Table 1 Metabolic pathways included in the model.

From: Hydrothermal plumes as hotspots for deep-ocean heterotrophic microbial biomass production

 

Catabolism

Anabolism

Chemolithoautotrophic processes:

1- Sulfide oxidation:

\({{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+0{{{{{{\rm{.5O}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to {{{{{\rm{S}}}}}}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(2{{{{{{\rm{.1HS}}}}}}}^{-}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0{{{{{{\rm{.2NH}}}}}}}_{4}^{+}+2{{{{{{\rm{.9H}}}}}}}^{+}\to 2{{{{{\rm{.1S}}}}}}+2{{{{{{\rm{.5H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

2- Sulfur oxidation:

\({{{{{\rm{S}}}}}}+1.5{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to {{{{{{\rm{SO}}}}}}}_{4}^{2-}+2{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\)

\(0.7{{{{{\rm{S}}}}}}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.3{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to 0.7{{{{{{\rm{SO}}}}}}}_{4}^{2-}+0.6{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

3- Thiosulfate oxidation:

\({{{{{{\rm{S}}}}}}}_{2}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{3}^{2-}+2{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to 2\,{{{{{{\rm{SO}}}}}}}_{4}^{2-}+2{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\)

\(0.525{{{{{{\rm{S}}}}}}}_{2}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{3}^{2-}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.125{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to 1.05{{{{{{\rm{SO}}}}}}}_{4}^{2-}+0.25{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

4- Methane oxidation:

\({{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{4}+2{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}\to {{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(0.525{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{4}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.525{{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{2}+1.45{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

5- Hydrogen oxidation (Knallgas):

\({{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+0.5{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}\to {{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(2.1{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

6- Nitrification—step1 (nitritation):

\({{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+1.5{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}\to {{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{2}^{-}+2{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(0.9{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}\to 0.6{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+1.1{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

7- Nitrification— step2 (nitratation):

\({{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{2}^{-}+0.5{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}\to {{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}\)

\(2.1{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{2}^{-}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.1{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}+0.4{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

8- Iron oxidation:

\({{{{{{\rm{Fe}}}}}}}^{2+}+0.25{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}+1.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to {{{{{\rm{FeOOH}}}}}}+2{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\)

\(4.2{{{{{{\rm{Fe}}}}}}}^{2+}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+5{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 4.2{{{{{{\rm{Fe}}}}}}}^{3+}+2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

9- Manganese oxidationa:

\({{{{{{\rm{Mn}}}}}}}^{2+}+0.5{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to {{{{{{\rm{MnO}}}}}}}_{2}+2{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\)

\({{{{{{\rm{Mn}}}}}}}^{2+}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+1.7{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\to 2.1{{{{{{\rm{MnO}}}}}}}_{2}+3.4{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

Chemolithoautotrophic coupled processes based on ref. 18

10- Sulfide oxidation to sulfur coupled to denitrification:

\({{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+1.4{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+0.4{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}\to {{{{{\rm{S}}}}}}+1.2{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+0.2{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{2}\)

\(2.1{{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+2.9{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.1{{{{{\rm{S}}}}}}+2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

11- Sulfide oxidation to sulfur coupled to DNRA:

\({{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+1.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+0.25{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}\to {{{{{\rm{S}}}}}}+0.75{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+0.25{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}\)

\(2.1{{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+2.9{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.1{{{{{\rm{S}}}}}}+2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

12- Hydrogen oxidation coupled to denitrification:

\({{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+0.4{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+0.4{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}\to 1.2{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+0.2{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{2}\)

\(2.1{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

13- Hydrogen oxidation coupled to DNRA:

\({{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+0.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+0.25{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}\to 0.75{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+0.25{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}\)

\(2.1{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

Chemolithoautotrophic processes based on ref. 19

14- Hydrogenotrophic methanogenesis:

\({{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+0.25{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.25{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.25{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{4}+0.75{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(2.1{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

15- Hydrogenotrophic sulfate reduction:

\({{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+0.25{{{{{{\rm{SO}}}}}}}_{4}^{2-}+0.25{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.25{{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(2.1{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 2.5{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

16- Anaerobic oxidation of methane:

\({{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{4}+{{{{{{\rm{SO}}}}}}}_{4}^{2-}\to {{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+{{{{{{\rm{HS}}}}}}}^{-}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(0.525{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{4}+{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.525{{{{{{\rm{CO}}}}}}}_{2}+1.45{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

Heterotrophic/Chemoorganotrophic processes acetate-based

17- Aerobic respiration:

\({{{{{\rm{acetate}}}}}}+2{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{2}\to {{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}+2{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}\)

\(0.525{{{{{\rm{acetate}}}}}}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.275{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.05{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.4{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

18- Denitrification:

\({{{{{\rm{acetate}}}}}}+1.6{{{{{{\rm{NO}}}}}}}_{3}^{-}+0.6{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.8{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{2}+2{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.8{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}\)

\(0.525{{{{{\rm{acetate}}}}}}+0.2{{{{{{\rm{NH}}}}}}}_{4}^{+}+0.275{{{{{{\rm{H}}}}}}}^{+}\to 0.05{{{{{{\rm{HCO}}}}}}}_{3}^{-}+0.4{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}{{{{{\rm{O}}}}}}+{{{{{{\rm{CH}}}}}}}_{1.8}{{{{{{\rm{O}}}}}}}_{0.5}{{{{{{\rm{N}}}}}}}_{0.2}\)

  1. aNot found in the CHNOSZ thermodatabase. ΔrG0 based on ref. 61.
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