Ossidazione simultanea di solfuro e metano da parte di un estremofilo

Nature Communications volume 14, numero articolo: 2974 (2023) Citare questo articolo

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L'idrogeno solforato (H2S) e il metano (CH4) sono prodotti in ambienti anossici attraverso la riduzione dei solfati e la decomposizione della materia organica. Entrambi i gas si diffondono verso l’alto nelle zone ossiche dove i metanotrofi aerobici mitigano le emissioni di CH4 ossidando questo potente gas serra. Sebbene i metanotrofi in una miriade di ambienti incontrino H2S tossico, non è praticamente noto come ne siano influenzati. Qui, attraverso estese colture chemostatiche, mostriamo che un singolo microrganismo può ossidare simultaneamente CH4 e H2S a velocità altrettanto elevate. Ossidando l'H2S in zolfo elementare, il metanotropo termoacidofilo Methylacidiphilum fumariolicum SolV allevia gli effetti inibitori dell'H2S sulla metanotrofia. Il ceppo SolV si adatta all'aumento di H2S esprimendo un'ossidasi terminale di tipo ba3 insensibile ai solfuri e cresce come chemiolitoautotrofo utilizzando H2S come unica fonte di energia. Le indagini genomiche hanno rivelato presunti enzimi ossidanti i solfuri in numerosi metanotrofi, suggerendo che l’ossidazione dell’H2S è molto più diffusa nei metanotrofi di quanto precedentemente ipotizzato, consentendo loro di collegare i cicli del carbonio e dello zolfo in modi nuovi.

L'idrogeno solforato (H2S) è la forma più ridotta di zolfo (S) e una potente fonte di energia e zolfo, sostanza tossica e molecola di segnalazione1,2,3. È un acido debole che si diffonde facilmente attraverso le membrane e inibisce vari processi come la respirazione aerobica legandosi alle citocromo c ossidasi. Inoltre, altri processi metabolici che utilizzano enzimi contenenti rame e ferro sono gravemente inibiti da H2S1,4,5,6. Pertanto, i microrganismi che vivono in ambienti ricchi di solfuri richiedono meccanismi adeguati per disintossicare l’H2S7,8. In una miriade di ambienti, come zone umide, sedimenti marini, suolo, impianti di trattamento delle acque reflue, laghi, risaie, discariche e ambienti geotermici acidi, l'H2S viene prodotto attraverso la riduzione del solfato (SO42−), la mineralizzazione della materia organica e la termochimica8, 9,10,11,12,13,14,15,16,17,18.

Una volta esaurito il solfato, la materia organica viene infine convertita in metano (CH4) negli ecosistemi poveri di ossigeno9,12,13,19,20,21. Quando sia H2S che CH4 si diffondono nelle zone ossiche sovrapposte, il CH4 può essere utilizzato come fonte di energia da batteri aerobici che ossidano il metano, che si presume riducano la maggior parte delle emissioni di questo potente gas serra22. Nonostante questo efficace biofiltro del metano, ogni anno vengono rilasciate nell’atmosfera da 548 a 736 Tg di CH4 da varie fonti naturali e antropiche23,24. I metanotrofi aerobici fanno parte di varie classi e famiglie di batteri, tra cui gli onnipresenti alfa e gammaproteobatteri16,25,26, gli Actinobacteria27 e le estremofile Methylacidiphilaceae del phylum Verrucomicrobia28,29,30,31. Questi ultimi sono batteri acidofili che condividono un pH ottimale basso (2,0 − 3,5) e vivono tra 35 e 60 °C26,31,32. Tutti i metanotrofi verrucomicrobici conosciuti sono stati isolati da habitat geotermici come fumarole e vasche di fango, da cui vengono emesse grandi quantità di CH4 e H2S, per lo più termogenici16,28,33,34,35. Gli ambienti geotermici sono tipicamente caratterizzati da elevate emissioni di H2S e quindi i metanotrofi verrucomicrobici isolati da questi ecosistemi sono esempi preminenti per studiare come i metanotrofi sono influenzati dall'H2S.

Sta diventando sempre più chiaro che i metanotrofi sono metabolicamente versatili e in grado di utilizzare fonti energetiche rilevanti per l'ambiente come H2, propano, etano, acetato, acetone, 2-propanolo e acetolo16,36,37,38. La capacità di utilizzare varie fonti di energia è estremamente vantaggiosa in ambienti con emissioni di gas fortemente fluttuanti. Recentemente, è stato dimostrato che colture pure del metanotropo verrucomicrobico Methylacidiphilum fumariolicum SolV possono consumare metantiolo (CH3SH), con la concomitante formazione sub-stechiometrica di H2S, indicando che il ceppo SolV ha parzialmente metabolizzato il tossico H2S39. Di seguito, un elegante studio ha dimostrato che anche i metanotrofi proteobatterici possono ossidare H2S40. Gli autori hanno isolato il versatile ceppo HY1 dell'alfaproteobatterio "Methylovirgula thiovorans" da una torbiera della Corea del Sud che potrebbe crescere su tiosolfato (S2O32−), tetrationato (S4O62−), zolfo elementare (S0) e una gamma di composti del carbonio. Tuttavia, le cellule del ceppo HY1 coltivate su CH4 come unica fonte di energia non sono state in grado di ossidare l'H2S e l'ossidazione dell'H2S è stata avviata e osservata solo nelle cellule coltivate in presenza di tiosolfato. Inoltre, non è stata studiata la crescita su H2S. Considerando le recenti osservazioni, è fondamentale indagare se esistono microbi che possono ossidare simultaneamente i gas rilevanti per l’ambiente CH4 e H2S, come i metanotrofi affrontano l’H2S e se tali metanotrofi possono conservare energia e produrre biomassa utilizzando H2S come fonte di energia.