Одновременное окисление сульфида и метана экстремофилом

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 уменьшают 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 действие 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 метилацидифиловые из 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 альфапротеобактерии «Mmethylovirgula thiovorans» HY1 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.