manganoksiderende bakterier

Artikkelstart

Manganoksiderende bakterier er bakterier som oksiderer løselig toverdig mangan til tungt løselige manganoksider. Disse bakteriene finnes i alle økosystemer i jord, ferskvann, saltvann og sedimenter.

Mangan kan også bli oksidert kjemisk. Mangan oksiderer ikke like lett som jern, men bakterier øker hastigheten på oksidasjonen. Evnen til å oksidere mangan finnes i mange grupper av bakterier og sopp. Oksidasjon avhenger av surhetsgrad (pH), redokspotensial og mengde organisk stoff som bidrar med elektroner til manganoksidasjonen i vann eller jord.

Mangannoduler i tilknytning til hydrotermiske undervannskilder er sannsynligvis dannet i biogeokjemiske prosesser. Bioproduserte manganoksidmineraler kan også adsorbere kationer som kobber, sink, kobolt, nikkel, kadmium, bly, arsen og krom, samt humusstoffer, og har derfor økologisk betydning. For å dekke verdens umettelige behov for metaller er det startet mineralleting, blant annet i Clarion-Clipperton sprekksonen i Stillehavet hvor det finnes mangannoduler. En virksomhet som kan gi uopprettelig skade på dyphavsøkosystemer. Manganoksiderende bakterier i samvirke med manganreduserende bakterier deltar i et mikrobielt konsortium eller næringsnettverk med omsetning av mangan i en biogeokjemisk mangansyklus. Mangan er et livsnødvendig grunnstoff i alle levende organismer hvor det inngår i forskjellige enzymreaksjoner, men høye konsentrasjoner mangan er giftig.

Manganoksiderende grampositive bakterier med lavt innhold av guanin og cytosin i DNA (G+C) finnes innen rekkene (phyla) aktinobakterier (Actinobacteria), firmikuter (Firmicutes, l. firmes- sterk, cutis – hud), proteobakterier (Proteobacteria), og Bacterodites. For eksempel Roseobacter og Aurantimonas manganoxydans er rmangan(II) oksiderende alfa-proteobakterie som lever i havvann.

Bakterier i Sphaerotilus-Leptothrix gruppen er aerobe, heterotrofe, finnes i forurenset sjøvann, og har en skjede med slimete eksopolysakkarider som omgir en stavformet bakterie. Disse kan oksidere redusert jern eller mangan, og i slimskjeden er det utfelling av jernoksider og manganoksider.

De fleste manganoksiderende bakteriene er kjemolitotrofe, men nylig ble det oppdaget en kjemolitoautotrof manganoksiderene bakterie i slekten «Candidatus manganitrophus noduliformans» tilhørende rekkken Nitrospirae (Nitrospirota) som kan assimilere og redusere CO2 til karbohydrater.

Mangan i redoksreaksjoner

Mangan finnes i oksidasjonstrinn 0 til +7 og deltar i mange redoksreaksjoner hvor oksidasjonstrinnene +2, +3 og +4 er tilknyttet biologi. I naturlige miljøer finnes mangan som løselig Mn(II) med oksidasjonstall +2 og tungtløselige Mn(III)- og Mn(IV)-oksider med oksidasjonstallhenholdsvis +3 og +4. Mn2+ er relativt stabilt i omgivelser med lav pH og lavt redokspotensial, mens Mn3+ og Mn4+ er stabile i omgivelser med basisk pH og høyt redoksokpotensial. Mn2+ det er i denne formen alger og planter tar opp mangan, og mengden tilgjengelig Mn2+ øker med økende surhetsgrad. Toverdig mangan (bivalent, Mn2+, Mn(II)) er løselig og kan forkomme som manganklorid (MnCl2) og mangansulfat (MnSO4). Manganoksiderende bakterier oksiderer toverdig mangan til mørkefargete manganoksider med trivalent mangan (treverdig, Mn3+, Mn(III)) eller tetravalent mangan (fireverdig, Mn4+, Mn(IV) ).

Eksempler på oksidasjon av mangan(II):

4Mn2+ + O2 + 6H2O→ 4MnOOH + 8H+

2Mn2+ + O2 + 2H2O → 2MnO2 + 4H+

6Mn2+ + O2 + 6H2O →2 Mn3O4 + 12H+

Treverdig mangan (Mn3+) forekommer som dimangantrioksid (Mn2O3) og manganokdyhydroksid (MnOOH), oksygen har oksidasjonstall -2 og hydrogen har oksidasjonstall +1. Fireverdig mangan (Mn4+) forkommer som mangandioksid (MnO2) i mineralet birnessitt. Det finnes mange forskjellige krystallformer av mangandioksid, α-, β-, γ-, δ- og ε-MnO2, hvorav noen av disse kan inngå i nanomaterialer. MnO2 blir mye brukt i tørrcellebatterier hvor mangan blir redusert:

MnO2 + e- + H+ → MnOOH

Trimangantetroksid (Mn3O4) har mangan med både oksidasjonstrinn +2 og +3, som MnO∙Mn2O3 , og finnes i mineralet hausmannitt. I et Ellinghamdiagram kan man vise standard Gibbs fri energi (ΔGo) målt i kJ/mol som funksjon av temperatur i Kelvin for overgang mellom de forskjellige manganoksider, oksygen og mangan.

Manganoksidmineraler kan ha både biologisk og kjemisk opprinnelse.

Manganreduserende bakterier

Manganreduserende bakterier oksiderer organisk materiale (CH2O) som blir brukt som elektronkilde og oksidert til karbondioksid, mens tungtløselig mangandioksid (MnO2) blir brukt som elektronakseptor og oksidert til løselig mangan (Mn2+) :

CH2O + 2MnO2 + 4H+ → 2Mn2+ + H2CO3 + 2H2O

I hydrogenotrof manganreduksjon blir hydrogen (H2) brukt som elektronkilde.

Til forskjell fra de manganoksiderende bakteriene omdanner de manganreduserende tungt løselige manganoksider til lettløselige divalent mangan.

Dissimilatorisk manganreduksjon kan være koblet sammen med melkesyrefermentering i miljøer uten oksygen (anaerobe, anoksiske).

Akvatiske miljøer som inneholder mineraler med trivalent jern, samt trivalent og tetravalent mangan blir anvendt av henholdsvis dissimilatoriske jernreduserende bakterier og dissimilatoriske manganreduserende bakterier hvor oksygen eller andre elektronakseptorer er tilgjengelig.

I bakterieslekter med jernreduserende bakterier finnes det også manganreduserende bakterier. Bakteriene Shewanella og Geobacterkan redusere både tungtløselig Fe(III)- og Mn(IV)-oksider, men også krom (IV) og uran (VI). Metallreduserende Shewanella fortar reduksjon av Mn4+ i kombinasjon med organisk stoff, samt sulfid (H2S, HS-, S2-) og ferrojern (Fe2+) som elektrondonerer, hvor det kan bli dannet mangan(II)karbonat, og mangan(II)fosfat

Manganoksiderende sopp

Mangan(II) oksiderende sopp finnes både blant sekksporesopp (Ascomycota) og stilksporesopp (Basidiomycota). Eksempler på slekter sopp som kan oksidere mangan via enzymet mangan peroksidase eller kobberenzymet laccase: Acremonium, Coniothyrium, Cladosporium, Paraconiothyrium, Stagonospora, Pyrenochaeta, Pleosporales, Pithomyces, Penicillium og Phoma.

Stilksporesopp som gir brunråte bruker manganperoksidase til å bryte ned lignin hvor Mn3+ virker som en kraftig oksidant og oksiderer fenoler fra lignin til fenoksyradikaler. Mn3+ kan bli stabilisert ved å danne chelater med organiske syrer.

Mangan peroksidase er et enzym som inneholder hem og oksiderer Mn2+ til reaktiv Mn3+ med bruk av hydrogenperoksid (H2O2)

2Mn2+ + 2H+ + H2O2 ↔ 2Mn3+ + 2H2O

Superoksidanion (O2-) , en reaktiv oksygenforbindelse kan oksidere Mn2+ til Mn3+ superoksidavhengig manganoksidasjon. Både manganoksidernde bakterier og sopp kan brukes i biosandfiltere for fjerning av giftige mengder mangan i drikkevann eller avløpsvann.

Litteratur

  • Novotnik B, Zorz J, Bryant S, Strous M.: The Effect of Dissimilatory Manganese Reduction on Lactate Fermentation and Microbial Community Assembly. Frontiers in Microbiology 10 (2019)1007, DOI=10.3389/fmicb.2019.01007
  • Tang Y, Zeiner CA, Santelli CM & Hansel CM: Fungal oxidative dissolution of the Mn(II)-bearing mineral rhodochrosite and the role of metabolites in manganese oxide formation. Environmental Microbiology 15(4) (2013) 1063–1077
  • Wang, X., Schröder, H.C., Schloßmacher, U. et al. Organized bacterial assemblies in manganese nodules: evidence for a role of S-layers in metal deposition. Geo-Mar Lett 29 (2009), 85–91. doi.org/10.1007/s00367-008-0125-3
  • Yu, H & Leadbetter JR: Bacterial chemolithoautotrophy via manganese oxidation. Nature 583, 453–458 (2020). doi.org/10.1038/s41586-020-2468-5

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg