Une équipe internationale de scientifiques dirigée par les microbiologistes Marc Mussmann et Alexander Loy de l'Université de Vienne a découvert un nouveau métabolisme microbien: les soi-disant bactéries miso « respirent » les minéraux de fer en oxydant le sulfure toxique.
Les chercheurs ont découvert que la réaction entre le sulfure d'hydrogène toxique et les minéraux de fer solide est non seulement un processus chimique, mais aussi un processus biologique auparavant inconnu dans lequel les microbes polyvalents dans les sédiments marins et les zones humides terrestres éliminent le sulfure toxique et l'utilisent pour leur croissance. Ces bactéries pourraient empêcher la propagation des « zones mortes » sans oxygène dans les environnements aquatiques.
Les résultats ont maintenant été publiés dans Nature.
Les cycles d'élément global
Les cycles biogéochimiques de carbone, d'azote, de soufre et de fer décrivent comment ces éléments sont transformés par des réactions de réduction et d'oxydation (redox) et comment elles se déplacent entre l'atmosphère, l'eau, le sol, les roches et les organismes vivants.
Ces cycles sont complexes liés à la Terre’s climat, alors qu'ils régulent le flux de gaz à effet de serre et influencent la planète’s Balance de la température. Les micro-organismes sont au cœur de presque toutes les étapes de ces transformations redox, en utilisant des composés comme le soufre et le fer pour la respiration de la même manière que les humains utilisent l'oxygène pour métaboliser les aliments.
Le soufre et le fer sont particulièrement vitaux pour la vie microbienne dans des environnements privés d'oxygène, tels que le fond océanique ou les zones humides. Le soufre existe sous diverses formes – comme un gaz dans l'atmosphère, comme sulfate dans les océans, ou en tant que partie des minéraux dans les roches. De même, le fer peut passer entre différentes formes en fonction de la présence d'oxygène.
Lorsque les microbes se métabolisent le soufre, ils modifient souvent la forme du fer simultanément, et vice versa. Ce couplage des cycles de soufre et de fer a des implications de grande envergure, influençant la disponibilité des nutriments et la production ou la dégradation des gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone et le méthane. Comprendre ces cycles interconnectés est crucial pour prédire comment les écosystèmes réagissent à la pollution, au changement climatique et à d'autres activités humaines.
Les minéraux en fer respiratoire pour détoxifier le sulfure
Les activités des microbes spécialisés dans des environnements sans oxygène tels que les sédiments marins, les zones humides et les aquifères d'eau douce produisent du sulfure d'hydrogène – un gaz toxique avec une odeur d'oeuf pourrie distinctive. L'interaction entre les minéraux d'oxyde de sulfure et de fer solide (III) tels que le fer rouillé joue un rôle clé dans le contrôle des concentrations de sulfure.
Jusqu'à présent, les modèles biogéochimiques ont traité cette réaction comme purement abiotique, entraînant principalement la formation de soufre élémentaire et de monosulfure de fer (FES), un minéral noir qui est, par exemple, responsable de la coloration sombre des sédiments de plage sous faible oxygène.
« Nous montrons que cette réaction redox de l'environnement n'est pas uniquement chimique », explique Loy, chef de groupe de recherche chez Cemes, le Center for Microbiology and Environmental Systems Science à l'Université de Vienne. « Les micro-organismes peuvent également l'exploiter pour la croissance. »
Le métabolisme énergétique microbien nouvellement découvert, qui a peu appelé le miso, couple la réduction de l'oxyde de fer (III) avec l'oxydation du sulfure. Contrairement à la réaction chimique, le miso produit directement du sulfate, contournant efficacement les étapes intermédiaires du cycle de soufre.
« Les bactéries miso éliminent le sulfure toxique et peuvent aider à prévenir l'expansion de ce que l'on appelle ‘zones mortes’ Dans les environnements aquatiques, tout en fixant le dioxyde de carbone pour la croissance – similaire aux plantes, « ajoute Mussmann, scientifique principal chez Cemes.
Un processus microbien à l'échelle mondiale qui dépasse la chimie
Dans des expériences de croissance de laboratoire avec une bactérie Miso cultivée, les chercheurs ont démontré que la réaction catalysée par voie enzymatique est plus rapide que la réaction chimique équivalente. Cela suggère que les microbes sont les principaux moteurs de ce processus dans la nature.
« Les diverses bactéries et archées possèdent la capacité génétique du miso », explique Song-Can Chen, auteur principal de l'étude « et se trouvent dans un large éventail d'environnements naturels et de fabrication humaine. »
Dans les sédiments marins, le miso pourrait représenter jusqu'à 7% de l'oxydation globale du sulfure en sulfate, entraîné par le flux substantiel de fer réactif des rivières et la fusion des glaciers dans les océans.
Les résultats de l'équipe de l'Université de Vienne révèlent un mécanisme biologique auparavant inconnu qui relie le soufre, le fer et le cycle du carbone dans des environnements sans oxygène.
« Cette découverte démontre l'ingéniosité métabolique des micro-organismes et met en évidence leur rôle indispensable dans la formation de la Terre’S Global Element Cycles, « Loy conclut.
