Kulcsfogalmak
- lithotróf: Szervetlen szubsztrátokból nyeri az elektronokat a légzéshez.
- organotróf: Elektronokat nyer a légzéshez szerves szubsztrátokból.
A szulfátredukció az anaerob légzés egyik típusa, amely a szulfátot terminális elektronakceptorként használja az elektrontranszportláncban. Az aerob légzéshez képest a szulfátredukció energetikailag viszonylag szegényes folyamat, bár létfontosságú mechanizmus az oxigénhiányos, szulfátban gazdag környezetben élő baktériumok és archaea számára.
Más szulfátreduktorok organotrófok, amelyek szénvegyületeket, például laktátot és piruvátot (sok más mellett) használnak elektrondonorként, míg mások litotrófok, és hidrogéngázt (H2) használnak elektrondonorként. Néhány szokatlan autotróf szulfátredukáló baktérium (pl. Desulfotignum phosphitoxidans) képes a foszfitot (HPO3-) elektrondonorként használni, míg mások (pl., Desulfovibrio sulfodismutans, Desulfocapsa thiozymogenes és Desulfocapsa sulfoexigens) képesek a kén disproporciójára (egy vegyület két különböző vegyületre, ebben az esetben egy elektrondonorra és egy elektronakceptorra való szétválasztása) elemi kén (S0), szulfit (SO32-) és tioszulfát (S2O32-) felhasználásával kénhidrogén (H2S) és szulfát (SO42-) előállítására.
Az elektronakceptorként való felhasználás előtt a szulfátot aktiválni kell. Ezt az ATP-szulfuriláz enzim végzi, amely ATP-ből és szulfátból adenozin-5′-foszfoszfoszulfátot (APS) hoz létre. Az APS ezt követően szulfitra és AMP-re redukálódik. A szulfit ezután tovább redukálódik szulfiddá, míg az AMP egy másik ATP-molekula segítségével ADP-vé alakul. A teljes folyamat tehát két molekula ATP energiahordozót vesz igénybe, amelyet a redukcióból vissza kell nyerni.
Minden szulfátredukáló szervezet szigorúan anaerob. Mivel a szulfát energetikailag stabil, adenilezéssel kell aktiválni, hogy APS-t (adenozin-5′-foszfoszfoszulfát) képezzen, hogy APS-t képezzen, mielőtt metabolizálódni tudna, ezáltal ATP-t fogyasztva. Az APS-t ezután az APS-reduktáz enzim redukálja szulfit (SO32-) és AMP képződésére. Azokban az organizmusokban, amelyek szénvegyületeket használnak elektrondonorként, az elfogyasztott ATP-t a szénszubsztrát fermentációjával számolják el. A fermentáció során keletkező hidrogén valójában a szulfátredukció során a légzést hajtja.
A szulfátredukáló baktériumok 3,5 milliárd évvel ezelőttre vezethetők vissza, és a mikroorganizmusok legrégebbi formái között tartják őket számon, mivel nem sokkal az élet földi megjelenése után hozzájárultak a kén körforgásához. A szulfátredukáló baktériumok gyakran előfordulnak anaerob környezetben (például tengervízben, üledékben és bomló szerves anyagokban gazdag vízben), ahol segítik a szerves anyagok lebomlását. Ezekben az anaerob környezetekben az erjesztő baktériumok energiát vonnak el a nagy szerves molekulákból; az így keletkező kisebb vegyületeket (például szerves savakat és alkoholokat) az acetogének, metanogének és a konkurens szulfátredukáló baktériumok tovább oxidálják.
Néhány baktérium kis mennyiségű szulfátot redukál, hogy kéntartalmú sejtkomponenseket szintetizáljon; ezt nevezik asszimilációs szulfátredukciónak. Ezzel szemben a szulfátredukáló baktériumok nagy mennyiségben redukálják a szulfátot, hogy energiát nyerjenek, és a keletkező szulfidot hulladékként kiürítik; ezt nevezik disszimiláló szulfátredukciónak. ” A legtöbb szulfátredukáló baktérium más oxidált szervetlen kénvegyületeket is képes redukálni, mint például a szulfit, a tioszulfát vagy az elemi kén (amely hidrogén-szulfidként szulfiddá redukálódik).
A szulfátredukáló baktériumok egyik hulladékterméke a mérgező hidrogén-szulfid, amelynek záptojásszaga gyakran jelzi a szulfátredukáló baktériumok jelenlétét a természetben. A szulfátredukáló baktériumok felelősek a sós mocsarak és az iszapmezők kénes szagáért. A hidrogén-szulfid nagy része reakcióba lép a vízben lévő fémionokkal, és fémszulfidokat hoz létre. Ezek a fémszulfidok, mint például a vas-szulfid (FeS), oldhatatlanok és gyakran feketék vagy barnák, ami az iszap sötét színéhez vezet. Így a tó iszapjának fekete színe a szulfátredukáló baktériumok működéséből származó fémszulfidoknak köszönhető.
A szulfátredukáló baktériumok egy része szerepet játszik a metán anaerob oxidációjában (CH4+ SO42- → HCO3- + HS- + H2O). A metanogének által a tengerfenék alatt képződő metán jelentős hányadát szulfátredukáló baktériumok oxidálják a metanogenezist az üledékben zajló szulfátredukciós tevékenységtől elválasztó átmeneti zónában.Ezt a folyamatot tekintik a tengeri üledékben lévő szulfát jelentős elnyelőjének is. A metán (palagáz) kinyerésére szolgáló palaformációk feltöréséhez használt hidrofrakciós folyadékokban gyakran adnak biocid vegyületeket a vízhez, hogy gátolják a szulfátredukáló baktériumok mikrobiális aktivitását az anaerob metánoxidáció elkerülése és az esetleges termeléskiesés minimalizálása érdekében.
A szulfátredukáló baktériumok gyakran okoznak problémát, ha a fémszerkezeteket szulfáttartalmú víznek teszik ki. A víz és a fém kölcsönhatása molekuláris hidrogénréteget hoz létre a fém felületén. A szulfátredukáló baktériumok oxidálják ezt a hidrogént, hidrogén-szulfidot hozva létre, amely hozzájárul a korrózióhoz. A szulfátredukáló baktériumokból származó hidrogén-szulfid szerepet játszik a beton biogén szulfidos korróziójában is, és savanyítja a nyersolajat.
A szulfátredukáló baktériumok felhasználhatók a szennyezett talajok tisztítására; egyes fajok képesek szénhidrogének, például benzol, toluol, etilbenzol és xilol redukálására. A szulfátredukáló baktériumok a savas bányavizek kezelésére is alkalmasak lehetnek.