研究: 可視光は細菌を誘導してマンガン酸化のためのスーパーオキシドを生成する

2023年3月31日

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酸化マンガンは天然の反応性鉱物であり、水生環境および陸上環境に広く分布しており、下水処理における吸着と酸化を通じて金属 (As3+ や Cd2+ など) や有機汚染物質 (フェノールやジクロフェナクなど) の運命に影響を与えます。 通常、環境中のマンガン (III/IV) 酸化物は、非生物的または生物的プロセスによる溶解した Mn(II) の酸化によって形成されると考えられています。

溶存酸素による水性 Mn(II) の酸化は熱力学的に有利ですが、溶存 Mn(II) から Mn(III/IV) 酸化物への反応のエネルギー障壁が高いため、反応速度は遅くなります。 微生物の存在により酸化速度が加速され、その速度は非生物的化学酸化の速度よりも 4 ～ 5 桁速いため、環境中のマンガン酸化物の最初の供給源と考えられています。

溶解した Mn(II) イオンの未溶解の Mn(III/IV) 酸化物への酸化を触媒できる細菌は、通常、マンガン酸化細菌と呼ばれます。 細菌によるマンガン(II)イオンの酸化は直接的方法と間接的方法に分けられ、微生物の表面の酵素によって触媒されるプロセスは直接酸化と呼ばれます。 間接経路の場合、一部の細菌は、Mn(II) の酸化のために周囲の環境条件 (pH や Eh など) を変更する可能性があります。

最近の研究では、Roseobacter クレードが細胞外活性酸素種を生成することによって Mn(II) を酸化することが実証されています。 他の細菌クレードには、Roseobacter と同様の Mn(II) 酸化プロセスがありますか? Mn(II)の酸化は細菌の生理学的プロセスと密接に関連していますか?

これらの疑問に答えるために、中国科学院のFeng Zhao教授とそのチームメンバーは、沿岸表層海水微生物を使用して、可視光下での微生物のマンガン酸化プロセスを調査しました。 微生物による可溶性Mn(II)の不溶性Mn(III/IV)酸化物への変換と生理学的役割との関係を分析した。 この研究は、2023 年に Frontiers of Environmental Science & Engineering に掲載されます。

今回の研究で、研究チームは可視光がMn(II)の酸化速度を大きく促進し、平均速度が64μmol/(L・d)に達することを発見した。 生成されたマンガン酸化物は Mn(II) 酸化を促進するため、急速なマンガン酸化は生物的および非生物的作用の組み合わせの結果であり、生物学的機能は 88 % ± 4 % を占めます。

私たちの研究では、可視光によって誘導される微生物によって生成される細胞外スーパーオキシドが、マンガンの急速な酸化の決定的な要因です。 しかし、これらのスーパーオキシドの生成には Mn(II) イオンの存在は必要なく、Mn(II) の酸化プロセスはむしろ意図的ではない副反応に近く、微生物の増殖には影響しませんでした。

自然界の従属栄養微生物の 70 % 以上は、フリーラジカルの酸化特性に基づいてスーパーオキシドを生成することができ、これらすべての細菌はマンガンの地球化学サイクルに参加できます。 さらに、スーパーオキシドの酸化経路は酸化マンガンの重要な天然供給源である可能性があります。

この研究により、細菌のマンガン酸化に不可欠な経路が明らかになりました。 従属栄養細菌は可視光照射下でスーパーオキシドを生成し、マンガン酸化物の主な供給源である周囲環境のMn(II)イオンを酸化します。 生物生成された Mn(III/IV) 酸化物は、光照射下での非生物反応を通じて間接的に Mn(II) イオンを酸化することもあります。