным, что метанотрофы метаболически универсальны и способны использовать экологически важные источники энергии, такие как H2, пропан, этан, ацетат, ацетон, 2-пропанол и ацетол16,36,37,38. Возможность использовать различные источники энергии очень выгодна в средах с сильно меняющимися выбросами газов. Недавно было продемонстрировано, что чистые культуры веррукомикробного метанотрофа Mmethylacidiphilum fumariolicum SolV могут потреблять метантиол (CH3SH) с сопутствующим субстехиометрическим образованием H2S, что указывает на то, что штамм SolV частично метаболизирует токсичный H2S39. В дальнейшем элегантное исследование показало, что протеобактерии-метанотрофы также могут окислять H2S40. Авторы выделили универсальный штамм HY1 альфапротеобактерии «Mmethylovirgula thiovorans» из южнокорейского торфяника, который мог расти на тиосульфате (S2O32-), тетратионате (S4O62-), элементарной сере (S0) и ряде соединений углерода. Однако клетки штамма HY1, выращенные на CH4 в качестве единственного источника энергии, не были способны окислять H2S, а окисление H2S инициировалось и наблюдалось только в клетках, выращенных в присутствии тиосульфата. Кроме того, не изучался рост на H2S. Учитывая недавние наблюдения, крайне важно выяснить, существуют ли микробы, которые могут одновременно окислять экологически важные газы CH4 и H2S, как метанотрофы справляются с H2S и могут ли такие метанотрофы сохранять энергию и производить биомассу, используя H2S в качестве источника энергии.

98%, Sigma-Aldrich) was acidified with 2 mL 0.5 M HCl in a 574 mL bottle creating a headspace concentration of 17.4 nmol · mL−1. Small volumes of the headspace were subsequently added to a 1162 mL bottle to create various H2S concentrations to be injected (0.1 mL) into the GC for calibration. The calibration curve ranged from ~1 nmol · L−1 to 1 μmol · L−1 H2S./p>4, the log2-fold change was higher than [0.58] and the adjusted p-value was ≤0.05. For easy comparisons between samples, TPM (Transcripts Per Kilobase Million) values were calculated./p>30%. Genomes containing a methane monooxygenase sequence were subsequently mined for putative SQR sequences by blasting a representative sequence of each of the SQR subtypes as defined by previous research44: type I, WP_010961392.1; type II, WP_011001489.1; type III, WP_009059890.1; type IV, WP_011372252.1; type V, WP_012502121.1; type VI, WP_011439951.1. Putative SQR sequences were aligned with those in the phylogenetic tree of44 using Muscle 3.8.155173 with default settings. A maximum-likelihood phylogenetic tree with 500 bootstrap replicates was constructed using RAxML 8.2.1074 using the rapid bootstrapping option and the LG amino acid substitution model75. The final tree was visualized using MEGA7 and the clade of flavocytochrome c sulfide dehydrogenase (FCSD) sequences was used as outgroup./p>