Microbiële cycli der elementen

De koolstofcyclus (Brock 24.1 en 24.2)

Het grootste van het koolstof op aarde is opgesloten in inerte kalksteenlagen en sedimenten .

Flux van koolstof in en uit deze reservoirs is verwaarloosbaar klein. Dynamische reservoirs zijn humus (dood organisch materiaal), oceanen (opgeloste organische verbindingen en CO2), fossiele brandstofreserves, levende organismen op aarde (met name planten) en atmosferisch CO2 (figuur 1).

Atmosferisch CO2 is zeer dynamisch door verbranding fossiele brandstoffen, fotosynthese, ademhaling, landgebruik en gas-uitwisseling aan het zee-oppervlakte.

Figuur 1: Koolstofcyclus op globale schaal. (Figure 24-1 Brock Biology of Microorganisms 13/e) Micro-organismen spelen een belangrijke rol in de koolstofcyclus (figuur 2). Een kort overzicht:

Oxygene fotolithoautotrofen en aerobe chemolithotrofen zetten CO2 om in organische verbindingen (in figuur 2 afgekort als (CH2O)n). Op het land zijn planten de dominante fototrofe organismen, in de zee zijn dit micro-organismen.

Aerobe chemo-organoheterotrofen zetten via ademhalingsprocessen de organische verbindingen om in CO2.

Anaerobe fotolithoautotrofen, chemolithotrofen, acetogenen en methanogenen zetten CO2 in anoxygene milieus om in organische verbindingen (CH2O)n. Acetogenen produceren het organische molecuul acetaat, methanogenen produceren methaan.

Anaerobe chemo-organoheterotrofen zetten via fermentatieprocessen en anaerobe ademhaling organische verbindingen om in CO2.

Methaan wordt door methanotrofen aeroob omgezet in CO2. De methanogenen worden hieronder in meer detail besproken.

De koolstofcyclus: aerobe methanotrofie (Brock 14.15)

Methanotrofen, niet te verwarren met methanogenen, oxideren methaan (CH4) tot CO2 in aerobe mileus. Dit gebeurt in de volgende lineaire oxidatieroute: CH4 → CH3OH → HCHO → HCOOH → CO2 (figuur 3). Methanotrofen zijn te herkennen aan hun grote celmembraan met vele instulpingen die nodig zijn om alle enzymen in te plaatsen die nodig zijn voor de CH4-oxidatie. De eerste stap in de oxidatie wordt gekatalyseerd door methaan mono-oxygenase (MMO), het zorgt voor inbouwen van zuurstof in CH4. Het NADH benodigd voor deze oxidatiestap komt voort uit een latere stap in de pathway (figuur 3). ATP wordt gegenereerd via een proton motive force.

Figuur 3: Elektronentransportketen in methanotrofen. (Figure 14-31 Brock Biology of Microorganisms 13/e)

Figuur 4: Assimilatie via de ribulosemonofosfaat pathway. (Figure 14-33 Brock Biology of Microorganisms 13/e)

Het intermediair HCHO (formaldehyde) wordt door methanotrofen gebruikt voor assilimatoire processen met behulp van de ribulosemonofosfaat pathway (figuur 4). De netto reactie van deze route is: 3 HCHO + ATP → glyceraldehyde-3-fosfaat. Er hoeft per 3 HCHO (dus per 3 CO2) slechts 1 ATP geïnvesteerd te worden, terwijl dit bij de Calvincyclus 18 ATP per 6 CO2 zijn. Een ander voordeel is dat er geen reducing power nodig is (in de vorm van NADH) omdat HCOH zich in dezelfde oxidatietoestand bevindt als glyceraldehyde-3-fosfaat, wat voor biosynthese gebruikt kan worden.

De algemene reacties van nitrificatie en methanotrofie zijn respectievelijk NH3 + O2 + 2 e- + 2 H+

→ NH2OH + H2O (gekatalyseerd door AMO) en CH4 O2 + 2 e- + 2 H+ → CH3OH + H2O (gekatalyseerd door MMO) en vertonen dus een aantal overeenkomsten.

Methanotrofen vormen door de omzetting van CH4 in CO2 een belangrijke link voor het sluiten van de koolstofcylcus.

De koolstofcyclus: anaerobe methanotrofie en de koppeling met de stikstofcyclus

Het MMO in aerobe methanotrofen gebruikt O2 voor de productie van CH3OH uit CH4, zuurstof is dus essentieel voor methanotrofe groei. Er zijn echter ook anearobe methanotrofen, die methaanoxidatie koppelen aan denitrificatie (figuur 5). De enzymen nir en nod zetten NO2 achtereenvolgens om in

NO en in N2 + O2. Het gevormde O2 wordt gebruikt voor de oxidatie van CH4 (figuur 6).

De stikstofcyclus (Brock 24.3)

Gesteentelagen en zouten vormen het grootste stikstofreservoir, maar deze bron van stikstof is niet beschikbaar voor biologische processen. De op een na grootste stikstofbron is atmosferisch N2, een zeer inert gas door zijn driedubbele binding (verbreken van de N≡N-binding kost 945 kJ/mol). De energie uit bliksem is echter groot genoeg om zo’n 107 ton N per jaar chemisch te fixeren.

Microorganismen spelen een belangrijke rol in de stikstofcyclus (figuur 7). Een kort overzicht:

Biologische N2-fixeerders zetten N2 om in NH3.

Organisch NH2 (uit eiwitten) kan via ammonificatie omgezet worden in NH3. Ammonificatie is een belangrijk onderdeel van het rottingsproces. NO3

en NO2

kunnen ook direct via

dissimilatieve reductie van nitraat naar ammonia” (DRNA) worden omgezet in NH3.

Nitroso- en nitrobacteriën zetten respectievelijk NH3 om in NO2

- en NO2

- om in NO3

(nitrificatie). Nitrificatie is nadelig in landbouw, omdat NO3

- en NO2

- gemakkelijk wegwassen. Bemesting met NH3 of nitrificatieremmers (N-serve) hebben de landbouw efficiënter gemaakt.

Denitrificeerders reduceren NO2

- anaeroob om tot NO, N2O en N2. N2O kan met ozon reageren, waardoor de ozonlaag aangetast wordt, het hierbij ontstane NO2

- kan bijdragen aan vorming van zure regen. In afvalwaterzuivering is de denitrificatie voordelig, omdat het algengroei remt door verwijderen van gefixeerd stikstof.

Anammox bacteriën zetten NO2

- + NH3 om in N2 in anaerobe milieus.

Figuur 7: Stikstofcyclus op microbiële schaal. (Figure 24-7 Brock Biology of Microorganisms 13/e)

De stikstofcyclus: biologische N2-fixeerders (Brock 13.14 en 25.3)

Stikstoffixatie kost, door de driedubbele binding van N2, zeer veel energie, maar als alleen bliksem kon zorgen voor stikstoffixatie was leven op aarde zeer beperkt geweest. Er zijn echter ook een klein aantal stikstoffixerende bacteriën, die onder aerobe of anerobe omstandgheden N2 kunnen omzetten in NH3. Er kan hiervoor een investering van 16-24 ATP benodigd zijn. N2-fixerende bacteriën bevatten het enzym nitrogenase, wat deze reactie katalyseert: N2 + 8 H+ + 8 e- + 16-24 ATP → 2 NH3 + H2.

Hoewel sommige N2-fixeerders vrij-levend zijn, leven andere in symbiose met planten (bijvoorbeeld

Rhizobium in wortelknollen). De plant levert hierbij reducerend vermogen en de bacterie levert gefixeerd stikstof direct aan de plant (figuur 8). Samen fixeren vrije en symbiotische N2-fixeerders zo’n 18∙107 ton N per jaar.

Nitrogenase-activiteit is zeer gevoelig voor O2. N2-fixeerders die in symbiose leven met planten worden tegen O2 beschermd door de wortelknolletjes, maar er zijn ook vrije N2-fixeerders die in aerobe omstandigheden kunnen leven. Deze bacteriën hebben meestal een versnelde ademhaling, waardoor

O2 weggevangen wordt, voordat het bij het nitrogenase kan komen. Een andere preventieve maatregel is het vormen van heterocysten door cyanobacteriën (een voorbeeld van specialisatie en heterogentiteit). Een gedeelte van de bacteriën vormt hierbij cellen die gespecialiseerd zijn in consumptie van O2 en een gedeelte vormt cellen die N2 kunnen fixeren en een verlaagde expressie hebben van fotosynthese-eiwitten. Deze laatste groep cellen worden heterocysten genoemd.

De stikstofcyclus: anammox (Brock 13.11)

De nitrificeerders (nitro- en nitrosobacteriën) die in in het onderdeel ‘Diversiteit in ademhalingsprocessen’ werden besproken, oxideerden NH4 + en NO2 - tot N2 met zuurstof als elektronacceptor. Deze oxidaties kunnen echter ook anaeroob plaatsvinden via anaerobe ammonium oxidatie (anammox). De netto-reactie is: NH4 + + NO2 - → N2 + H2O (ΔG0’ = -358 kJ/mol). Bacteriën die de annamox-reactie uitvoeren groeien langzaam en vormen vlokken die naar de bodem zinken in fermentors (sedimentatie, met celretentie als gevolg). Hoewel zeer ongewoon voor bacteriën, bevatten annamox-bacteriën organellen genaamd anammoxosomen (figuur 9). Het membraan van het anammoxosoom bevat ladderanen, een bijzonder type lipiden die anders zijn dan die in het celmembraan. Het anammoxosoom is zeer groot; het neemt ongeveer 50% van het celvolume in.

Figuur 9: Hypothetische elektronentransportketen in het annamoxosoom. (Figure 13-28 Brock

Biology of Microorganisms 13/e)

In het anammoxosoom wordt NO2 door nitriet reductase (NiR) omgezet in NO, wat vervolgens reageert met NH4 +, waarbij hydrazine (N2H4) ontstaat (gekatalyseerd door hydrazine hydrolase). Bij de omzetting van N2H4 door hydrazine dehydrogenase ontstaan N2 en elektronen, die door de elektronentransportketen kunnen gaan en een pmf in werking kunnen zetten (figuur 9). De pathway is met behulp van 14N- en 15N-labeling geverifieerd. Ammonox is verantwoordelijk voor ~40% van het atmosferische stikstof.

De stikstofcyclus: ammoniumverwijdering (Brock 13.11)

Eutrofiëring ontstaat door hoge NH3-concentraties in water door uitspoeling van kunstmest en leidt tot zeer grote algengroei. In conventionele ammoniumverwijdering worden nitrificatie en denitrificatie gecombineerd om het opgeloste NH3 om te zetten in N2 (figuur 10A). Er is hier echter veel O2 voor nodig en het broeikasgas N2O kan in grote hoeveelheden als bijproduct gevormd worden.

Bovendien moet een organische koolstofbron (afgekort als COD), zoals methanol, worden toegevoegd.

Wanneer

annamox gebruikt wordt voor NH3-verwijdering is dit niet nodig, want het is een autotroof proces (figuur 10B). Bovendien is er minder O2 nodig, ontstaat er bijna geen N2O, is de omzettingssnelheid hoog en de groeisnelheid (slibvorming) laag.

De zwavelcyclus (Brock 24.4)

Belangrijke zwavelreservoirs zijn mineralen en gesteenten (pyriet, gips, elementair zwavel, etc.) en sulfaat opgelost in zeewater. In de natuur komt zwavel voornamelijk voor als sulfide (HS-, oxidatietoestand -2), elementair zwavel (S0, oxidatietoestand 0) en sulfaat (SO4 2-, oxidatietoestand +6). een aantal processen in de zwavelcyclus (figuur 11) zijn als volgt:

Sulfaatreduceerders zetten SO4

2- om in H2S, dit kan aeroob en anaeroob gebeuren, maar kost veel ATP. Sulfaatreductie vindt alleen plaats met organische elektrondonoren of H2, een afbraakproduct van organische moleculen. In water wordt sulfaatreductie beperkt door hoeveelheid aanwezig koolstof. In de waddenzee zorgen anaerobe sulfaatreducerende bacteriën voor de productie van zwarte lagen FeS op de bodem. De groene laag op de waddenzeebodem is afkomstig van fototrofe bacteriën.

Sulfaatassimilatie (assimilatoire sulfaatreductie) wordt uitgevoerd door een groot aantal aerobe en anaerobe micro-organismen. Het is een energetisch duur proces.

Ontzwaveling (desulfurylation) van organische verbindingen is een veel voorkomde omzetting in de natuur. Voorbeeld: D-cysteine + H2O → sulfide + NH3 + pyruvaat.

Chemolithoautotrofe sulfide- & zwaveloxidatie kan plaatsvinden via drie pathways, de soxpathway en twee pathways met SO2

2- als intermediair. Bij chemolithoautotrofe groei op anorganische zwavelverbindingen is reverse electron transport nodig. Behalve O2 kunnen ook

Fe3+ of NO3

- als elektronacceptors gebruikt worden.

De zwavelcyclus: assimilatoire sulfaatreductie (Brock 14.8)

De dissimilatoire sulfaatreductie was al besproken in het onderdeel ‘Diversiteit in ademhalingsprocessen’.

Sulfaat wordt echter ook gebruikt voor productie van organische zwavelverbindingen (figuur 11). In totaal moeten 3 ATP-equivalenten geïnvesteerd worden, waarbij SO4 2- wordt omgezet in de energierijke verbinding PAPS (phosphoadenosine-5’-phosphosulfaat). Bovendien wordt NADPH geïnvesteerd, wat het een energetisch duur proces maakt.

De zwavelcyclus: symbiotische sulfide-oxiderende bacteriën

Uit onderzeese hydrothermale bronnen (‘black smokers’) komt veel S2- en CO2 vrij. in de buurt van deze black smokers leven sulfide-oxiderende in symbiose met kokerworden (tube worms). De chemolithoautotrofe sulfide-oxiderende bacteriën leven in hoge populatiedichtheden in de kieuwen van de kokerwormen. De kokerworm leeft op de bacteriën, maar de bacteriën krijgen op hun plaats bescherming tegen hoge temperaturen en ze worden verankerd in de buurt van de black smokers, ze zouden anders met de stroming meedrijven naar gebieden met minder S2-.

De zwavelcyclus: de Gaia-hypothese

De Gaia-hypothese stelt dat het leven zijn eigen ideale levensomstandigheden creëert door zijn omgeving te beïnvloeden. Een voorbeeld zijn marine microbes die CO2 en lichtenergie gebruiken voor groei. Wanneer ze behoefte hebben aan Fe en PO4 2- (verbindingen die in het water terecht komen door erosie op het land, veroorzaakt door regen) splitsen ze de verbinding DMSP (in hoge concentraties in de cel aanwezig als tegendruk voor de osmotische druk van zeewater) in dimethylsulfaat (DMS) en methaanthiol. Het DMS is vluchtig en kan worden omgezet in H2SO4.

Deze omzetting heeft de vorming van wolken met een grote hoeveelheid waterdruppels tot gevolg, die zorgen voor meer regenval op het land. Meer regenval leidt tot meer erosie en dus tot hogere Fe en

PO4 2—concentraties in het water, waardoor de bacterie meer nutriënten tot zijn beschikking heeft.

De ijzercyclus (Brock 24.5 en 14.2) In de natuur komt ijzer vooral voor als Fe2+ en Fe3+. Elementair ijzer (Fe0) is vooral product van menselijke handelingen (smelten van ijzererts, figuur 12). Op het land bestaan weinig ijzergelimiteerde systemen. Er zijn grofweg twee microbiële routes waarbij ijzer gebruikt wordt (figuur 12):

Oxidatie van Fe2+ tot Fe3+, deze oxidatie is besproken in het onderdeel ‘Diversiteit in ademhalingsprocessen’. De oxidatie vindt alleen plaats met O2 als elektronacceptor en vindt voornamelijk plaats op grensgebieden tussen aerobe en anaerobe milieus en bij zure pH (vaak in biofilms). Oxidatie heeft vaak vorming van Fe(OH)3 en H+ tot gevolg, wat leidt tot verzuring van het milieu. Behalve Fe2+ kan ook pyriet (FeS2) geoxideerd worden.

Reductie van Fe3+ tot Fe2+, Fe3+ wordt als elektronacceptor gebruikt in dit uitsluitend anaerobe ademhalingsproces. Als elektronendonor kunnen zowel organische als anorganische verbindingen gebruikt worden. ATP wordt in deze route geproduceerd via een pmf. Een voorbeeld is de reactie door Geobacter metallireducens: acetaat- + 8 Fe3+ + 4 H2O → 2 HCO3

+ 8 Fe2+ + 9 H+. Deze bacterie kan echter ook lithiotroof groeien met H2 als donor.

De ijzercyclus: pyrietoxidatie en uitloging (Brock 24.5 en 24.7)

Pyriet (FeS2) is een van de grootste bronnen van ijzer op aarde. Wanneer FeS2 aan het oppervlak komt, bijvoorbeeld op steenkoolwinningsgebieden, treed een langzame abiotische reactie met O2 op (de ‘initiator reaction’, figuur 13). Deze initiator-reactie leidt tevens tot de oxidatie van HS- tot SO4 2- en tot verzuring van het milieu. Micro-organismen kunnen het gevormde Fe2+ oxideren tot Fe3+ in

aanwezigheid van zuurstof. Het gevormde Fe3+ kan weer reageren met het FeS2, volgens de reactie:

FeS2 + 14 Fe3+ + 8 H2O → 15 Fe2+ + 2 SO4 2- + 16 H+. Opnieuw wordt dus Fe2+ gevormd, wat weer door de micro-organismen geoxideerd kan worden: er ontstaat een ‘propagation cycle’. Er zijn organismen bekend die direct contact maken met de pyrietkristallen en organismen die in het mijnwater kunnen leven zonder direct in contact te staan met het pyriet.

De spontane oxidatie van FeS2 en andere sulfidemineralen (zoals CuS en CuFeS2) leidt dus tot verzuring van het mijnwater bij de steenkoolwinningsgebieden (soms pH < 1). Dit zure mijnwater kan in contact komen met rivieren en meren, wat milieuproblemen tot gevolg heeft. De reacties kunnen echter ook voordelig zijn. Ertsen worden vaak via uitloging (‘leaching’) door ijzerbacteriën geconcentreerd, waardoor de winning van het metaal efficiënter wordt.