Erforschung der Reaktionsmechanismen der dissimilatorischen Eisen(III)-Reduktion gekoppelt mit Schwefel-Oxidation (DIRSO) durch azidophile Prokaryonten und deren Relevanz für Biolaugung und Bildung saurer Grubenwässer
Analytische Chemie
Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Biolaugungsprozesse und die Bildung saurer Grubenwässer (acid mine drainage = AMD) beruhen überwiegend auf der mikrobiellen aeroben Eisen(II)- und Schwefeloxidation, und sie sind auch maßgeblich beeinflusst durch mikrobielle, dissimilatorische Eisen(III)reduktion gekoppelt mit Schwefel-Oxidation (DIRSO), welche für anaerobe Bedingungen bei niedrigem pH für Acidophile beschrieben ist, aber auch unter aeroben Bedingungen wurde eine Eisen(III)reduktion beobachtet. Das Forschungsprojekt untersuchte die Physiologie und Reaktionsmechanismen der Eisen(III)-Reduktion gekoppelt mit der Oxidation von Schwefelverbindungen durch Reinkulturen acidophiler Archaeen und Bakterien. Zellspezifische Eisen(III)-Reduktionsraten für verschiedene Acidithiobacillus (At.)-Stämme während des Batch-Kulturwachstums oder der stationären Phase mit Eisen(III) (~40 mM) als Elektronenakzeptor und elementarem Schwefel oder Tetrathionat als Elektronendonator (1 % oder 5 mM) wurden bestimmt. Die Raten waren unter anaeroben Bedingungen für At. ferrooxidans am höchsten mit 6,8 x 10^6 und 1,1 x 10^7 reduzierten Eisen(III)-Ionen pro Sekunde pro Zelle für das Wachstum auf elementarem Schwefel bzw. Tetrathionat. Die Eisen(III)- Reduktionsraten waren etwas niedriger für das anaerob mit Schwefel kultivierte Archaeon Ferroplasma acidiphilum und am niedrigsten für das mit Schwefel kultivierte Bakterium At. caldus unter aeroben Bedingungen (1,7 x 10^6 bzw. 7,3 x 10^4 reduzierte Eisen(III)-Ionen pro Sekunde pro Zelle). Die Raten für fünf Stämme von At. thiooxidans (aerob) lagen zwischen denen für At. ferrooxidans (anaerob) und At. caldus (aerob). Thiosulfat als Schwefelzwischenprodukt wurde für At. ferrooxidans detektiert während des anaeroben Wachstums auf Tetrathionat und Eisen(III), und eine geringe Konzentration wurde während des aeroben Wachstums auf Tetrathionat ohne Eisen(III) gemessen. Für den At. thiooxidans Typstamm wurde Thiosulfat bei mit Tetrathionat gewachsenen Zellen unter aeroben Bedingungen in Anwesenheit und Abwesenheit von Eisen(III) gefunden. Für die At. ferrooxidans und At. thiooxidans Typstämme wurden Hinweise auf die Bildung von Schwefelwasserstoff bei niedrigem pH-Wert gefunden während des mikroaerophilen Wachstums auf elementarem Schwefel und für At. ferrooxidans auch während des anaeroben Wachstums auf Tetrathionat und Eisen(III). Das Vorkommen von Schwefelverbindungs- Zwischenprodukten stützt die Hypothese, dass die Reduktion von Eisen(III)-Ionen chemisch durch Schwefelverbindungen erfolgt, die von den mikrobiellen Zellen freigesetzt werden. Auf der Suche nach neuen acidophilen Bakterien wurde ein mixotropher und acidophiler Bakterienstamm BGR 140T aus Bergwerksrückständen im Harz bei Goslar, Deutschland, isoliert. BGR 140T wuchs aerob bei 25–55 °C (optimal 45 °C) und bei pH 1,5–5,0 (optimaler pH 3,0). Der Stamm wuchs auch fakultativ anaerob, war mit Eisen(III) als Elektronenakzeptor zu anaerobem Wachstum fähig. Die Ergebnisse der weiteren Analyse zeigten, dass der Stamm BGR 140T (= DSM 109850T = JCM 39070T) eine neue Spezies der Gattung Sulfobacillus darstellt, für die der Name Sulfobacillus harzensis sp. nov. vorgeschlagen und angenommen wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Sulfobacillus harzensis sp. nov., an acidophilic bacterium inhabiting mine tailings from a polymetallic mine. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 71(7).
Zhang, Ruiyong; Hedrich, Sabrina; Jin, Decai; Breuker, Anja & Schippers, Axel
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Sulfur intermediates and rates of ferric reduction coupled to sulfur oxidation by Acidithiobacillus species. Abstract and Poster at the 24th International Biohydrometallurgy Symposium (IBS), 20 – 23 November 2022
Breuker, A. & A. Schippers
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Rates of iron(III) reduction coupled to elemental sulfur or tetrathionate oxidation by acidophilic microorganisms and detection of sulfur intermediates. Research in Microbiology, 175(1-2), 104110.
Breuker, Anja & Schippers, Axel
