Studio: La luce visibile induce i batteri a produrre superossido per l'ossidazione del manganese

31 marzo 2023

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Gli ossidi di manganese sono minerali reattivi naturali e ampiamente diffusi negli ambienti acquatici e terrestri, influenzando il destino dei metalli (come As3+ e Cd2+) e degli inquinanti organici (come fenoli e diclofenac) attraverso l'adsorbimento e l'ossidazione nel trattamento delle acque reflue. Solitamente, si ritiene che gli ossidi di manganese (III/IV) nell'ambiente siano formati dall'ossidazione del Mn(II) disciolto attraverso processi abiotici o biotici.

L'ossidazione del Mn(II) acquoso da parte dell'ossigeno disciolto è termodinamicamente favorita, ma la cinetica è lenta a causa dell'elevata barriera energetica della reazione dagli ossidi di Mn(II) disciolti a Mn(III/IV). La presenza di microrganismi accelera la velocità di ossidazione, che è 4-5 ordini di grandezza più veloce della velocità di ossidazione chimica abiotica, pertanto è considerata la fonte iniziale di ossidi di manganese nell'ambiente.

I batteri capaci di catalizzare l'ossidazione degli ioni Mn(II) disciolti in ossidi di Mn(III/IV) non disciolti sono solitamente chiamati batteri ossidanti il ​​manganese. L'ossidazione batterica degli ioni Mn(II) si divide in diretta e indiretta, e il processo catalizzato dagli enzimi sulla superficie dei microrganismi è chiamato ossidazione diretta. Per le vie indirette, alcuni batteri possono modificare le condizioni ambientali circostanti per l'ossidazione del Mn(II) (ad esempio, pH ed Eh).

In studi recenti è stato dimostrato che il clade Roseobacter ossida il Mn (II) producendo specie reattive extracellulari dell'ossigeno. Altri cladi batterici hanno processi di ossidazione del Mn(II) simili a quelli del Roseobacter? L'ossidazione del Mn(II) è strettamente correlata al processo fisiologico dei batteri?

Per rispondere a queste domande, il prof. Feng Zhao dell’Accademia cinese delle scienze e i membri del suo team hanno esplorato il processo di ossidazione microbica del manganese sotto luce visibile utilizzando microrganismi dell’acqua di mare superficiale costiera. È stata analizzata la relazione tra la trasformazione degli ossidi di Mn(II) solubile in ossidi di Mn(III/IV) insolubili da parte di microrganismi e il ruolo fisiologico. Questo studio sarà pubblicato su Frontiers of Environmental Science & Engineering nel 2023.

In questo studio, il gruppo di ricerca ha scoperto che la luce visibile promuove notevolmente il tasso di ossidazione del Mn(II) e il tasso medio raggiunge 64 μmol/(L·d). Gli ossidi di manganese generati erano quindi favorevoli all'ossidazione del Mn(II), quindi la rapida ossidazione del manganese era il risultato dell'azione combinata di elementi biotici e abiotici e la funzione biologica rappresenta l'88% ± 4%.

Il superossido extracellulare prodotto da microrganismi indotti dalla luce visibile è il fattore decisivo per la rapida ossidazione del manganese nel nostro studio. Ma la produzione di questi superossidi non richiede la presenza di ioni Mn(II), il processo di ossidazione di Mn(II) era più simile a una reazione collaterale involontaria, che non influenzava la crescita dei microrganismi.

Più del 70% dei microrganismi eterotrofi in natura sono in grado di produrre superossido, in base alle proprietà ossidanti dei radicali liberi, tutti questi batteri possono partecipare al ciclo geochimico del manganese. Inoltre, il percorso di ossidazione del superossido potrebbe essere una fonte naturale significativa di ossido di manganese.

Questo studio ha rivelato un percorso essenziale per l’ossidazione batterica del manganese. I batteri eterotrofi producono superossido sotto irradiazione di luce visibile e ossidano gli ioni Mn (II) nell'ambiente circostante, che è la principale fonte di ossidi di manganese. Gli ossidi di Mn(III/IV) biogenerati possono anche ossidare gli ioni Mn(II) indirettamente attraverso reazioni abiotiche sotto illuminazione leggera.