Mangansyklus

Mangansyklus er en biogeokjemisk syklus hvor mangan kan være både elektrondonor og elektronakseptor i energimetabolismen hos mikroorganismer. Biologiske mangan redoksreaksjoner er koblet sammen med elektrontransport og enzymer. Det er i jord, vann og sedimenter en reversibel Mn(II)-oksidasjon og Mn(IV)-reduksjon med overgang mellom lettløselig toverdig mangan (Mn2+ , Mn(II)) og tungtløselig fireverdig mangan (Mn4+ , Mn(IV)). Manganoksiderende bakterier bruker Mn2+ som elektrondonor, mens manganreduserende bakterier anvender Mn4+ som elektronakseptor med treverdig mangan (Man3+) som intermediat.  Mangan er et redoksfølsomt metall og finnes i naturen som Mn(II), Mn(III), Mn(IV) og manganoksider. Forvitring og omsetning av mangan skjer både ved abiotiske (kjemiske) og biologiske prosesser.

Mananoksiderende bakterier

Manganoksiderende bakterier oksiderer toverdig mangan (Mn2+) til tungløstelig og svartfarget mangandioksid (MnO2). Metanoksiderende bakterier har en sentral rolle i mangansyklus og finnes i gruppene firmicuter (Firmicutes), proteobakterier (Proteobacteria),  Bacteriodetes, Deferribacteres, Thermotogae og aktinobakterier (Actinobacteria) i i jordsmonn, saltvann, ferskvann og i sedimenter. Slektene Shewanella og Geobacter er mye brukt i studiet metallredusering.

Enzymet ,Mn(II)oksidase, en multikobberoksidase finnes på den ytre membranen til bakteriecellene og oksiderer Mn2+. Oksidasjon av Mn(II) hvor Mn2+ er elektrondonor i autotrof denitrifikasjon og fotosyntese

Reaksjonen Mn2+ → Mn4+  skjer biotisk i manganoksiderende bakterier. Abiotisk oksidasjon oksidert av oksygen (O2), høy pH.

I drikkevann med mye toverdig jern (Fe(II)) og toverdig mangan (Mn(II)) blir Fe(II) oksidert og fjernet ved gjennomlufting som gir utfelling av tungløselig treverdig jern, mens det skjer oksidasjon av Mn(II) til Mn((III/IV).

Manganreduserende bakterier

Reaksjonen Mn4+ → Mn2+ skjer biotisk i manganreduserende bakterier. Kjemisk kan reduksjonen foregå ved lav pH, i lys, eller i tilknytning til organiske syrer, divalent jern (Fe2+), hydrogensulfid (H2S) og er avhengig av redokspotensialet.

Manganreduserende bakterier buker mangan(IV)dioksid (MnO2) som elektronakseptor. Elektrondonor kan være organiske stoffer,  metan (CH4), ammonium (NH4+), hydrogen (H2), hydrogesulfid (HS-, H2S) eller tiosulfat (S2O32-). Svovelforbindelsene blir oksidert til sulfat (SO42-). Reduksjonen av Mn(IV) kan gå via Mn(III) og utfelling Mn(II i form av  av mangankalsiumkarbonat (Mn(Ca)CO3)

4MnO2 + S2O32- + 6H+ → 4Mn2+ + 2SO42- + 3H2O

Reduksjon av tre- og fireverdig mangan ved å oksidere organiske eller uorganiske stoffer er dissimilatorisk mikrobiell manganreduksjon. Tilsvarende finnes det bakterier som arsenat reduserende og arsenittoksiderende bakterier som inngår i arsensyklus. Det samme gjelder for jernoksiderende og jernreduserende bakterier i jernsyklus.

Bakterier kan koble vekst med reduksjon av mangan og er viktig i omsetning av mangan i anaerobe nisjer For eksempel Alteromonas putrefaciens, reduksjon av manganoksid brukt som terminal elektronakseptor. Fermentering og hydrogenotrofisk manganreduksjon med hydrogen eller organisk stoff (dissimilatorisk manganreduksjon) i nisjer hvor det ikke finnes oksygen og andre elektronakseptorer. For eksempel laktat som elektrondonor og Mn(IV) som elektronakseptor

laktat + 2Mn4+ + 2H2O→ acetat + 2Mn2+ HCO3- + 5H+

Både laktat, acetat og hydrogen(H2) kan være elektrondonor i bakteriell manganreduksjon. De fleste bakterier som kan redusere ferrojern (Fe2+) kan også redusere Mn4+ og omvendt (jernoksiderende og jernreduserende bakterier) Metallrespirasjon ved hypoksis for eksemepel i anaerob jord.   

Manganmineraler

Tungtløselige manganineraler inneholdermangankarbonat (MnCO3) eller manganfosfat (MnPO4). Birnessitt er et Mn4+ mineral (δ-MnO2), hvor α, β, γ og δ allotope former. Pyrolusitt (MnO2).  Rhodokrositt er et mangankarbonamineral (MnCO3), og manganmineraler er ofte rosa eller rødfarget. Manganbiomineraler er birnesitt, romanekitt og todorokitt. MnO2 har blitt brukt som pigment i hulemalerie.

Mangannoduler

Maangannoduler (polymetalliske noduler) med diameter 10-20 cm i eller på bunnsedimenter dannet i abyssalsonen (4000-6000 m) i tilknytning til mikrobiell aktivitet hydrotermiske undervannskilder, men kan også bli dannet ved mineralutfelling i bunnvann via hydrogenetisk vekst eller i porevann via diagenetisk vekst (diagenese). Mangannodulene vokser meget sakte gjennom millioner av år. Den globale etterspørselen etter metaller gjør at kommersielle selskaper ønsker å hente opp manganodulene og med forstyrrelser og katastrofale effekter for dyphavsdyrelivet og mikrobiomer i dyphavet. Clarion–Clipperton riftsonen i Stillehavet er et av områdene med mangannoduler, samt Peru-bassenget og Penrhyn-bassenget.  

Litteratur

Verona Vandieken et al,:  Hydrogen, acetate, and lactate as electron donors for microbial manganese reduction in a manganese-rich coastal marine sediment. FEMS Microbiology Ecology 87(3) (2014) 733–745,doi.org/10.1111/1574-6941.12259

Wikipedia

Tilbake til hovedside

Publisert 22. mai 2023 08:57 - Sist endret 22. mai 2023 08:57