Studie: Sichtbares Licht regt Bakterien zur Produktion von Superoxid zur Manganoxidation an

31. März 2023

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Manganoxide sind natürliche reaktive Mineralien und weit verbreitet in aquatischen und terrestrischen Umgebungen. Sie beeinflussen das Schicksal von Metallen (wie As3+ und Cd2+) und organischen Schadstoffen (wie Phenolen und Diclofenac) durch Adsorption und Oxidation bei der Abwasserbehandlung. Normalerweise geht man davon aus, dass die Mangan(III/IV)-Oxide in der Umwelt durch die Oxidation von gelöstem Mn(II) durch abiotische oder biotische Prozesse entstehen.

Die Oxidation von wässrigem Mn(II) durch gelösten Sauerstoff ist thermodynamisch begünstigt, die Kinetik ist jedoch aufgrund der hohen Energiebarriere der Reaktion von gelöstem Mn(II) zu Mn(III/IV)-Oxiden langsam. Das Vorhandensein von Mikroorganismen beschleunigt die Oxidationsrate, die 4–5 Größenordnungen schneller ist als die Geschwindigkeit der abiotischen chemischen Oxidation und wird daher als ursprüngliche Quelle von Manganoxiden in der Umwelt angesehen.

Bakterien, die in der Lage sind, die Oxidation gelöster Mn(II)-Ionen zu ungelösten Mn(III/IV)-Oxiden zu katalysieren, werden üblicherweise als manganoxidierende Bakterien bezeichnet. Die bakterielle Oxidation von Mn(II)-Ionen wird in direkte und indirekte Wege unterteilt, und der durch Enzyme auf der Oberfläche von Mikroorganismen katalysierte Prozess wird als direkte Oxidation bezeichnet. Bei indirekten Wegen können einige Bakterien ihre umgebenden Umweltbedingungen für die Mn(II)-Oxidation ändern (z. B. den pH-Wert und Eh).

In jüngsten Studien wurde gezeigt, dass die Roseobacter-Klade Mn(II) durch die Produktion extrazellulärer reaktiver Sauerstoffspezies oxidiert. Haben andere Bakteriengruppen ähnliche Mn(II)-Oxidationsprozesse wie Roseobacter? Steht die Mn(II)-Oxidation in engem Zusammenhang mit dem physiologischen Prozess von Bakterien?

Um diese Fragen zu beantworten, untersuchten Prof. Feng Zhao von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und seine Teammitglieder den mikrobiellen Manganoxidationsprozess unter sichtbarem Licht mithilfe von Meerwassermikroorganismen an der Küstenoberfläche. Der Zusammenhang zwischen der Umwandlung von löslichem Mn(II) in unlösliche Mn(III/IV)-Oxide durch Mikroorganismen und der physiologischen Rolle wurde analysiert. Diese Studie wird 2023 in Frontiers of Environmental Science & Engineering veröffentlicht.

In dieser Studie stellte das Forscherteam fest, dass sichtbares Licht die Oxidationsrate von Mn(II) stark fördert und die durchschnittliche Rate 64 μmol/(L·d) erreicht. Die erzeugten Manganoxide förderten dann die Mn(II)-Oxidation, sodass die schnelle Manganoxidation das Ergebnis der kombinierten Wirkung biotischer und abiotischer Prozesse war und die biologische Funktion 88 % ± 4 % ausmachte.

Extrazelluläres Superoxid, das von Mikroorganismen produziert wird, die durch sichtbares Licht induziert werden, ist der entscheidende Faktor für die schnelle Manganoxidation in unserer Studie. Die Herstellung dieser Superoxide erfordert jedoch nicht die Anwesenheit von Mn(II)-Ionen, der Mn(II)-Oxidationsprozess war eher eine unbeabsichtigte Nebenreaktion, die das Wachstum von Mikroorganismen nicht beeinträchtigte.

Mehr als 70 % der heterotrophen Mikroorganismen in der Natur sind in der Lage, Superoxid zu produzieren. Aufgrund der oxidierenden Eigenschaften freier Radikale können alle diese Bakterien am geochemischen Kreislauf von Mangan teilnehmen. Darüber hinaus könnte der Superoxidoxidationsweg eine bedeutende natürliche Quelle für Manganoxid sein.

Diese Studie enthüllte einen wesentlichen Weg für die bakterielle Manganoxidation. Heterotrophe Bakterien produzieren unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht Superoxid und oxidieren Mn(II)-Ionen in der Umgebung, die die Hauptquelle für Manganoxide darstellt. Die biogenerierten Mn(III/IV)-Oxide können Mn(II)-Ionen auch indirekt durch abiotische Reaktionen unter Lichtbeleuchtung oxidieren.

Viele Bakterien in der Umwelt, die aktiv oder passiv Superoxid produzieren, oxidieren möglicherweise auch Mn(II) auf diese Weise, was darauf hindeutet, dass der Manganoxidationsweg durch Superoxid ein häufiges Verhalten in der Umwelt ist. Angesichts der Oxidationseigenschaften und Halbleitereigenschaften von Manganoxiden wird diese Forschung neue Ideen für die Behandlung von Umweltverschmutzung liefern.

Mehr Informationen: Fan Yang et al., Sichtbares Licht induziert Bakterien, Superoxid für die Manganoxidation zu produzieren, Frontiers of Environmental Science & Engineering (2022). DOI: 10.1007/s11783-023-1619-y

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