Bacteriile de sulf
Descoperirea bacteriilor mari de sulf cu stocare de nitrați
Ce sunt bacteriile de sulf?
Multe bacterii, la fel ca majoritatea organismelor superioare, respiră cu oxigen și astfel își oxidează („ard”) alimentele. Dar nu numai materialul organic, cum ar fi rămășițele din lumea plantelor și a animalelor, oferă hrana utilizabilă și bogată în calorii. Mulți compuși chimici anorganici pot fi folosiți și servesc drept aliment principal pentru bacterii speciale. Bacteriile sulfului trăiesc cu hidrogen sulfurat, pe care îl transformă în sulfat. În același timp respiră cu oxigen. Acest lucru le oferă energie pentru întregul lor metabolism și creștere.
Sulfatul este una dintre cele mai importante săruri din apa de mare și pătrunde constant în fundul mării. Sub un strat de acoperire subțire de milimetri care acoperă suprafața fundului mării ca o piele care respiră, fundul mării este o lume fără oxigen, dar nu moartă. Aceasta este lumea bacteriilor care descompun rămășițele organice ale algelor pe moarte după ce s-au scufundat pe fundul mării. Multe dintre aceste bacterii respiră cu sulfat, care este transformat în hidrogen sulfurat.
Deci, există o schimbare constantă între sulfat și hidrogen sulfurat, care este unul dintre cele mai importante cicluri de materiale ecologice din mare și asigură transformarea materialului organic în minerale anorganice și săruri nutritive ale plantelor. Cantități enorme de hidrogen sulfurat sunt produse pe fundul mării. Pentru organismele superioare, cum ar fi peștii sau crustaceii, este crucial ca acesta să fie descompus din nou pe fundul mării înainte de a ajunge în apa mării. Deoarece hidrogenul sulfurat este extrem de toxic, la fel de toxic ca și cianura, dar este o toxină naturală. De aceea, există și multe bacterii din natură care s-au specializat în descompunerea hidrogenului sulfurat. Cele mai faimoase dintre ele respiră cu oxigen. Ele apar aproape peste tot, în mare, în lacuri, în sol sau în bioreactoare și stații de epurare unde sunt tratate apele uzate.
În special în apele noastre de coastă, unde descărcarea sărurilor de substanțe nutritive azotate a crescut brusc în ultimele decenii, conținutul crescut de nitrați duce la creșterea producției de alge, ceea ce determină, la rândul său, reziduurile de alge organice să se scufunde mai puternic pe fundul mării. Mai presus de toate, acest lucru stimulează respirația sulfatului, iar producția de sulfură de hidrogen crește și mai mult, până când poate fi greu oxidată cu conținutul de oxigen care scade simultan în apa de mare. Apoi, bacteriile de sulf preiau scena și întind o foaie albă pe fundul mării negre. Acesta este un strat subțire de bacterii de sulf asemănătoare firului, numit Beggiatoa, la care refracția luminii în nenumărate picături de sulf din celulele lor le conferă o strălucire albă. Acestea sunt ultima barieră împotriva evadării hidrogenului sulfurat de pe fundul mării și folosesc oxigenul din apa mării pentru a face acest lucru. Aceasta a fost funcția lor cunoscută până la descoperirea vacuolilor nitrați din bacteriile de sulf.
Majoritatea bacteriilor au dimensiuni de la unu la câțiva micrometri (miimi de milimetru). Există motive întemeiate pentru aceasta. Bacteriile își pot absorbi alimentele din mediul lor apos numai sub formă de substanțe dizolvate. Dacă bacteriile devin prea mari, absorbția este prea lentă, deoarece celulele nu au un sistem de transport intern (de exemplu, circulație) și mor de foame. Prin urmare, bacteriile mari sunt o raritate în sălbăticie. Bacteriile la fel de mari ca recent descoperita tiomargarita (Schulz și colab., Science, 16 aprilie 1999) nu ar trebui să poată exista de fapt. Acest lucru este posibil doar pentru că au o structură celulară specială.
Partea activă a celulei acestor bacterii mari de sulf constă dintr-o coajă subțire de citoplasmă care cuprinde un vacuol sferic mare. Stratul citoplasmatic are o grosime de doar câțiva micrometri, ceea ce corespunde dimensiunii bacteriilor normale. Tiomargarita asigură transportul substanțelor în celulă, în ciuda dimensiunilor lor. Vacuolul este ca un balon umplut cu apă - o structură foarte unică printre bacterii. Acesta servește drept rezervor de stocare pentru nitrați, pe care aceste bacterii îl folosesc pentru a respira. Ca agent respirator, azotatul este în principiu la fel de bun ca oxigenul, dar are marele avantaj că poate fi depozitat în spatele unei membrane celulare, în timp ce oxigenul scapă inevitabil ca gaz. La fel ca un scafandru cu sticle de aer comprimat, tiomargarita poate respira cu depozitul lor de nitrați luni înainte să aibă nevoie de un nou aport din exterior. Cu acest nitrat, bacteriile oxidează hidrogenul sulfurat, care este produs în mod constant în fundul mării înconjurător, în care sunt imobile. Apoi, alternativ, au nevoie din nou de nitrați și sunt dependenți de apa de mare care conține nitrați care pătrund în fundul mării prin curenții și activitatea de pompare a valurilor atlantice.
Thiomargarita are, de asemenea, rude apropiate care sunt fire mobile în loc de bile imobile, de ex. tioploca. Acestea formează cele mai mari comunități bacteriene vizibile din lume pe coasta Pacificului din America de Sud. Aici există o fertilizare naturală a mării, deoarece apa adâncă bogată în nitrați din Pacific este condusă de vântul SE, dar și o lipsă constantă de oxigen la fundul coloanei de apă. Thioploca formează covorașe pe fundul mării pe o coastă de 3000 km. Covorașele sunt împletite împreună din învelișul slimy al tioploca și ating o masă de 1 kg greutate proaspătă pe metru pătrat. Multe filamente de bacterii trăiesc împreună în fiecare coajă, care se extinde în fundul mării ca un tunel vertical. Acest lucru face ca bacteriile să alunece constant în sus și în jos. Filamentele bacteriene subțiri de până la 7 cm lungime se întind în apa mării, unde extrag nitrații din apă pentru respirație. Cu rezervoarele de stocare pline, ele alunecă în jos prin tunelurile lor în fundul mării, unde alte bacterii produc o producție intensivă de hidrogen sulfurat. Această hidrogen sulfurat este hrana lor și este complet transformată de tioplocas.
Am descoperit acest mod de viață pentru prima dată în urmă cu patru ani, în timpul unei călătorii de cercetare în largul coastei chiliene. Dar după ce vacuolul bacterian a fost recunoscut ca un rezervor de nitrați, noi și alți cercetători am găsit acest fenomen și în alte bacterii, și întotdeauna în bacteriile mari de sulf, care sunt toate strâns legate între ele. La izvoarele termale din zonele de răspândire tectonice de pe fundul mării, trăiesc, de asemenea, rogojini groase de bacterii de sulf libere, de tip fir, din genul Beggiatoa. Celulele sale individuale sunt mult mai mici decât cele ale tiomargaritei, dar filamentele bacteriene multicelulare sunt suficient de mari (o zecime de milimetru în diametru și câțiva centimetri lungime) încât să poată fi văzute cu ochiul liber de la fereastra submersibilului din adâncime, ALVIN.
Bacteriile de sulf care păstrează nitrați nu se găsesc numai în locații exotice pentru noi. După descoperirea sa în Chile, am căutat această proprietate în localitatea natală Beggiatoa din Marea Baltică și am găsit-o. Deci, pare o adaptare pe scară largă, care probabil ar putea fi găsită oriunde în oceane, acum că știm ce căutăm. Caracteristicile sunt mărimea celulei, granulele de sulf strălucitoare și un interior aparent gol al celulei. Distribuția pe scară largă a acestui grup de bacterii înseamnă, de asemenea, că metabolismul lor joacă un rol important corespunzător în ciclurile materialelor ecologice. Prin oxidarea hidrogenului sulfurat cu azotat în aceste bacterii, ciclurile materiale de sulf și azotat sunt cuplate într-un fel, ale căror consecințe nu le putem trece cu vederea încă.
Bo B. Jørgensen
Institutul Max Planck pentru Microbiologie Marină