Schlüsselbegriffe
- lithotrophe: Bezieht Elektronen für die Atmung aus anorganischen Substraten.
- organotroph: Gewinnt Elektronen für die Atmung aus organischen Substraten.
Die Sulfatreduktion ist eine Art der anaeroben Atmung, bei der Sulfat als terminaler Elektronenakzeptor in der Elektronentransportkette verwendet wird. Verglichen mit der aeroben Atmung ist die Sulfatreduktion ein relativ energiearmer Prozess, obwohl sie ein lebenswichtiger Mechanismus für Bakterien und Archaeen ist, die in sauerstoffarmen, sulfatreichen Umgebungen leben.
Viele Sulfatreduzierer sind organotroph und verwenden Kohlenstoffverbindungen wie Laktat und Pyruvat (neben vielen anderen) als Elektronendonatoren, während andere lithotroph sind und Wasserstoffgas (H2) als Elektronendonator verwenden. Einige ungewöhnliche autotrophe sulfatreduzierende Bakterien (z. B. Desulfotignum phosphitoxidans) können Phosphit (HPO3-) als Elektronendonator verwenden, während andere (z. B., Desulfovibrio sulfodismutans, Desulfocapsa thiozymogenes und Desulfocapsa sulfoexigens) zur Schwefeldisproportionierung (Aufspaltung einer Verbindung in zwei verschiedene Verbindungen, in diesem Fall ein Elektronendonor und ein Elektronenakzeptor) unter Verwendung von elementarem Schwefel (S0), Sulfit (SO32-) und Thiosulfat (S2O32-) fähig sind, um sowohl Schwefelwasserstoff (H2S) als auch Sulfat (SO42-) herzustellen.
Bevor Sulfat als Elektronenakzeptor verwendet werden kann, muss es aktiviert werden. Dies geschieht durch das Enzym ATP-Sulfurylase, das aus ATP und Sulfat Adenosin-5′-phosphosulfat (APS) bildet. APS wird anschließend zu Sulfit und AMP reduziert. Das Sulfit wird dann weiter zu Sulfid reduziert, während AMP mit Hilfe eines weiteren ATP-Moleküls in ADP umgewandelt wird. Der Gesamtprozess erfordert also eine Investition von zwei Molekülen des Energieträgers ATP, die aus der Reduktion wieder gewonnen werden müssen.
Alle sulfatreduzierenden Organismen sind strikte Anaerobier. Da Sulfat energetisch stabil ist, muss es durch Adenylierung zu APS (Adenosin-5′-phosphosulfat) aktiviert werden, bevor es verstoffwechselt werden kann, wobei ATP verbraucht wird. Das APS wird dann durch das Enzym APS-Reduktase reduziert, um Sulfit (SO32-) und AMP zu bilden. In Organismen, die Kohlenstoffverbindungen als Elektronendonatoren verwenden, wird das verbrauchte ATP durch die Fermentation des Kohlenstoffsubstrats verbraucht. Der bei der Gärung entstehende Wasserstoff treibt die Atmung während der Sulfatreduktion an.
Sulfatreduzierende Bakterien lassen sich bis vor 3,5 Milliarden Jahren zurückverfolgen und gelten als eine der ältesten Formen von Mikroorganismen, die schon bald nach der Entstehung des Lebens auf der Erde zum Schwefelzyklus beigetragen haben. Sulfatreduzierende Bakterien kommen häufig in anaeroben Umgebungen vor (z. B. in Meerwasser, Sedimenten und Wasser, das reich an verrottendem organischem Material ist), wo sie beim Abbau organischer Materialien helfen. In diesen anaeroben Umgebungen extrahieren fermentierende Bakterien Energie aus großen organischen Molekülen; die daraus resultierenden kleineren Verbindungen (wie organische Säuren und Alkohole) werden von Acetogenen, Methanogenen und den konkurrierenden sulfatreduzierenden Bakterien weiter oxidiert.
Viele Bakterien reduzieren kleine Mengen an Sulfaten, um schwefelhaltige Zellbestandteile zu synthetisieren; dies ist als assimilatorische Sulfatreduktion bekannt. Im Gegensatz dazu reduzieren sulfatreduzierende Bakterien Sulfat in großen Mengen, um Energie zu gewinnen, und stoßen das entstehende Sulfid als Abfall aus; dies wird als „dissimilatorische Sulfatreduktion“ bezeichnet. „Die meisten sulfatreduzierenden Bakterien können auch andere oxidierte anorganische Schwefelverbindungen wie Sulfit, Thiosulfat oder elementaren Schwefel (der als Schwefelwasserstoff zu Sulfid reduziert wird) reduzieren.
Toxischer Schwefelwasserstoff ist ein Abfallprodukt von sulfatreduzierenden Bakterien; sein Geruch nach faulen Eiern ist oft ein Indikator für das Vorhandensein von sulfatreduzierenden Bakterien in der Natur. Sulfatreduzierende Bakterien sind für den schwefelhaltigen Geruch von Salzwiesen und Wattenmeer verantwortlich. Ein Großteil des Schwefelwasserstoffs reagiert mit Metallionen im Wasser und bildet Metallsulfide. Diese Metallsulfide, wie z. B. Eisensulfid (FeS), sind unlöslich und oft schwarz oder braun, was zu der dunklen Farbe des Schlamms führt. Die schwarze Farbe des Schlamms in einem Teich ist also auf Metallsulfide zurückzuführen, die durch die Wirkung sulfatreduzierender Bakterien entstehen.
Einige sulfatreduzierende Bakterien spielen eine Rolle bei der anaeroben Oxidation von Methan (CH4+ SO42- → HCO3- + HS- + H2O). Ein bedeutender Teil des von Methanogenen unter dem Meeresboden gebildeten Methans wird von sulfatreduzierenden Bakterien in der Übergangszone oxidiert, die die Methanogenese von der Sulfatreduktionsaktivität in den Sedimenten trennt, und dieser Prozess gilt auch als wichtige Senke für Sulfat in den Meeressedimenten. In Hydrofracturing-Flüssigkeiten, die beim Fracking von Schieferformationen zur Gewinnung von Methan (Schiefergas) verwendet werden, werden dem Wasser oft Biozidverbindungen zugesetzt, um die mikrobielle Aktivität sulfatreduzierender Bakterien zu hemmen, um eine anaerobe Methanoxidation zu vermeiden und mögliche Produktionsverluste zu minimieren.
Sulfatreduzierende Bakterien verursachen oft Probleme, wenn Metallstrukturen sulfathaltigem Wasser ausgesetzt sind. Durch die Wechselwirkung von Wasser und Metall entsteht auf der Metalloberfläche eine Schicht aus molekularem Wasserstoff. Sulfatreduzierende Bakterien oxidieren diesen Wasserstoff und erzeugen Schwefelwasserstoff, der zur Korrosion beiträgt. Schwefelwasserstoff aus sulfatreduzierenden Bakterien spielt auch eine Rolle bei der biogenen Sulfidkorrosion von Beton und säuert Rohöl.
Sulfatreduzierende Bakterien können zur Reinigung kontaminierter Böden eingesetzt werden; einige Arten sind in der Lage, Kohlenwasserstoffe wie Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylol zu reduzieren. Sulfatreduzierende Bakterien können auch eine Möglichkeit sein, mit saurem Grubenwasser umzugehen.