Превращение соединений железа

Химический элемент железо широко распространен в природе, встречается в виде органических и минеральных соединений, входит в состав животных и растительных организмов. Содержится в гемоглобине крови и дыхательных ферментах цитохромах, необходим для образования хлорофилла у растений, хотя и не входит в его состав. При недостатке железа у животных развивается анемия, растения теряют зеленую окраску. Железо бывает в форме нерастворимого окисного Fe³⁺ и растворимого закисного Fe²⁺.

Способность осаждать окислы железа на поверхности клеток присуща многим эубактериям, различающимися морфологическими и физиологическими признаками и принадлежащим к разным таксонометрическим группам. С.Н. Виноградский впервые термин «железобактерии» применил для обозначения организмов, использующих энергию окисления Fe²⁺ до Fe³⁺ для ассимиляции CO₂, т. е. способных существовать хемолитоавтотрофно. Х. Молиш к железобактериям относил все организмы, откладывающие вокруг клеток окислы железа или марганца независимо от того, связан ли этот процесс с получением клеткой энергии.

Накопление окислов железа на поверхности бактериальных клеток – результат двух взаимосвязанных процессов: аккумуляции (поглощения) клетками этих металлов из раствора и окисления, сопровождающегося обильным отложением нерастворимых окислов па поверхности бактерий. Процесс аккумуляции тяжелых металлов из растворов в основе имеет физико-химическую природу и в значительной мере обусловлен химическим составом и свойствами поверхностных структур клетки. Он включает связывание металлов внеклеточными структурами (капсулы, чехлы, слизистые выделения), клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной. Сорбционные свойства поверхностных клеточных структур определяются в большой степени суммарным отрицательным зарядом молекул, входящих в их состав. Поглощение металлов приводит к значительному концентрированию их вокруг клеток по отношению к среде. Коэффициент накопления железа может достигать величины 10⁵ – 10⁶.

Как известно, Fe²⁺ подвергается быстрому химическому окислению молекулярным кислородом при pH>5,5, что приводит к образованию нерастворимого Fe(OH)₃. Последний вместе с Fe²⁺неспецифически связывается клеточными кислыми экзополимерами. Подобный тип накопления железа не зависит от метаболической активности клеток.

Окисление Fe²⁺ с последующим отложением нерастворимых окислов вокруг бактериальных клеток может быть результатом взаимодействия ионов железа с продуктами бактериального метаболизма, в частности с H₂O₂, образующейся в процессе окисления органических веществ при переносе электронов по дыхательной цепи. Перекись водорода, возникшая в качестве промежуточного или конечного продукта окисления, выделяется из клеток и накапливается в окружающих их структурах. В нейтральной или слабокислой среде окисление Fe²⁺ до Fe³⁺происходит в результате непосредственного взаимодействия с H₂O₂:

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ ® 2Fe³⁺ + 2H₂O.

Этот процесс протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, в которых концентрируются все компоненты реакции: восстановленные формы железа, перекись водорода, каталаза. Физиологический смысл процоссов окисления Fe²⁺ с участием H₂O₂ – детоксикация вредного продукта метаболизма. В этом случае окисление железа не приводит к получению бактериями энергии.

Среди железобактерий есть организмы, у которых окисление Fe²⁺ связано с получением энергии. В этом случае отложение окислов железа служит показателем активности энергетических процессов.

На основании морфологических характеристик все железобактерии могут быть разделены на две группы: нитчатые и одноклеточные.

К первой группе относятся грамотрицательные нитчатые бактерии, окруженные чехлом. Наиболее широко распространены представители родов Leptothrix и Sphaerotilus. Нити неподвижные или передвигающиеся скольжением. В чехлах, окружающих нити, накапливаются окислы железа и марганца (Leptothrix) или только железа (Sphaerotilus).

Железобактерии этой группы – облигатные аэробы, но могут удовлетворительно расти при низком содержании O₂ в среде. Оптимальный pH для роста – 6 – 8. единственно возможный способ существования – хемоорганогетеротрофия, при этом представители рода Sphaerotilus предпочитают условия с относительно высоким содержанием органических веществ, а многие штаммыLeptothrix – среды с низким уровнем органики.

Окисление железа и отложение его оксидов в чехлах этих бактерий не связано с получением ими энергии. К окислению Fe²⁺ при pH 6 – 8 могут приводить процессы как химической, так и биологической природы. Окисление связано с действием перекиси водорода, количество которой в среде в определенных условиях может достигать 10 – 20 мг/л. процесс локализован в чехлах, где концентрируются продукты метаболизма и внеклеточные ферменты. У мутантов, лишенных чехлов, накопления окислов железа не происходило. Таким образом, с помощью восстановленных форм железа обеспечивается удаление H₂O₂ – токсического продукта клеточного метаболизма.

Помимо бесцветных к нитчатым железобактериям относятся и некоторые фотосинтезирующие эубактерии из группы цианобактерий и скользящих зеленых бактерий.

Вторая группа железобактерий включает одноклеточные организмы из разных таксонов. Она представлена эубактериями с грамположительным и грамотрицательным строением клеточной стенки или без нее, размножающимися поперечным делением или почкованием. Клетки разной формы и размеров (форма может меняться в зависимости от стадии и условий роста), одиночные или формирующие скопления, окруженные капсулами, в которых откладываются окислы железа. Принадлежащие к этой группе железобактерии распадаются на две подгруппы, различающиеся типом метаболизма и отношением к кислотности среды.

Первая группа объединяет железобактерии, растущие в нейтральной или слабощелочной среде и характеризующиеся хемоорганогетеротрофным типом метаболизма. Представители подгруппы – свободноживущие микоплазмы, объединенные в роды Metllogenium, Gallionella, Siderococcus. Им свойственен типичный для микоплазм полиморфизм: кокковидные клетки, от которых могут отходить тонкие нити, пучки переплетенных тонких нитей и т. д. На поверхности нитей откладываются окислы железа (Gallionella, Siderococcus) или железа и марганца (Metllogenium). Растут в нейтральной или кислой среде. Некоторые из них олиготрфы. Все – аэробы или микроаэрофилы. Отложение окислов железа и марганца – результат химических реакций или функционирования перекисного пути и не имеет отношения к получению клетками энергии.

Вторую подгруппу составляют в большинстве аэробные ацидофильные формы. Оптимальный pH их роста лежит ниже 4,5 (2 – 3). В этих условиях Fe²⁺ в присутствии O₂ устойчиво к химическому окислению. Для ацидофильных железобактерий установлена способность получать энергию в результате окисления двухвалентного железа.

Основным представителем бактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans, относящийся к группе тионовых бактерий и обладающий способностью получать энергию также в результате окисления различных восстановленных соединений серы. Окислять закисное железо с получением клеткой энергии способна и облигатно ацидофильная бактерия Leptospirillum ferooxidans, близкая по ряду свойств к T. ferooxidans, но в отличии от последнего не окисляющая соединения серы.

Leptospirillum ferooxidans и большинство изученных штаммов T. ferooxidans принадлежат к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции CO₂, служащей основным или единственным источником углерода. Некоторые штаммы T. ferooxidans оказались способными расти на средах с органическими соединениями, являясь, таким образом, факультативными хемолитотрофами. Наконец, описаны термофильные бактерии, получающие энергию в результате окисления Fe²⁺ и нуждающиеся для роста в органических соединениях, т. е. осуществляющие метаболизм хемолитотрофного типа.

Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением

2Fe²⁺ + 1/2O₂ + 2H⁺ ® 2Fe³⁺ + H₂O,

что сопровождается незначительным изменением уровня свободной энергии (DG^¢_o при pH=2 равно – 33 кДж/моль). Поэтому для обеспечения энергией клетке необходимо «переработать» большие количества железа.

Механизм окисления Fe²⁺ в дыхательной цепи изучен у T. ferooxidans. Дыхательная цепь этой бактерии содержит все типы переносчиков, характерные для дыхательной системы аэробных хемоорганотрофных эубактерий, но участок цепи, связанный с получением энергии, очень короток.

Окисление Fe²⁺ происходит на внешней стороне цитоплазматической мембраны; в цитозоль через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe²⁺ акцептируются особым медьсодержащим белком – рустицианином, находящимся в периплазматическом пространстве.

Затем с рустицианина они передаются на цитохром c, локализованный на внешней стороне цитоплазматической мембраны, а с него на цитохром a₁, расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома a₁ на 1/2O₂, сопровождающийся поглощением из цитоплазмы 2H⁺, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до H₂O. Особенность дыхательной цепи T. ferrooxidans – отсутствие переноса через мембрану протонов, а перенос только электронов. Градиент H⁺ по обе стороны цитоплазматической мембраны поддерживается как за счет поглощения протонов из цитоплазмы, так и в результате низкого pH внешней среды, в которой обитают эти бактерии. Синтез АТФ происходит за счет движения H⁺ из внешней среды в цитоплазму через АТФ-синтазный комплекс. Движущей силой служит в основном DpH. Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо окислить как минимум 2 молекулы Fe²⁺.

Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов. Активность участка дыхательной цепи, обеспечивающей обратный электронный транспорт, на порядок ниже активности короткого участка, функционирование которого приводит к получению энергии. В целом для фиксации 1 молекулы CO₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле необходимо окислить больше 22 молекул Fe²⁺. Таким образом, из всех представителей эубактерий, у которых обнаружена способность к окислению железа, только облигатно ацидофильные формы могут использовать энергию окисления Fe²⁺ для ассимиляции CO₂, т. е. существовать хемолитоавтотрофно. Именно они являются истинными железобактериями, соответствуя тому названию, которое было введено С.Н. Виноградским.

Для остальных организмов образование окислов железа не связано с получением энергии и происходит в результате неспецифических реакций ионов металлов с продуктами метаболизма, прежде всего продуктами неполного восстановления O₂.

Эубактерии, описанные здесь, широко распространены в природе и могут существовать в большом диапазоне условий. Облигатные ацидофилы обнаружены в подземных водах сульфидных месторождений, кислых водах железистых источников и кислых озерах с высоким содержанием закисного железа. Нитчатые формы также занимают вполне определенные экологические ниши. Представители рода Leptothrix – обитатели олиготрофных железистых поверхностных вод, Sphaerotilus предпочитают среды с высоким содержанием органических веществ. Скопления отмерших железобактерий (гидрат окиси железа) образуют на дне стоящих водоемов залежи болотных руд, количество которой может достигать огромных размеров.