Κάθε ζωντανό ον απαιτεί ενέργεια. Αυτό ισχύει και για τους μικροοργανισμούς. Η ενέργεια παράγεται συχνά στα κύτταρα μέσω της αναπνοής, δηλαδή με την καύση οργανικών ενώσεων – με άλλα λόγια, της τροφής. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, απελευθερώνονται ηλεκτρόνια, από τα οποία οι μικροοργανισμοί πρέπει στη συνέχεια να απαλλαγούν. Ελλείψει οξυγόνου, οι μικροοργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν άλλες μεθόδους για να το κάνουν, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς των ηλεκτρονίων σε ορυκτά έξω από τα κύτταρα.

Τα ποσοστά μείωσης ποικίλλουν σημαντικά

Σε εδάφη ή ιζήματα χωρίς οξυγόνο, οξείδια του σιδήρου παίζουν σημαντικό ρόλο ως αποδέκτες των απελευθερωμένων ηλεκτρόνια. Πώς όμως φτάνουν τα ηλεκτρόνια από την αναπνοή στα κύτταρα στο σίδερο οξείδια που βρίσκονται έξω από τα κύτταρα; Για αυτή τη διαδικασία, οι μικροοργανισμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν ειδικά μόρια που λαμβάνουν δύο ηλεκτρόνια στην επιφάνεια του κυττάρου και στη συνέχεια τα μεταφέρουν στα οξείδια του σιδήρου σαν ταξί. Εκεί τα δύο ηλεκτρόνια αποβιβάζονται από το ταξί και ανάγουν τον τρισθενή σίδηρο σε οξείδια στη δισθενή του μορφή. Στη συνέχεια, το ταξί είναι ελεύθερο να μεταφέρει περισσότερα ηλεκτρόνια.

Αυτά τα εξωκυττάρια σαΐτα ηλεκτρονίων (EES) είναι γνωστά εδώ και πολύ καιρό. Μέχρι τώρα, ωστόσο, δεν ήταν ποτέ ξεκάθαρο γιατί η αποτελεσματικότητά τους εξαρτάται τόσο από τη δομή τους και τη δομή τους περιβαλλοντικές συνθήκες—και γιατί η ταχύτητα της αναγωγής του οξειδίου του σιδήρου ποικίλλει κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Όλες οι προσπάθειες να εξηγηθούν οι τεράστιες διαφορές απόδοσης με βάση γνωστές παραμέτρους όπως το pH ή η θερμοκρασία έχουν αποτύχει μέχρι τώρα.

Τα ηλεκτρόνια πρέπει να εξετάζονται μεμονωμένα

Μια μελέτη από ερευνητές Eawag και ETH Zurich, που μόλις δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PNAS δείχνει πώς οι διαφορές απόδοσης στο EES μπορούν να εξηγηθούν από μια ενιαία, αναμφισβήτητη σχέση. «Στη σχέση μας, δεν εξετάσαμε τη μέση ενέργεια των δύο μεταφερόμενων ηλεκτρονίων όπως γινόταν μέχρι τώρα, αλλά το ατομικό ενεργειακό επίπεδο κάθε ηλεκτρονίου», αναφέρει η Meret Aeppli, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης.

Ο περιβαλλοντικός χημικός του Eawag, Thomas Hofstetter, λέει, «Αποδεικνύεται ότι η μεταφορά του πρώτου ηλεκτρονίου από το EES στο οξείδιο του σιδήρου είναι συχνά σαφώς λιγότερο ενεργειακά αποδοτική από τη μεταφορά του δεύτερου». Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι η διαφορά ενέργειας μεταξύ του πρώτου ηλεκτρονίου που μεταφέρεται από το EES στο οξείδιο του σιδήρου καθορίζει τον ρυθμό μείωσης του σιδήρου.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την ιδέα, είναι δυνατό να εξηγηθούν οι διαφορές απόδοσης μεταξύ διαφόρων EES, ακόμη και σε ένα μεγάλο εύρος pH, καθώς και μεταξύ δύο διαφορετικών οξειδίων του σιδήρου. Ο Michael Sander από το ETH της Ζυρίχης εξηγεί τη διαδικασία με μια αναλογία: «Υπό πολλές συνθήκες, το πρώτο ηλεκτρόνιο είναι στην πραγματικότητα πολύ απρόθυμο να φύγει από το ταξί EES, αλλά σπρώχνεται από το πίσω κάθισμα, ας πούμε έτσι, από το δεύτερο ηλεκτρόνιο. “

Η μεταφορά ηλεκτρονίων έγινε ορατή με χρήση υπεριώδους φωτός

Για να καταλήξουν στα ευρήματά τους, οι συγγραφείς της μελέτης όχι μόνο επινόησαν τα δικά τους πειράματα και συνέλεξαν τα δεδομένα που προέκυψαν, αλλά ενσωμάτωσαν και τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών. Για τα πειράματα στα εργαστήρια Eawag και ETH, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φυσικά και συνθετικά μόρια EES και ερεύνησαν δύο ευρέως διαθέσιμα οξείδια σιδήρου (III). Ο ρυθμός μεταφοράς ηλεκτρονίων από το EES στο σίδηρο οξείδιο, και επομένως η αποτελεσματικότητα της μεταφοράς ηλεκτρονίων, μπορεί να γίνει ορατή με το υπεριώδες φως. Αυτό το φως απορροφάται διαφορετικά από το EES ανάλογα με το αν είναι σε εξέλιξη με ή χωρίς τα δύο ηλεκτρόνια.

Μικρό αλλά κρίσιμο

Η μελέτη περιγράφει μόνο ένα μικρό βήμα στη μικροβιακή αναπνοή, αλλά αν και μπορεί να είναι μικρό, είναι κρίσιμο για πολλές διαδικασίες. Τώρα που η αναερόβια αναπνοή ορυκτών φάσεων με χρήση EES γίνεται κατανοητή σε γενικό επίπεδο, μπορούν να γίνουν πιο εύκολα συγκρίσεις μεταξύ μελετών και συστημάτων. Επομένως, αυτό το άρθρο είναι απαραίτητο για όσους εργάζονται με μικροοργανισμούς που αναπνέουν αναερόβια και με την ανταλλαγή άνθρακα. Αν και αυτό το βήμα μπορεί να φαίνεται μικρό, είναι ωστόσο πολύ σημαντικό για την κατανόηση των παγκόσμιων βιογεωχημικών διεργασιών – για παράδειγμα την αναερόβια διάσπαση οργανικών ουσιών στην απόψυξη των αρκτικών εδαφών, μια διαδικασία στην οποία τεράστιες ποσότητες κρίσιμου για το κλίμα CO₂ απελευθερώνονται.

Παρέχεται από το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Υδατικής Επιστήμης και Τεχνολογίας