חיזור סולפט מיקרוביאלי

חיזור סולפט מיקרוביאלי הוא שם כולל עבור התהליך בו חיידקים וארכאונים אל-אווירניים אובליגטוריים ופקולטטיביים משתמשים בסולפט עבור יצור אנרגיה. בתהליך זה סולפט (SO2−4) מתחזר לסולפיד עד ליצירת מולקולת מימן גופרתי (H2S) בהצמדה לחמצון חומר אורגני או מימן. בדומה לתהליך הזרחון החמצוני המוכר בו חמצן (O2) הוא קבל האלקטרונים, בחיזור סולפט בקטריאלי החיידקים משתמשים בסולפט במקום בחמצן. מאחר שבתהליך זה האנרגיה המופקת קטנה מזו המופקת בזרחון חמצוני, חיזור סולפט מיקרוביאלי נמצא בעיקר בסביבות דלות בחמצן דוגמת קרקעית האוקיינוסים, אגמים משוכבים וביצות. יצור האנרגיה בתהליך זה הוא כה קטן עד שהוא מוגבל רק למיקרואורגניזמים חד תאיים ואין באפשרותו לתמוך ביצורים רב-תאיים, ולכן באותם מיקרואורגניזמים אנאירוביים פקולטטיביים תהיה תמיד העדפה להפיק את האנרגיה בתהליך של זרחון חמצוני על פני חיזור הסולפט. מרבית החיידקים והארכאונים שמחזרים סולפט מסוגלים לחזר גם צורוני ביניים דוגמת גופרית אלמנטרית, סולפיט (SO2−3) ותיוסולפט (S2O2−3) ואף מולקולות המכילות גופרית דוגמת דימתיל סולפוקסיד. במהלך חיזור הסולפט המיקרוביאלי מתקיים מעבר של 8 אלקטרונים בין החומר המחזר לחומר המחמצן. השלבים העיקריים בחיזור סולפט מיקרוביאלי הם: מולקולת סולפט נכנסת אל תוך המיקרואורגניזם. הסולפט בתוך התא משופעל עם מולקולת ATP ליצירת מולקולת APS ‏(adenosine 5'-phosphosulfate). מולקולת ה-APS מקבלת 2 אלקטרונים ומתחזרת לסולפיט (SO2−3). בתהליך נוצרת גם מולקולה של AMP ‏(Adenosine monophosphate). הסולפיט מתחזר לסולפיד עד ליצירת מולקולת מימן גופרתי (H2S) ובמקביל מולקולת ה-AMP הופכת למולקולת ADP ‏(Adenosine diphosphate) תוך כדי השקעת מולקולת ATP נוספת. ישנן עדויות לכך שהשלב הרביעי (חיזור של סולפיט לסולפיד) אינו מתרחש ישירות, אלא בתהליך שכולל יצירת צורוני ביניים המוזכרות לעיל. עיקר חשיבות חיזור הסולפט המיקרוביאלי בטבע בא לידי ביטוי בסביבות ימיות, זאת מאחר שסולפט הוא האניון השני בשכיחותו באוקיינוסים (28 מילימולר) שם הוא נפוץ עד פי-100 יותר מחמצן מומס. על כן, חיזור סולפט מיקרוביאלי הוא התהליך העיקרי שמשמש לחמצון החומר האורגני שמגיע לקרקעית האוקיינוס מעמודת המים (אחראי לכ-50–70 אחוז מכלל פירוק החומר האורגני). בנוסף לכך, חיזור הסולפט המיקרוביאלי מצומד לחמצון המתאן וצורך את מרבית המתאן שנוצר במשקע. בכך מונע התהליך מהאוקיינוס מלהפוך למקור חשוב למתאן באטמוספירה (האוקיינוס מהווה רק 6% מכלל המקורות של המתאן באטמוספירה) ועל כן לתהליך זה משקל גדול בקביעת כמות הפחמן האורגני שנקבר בקרקעית האוקיינוס (דבר שמהווה מבלע חשוב לפחמן דו-חמצני אטמוספירי לאחר קיבועו בתהליך הפוטוסינתזה על ידי פיטופלנקטון ואצות) ואפשרות לוויסות ריכוזי הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה על פני יחידות זמן גאולוגיות. תוצר הלוואי של חיזור הסולפט היא מולקולת מימן גופרתי. מולקולה זאת היא רעילה ובעלת ריח אופייני המזכיר ביצים רקובות שפעמים רבות מעיד על נוכחות חיידקים מחזרי סולפט בסביבה. מרבית המימן הגופרתי יגיב עם יונים שונים של מתכות בסביבה המימית ליצירת סולפידים מתכתיים, דוגמת ברזל גופרתי (FeS) שמקנה לבוצה את צבעה החום או השחור. חיידקים מחזרי סולפט מעודדים את יצירת הקורוזיה כאשר מתכות באות במגע עם מים עשירים בסולפט; המגע בין המים למתכות יוצר שכבה של יוני מימן על גבי המתכות. יוני המימן מחומצנים על ידי החיידקים ליצירת מימן גופרתי, שבתורו מעודד את היווצרות הקורוזיה. חיידקים מחזרי סולפט היוו, ככל הנראה, גורם משפיע נוסף בהכחדת פרם-טריאס, שכן האירוע האנוקסי (Anoxic event) שהתרחש במהלך ההכחדה, בו התמעט ריכוז החמצן באזורים שלמים באוקיינוסים, נגרם כתוצאה משגשוג-יתר של חיידקים אלה תוך כדי יצירת כמויות גבוהות מן הרגיל של מימן גופרתי. העדות הראשונה לתהליך חיזור סולפט מיקרוביאלי מתוארכת לכלפני 3.7 מיליארד שנה. הדרך העיקרית בה תהליך זה מזוהה בסלעים היא באמצעות מדידת נפיצות האיזוטופים היציבים של גופרית במינרלים שמכילים סולפט (גבס או בריט) ובמינרלים שמכילים גופרית מחוזרת (פיריט או גופרית אלמנטרית) זאת מאחר שהפרקציונציה האיזוטופית בתהליך זה עבור גופרית היא מהגבוהות בטבע (עד כ-70‰). חיזור סולפט מיקרוביאלי בשלב כה קדום בהיסטוריה של כדור הארץ מעיד על התרומה המשמעותית של חיידקים אלה למחזור הגופרית בטבע. מחזור הגופרית Muyzer, G. and Stams, A. J., (2008). The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria. Nature Reviews Microbiology, 6, pp. 441–454. Barton, Larry L. & Fauque, Guy D., (2009). Biochemistry, Physiology and Biotechnology of Sulfate-Reducing Bacteria. Advances in Applied Microbiology, 68, pp.41–98. Jørgensen, B.B., (1982). Mineralization of organic matter in the sea bed-the role of sulphate reduction. Nature, 296, pp.643-645. Boetius, A., Ravenschlag, K., Schubert, C.J., Rickert, D., Widdel, F., Gieseke, A., Amann, R., Jørgensen, B.B., Witte, U. and Pfannkuche, O., (2000). A marine microbial consortium apparently mediating anaerobic oxidation of methane. Nature, 407(6804), pp.623-626. Reeburgh, W.S., (2007). Oceanic methane biogeochemistry. Chemical Reviews, 107(2), pp.486-513. Ernst-Detlef Schulze, Harold A. Mooney., (1993), Biodiversity and ecosystem function, Springer-Verlag, pp.88–90. Peter D. Ward., (2006), Impact from the Deep, Scientific American. Shen, Y., Buick, R. and Canfield, D.E., (2001). Isotopic evidence for microbial sulphate reduction in the early Archaean era. Nature, 410(6824), pp.77-81. Sim, M.S., Bosak, T. and Ono, S., (2011). Large sulfur isotope fractionation does not require disproportionation. Science, 333(6038), pp.74-77.