Avainsanat
- litotrofinen: Hankkii elektronit hengitykseen epäorgaanisista substraateista.
- organotrofinen: Hankkii elektronit hengitykseen orgaanisista substraateista.
Sulfaattireduktio on anaerobisen hengityksen tyyppi, joka käyttää sulfaattia elektroninsiirtoketjun pääteelektroniakseptorina. Verrattuna aerobiseen hengitykseen sulfaatin pelkistyminen on energeettisesti suhteellisen köyhä prosessi, vaikka se on elintärkeä mekanismi bakteereille ja arkeologeille, jotka elävät hapenpuutteellisissa, sulfaattirikkaissa ympäristöissä.
Monet sulfaatin pelkistäjät ovat organotrofisia, jolloin ne käyttävät hiiliyhdisteitä, kuten laktaattia ja pyruvaattia (monien muiden joukossa), elektroninluovuttajina.
Moni sulfaatin pelkistäjät ovat organotrofisia eli ne käyttävät hiilidioksidiyhdisteitä, kuten laktaattia ja pyruvaattia (monien muiden joukossa), kun taas toiset taasen käyttävät vetykaasua eli vetykaasua (H2:ta) elektroneiden luovuttajina. Jotkut epätavalliset autotrofiset sulfaattia pelkistävät bakteerit (esim. Desulfotignum phosphitoxidans) voivat käyttää elektroninluovuttajana fosfiittia (HPO3-), kun taas toiset (esim, Desulfovibrio sulfodismutans, Desulfocapsa thiozymogenes ja Desulfocapsa sulfoexigens) kykenevät rikin disproportionointiin (yhden yhdisteen jakaminen kahdeksi eri yhdisteeksi, tässä tapauksessa elektroninluovuttajaksi ja elektroniakseptoriksi) käyttäen alkuainerikkiä (S0), sulfiittia (SO32-) ja tiosulfaattia (S2O32-) tuottamaan sekä rikkivetyä (H2S) että sulfaattia (SO42-).
Ennen kuin sulfaattia voidaan käyttää elektroniakseptorina, se on aktivoitava. Tämä tapahtuu ATP-sulfurylaasientsyymillä, joka käyttää ATP:tä ja sulfaattia muodostaakseen adenosiini-5′-fosfosulfaattia (APS). Tämän jälkeen APS pelkistyy sulfiitiksi ja AMP:ksi. Sulfiitti pelkistyy edelleen sulfidiksi, kun taas AMP muutetaan ADP:ksi toisen ATP-molekyylin avulla. Kokonaisprosessi edellyttää siis kahden molekyylin panostusta ATP:n energiankantajaan, joka on saatava takaisin pelkistymisestä.
Kaikki sulfaattia pelkistävät organismit ovat tiukkoja anaerobeja. Koska sulfaatti on energeettisesti stabiili, se on aktivoitava adenylaatiolla APS:n (adenosiini-5′-fosfosulfaatti) muodostamiseksi APS:ksi, ennen kuin se voidaan metaboloida, jolloin se kuluttaa ATP:tä. Tämän jälkeen APS pelkistyy APS-reduktaasientsyymin avulla sulfiitiksi (SO32-) ja AMP:ksi. Eliöissä, jotka käyttävät hiiliyhdisteitä elektroninluovuttajina, kulutettu ATP katetaan hiilisubstraatin fermentoinnilla. Käymisen aikana tuotettu vety on itse asiassa se, mikä ohjaa hengitystä sulfaatin pelkistymisen aikana.
Sulfaattia pelkistävät bakteerit voidaan jäljittää 3,5 miljardin vuoden taakse, ja niiden katsotaan kuuluvan vanhimpiin mikro-organismien muotoihin, sillä ne ovat osallistuneet rikin kiertokulkuun pian sen jälkeen, kun elämä oli syntynyt maapallolla. Sulfaattia pelkistävät bakteerit ovat yleisiä anaerobisissa ympäristöissä (kuten merivedessä, sedimentissä ja vedessä, jossa on runsaasti hajoavaa orgaanista materiaalia), joissa ne auttavat orgaanisen materiaalin hajoamisessa. Näissä anaerobisissa ympäristöissä fermentoivat bakteerit ottavat energiaa suurista orgaanisista molekyyleistä; tuloksena syntyviä pienempiä yhdisteitä (kuten orgaanisia happoja ja alkoholeja) hapettavat edelleen asetogeenit, metanogeenit ja kilpailevat sulfaatteja pelkistävät bakteerit.
Monet bakteerit pelkistävät pieniä määriä sulfaatteja syntetisoidakseen rikkipitoisia solukomponentteja; tämä tunnetaan nimellä assimilaatiopelkistyksenä. Sitä vastoin sulfaatteja pelkistävät bakteerit pelkistävät sulfaatteja suuria määriä saadakseen energiaa ja karkottaakseen syntyvän sulfidin jätteenä; tätä kutsutaan dissimilaatiopelkistymiseksi sulfaattipelkistymiseksi. ” Useimmat sulfaattia pelkistävät bakteerit voivat pelkistää myös muita hapettuneita epäorgaanisia rikkiyhdisteitä, kuten sulfiittia, tiosulfaattia tai alkuainerikkiä (joka pelkistyy sulfidiksi rikkivedyksi).
Myrkyllinen rikkivety on yksi sulfaattia pelkistävien bakteerien jätetuotteista; sen mädäntyneen kananmunan tuoksu on usein merkki sulfaattia pelkistävien bakteereiden esiintymisestä luonnossa. Sulfaatteja pelkistävät bakteerit ovat vastuussa suola- ja mutasoiden rikkipitoisista hajuista. Suuri osa rikkivedystä reagoi vedessä olevien metalli-ionien kanssa muodostaen metallisulfideja. Nämä metallisulfidit, kuten ferrosulfidi (FeS), ovat liukenemattomia ja usein mustia tai ruskeita, mikä aiheuttaa lietteen tumman värin. Näin ollen lammen lietteen musta väri johtuu sulfaatteja pelkistävien bakteerien toiminnasta syntyvistä metallisulfideista.
Joillain sulfaatteja pelkistävillä bakteereilla on rooli metaanin anaerobisessa hapetuksessa (CH4+ SO42- → HCO3- + HS- + H2O). Sulfaattipelkistävät bakteerit hapettavat merkittävän osan merenpohjan alapuolella olevien metanogeenien muodostamasta metaanista siirtymävyöhykkeellä, joka erottaa metanogeneesin ja sulfaatin pelkistystoiminnan toisistaan sedimenteissä.Tätä prosessia pidetään myös merkittävänä sulfaatin nieluna merisedimenteissä. Metaanin talteenottoon tarkoitettujen liuskekivimuodostumien (liuskekaasu) murtamiseen käytetyissä murtamisnesteissä veteen lisätään usein biosidiyhdisteitä sulfaattia pelkistävien bakteerien mikrobitoiminnan estämiseksi, jotta vältettäisiin anaerobinen metaanin hapettuminen ja minimoitaisiin mahdolliset tuotantohäviöt.
Sulfaattia pelkistävät bakteerit aiheuttavat usein ongelmia, kun metallirakenteita altistetaan sulfaattia sisältävälle vedelle. Veden ja metallin vuorovaikutus luo metallin pinnalle molekyylivetykerroksen. Sulfaattia pelkistävät bakteerit hapettavat tämän vedyn, jolloin syntyy rikkivetyä, joka edistää korroosiota. Sulfaattia pelkistävistä bakteereista peräisin oleva rikkivety vaikuttaa myös betonin biogeeniseen sulfidikorroosioon ja hapettaa raakaöljyä.
Sulfaattia pelkistäviä bakteereja voidaan hyödyntää saastuneen maaperän puhdistamisessa; jotkin lajit pystyvät pelkistämään hiilivetyjä, kuten bentseeniä, tolueenia, etyylibentseeniä ja ksyleeniä. Sulfaattia pelkistävät bakteerit voivat olla myös keino käsitellä happamia kaivosvesiä.