Inhibition of Extracellular Enzyme Activity by Reactive Oxygen Species upon Oxygenation of Reduced Iron-Bearing Minerals

化学 细胞外 活性氧 缺氧水域 氧化还原 酶分析 氧气 生物化学 非闪锌矿 生物物理学 蒙脱石 环境化学 无机化学 有机化学 生物
作者
Yizhi Sheng,Jinglong Hu,Ravi Kukkadapu,Dongyi Guo,Qiang Zeng,Hailiang Dong
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (8): 3425-3433 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c09634
摘要

The dual roles of minerals in inhibiting and prolonging extracellular enzyme activity in soils and sediments are governed by enzyme adsorption to mineral surfaces. Oxygenation of mineral-bound Fe(II) generates reactive oxygen species (ROS), yet it is unknown whether and how this process alters the activity and functional lifespan of extracellular enzymes. Here, the effect of mineral-bound Fe(II) oxidation on the hydrolytic activity of a cellulose-degrading enzyme β-glucosidase (BG) was studied using two pre-reduced Fe-bearing clay minerals (nontronite and montmorillonite) and one pre-reduced iron oxide (magnetite) at pH 5 and 7. Under anoxic conditions, BG adsorption to mineral surfaces decreased its activity but prolonged its lifespan. Under oxic conditions, ROS was produced, with the amount of •OH, the most abundant ROS, being positively correlated with the extent of structural Fe(II) oxidation in reduced minerals. •OH decreased BG activity and shortened its lifespan via conformational change and structural decomposition of BG. These results suggest that under oxic conditions, the ROS-induced inhibitory role of Fe(II)-bearing minerals outweighed their adsorption-induced protective role in controlling enzyme activity. These results disclose a previously unknown mechanism of extracellular enzyme inactivation, which have pivotal implications for predicting the active enzyme pool in redox-oscillating environments.
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