Key Terms
- lithotroof: Verkrijgt elektronen voor ademhaling uit anorganische substraten.
- organotroof: verkrijgt elektronen voor ademhaling uit organische substraten.
Sulfaatreductie is een vorm van anaërobe ademhaling die sulfaat gebruikt als eindelektronenacceptor in de elektronentransportketen. Vergeleken met aërobe ademhaling is sulfaatreductie een relatief energetisch arm proces, hoewel het een vitaal mechanisme is voor bacteriën en archaea die in zuurstofarme, sulfaatrijke omgevingen leven.
Veel sulfaatreductoren zijn organotroof, en gebruiken koolstofverbindingen, zoals lactaat en pyruvaat (naast vele andere) als elektronendonoren, terwijl andere lithotroof zijn, en waterstofgas (H2) als elektronendonor gebruiken. Sommige ongebruikelijke autotrofe sulfaatreducerende bacteriën (b.v. Desulfotignum phosphitoxidans) kunnen fosfiet (HPO3-) als elektronendonor gebruiken, terwijl andere (b.v, Desulfovibrio sulfodismutans, Desulfocapsa thiozymogenes, en Desulfocapsa sulfoexigens) in staat zijn tot zwavel disproportionering (het splitsen van een verbinding in twee verschillende verbindingen, in dit geval een elektron donor en een elektron acceptor) met behulp van elementair zwavel (S0), sulfiet (SO32-), en thiosulfaat (S2O32-) om zowel waterstofsulfide (H2S) als sulfaat (SO42-) te produceren.
Voordat sulfaat als elektronenacceptor kan worden gebruikt, moet het worden geactiveerd. Dit gebeurt door het enzym ATP-sulfurylase, dat ATP en sulfaat gebruikt om adenosine-5′-fosfosulfaat (APS) te maken. APS wordt vervolgens gereduceerd tot sulfiet en AMP. Sulfiet wordt vervolgens verder gereduceerd tot sulfide, terwijl AMP wordt omgezet in ADP met behulp van een andere molecule ATP. Het totale proces vergt dus een investering van twee moleculen van de energiedrager ATP, die moeten worden teruggewonnen uit de reductie.
Alle sulfaatreducerende organismen zijn strikt anaërobe organismen. Omdat sulfaat energetisch stabiel is, moet het door adenylering worden geactiveerd om APS (adenosine 5′-fosfosulfaat) te vormen, voordat het kan worden gemetaboliseerd, waarbij ATP wordt verbruikt. Het APS wordt vervolgens gereduceerd door het enzym APS-reductase om sulfiet (SO32-) en AMP te vormen. In organismen die koolstofverbindingen als elektronendonoren gebruiken, komt het verbruikte ATP voor rekening van de fermentatie van het koolstofsubstraat. De waterstof die tijdens de fermentatie wordt geproduceerd, is in feite de motor van de ademhaling tijdens de sulfaatreductie.
Sulfaatreducerende bacteriën kunnen tot 3,5 miljard jaar geleden worden getraceerd en worden beschouwd als een van de oudste vormen van micro-organismen, die hebben bijgedragen tot de zwavelcyclus kort nadat het leven op aarde ontstond. Sulfaatreducerende bacteriën komen veel voor in anaërobe milieus (zoals zeewater, sediment en water dat rijk is aan rottend organisch materiaal) waar zij helpen bij de afbraak van organisch materiaal. In deze anaërobe milieus onttrekken fermenterende bacteriën energie aan grote organische moleculen; de resulterende kleinere verbindingen (zoals organische zuren en alcoholen) worden verder geoxideerd door acetogenen, methanogenen, en de concurrerende sulfaatreducerende bacteriën.
Veel bacteriën reduceren kleine hoeveelheden sulfaten om zwavelhoudende celcomponenten te synthetiseren; dit staat bekend als assimilatoire sulfaatreductie. Daarentegen reduceren sulfaatreducerende bacteriën sulfaat in grote hoeveelheden om energie te verkrijgen en het resulterende sulfide als afval uit te stoten; dit staat bekend als “dissimilatoire sulfaatreductie. “De meeste sulfaatreducerende bacteriën kunnen ook andere geoxideerde anorganische zwavelverbindingen reduceren, zoals sulfiet, thiosulfaat, of elementaire zwavel (dat wordt gereduceerd tot sulfide als waterstofsulfide).
Toxisch waterstofsulfide is een afvalproduct van sulfaatreducerende bacteriën; de rotte eierengeur ervan is vaak een marker voor de aanwezigheid van sulfaatreducerende bacteriën in de natuur. Sulfaatreducerende bacteriën zijn verantwoordelijk voor de zwavelgeur van zoutmoerassen en wadden. Veel van de waterstofsulfide zal reageren met metaalionen in het water om metaalsulfiden te produceren. Deze metaalsulfiden, zoals ijzerhoudend sulfide (FeS), zijn onoplosbaar en vaak zwart of bruin, wat leidt tot de donkere kleur van slib. De zwarte kleur van slib op een vijver is dus te wijten aan metaalsulfiden die ontstaan door de werking van sulfaatreducerende bacteriën.
Sommige sulfaatreducerende bacteriën spelen een rol bij de anaërobe oxidatie van methaan (CH4+ SO42- → HCO3- + HS- + H2O). Een belangrijk deel van het door methanogenen onder de zeebodem gevormde methaan wordt geoxideerd door sulfaatreducerende bacteriën in de overgangszone tussen de methanogenese en de sulfaatreductie in de sedimenten. Dit proces wordt ook beschouwd als een belangrijke put voor sulfaat in mariene sedimenten. In hydrofracturingsvloeistoffen die worden gebruikt om schalieformaties te fracken om methaan te winnen (schaliegas), worden vaak biocideverbindingen aan water toegevoegd om de microbiële activiteit van sulfaatreducerende bacteriën te remmen om anaërobe methaanoxidatie te voorkomen en potentieel productieverlies te minimaliseren.
Sulfaatreducerende bacteriën veroorzaken vaak problemen wanneer metalen structuren worden blootgesteld aan sulfaathoudend water. Door de interactie van water en metaal ontstaat een laag moleculaire waterstof op het metaaloppervlak. Sulfaatreducerende bacteriën oxideren deze waterstof, waardoor waterstofsulfide ontstaat, dat bijdraagt tot corrosie. Waterstofsulfide afkomstig van sulfaatreducerende bacteriën speelt ook een rol bij de biogene sulfidecorrosie van beton, en verzuurt ruwe olie.
Sulfaatreducerende bacteriën kunnen worden gebruikt voor het opruimen van verontreinigde bodems; sommige soorten zijn in staat koolwaterstoffen, zoals benzeen, tolueen, ethylbenzeen en xyleen, te reduceren. Sulfaatreducerende bacteriën kunnen ook een manier zijn om met zuur mijnwater om te gaan.