Aufklärung des Mechanismus der mikrobiell katalysierten Umwandlung von FeS und H2S zu Pyrit

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Pester
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen ; Mikrobielle Ökologie und Angewandte Mikrobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435849387

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Pyrit wird seit dem Archaikum in großen Mengen in Sedimenten gebildet, was nicht nur einen großen Einfluss auf den globalen Schwefel- und Eisenkreislauf hatte, sondern auch auf den Redox-Zustand der Atmosphäre. Die Mechanismen hinter der sedimentären Pyritbildung und der Einfluss von Mikroorganismen darauf sind noch unklar. 2019 konnten wir die erste mikrobielle Anreicherungskultur (J5) beschreiben, die aus FeS, H2S, und CO2 als einzige Substrate FeS2 und CH4 bilden kann (Thiel et al., 2019, PNAS). Dieser Antrag hatte zum Ziel die Mechanismen der Pyritbildung in Anreicherung J5 aufzuklären. Der Start des Projektes überlappte mit dem Beginn der Coronakrise, was im weiteren Verlauf des Projektes zu personellen Schwierigkeiten führte. Gleichzeitig kam es zu einem bis heute andauernden Lieferausfall von kommerziell erwerblichen, hochreinen Na2S-Kristallen die J5 als Ausgangssubstrat für H2S benötigt. Dies führte zu einer Neuorientierung des Projektes. In der ersten Phase der Neuorientierung konzentrierten wir uns deshalb auf die Isolierung und Charakterisierung der einzelnen bakteriellen und archaeellen Arten aus Anreicherung J5. Dies resultierte in der Neueschreibung einer neuen methanogenen Archaea-Art und einer neuen Schwefelreduzierenden Bakterienart innerhalb des Projektes, sowie einer neuen sulfatreduzierenden Bakterienart außerhalb des Projektes. Parallel dazu wurde versucht hochreine Na2S-Kristalle selber im Labor herzustellen, was allerdings nicht zum Erfolg führte. Aufgrund der langen Generationszeiten der Kultur J5 (ca. 6 Monate) konnte sie nur sehr langsam an kommerziell erhältliches Na2S adaptiert werden, was zum Ende des Projektes jedoch gelang. In der Zwischenzeit konzentrierten wir uns auf die Analyse neuartiger Mikroorganismen und Stoffwechselwege im Schwefelkreislauf. In einem Übersichtsartikel im FEMS Microbiology Reviews konnten wir aufdecken, dass 19 von 23 bakterielle und 2 von 4 archaeelle Phyla bisher unbekannte Sulfatreduzierer beinhalteten. Eine darauf aufbauende Publikation in Nature Communications konnte zeigen, dass Verteter der Acidobacteriota zwischen einer Sulfatatmung und einer Sauerstoffatmung wechseln können – ein Novum im Schwefelkreislauf. Innerhalb des gleichen Experiments konnten aber auch bereits bekannte Gruppen von Sulfatreduzierern große Populationen aufbauen, trotz langer und wiederkehrender Exposition zu einer O2-haltigen Atmosphäre und der Unfähigkeit zur Sauerstoffatmung. Ein darauf aufbauender Artikel (angenommen zur Publikation in Microbiome) konnte die vielfältigen Wege der Sauerstoff-Detoxifizierung innerhalb dieser Mikroorganismen aufzeigen. Als Nebenprodukt dieser Aktivitäten konnte eine neue Desulfosporosinus-Art beschrieben werden (eingereicht bei IJSEM).

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Aminithiophilus ramosus gen. nov., sp. nov., a sulphur-reducing bacterium isolated from a pyrite-forming enrichment culture, and taxonomic revision of the family Synergistaceae. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 73(2).
  Pradel, Nathalie; Fardeau, Marie-Laure; Bunk, Boyke; Spröer, Cathrin; Boedeker, Christian; Wolf, Jacqueline; Neumann-Schaal, Meina; Pester, Michael & Spring, Stefan
  
• Global diversity and inferred ecophysiology of microorganisms with the potential for dissimilatory sulfate/sulfite reduction. FEMS Microbiology Reviews, 47(5).
  Diao, Muhe; Dyksma, Stefan; Koeksoy, Elif; Ngugi, David Kamanda; Anantharaman, Karthik; Loy, Alexander & Pester, Michael
  
• Oxygen respiration and polysaccharide degradation by a sulfate-reducing acidobacterium. Nature Communications, 14(1).
  Dyksma, Stefan & Pester, Michael
  
• Description and genome analysis of a novel archaeon isolated from a syntrophic pyrite-forming enrichment culture and reclassification of Methanospirillum hungatei strains GP1 and SK as Methanospirillum purgamenti sp. nov.. PLOS ONE, 19(8), e0308405.
  Pradel, Nathalie; Bartoli, Manon; Koenen, Michel; Bale, Nicole; Neumann-Schaal, Meina; Spröer, Cathrin; Bunk, Boyke; Rohde, Manfred; Pester, Michael & Spring, Stefan
  
• Growth of sulfate-reducing Desulfobacterota and Bacillota at periodic oxygen stress of 50% air-O2 saturation. Microbiome, 12(1).
  Dyksma, Stefan & Pester, Michael