Физиологические исследования серобактерий

В природе бактерии, окисляющие серу, занимают специфи­ческие экологические ниши и встречаются в массовых количе­ствах как в сильнокислых, так и в щелочных средах, где имеется сероводород или другие восстановленные соединения серы. Не­которые живут при высоких температурах в горячих серных ис­точниках. Фототрофные серобактерии распространены главным образом в водоемах, хемотрофные тионовые — в почвах. Образу­емая ими серная кислота подкисляет почву, что способствует переводу некоторых важных для растений элементов (фосфора, железа) в доступную форму. В то же время серная кислота может быть опасным агентом коррозии металлических труб и других сооружений в почве. Этот процесс подробно изучается, устанав­ливаются почвы, где он более возможен, составляются специаль­ные картосхемы, разрабатываются меры по его предотвращению.

Тионовые бактерии используются в гидрометаллургии. Бакте­риальное выщелачивание металлов за счет окисления содержа­щихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металла из бед­ного минерального сырья при минимальных энергозатратах. Разработано целое направление микробной гидрометаллургии (по­лучение цветных металлов).

Восстановление сульфатов происходит в разных метаболиче­ских процессах. Сульфаты служат источником серы как для ра­стений, так и для микроорганизмов. Их ассимиляция сопро­вождается восстановлением серы в процессах конструктивного метаболизма. Это ассимиляционная сульфатредукция сходная с соответствующим процессом поглощения и восстановления нит­ратов. Процесс этот универсален для всех организмов. Биологи­ческое закрепление серы в микробных клетках называется также ее иммобилизацией.

В анаэробных условиях сульфаты восстанавливаются до серо­водорода специфическими бактериями из группы облигатных анаэробов. Это узкоспециализированные сульфатредуцирующие бактерии, использующие сульфаты в качестве окислителя орга­нических соединений в процессе анаэробного дыхания — дисси- миляционной сульфатредукции (сравни с денитрификацией). Они были открыты М. Бейеринком. Некоторые виды могут окислять свободный водород, выступая как хемолитоавтотрофы или как хемолитогетеротрофы. Для последних донором электрона служит Н₂, а источником углерода — органические вещества, например лактат. У сульфатредуцируюших бактерий перенос электрона происходит через цитохромную цепь, как и у аэробных бактерий, с образованием АТФ. Возбудители процесса сульфатредукции относятся к 10 разным родам строго анаэробных бактерий (около 50 видов): Desulfovibrio — подвижные изогнутые палочки, не образующие спор, Desulfotomaculum — споровые палочки. Среди представителей первого рода есть галофилы, среди вторых — тер­мофилы. В последние годы выделено много новых сульфатредуцирующих бактерий: Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfobacter, Desulfococcus. Два последних рода — кокковые бактерии, Desulfo­nema — крупные трихомные микроорганизмы со скользящим движением. Распространены сульфатредуцирующие бактерии во всех почвах, но особенно много их в почвах с режимом, приво­дящим к длительному анаэробиозу, например в затопляемых поч­вах рисовых полей, а также в болотах, илах, лиманных грязях, пластовых водах, сопровождающих нефтяные месторождения. В подзолах мало сульфатов, и биогенным путем сульфиды в них не накапливаются. В щелочных и нейтральных почвах образуются нерастворимые сульфиды. Накопление сульфида железа приво­дит к образованию черного ила.

С жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий связывают процесс биогенного содонакопления. Провинции, где формируются содовые солончаки, тяготеют к низменным мес­там, например, к поймам рек, понижениям вокруг озер. Если коренные породы в этих местах обогащены сульфатами, то в ана­эробных условиях при затоплении и разложении органического вещества образуется H₂S, который затем путем химических реак­ций преобразуется в Na₂S и далее в соду при наличии карбонатов (CaC0₃, MgC0₃).

Биогенное появление соды не всегда сопровождается ее на­коплением. На гипсоносных отложениях не происходит содона­копления, так как гипс реагирует с содой и образуется вторич­ный сульфат натрия по схеме: Na₂C0₃ + CaS0₄ -» Na₂S0₄ + CaC0₃.

В присутствии тионовых бактерий, окисляющих Na₂S, сода тоже не будет накапливаться. Таким образом, количественная сторона процесса содонакопления зависит от степени и длитель­ности увлажнения почвы застойными водами, от количества органического вещества, характера отложений и наличия серо­окисляющих бактерий.

Восстановительные процессы в цикле серы не ограничивают­ся ассимиляционной и диссимиляционной сульфатредукцией. Восстанавливаться могут тиосульфаты и молекулярная сера. Вос­становление S0₃²” и S₂0₃^2- до S° проводят облигатно-анаэробные термофильные бактерии Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes Clostridium thermosulfurogenes. Эти хемоорганотрофные бактерии, выделенные из термального источника в Йеллоустонском парке (США), вызывают брожение с образованием этанола, молочной и уксусной кислот и Н₂; способны к гидролизу пектина и крах­мала. Образующаяся при восстановлении тиосульфата молеку­лярная сера откладывается на клеточных стенках и выделяется в среду.

В восстановлении молекулярной серы до H₂S участвуют мно­гие термоацидофильные строго анаэробные архебактерии, напри­мер Thermoproteus tenax, Pyrococcus furiosus, Desulfurococcus mucosus и др. Эти бактерии — обитатели очень кислых сред с высокой температурой. Для Pyrococcus furiosus оптимальны: pH 1,0, темпе­ратурный оптимум 100°С. В анаэробных условиях серу восста­навливают архебактерии Sulfolobus, которые в аэробных условиях входят в группу окислителей серы. И, наконец, бесцветные сер­ные хемоорганогетеротрофные бактерии Beggiatoa alba в анаэроб­ных условиях используют серу и тиосульфат в диссимиляционной редукции как акцепторы электронов по типу анаэробного дыхания, сопряженного с окислением органических субстратов.

Сероводород образуется в больших количествах при разложении белковых веществ. Этот процесс, сопровождающийся выделением других летучих дурно пахнущих продуктов, обычно называют гние­нием. Гнилостные микроорганизмы могут быть аэробными и стро­го анаэробными. В основном это обычные сапротрофы родов Bacillus, Clostridium и др. Биогенная сера, поступающая в атмо­сферу в виде органических летучих соединений, в основном про­дукт деятельности гнилостных бактерий.

Процессы восстановительных звеньев цикла серы тесно со­пряжены с окислительными, и часто сульфатредуцирующие бак­терии развиваются в общих местообитаниях с серными, кото­рые используют для окисления сероводород, поступающий из анаэробной зоны. Накопление в среде сероводорода может вы­зывать негативные последствия, так как он бывает причиной токсикоза почв, а в водоемах повышение концентрации H₂S приводит к массовой гибели рыбы и других животных. В местах высокой активности сульфатвосстанавливающих бактерий про­исходит коррозия металлических конструкций в почве (H₂S окис­ляет железо).

Помимо биологического цикла серы в атмосфере Земли про­исходят превращения серосодержащих газов без участия живых организмов. Сера в виде сернистого газа образуется в результате сжигания угля и нефти, а также при извержении вулканов в фор­ме H₂S. Эти соединения окисляются в атмосфере, а образующая­ся серная кислота возвращается на поверхность земли и в почву (кислотные дожди). Вокруг промышленных районов таким пу­тем на сотни и тысячи километров происходит повреждение ра­стительности, особенно лесов, подкисление почв, иногда полная гибель растительности и образование так называемых «техноген­ных пустынь» вблизи химических предприятий.

Бактерии, окисляющие серу

Бесцветные серобактерии: /— Achromatium\ 2— Thiovulurrr, 3 — Thiospira; 4 — Thiothrix; 5 —Beggialoa; 6— Thioploca. Пурпурные серобактерии: 7— Thiospirillum\ 8 — Chromatium\ 9 — Thiocyclis; 10 — Thiocapsa\ II — Thiodictyon. Зеленые серобактерии: 12, 13— Chlorobium spp.; 14— Prosthecochloris\ 15— Chloronema

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1. Круговорот серы в биосфере?

2. Роль и участие серы в биологическом круговороте веществ?

3. Хемосинтез и его значение?

4. Бактерии, окисляющие серу?

5. Восстановительные процессы в цикле серы?

6. Цикл превращений серы?

7. Бесцветные серобактерии?

Литература:

1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

2. Грабович М.Ю. Участие прокариот в круговороте серы // Соросовский Образовательный Журнал, 1999, №12, с. 16–20.

3. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 248 c.

4. Громов Б.В. Удивительный мир архей // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №4. C. 23–26.

5. Кальдерные микроорганизмы / Под ред. Г.А. Заварзина. M.: Наука, 1989. 120 c.

6. Кондратьева Е.Н. Хемолитотрофы и метилотрофы. М.: Изд-во МГУ, 1983. 172 c.

7. Малахов В.В. Вестиментиферы – автотрофные животные // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №9. C. 18–26.Хоффман, P. F., Кауфман, A.J., Хэльверсон, G.P., и Schrag, D.P., 1998, неопротерозойская Земля Снежка: Наука, 287, p. 1342–1346

8. Лион, T.W., Gellatly, Утра, Макголдрик, P.J., и Kah, L.C., 2006, протерозой осадочный exhalative (SEDEX) депозиты и связи с развитием глобальной океанской химии, в Kesler, S.E., и Ohmoto, H., редакторы, Развитие Атмосферы Ранней Земли, Гидросферы и Биосферы — Ограничения от Месторождений руды: Геологическое Общество Американской Биографии 198, p. 169-184

9. Phamn, M., Мюллер, J.-F., Брассер, G.P., Гранье, C., Megie, G., 1996, 3D исследование глобальной серы cycle:contributions антропогенных и биогенных источников: Атмосферная Окружающая среда, издание 30, n. 10/11, p. 1815-1822

Лекция 13

Превращения фосфора

Цель лекции: раскрыть значение фосфора в биосфере, минерализация и мобилизация органических и не органических соединений фосфора

Ключевые слова: фосфор, круговорот фосфора, минерализация, мобилизация, фитин, лецитин, эфиры, нуклеиновые кислоты

Вопросы:

1. Значение фосфора
2. Минерализация фосфорорганических соединений
3. Мобилизация неорганических соединений фосфора

1 Значение фосфора Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для его добычи. Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что, сконденсировавшись, они будут содержать золото. После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный носитель света»). Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового элемента со времён античности.

Фосфор — исключительно важный биогенный элемент. Он входит в состав аденозинфосфорных кислот (АТФ, АДФ, АМФ), нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран. Пер­вым этапом метаболизма многих веществ является их фосфорилирование. Фосфор имеет очень большое значение в энергетике клетки.

Валовое содержание фосфора в 1 га пахотного слоя состав­ляет Ют, т.е. гораздо больше, чем выносится с урожаем. Однако фосфор в почве находится в недоступной для растений форме. Это органические или слаборастворимые минеральные соединения. Основным источником фосфора в почвах служат нераст­воримые и труднорастворимые фосфорсодержащие минералы группы апатита.

История «путешествий» фосфора на Земле, или, как говорят ученые-геохимики, его миграция, очень интересна и поучительна. Атомы фосфора, как и всех других элементов, постоянно участвуют в великом природном круговороте веществ.

Фосфор – относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%. В таблице распространенности химических элементов в земной коре он стоит на 13-м месте вслед за углеродом и хлором, перед серой. К тому же фосфор – элемент, редко накапливающийся в больших количествах, и потому его относят к числу рассеянных.

В свободном виде в природе по причине своей очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и множества органических веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) – апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит, состоящая из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ.

Источником всех фосфорных соединений в природе следует признать апатит – фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости от преобладания в апатите фтора или хлора образуются минералы фторапатит Са5F(РO4)3 или хлорапатит Са5Сl(PO4)3. Они содержат от 5 до 36% P2O5.

Фосфоритовые залежи есть во многих странах. Наиболее известны месторождения в Северной Африке (Египет, Тунис, Алжир, Марокко), в США (Флорида). В России месторождения фосфоритов распространены на Урале, в Поволжье, Московской, Кировской, Смоленской, Брянской, Ленинградской и других областях.

Коэффициент использования растениями фосфора из мине­ральных удобрений в первый год чрезвычайно низкий — всего 15-20% (азота до 50%, калия до 60-70%). Это обусловлено высо­кой способностью железа, алюминия, кальция и других элемен­тов, а также ряда минералов не только связывать ионы Р0₄^2-, но и прочно их удерживать.

Основным источником фосфора для растений являются соли ортофосфорной кислоты, называемой обычно фосфорной. Корни растений поглощают фосфор в виде анионов этой кислоты. Наиболее доступными для растений являются водорастворимые однозамещенные соли ортофосфорной кислоты: Са (H₂PO₄)₂ - H₂O, КН₂РO₄ NH₄H₂PO₄ NaH₂PO₄, Mg(H₂PO₄)₂.

Фосфор участвует в обмене веществ, делении клеток, размножении, передаче наследственных свойств и в других сложнейших процессах, происходящих в растении. Он входит в состав сложных белков (нуклеопротеидов), нуклеиновых кислот, фосфатидов, ферментов, витаминов, фитина и других биологически активных веществ. Значительное количество фосфора содержится в растениях в минеральной и органической формах. Минеральные соединения фосфора находятся в виде ортофосфорной кислоты, которая используется растением прежде всего в процессах превращения углеводов. Эти процессы влияют на накопление сахара в сахарной свекле, крахмала в клубнях картофеля и т. д.

Особенно велика роль фосфора, входящего в состав органических соединений. Значительная часть его представлена в виде фитина - типичной запасной формы органического фосфора. Больше всего этого элемента содержится в репродуктивных органах и молодых тканях растений, где идут интенсивные процессы синтеза. Опытами с меченым (радиоактивным) фосфором было установлено, что в точках роста растения его в несколько раз больше, чем в листьях.

Фосфор может передвигаться из старых органов растения в молодые. Особенно необходим фосфор для молодых растений, так как способствует развитию корневой системы, повышает интенсивность кущения зерновых культур. Установлено, что увеличивая содержание растворимых углеводов в клеточном соке, фосфор усиливает зимостойкость озимых культур.

Как и азот, фосфор является одним из важных элементов питания растений. В самом начале роста растение испытывает повышенную потребность в фосфоре, которая покрывается за счет запасов этого элемента в семенах. На бедных по плодородию почвах у молодых растений после расхода фосфора из семян проявляются признаки фосфорного голодания. Поэтому на почвах, содержащих небольшое количество подвижного фосфора, рекомендуется одновременно с посевом проводить рядковое внесение гранулированного суперфосфата.

Фосфор в отличие от азота ускоряет развитие культур, стимулирует процессы оплодотворения, формирования и созревания плодов.

Несмотря на свою малую распространенность и разбросанность, фосфор, однако, имеет исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он входит в состав большинства растительных и животных белков и протоплазмы. Фосфор – биогенный элемент. Академик Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.

У растений реакция на обеспеченность почвы доступными соединениями фосфора разная. Большое влияние на фосфорное питание растений оказывают микоризные грибы — симбионты корневых систем. Однако значение микроорганизмов в питании растений фосфором не сводится только к микосимбиотрофии. Свободноживущие и ризосферные микроорганизмы участвуют в процессах минерализации фосфорорганических соединений и способствуют переводу нерастворимых минеральных форм фос­фора в растворимые. Эти процессы составляют основу превра­щений фосфора в природе.

В процесс круговорота фосфора, как и в природный круговорот других элементов (кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен человеку для многих целей: большое количество его поглощает спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих лекарственных веществ.

Главнейшие процессы, характеризующие круговорот фосфора в природе, изображены на рисунке. Лучшим объяснением этого рисунка могут служить следующие слова знаменитого русского геолога и минералога, профессора Я.В.Самойлова, которому принадлежит большая заслуга в деле изучения фосфоритов: «Фосфор наших фосфоритовых месторождений – биохимического происхождения. Из апатита – минерала, в котором первоначально заключен почти целиком весь фосфор литосферы, элемент этот переходит в тело растений, из растений – в тело животных, которые являются истинными концентраторами фосфора. Пройдя через ряд животных тел, фосфор, наконец, выпадает из биохимического цикла и вновь возвращается в мир минеральный. При определенных физико-географических условиях в море происходят массовая гибель животных организмов и скопление их тел на дне морском, а скопления эти приводят к образованию фосфоритовых месторождений в осадочных отложениях. Наши фосфориты – биолиты, и если бы можно было шаг за шагом повернуть весь ход испытанных нашими фосфоритами перемещений в обратную сторону, то образцы, заполняющие наши музеи, зашевелились бы...»

Таков круговорот и значение фосфора в природе. Крайне ядовитое и реакционноспособное вещество (в одной из его аллотропных форм – белом или желтом фосфоре) в своих соединениях является существенно необходимым элементом растительной и животной жизни.

2 Минерализация фосфорорганических соединений

Органические фосфорсодержащие соединения в почве входят в состав гумуса, навоза, растительных и животных остатков. Фос­фор содержится в них, в противоположность азоту и сере, в окис­ленной форме, в виде остатка фосфорной кислоты. Наибольший процент фосфорорганических соединений от общего запаса фос­фора в почве содержится в черноземе (до 80%), а наименьший — в сероземе (не более 10%). Большая их часть находится в форме фитина, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Живые клетки не способны поглощать большинство фосфорорганических соеди­нений. Последние должны быть разложены до свободных фос­фатных ионов, из которых затем вновь синтезируются внутриклеточно новые фосфорорганические вещества. Рассмотрим для примера разложение некоторых органических соединений, со­держащих фосфор.

Фитин(соль инозитфосфорной кислоты) в кислых почвах за­крепляется в виде солей Fe и А1, а в щелочных и нейтральных — солей Са и Mg. Под действием микробных ферментов — фитаз — от фитина отщепляется 6 молекул Н₃Р0₄.

Лецитини другие фосфолипиды — сложные эфиры глицери­на и фосфорной кислоты — входят в состав цитоплазматических мембран. Расщепляются с участием внеклеточных микробных ферментов — фосфолипаз.

Фосфорные эфиры сахаров гидролизуются фосфатазами. Фосфатазной активностью в той или иной степени обладают все поч­венные микроорганизмы, однако только некоторые из них обра­зуют большое количество внеклеточных фосфатаз.

Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) также содержат остатки фосфорной кислоты, которые освобождаются под действием микробных ферментов, выделяемых клетками многих почвенных микроорганизмов.

3 Мобилизация неорганических соединений фосфора

Фосфор в составе неорганических соединений входит в струк­туру первичных минералов или содержится в почве в виде нераст­воримых солей фосфорной кислоты с Са, Mn, Fe и А1. В качестве фосфорных удобрений применяют фосфориты Са₃(Р0₄)₂ и апа­титы Са₅(Р0₄)₃ • (F, С1, ОН).

Мобилизация из них фосфора происходит под действием кис­лот — органических и неорганических. Сильные неорганические кислоты образуют нитрификаторы (азотную) и тионовые бакте­рии (серную). Органические кислоты накапливаются в процессе анаэробных брожений и аэробных неполных окислений органи­ческих веществ грибами. Много органических кислот продуци­руют лишайники. Роль микоризных грибов в снабжении расте­ний фосфором также определяется их способностью растворять фосфорсодержащие минералы путем выделения органических кислот, а также разрушать фосфорорганические соединения. Активная мобилизация фосфора из нерастворимых его соедине­ний протекает в ризосфере, где огромная масса гетеротрофных бактерий, живущих за счет корневых выделений, образует в про­цессе дыхания С0₂, как и сами корни, что способствует раство­рению солей фосфора.

Устойчивость фосфорных соединений к микробному разло­жению зависит от природы катионов, с которыми связан фос­фатный ион. Наиболее легко мобилизуется фосфат кальция; фос­фат алюминия менее подвержен растворению, а фосфат железа очень устойчив к действию бактериальных метаболитов.

Судьба образующихся под действием микроорганизмов раство­римых фосфатов может быть различной. Часть фосфатных ионов поглощается растениями в процессе питания, часть иммобили­зуется микроорганизмами и часть фиксируется в почве. Потери фосфора из почвы в атмосферу в виде летучего соединения РН₃ ничтожны. Вынос фосфора в моря и океаны — процесс од­нонаправленный, так как фосфор переходит в осадки и лишь в очень малой степени возвращается в круговорот по пищевым цепям морских животных и далее на сушу выносится птицами в виде гуано.

Таким образом, общий поток превращений фосфора представ­ляет собой осадочный биогеохимический цикл с образованием в океане «недоступных хранилищ». Перевод нерастворимых фос­фатов в доступную для растений форму — главное движущее зве­но в вовлечении фосфора в биологический цикл. Напомним, что открытый океан очень мало продуктивен из-за отсутствия фос­фора и железа в воде.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1. Значение фосфора в биосфере?

2. Как минерализуются органические фосфорные соединения?

3. Как минерализуются неорганические фосфорные соединения?

4. В состав каких кислот входит фосфор?

5. Фосфор разлагающие микроорганизмы?

Литература:

1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

2. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и почва. М.: МГУ, 1987.

3. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. с.336.

4. Мирчинк Т.Г.Почвенная микология .-М.: Изд. МГУ,1986.

5. Емцов В. Т.Микробы, почва, урожай. – М.: Изд. Колос,1980.

6. Илялетдинов А.Н.Микробиологические превращения азотосодержащих соединений в почве. Алма – Ата, 1976.

7. Почвенная микробиология./ Под ред. Д.И. Никитина /- М.: Изд. Колос,1979.

Лекция 14