Microbiological transformation of iron in soil
No Thumbnail Available
Date
2011
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Abstract
Description
Iron is a chemical element with the symbol Fe (from Latin: ferrum) and atomic number 26. It is the most common element in the whole planet earth crust and iron metal has been used since ancient times. Iron represents four allotropic forms, known as ?, ?, ?, and ?. Iron plays an important role in biology, forming complexes with molecular oxygen in hemoglobin and myoglobin; these two compounds are common as oxygen transport proteins in vertebrates. Iron is also the metal used at the active site of many important redox enzymes dealing with cellular respiration and oxidation and reduction process in plants and animals. Soils typically contain 1–5% of total iron. Iron in soil exists in ferrous (Fe++) and ferric (F+++) forms. Most of the iron in soil is found in silicate minerals or iron oxides and hydroxides, forms that are not readily available for plant use. Ferric iron compounds have low solubility in the soil solution and conditions that favor formation of these compounds decrease iron availability. Some plants cope with low iron availability in soil by excreting hydrogen ions (H+) from roots, which lowers the pH at the root interface and increases the solubility of iron from iron hydroxides. Alfalfa and corn are tolerant of low iron availability. Soil microorganisms play an important role in the transformations of iron which go on in different ways. Certain bacteria oxidize ferrous iron to ferric state which then precipitate as ferric hydroxide around cells. Many heterotrophic species attack soluble organic iron salts and convert them into inorganic salts. Oxidation-reduction potential decreases with microbial growth and which leads to the formation of more soluble ferrous iron from highly insoluble ferric ions. A number of bacteria and fungi produce acids such as carbonic, nitric, sulphuric and organic acids which cause that iron is soluble. Under anaerobic conditions, the sulfides formed from sulphate and organic sulphur compounds remove the iron from solution as ferrous sulfide. Microbes liberate organic acids and other carbonaceous products of metabolism which in results turn on soluble organic iron complex. Thus, iron may be precipitated in nature and immobilized by iron oxidizing bacteria under alkaline soil reaction. Some bacteria are capable of reducing ferric iron to ferrous which lowers the oxidation-
-reduction potential of the environment (eg. Bacillus, Clostridium, Klebsiella etc). However, some chemoautotrophic iron and sulphur bacteria such as Thiobacillus ferroxidans and Ferrobacitlus ferrooxidans can oxidize iron oxide to ferric hydroxide which accumulates around the cells. Most microorganisms can reduce Fe3+. Ferrous iron is used as electron acceptor by iron-reducing bacteria such as Geobacter (G. metallireducens and G. sulfurreducens), Shewanella putrefaciens, Desulfovibrio, Pseudomonas and Thiobacillus. Some bacteria can oxidize ferrous iron enzymically with the generation of energy, e.g. acidophiles such as Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfolobus spp., Acidianus brierleyi and Sulfobacillus thermosulfidooxidans or growing at neutral pH can also oxidize Fe(II) enzymically under the conditions of partial reduction, e.g. Gallionella ferruginea and Leptothrix spp. Most of the aerobic microorganisms live in an environment where iron exists in the oxidized, soluble ferric hydroxide form. The iron-binding or chelating compounds/ligands produced by microorganisms are called “Siderophores”. Bacteria that secrete siderophores are more virulent than non-siderophores producers. Therefore, siderophore producing bacteria can be used as bioco ntrol agents eg. Fluorescent pseudomonads used to control Pythium, causing damping-off diseases in seedlings. Recently has been reported the Vascular Arbusecular Mycorrhiza (VAM) which increases uptake of iron.
Żelazo jest chemicznym pierwiastkiem o symbolu Fe (z łaciny: ferrum) i liczbą atomową 26. Jest ono najbardziej powszechnym pierwiastkiem na całej naszej skorupie ziemskiej i było już używane w czasach starożytnych. Żelazo reprezentuje cztery formy alotropowe, znane jako ?, ?, ? i ?. Żelazo odgrywa ważną rolę w biologii, wchodząc w skład z cząsteczkami tlenu w hemoglobinie i mioglobinie; te dwa związki pełnią zasadniczą funkcję przenoszenia tlenu u kręgowców. Żelazo jest także metalem, ważnym aktywnym składnikiem enzymów redox, pełniącym rolę w oddychaniu komórkowym oraz w procesach utleniania i redukcji u roślin i zwierząt. Gleby zwykle zawierają 1–5% ogólnego żelaza. Żelazo w glebach występuje w formie Fe++ i F+++. Większość żelaza w glebie występuje w formie mineralnych krzemianów lub tlenków żelaza i wodorotlenków, które nie są przyswajalne dla roślin. Związki żelaza mają małą rozpuszczalność w roztworze glebowym, a warunki, które sprzyjają tworzeniu tych związków, zmniejszają rozpuszczalność żelaza. Niektóre rośliny radzą sobie z niską przyswajalnością żelaza w glebie przez wydzielanie jonów wodorowych (H+) przez korzenie, które obniżają pH przy powierzchni korzenia, a powstałe kwasy zwiększają rozpuszczalność żelaza z wodorotlenków. Lucerna i kukurydza tolerują niską przyswajalność żelaza. Drobnoustroje glebowe odgrywają ważną rolę w transformacji żelaza, która odbywa się w różny sposób. Niektóre bakterie utleniają tlenek żelaza do Fe3+, który następnie precypitują jako wodorotlenek żelaza dookoła komórki. Heterotroficzne gatunki bakterii atakują rozpuszczalne organiczne sole żelaza i konwertują je w nieorganiczne sole. Liczne bakterie i grzyby wytwarzają kwasy, takie jak: kwas węglowy, azotowy, siarkowy i kwasy organiczne, które czynią żelazo rozpuszczalnym. W warunkach beztlenowych, siarczki, usuwając żelazo z siarczanów i organicznych związków siarki, tworzą żelazo rozpuszczalne jako siarczek żelaza. Mikroby uwalniają organiczne kwasy i inne produkty węglowe metabolizmu, które w rezultacie przechodzą w rozpuszczalne organiczne związki żelaza. Żelazo może być precypitowane w naturze i immobilizowane przez bakterie utleniające żelazo w alkalicznych reakcjach gleby. Niektóre bakterie są zdolne redukować żelazo Fe3+ do Fe2+, co obniża potencjał osydacyjno-redukcyjny środowiska (np. Bacillus, Clostridium, Klebsiella i inne). Niektóre chemoautotroficzne bakterie żelazowe i siarkowe, takie jak: Thiobacillus ferroxidans i Ferrobacitlus ferrooxidans mogą utleniać tlenek żelaza do wodorotlenku żelaza (Fe3+), który akumulują dookoła komórek. Większość drobnoustrojów może redukować Fe3+. Fe2+ jest używane jako akceptor elektronu przez bakterie redukujące żelazo, takie jak Geobacter (G. metallireducens i G. sulfurreducens), Shewanella putrefaciens, Desulfovibrio, Pseudomonas i Thiobacillus. Niektóre bakterie mogą utleniać żelazo enzymatycznie z wytworzeniem energii, np. acidofile, takie jak: Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfolobus spp., Acidianus brierleyi i Sulfobacillus thermosulfidooxidans lub rosnące przy około neutralnym pH, mogą także utleniać enzymatycznie Fe(II) w warunkach częściowej redukcji np. Gallionella ferruginea i Leptothrix spp. Większość tlenowych drobnoustrojów żyje w środowisku, w którym żelazo jest utlenione w formie rozpuszczalnego wodorotlenku żelaza. Połączenia żelazowe lub związki chelatujące wytwarzane przez mikroorganizmy zwane są sideroforami. Bakterie, które wytwarzają siderofory (czynnik wirulentny) są bardziej zjadliwe niż te, które ich nie wytwarzają. Dlatego też bakterie, które wytwarzają siderofory mogą być używane jako czynnik biokontroli, np. Fluorescent pseudomonads używany do kontroli Pythium, który powoduje chorobę, zgniliznę siewek. Ostatnio doniesiono o przewodzącej – arbuskularnej – mikoryzie (VAM) zwiększającej przyswajalność żelaza.
Żelazo jest chemicznym pierwiastkiem o symbolu Fe (z łaciny: ferrum) i liczbą atomową 26. Jest ono najbardziej powszechnym pierwiastkiem na całej naszej skorupie ziemskiej i było już używane w czasach starożytnych. Żelazo reprezentuje cztery formy alotropowe, znane jako ?, ?, ? i ?. Żelazo odgrywa ważną rolę w biologii, wchodząc w skład z cząsteczkami tlenu w hemoglobinie i mioglobinie; te dwa związki pełnią zasadniczą funkcję przenoszenia tlenu u kręgowców. Żelazo jest także metalem, ważnym aktywnym składnikiem enzymów redox, pełniącym rolę w oddychaniu komórkowym oraz w procesach utleniania i redukcji u roślin i zwierząt. Gleby zwykle zawierają 1–5% ogólnego żelaza. Żelazo w glebach występuje w formie Fe++ i F+++. Większość żelaza w glebie występuje w formie mineralnych krzemianów lub tlenków żelaza i wodorotlenków, które nie są przyswajalne dla roślin. Związki żelaza mają małą rozpuszczalność w roztworze glebowym, a warunki, które sprzyjają tworzeniu tych związków, zmniejszają rozpuszczalność żelaza. Niektóre rośliny radzą sobie z niską przyswajalnością żelaza w glebie przez wydzielanie jonów wodorowych (H+) przez korzenie, które obniżają pH przy powierzchni korzenia, a powstałe kwasy zwiększają rozpuszczalność żelaza z wodorotlenków. Lucerna i kukurydza tolerują niską przyswajalność żelaza. Drobnoustroje glebowe odgrywają ważną rolę w transformacji żelaza, która odbywa się w różny sposób. Niektóre bakterie utleniają tlenek żelaza do Fe3+, który następnie precypitują jako wodorotlenek żelaza dookoła komórki. Heterotroficzne gatunki bakterii atakują rozpuszczalne organiczne sole żelaza i konwertują je w nieorganiczne sole. Liczne bakterie i grzyby wytwarzają kwasy, takie jak: kwas węglowy, azotowy, siarkowy i kwasy organiczne, które czynią żelazo rozpuszczalnym. W warunkach beztlenowych, siarczki, usuwając żelazo z siarczanów i organicznych związków siarki, tworzą żelazo rozpuszczalne jako siarczek żelaza. Mikroby uwalniają organiczne kwasy i inne produkty węglowe metabolizmu, które w rezultacie przechodzą w rozpuszczalne organiczne związki żelaza. Żelazo może być precypitowane w naturze i immobilizowane przez bakterie utleniające żelazo w alkalicznych reakcjach gleby. Niektóre bakterie są zdolne redukować żelazo Fe3+ do Fe2+, co obniża potencjał osydacyjno-redukcyjny środowiska (np. Bacillus, Clostridium, Klebsiella i inne). Niektóre chemoautotroficzne bakterie żelazowe i siarkowe, takie jak: Thiobacillus ferroxidans i Ferrobacitlus ferrooxidans mogą utleniać tlenek żelaza do wodorotlenku żelaza (Fe3+), który akumulują dookoła komórek. Większość drobnoustrojów może redukować Fe3+. Fe2+ jest używane jako akceptor elektronu przez bakterie redukujące żelazo, takie jak Geobacter (G. metallireducens i G. sulfurreducens), Shewanella putrefaciens, Desulfovibrio, Pseudomonas i Thiobacillus. Niektóre bakterie mogą utleniać żelazo enzymatycznie z wytworzeniem energii, np. acidofile, takie jak: Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfolobus spp., Acidianus brierleyi i Sulfobacillus thermosulfidooxidans lub rosnące przy około neutralnym pH, mogą także utleniać enzymatycznie Fe(II) w warunkach częściowej redukcji np. Gallionella ferruginea i Leptothrix spp. Większość tlenowych drobnoustrojów żyje w środowisku, w którym żelazo jest utlenione w formie rozpuszczalnego wodorotlenku żelaza. Połączenia żelazowe lub związki chelatujące wytwarzane przez mikroorganizmy zwane są sideroforami. Bakterie, które wytwarzają siderofory (czynnik wirulentny) są bardziej zjadliwe niż te, które ich nie wytwarzają. Dlatego też bakterie, które wytwarzają siderofory mogą być używane jako czynnik biokontroli, np. Fluorescent pseudomonads używany do kontroli Pythium, który powoduje chorobę, zgniliznę siewek. Ostatnio doniesiono o przewodzącej – arbuskularnej – mikoryzie (VAM) zwiększającej przyswajalność żelaza.
Keywords
iron, bacteria, iron oxidation, iron reduction, żelazo, bakterie, utlenianie żelaza, redukcja żelaza
Citation
Monografie i Rozprawy Naukowe, 31, ss. 171