Dissimilatory sulfate reduction plays a significant role in shaping the sulfur isotope composition of sedimentary sulfides. These, in turn, record the evolution of Earth's surface redox state. The fractionation produced by this microbial metabolism is controlled by the flux of sulfur through the respiratory reaction network and the isotopic effect associated with each component reaction. Although the net isotope fractionations of this metabolism have been well studied, unraveling the isotopic influence of each component of its pathway is still a challenge. The sulfite to sulfide reduction step is a particularly complicated one. Its biochemistry is not fully understood and the associated isotope effect is inferred from fractionations associated with the entire metabolic pathway or from in-vitro experiments with cell-free extracts. Here, two experiments, a batch and a continuous culture experiment, were run using a mutant strain of the sulfate-reducing bacterium Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. This deletion mutant is missing its QmoABC protein complex, a principal catalyst in the reduction of adenosine phosphosulfate (APS) to sulfite. As APS is an intermediate metabolite between sulfate and sulfite in the respiration pathway, this strain is incapable of using sulfate as a terminal electron acceptor. By hindering APS reduction, this mutation also eliminates sulfite disproportionation. As a consequence, analysis of the growth and biochemistry of this bacterium provides a unique insight into the sulfite reduction step. In all experiments, sulfite consumption was concomitant with sulfide and thiosulfate production. However, thiosulfate production in the continuous culture experiment was more than one order of magnitude smaller than in the batch experiment. Thiosulfate can form inorganically from the reaction of aqueous sulfite and sulfide. It appears that the design of the batch experiment rendered the establishment of a definite reaction network challenging. Although it was not excluded that thiosulfate could be produced as a biochemical intermediate of sulfite reduction, the thiosulfate pool that accumulated in both the batch and the chemostat experiments was found to be mostly of inorganic origin. Because of this, a net fractionation factor could not be extracted from the batch experiment. The chemostat experiment appeared to be better defined isotopically, and thus a net fractionation between sulfite and sulfide of -15.88 ‰, at 10% maximum bacterial growth rate, was found. The implications of such a large extent of inorganic thiosulfate production environmental settings and laboratory experiments, both in vivo and in vitro, are discussed. / La réduction dissimilatoire du sulfate joue un rôle important dans le façonnage de la composition isotopique des sulfides sédimentaires. Ce signal isotopique, à son tour, représente un archive important de l'évolution de l'oxygène atmosphérique. Le fractionnement produit par ce métabolisme microbien est contrôlé par le flux de soufre à travers du réseau de réactions et l'effet isotopique associé à chaque réaction. Bien que le fractionnement isotopique général de ce métabolisme ait été bien étudié, il est important de comprendre l'influence de chaque composante du réseau. La dernière étape, la reduction du sulfite en sulfide, n'est pas encore entièrement comprite. Les réactions qui la définent ne sont pas cernées et l'effet isotopique associé est, jusqu'à date, déduit de fractionnements associés à la voie métabolique dans son ensemble. Ici, deux expériences, la première dans un système fermé, la deuxième dans un système ouvert, ont été effectuées en utilisant une souche mutante de Desulfovibrio vulgaris Hildenborough. Cette bactérie ne possède pas son complexe QmoABC, un catalyseur principal de la réduction du phosphosulfate d'adénosine (APS) au sulfite. Par conséquent, cette souche est incapable d'utiliser le sulfate en tant qu'accepteur d'électrons. En entravant la reduction de l'APS, cette mutation élimine également la dismutation du sulfite. En conséquence, l'analyse de la croissance et de la biochimie de cette bactérie fourni un aperçu unique sur cette étape. Dans les deux expériences, la consommation du sulfite et la production du sulfide et du thiosulfate eurent lieu simultanément. Cependant, l'occurrence simultanée de réactions biologiques et non-biologiques, ces dernières formant de vastes quantités de thiosulfate à partir du sulfite et du sulfide, a rendu la mise en place d'un réseau de réaction précis difficile. Bien qu'il n'est pas exclu que le thiosulfate pourrait être produit en tant qu'intermédiaire de la réduction du sulfite, le thiosulfate accumulé dans les deux expériences a été jugé d'origine essentiellement non-biologique. Pour cette raison, un facteur de fractionnement n'a pas pu être calculé. L'expérience de culture continue est mieux définie isotopiquement et donc un fractionnement net entre le sulfite et le sulfide de -15.88 par millions, à 10% la croissance maximale des bactéries, a été estimé. Les consequences de la production non-biologique de thiosulfate dans des environments naturels et durant des expériences de laboratoire, in vivo et in vitro, sont discutées.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121305 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Bertran, Emma |
| Contributors | Boswell Wing (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Earth and Planetary Sciences) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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