Világszerte tudósok egy csoportja, élén Marc Mussmann és Alexander Loy mikrobiológusokkal a Bécsi Egyetemről, egy forradalmi módszert fedezett fel arra, hogy bizonyos mikrobák miként termelnek energiát. Ezek az apró élőlények, amelyeket MISO baktériumoknak neveznek, képesek „lélegezni” vasásványokat – vagyis rozsdát használni hasonló módon, ahogy az emberi szervezet az oxigént. Ez a különleges képességük nemcsak az energiatermelést teszi lehetővé számukra, hanem hozzájárulnak egy káros gáz, a hidrogén-szulfid eltávolításához is. Ez a gáz gyakran fordul elő oxigénhiányos környezetekben, például tengeri üledékekben vagy mocsarakban.
A felfedezés háttere és jelentősége
A kutatás eredményeit a Nature tudományos folyóiratban tették közzé. Korábban azt hitték, hogy a kénhidrogén és a vas közötti reakció egyszerű kémiai folyamat, azonban most kiderült, hogy valójában élő mikroorganizmusok végzik ezt a biológiai folyamatot. Ez az egyedi anyagcsereforma kulcsfontosságú lehet az óceánok megtisztításában és a „holt zónák” terjedésének csökkentésében – ezek olyan területek, ahol az oxigénhiány miatt a tengeri élet nagy része nem képes fennmaradni.
Hogyan tartják egyensúlyban a mikrobák Földünk kémiai folyamatait?
A Földön olyan elemek, mint a szén, nitrogén, kén és vas folyamatosan mozognak a levegő, víz, talaj és élő szervezetek között. Ezt az áramlást biogeokémiai ciklusnak nevezzük. Ezeket a ciklusokat különféle kémiai reakciók szabályozzák, amelyek során oxigént adnak hozzá vagy távolítanak el az elemekből. Ezek a folyamatok létfontosságúak az élet fenntartásához, hiszen szabályozzák az üvegházhatású gázokat – például a szén-dioxidot és metánt –, amelyek befolyásolják bolygónk klímáját.
A mikroorganizmusok központi szerepet játszanak ezekben a ciklusokban. Ők végzik el azokat a reakciókat, amelyek fenntartják Földünk kémiai egyensúlyát. Ahogy az emberek oxigént használnak az étel energiává alakításához, úgy ezek a mikrobák más anyagokat – például ként vagy vasat – használnak saját növekedésükhöz.
Oxigénszegény helyeken – mint például tengerfenék, mocsarak vagy föld alatti talajrétegek –, ezek a mikrobák ként és vasat használnak energiaforrásként. A kén sokféle formában létezhet: gázként a levegőben, oldott állapotban a tengervízben vagy ásványokban tárolva. A vas pedig oxigéntartalmától függően változtatja kémiai állapotát. Amikor ezek a mikrobák feldolgozzák a ként, gyakran megváltoztatják vele együtt a vas állapotát is, így közvetlen kapcsolat jön létre e két elem között.
Ez az összefüggés befolyásolja a tápanyagáramlást környezetünkben és azt is, hogy milyen mértékben keletkeznek vagy szűnnek meg üvegházhatású gázok. A mikrobák kén- és vaskezelési folyamatait megérteni segíthet abban, hogy jobban előrejelezzük az ökoszisztémák reakcióit szennyezésekre és klímaváltozásra.
A mikrobák, amelyek ként esznek és „lélegeznek” vasat
Oxigénszegény környezetekben néhány mikroba hidrogén-szulfidot termel – ez egy erős szagú gáz, amelyet gyakran rothadt tojás szagához hasonlítanak. Ezt általában úgy képzeljük el, hogy ez a gáz reakcióba lép vasásványokkal (vagyis rozsdával), sötét vegyületeket képezve, például vas-monoként (FeS), ami felelős például bizonyos iszaprétegek vagy homok fekete színéért. Korábban ezt kizárólag kémiai reakciónak tartották.
Azonban a bécsi kutatócsoport bebizonyította: ez valójában mikrobiális folyamat is lehet. A MISO baktériumok hidrogén-szulfidot használnak energiaforrásként és elektronokat adnak át vasásványoknak – így gyakorlatilag „lélegezik” rozsdát. Ezt az anyagcsere-folyamatot MISO metabolizmusnak nevezik: összekapcsolja a szulfid oxidációját (elektronleadását) és a vas redukcióját (elektronfelvételét).
A MISO baktériumokat különlegessé teszi, hogy megkerülik a hagyományos kénciklus lépéseit: nem hoznak létre köztes vegyületeket, hanem közvetlenül alakítják át a szulfidot kevésbé káros szulfáttá. Ezzel nemcsak eltávolítják a mérgező szulfidot, hanem környezetükből széndioxidot is felvesznek növekedésükhöz – hasonlóan ahhoz, ahogy a növények használják fel ezt az anyagot.
A kutatók szerint ez az egyedülálló képesség segíthet megelőzni vagy lassítani az óceánok és tavak „holt zónáinak” terjedését. Ezeken a területeken általában szennyezés és oxigénhiány miatt nem képesek fennmaradni halak és más tengeri élőlények.
Egy széles körben elterjedt és hatékony természetes folyamat
Laboratóriumi vizsgálatok kimutatták: amikor mikrobák vesznek részt ebben a reakcióban, sokkal gyorsabban zajlik le, mint pusztán kémiai úton. A kutatók becslése szerint világszerte az óceánokban zajló MISO aktivitás akár az összes szulfid oxidáció 7%-áért is felelős lehet szulfáttá alakítás során.
Ezt alátámasztja az is, hogy folyamatosan érkezik vas az óceánokba folyókon keresztül, por formájában vagy olvadó gleccserekből.
Ez a felfedezés nemcsak egy hiányzó láncszemet pótol be a kén-, vas- és szénciklus között, hanem rávilágít arra is, milyen kreatívak és alkalmazkodóképesek ezek az apró mikrobák. Szerepük kulcsfontosságú Földünk rendszereinek fenntartásában – sokszor olyan módokon, amelyeket csak most kezdünk igazán megérteni.
