Sichtbares Licht veranlasst Bakterien, Superoxid für die Manganoxidation zu produzieren

Manganoxide sind natürliche reaktive Mineralien und in aquatischen und terrestrischen Umgebungen weit verbreitet und beeinflussen das Schicksal von Metallen (wie As3+ und Cd2+) und organischen Schadstoffen (wie Phenole und Diclofenac) durch Adsorption und Oxidation in der Abwasserbehandlung. Normalerweise wird angenommen, dass die Mangan(III/IV)-Oxide in der Umwelt durch die Oxidation von gelöstem Mn(II) durch abiotische oder biotische Prozesse gebildet werden.

Die Oxidation von wässrigem Mn(II) durch gelösten Sauerstoff ist thermodynamisch begünstigt, aber die Kinetik ist aufgrund der hohen Energiebarriere der Reaktion von gelöstem Mn(II) zu Mn(III/IV)-Oxiden langsam. Das Vorhandensein von Mikroorganismen beschleunigt die Oxidationsrate, die um 4–5 Größenordnungen schneller ist als die Rate der abiotischen chemischen Oxidation, und wird daher als ursprüngliche Quelle von Manganoxiden in der Umwelt angesehen.

Bakterien, die in der Lage sind, die Oxidation von gelösten Mn(II)-Ionen zu ungelösten Mn(III/IV)-Oxiden zu katalysieren, werden üblicherweise Mangan-oxidierende Bakterien genannt. Die bakterielle Oxidation von Mn(II)-Ionen wird in direkte und indirekte Wege unterteilt, und der durch Enzyme auf der Oberfläche von Mikroorganismen katalysierte Prozess wird als direkte Oxidation bezeichnet. Bei indirekten Wegen können einige Bakterien ihre umgebenden Umweltbedingungen für die Mn(II)-Oxidation verändern (z. B. pH und Eh).

In jüngsten Studien wurde gezeigt, dass Roseobacter-Clade Mn(II) oxidiert, indem es extrazelluläre reaktive Sauerstoffspezies produziert. Haben andere Bakteriengruppen ähnliche Mn(II)-Oxidationsprozesse wie Roseobacter? Ist die Mn(II)-Oxidation eng verwandt mit dem physiologischen Prozess von Bakterien?

Um diese Fragen zu beantworten, untersuchten Prof. Feng Zhao von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und seine Teammitglieder den mikrobiellen Manganoxidationsprozess unter sichtbarem Licht, indem sie Mikroorganismen aus Meerwasser an der Küstenoberfläche verwendeten. Der Zusammenhang zwischen der Umwandlung von löslichem Mn(II) in unlösliche Mn(III/IV)-Oxide durch Mikroorganismen und der physiologischen Rolle wurde analysiert. Diese Studie ist veröffentlicht in Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik im Jahr 2023.

In dieser Studie stellte das Forschungsteam fest, dass sichtbares Licht die Oxidationsrate von Mn(II) stark fördert und die durchschnittliche Rate 64 μmol/(L·d) erreicht. Die erzeugten Manganoxide förderten dann die Mn(II)-Oxidation, sodass die schnelle Manganoxidation das Ergebnis der kombinierten Wirkung von biotischer und abiotischer Wirkung war und die biologische Funktion 88 % ± 4 % ausmacht.

Extrazelluläres Superoxid, das von Mikroorganismen produziert wird und durch sichtbares Licht induziert wird, ist der entscheidende Faktor für die schnelle Manganoxidation in unserer Studie. Aber die Produktion dieser Superoxide erfordert nicht die Anwesenheit von Mn(II)-Ionen, der Mn(II)-Oxidationsprozess war eher eine unbeabsichtigte Nebenreaktion, die das Wachstum von Mikroorganismen nicht beeinträchtigte.

Mehr als 70 % der heterotrophen Mikroorganismen in der Natur sind in der Lage, Superoxid zu produzieren, basierend auf den oxidierenden Eigenschaften freier Radikale, alle diese Bakterien können am geochemischen Kreislauf von Mangan teilnehmen. Darüber hinaus könnte der Superoxid-Oxidationsweg eine bedeutende natürliche Quelle für Manganoxid sein.

Diese Studie enthüllte einen wesentlichen Weg für die bakterielle Manganoxidation. Heterotrophe Bakterien produzieren unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht Superoxid und oxidieren Mn(II)-Ionen in der Umgebung, die die Hauptquelle für Manganoxide sind. Die biogenerierten Mn(III/IV)-Oxide können Mn(II)-Ionen auch indirekt durch abiotische Reaktionen unter Lichteinstrahlung oxidieren.

Viele Bakterien in der Umwelt, die aktiv oder passiv Superoxid produzieren, können auf diese Weise auch Mn(II) oxidieren, was darauf hindeutet, dass der Manganoxidationsweg durch Superoxid ein häufiges Verhalten in der Umwelt ist. Angesichts der Oxidationseigenschaften und Halbleitereigenschaften von Manganoxiden wird diese Forschung neue Ideen für die Behandlung von Umweltverschmutzung liefern.