Биология

Хемосинтез и хемотрофы

Энергия существует во многих формах, но для живых организмов подходят всего две из них – это световая и химическая энергия.

Те организмы, которые используют для синтеза собственных органических веществ энергию солнечного света, называют фототрофами.

Организмы, которые используют для синтеза собственных органических веществ химическую энергию, – это хемотрофы.

Хемосинтез – способ автотрофного питания, при котором источником питания для синтеза собственных органических веществ служит реакция окисления неорганических соединений.

Хемосинтез свойственен и найден у бактерий. Открыл хемосинтез как явление русский ученый С.Н. Виноградский.

Выделяют несколько групп хемотрофных бактерий:

1. Железобактерии. Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного.

2. Серобактерии. Окисляют сероводород до серы или до серной кислоты.

3. Нитрифицирующие бактерии. Окисляют аммиак до азотной или азотистой кислоты, которая при взаимодействии с минералами образует нитраты и нитриты.

Выделяющаяся в процессе окисления  неорганических соединений энергия не может быть сразу израсходована на синтез органических соединений. Она вначале переводится в энергию химических связей молекулы АТФ и только после этого расходуется на биосинтетические процессы в клетке.

Сергей Николаевич Виноградский

Рис. 1. С.Н. Виноградский

Сергей Николаевич Виноградский (см. Рис. 1) родился в Киеве 1 сентября 1856 года в семье состоятельного юриста. После окончания в 1873 г. 2-й Киевской гимназии  (с золотой медалью) Виноградский  изучает юриспруденцию, естественные науки, музыку. В ноябре 1877 года он поступает на 2 курс естественного отделения Петербургского университета, где особое внимание уделяет химии. После окончания университета Виноградский остается работать на кафедре ботаники в лаборатории физиологии растений под руководством известного русского ученого А.С. Фаминцына. Его серьезным увлечением стала микробиология. Для углубления своих знаний Сергей Николаевич отправляется на стажировку в Страсбургский университет, где начинает изучать морфологию и физиологию железо- и серосодержащих бактерий, применив к ним разработанный метод элективных сред. Он обнаружил, что серобактерии могут получать энергию при окислении неорганических соединений, в частности при окислении восстановленных соединений серы, таких как сероводород, до серной кислоты.

Таким образом, Виноградский открыл новый источник энергии, который возникает при окислении неорганических соединений. Это явление он назвал хемосинтезом.

Далее ученый приступил к исследованию процесса нитрификации и его роли в почвообразовании. Он выделил бактерии-нитрификаторы, а также подтвердил, что процесс нитрификации состоит из двух стадий. На первой стадии происходит окисление аммиака до нитритов, а на второй стадии – окисление нитритов до нитратов.

После этого Виноградский увлекся изучением бактерий, которые способны были фиксировать молекулярный азот, то есть использовать азот из воздуха. В связи с этим он выделил азотфиксирующую бактерию, которую назвал в честь Пастера – Clostridium pasteurianum.

С.Н. Виноградский стал основоположником эколого-физиологического направления микробиологии.

Железобактерии

У железобактерий энергия выделяется при окислении двухвалентного железа (см. Рис. 2).

Рис. 2. Железобактерии

Такие микроорганизмы легко обнаруживаются в природных водоемах в виде обрастаний нижней части водных растений. Железобактерии часто встречаются в хорошо аэрируемых ручьях при выходе подземных вод на поверхность.

Железобактерии (см. Рис. 3) способны разрушать органические комплексы железа, трудно разрушаемые в химических окислительных процессах. Образующийся в результате этого гидроксид железа откладывается на поверхности клеток.

Рис. 3. Железобактерии

Развитие железобактерий в трубах приводит к их забиванию слизью и гидроксидом железа (III). В условиях малого протока воды через полгода эксплуатации водопровода на внутренней поверхности труб железобактерии образуют обрастания в виде бугров высотой до 10 мм (см. Рис. 4). В таких отложениях находят благоприятные условия для жизнедеятельности кишечная палочка, гнилостные бактерии и различные черви.

Рис. 4. Обрастания на внутренней поверхности труб

Серобактерии

Большое число бактерий способны окислять восстановленные соединения серы (см. Рис. 5). Эти микроорганизмы принимают участие в глобальном круговороте серы в природе.

Серобактерии делят на две группы:

1. Бактерии, которые способны откладывать серу внутри клетки.

2. Бактерии, которые не способны откладывать серу ни при каких условиях.

Рис. 5. Серобактерии

Бесцветные серобактерии

Давно известно, что в сероводородных источниках встречаются неокрашенные микроорганизмы, которые накапливают в себе серу.

В тех источниках, где сероводорода немного, такие микроорганизмы наблюдаются в виде белых пленок (см. Рис. 6).

Рис. 6. Белые пленки из серобактерий

Виноградский показал, что у одних видов неокрашенных серобактерий сера образуется в результате окисления сероводорода. Таким образом, бесцветные серобактерии играют большую роль в детоксикации воды (очистка воды от сероводорода).

Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов.

Биологическая природа превращения аммиака в нитраты была известна давно, и в Европе это использовали для получения селитры при изготовлении пороха.

С.Н. Виноградский выделил чистые культуры нитрификаторов. Выяснилось, что процесс нитрификации идет в две стадии (см. Рис. 7).

Рис. 7. Нитрифицирующая бактерия и две стадии процесса нитрификации

Нитрифицирующие бактерии играют в природе важную роль, осуществляя один из этапов круговорота азота (см. Рис. 8).

Рис. 8. Круговорот азота

Распад органического материала и нитрификация

Растения получают азот в виде нитрата из почвы, а животные получают азот от растений.

На рисунке 9 показано, как сапрофитные бактерии и грибы возвращают азот белков, содержащихся в мертвых растениях и животных, в общий круговорот в форме нитратов. Такое превращение происходит в результате последовательного окисления азотистых соединений, а для этого нужны аэробные бактерии и кислород. После гибели живого организма его белки разлагаются до аминокислот, а затем до аммиака. Точно так же расщепляются и азотистые соединения экскрементов и различных выделений животных. Затем хемосинтезирующие бактерии окисляют аммиак до нитрата. Этот процесс называется нитрификацией.

Рис. 9. Круговорот азот

Денитрифицирующие бактерии осуществляют процесс, обратный нитрификации, – денитрификацию, которая может уменьшать плодородие почвы. Денитрификация происходит только в анаэробных условиях, когда бактерии используют нитрат как окислитель (акцептор электронов), заменяющий кислород в реакциях окисления органических веществ. Сам нитрат при этом восстанавливается. Такие бактерии относятся к факультативным анаэробам. Не следует думать, что денитрифицирующие бактерии ставят под угрозу существование жизни на Земле. Как полагают, не будь процессов денитрификации, большая часть атмосферного азота находилась в связанном состоянии в земле.

Роль хемосинтетиков

Роль хемосинтетиков для всех живых организмов на нашей планете чрезвычайно велика, так как они являются звеном в круговороте важнейших элементов (азота, серы). Таким образом, существование жизни невозможно без деятельности хемосинтезирующих организмов.

Хемосинтетики также важны в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород.

Нитрифицирующие бактерии насыщают почву нитратами, которые хорошо усваиваются растениями.

Некоторые нитрифицирующие бактерии используют для очистки сточных вод (серобактерии).

 

Список литературы

1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Belki.com.ua (Источник).
2. My.mail.ru (Источник).
3. Distant-lessons.ru (Источник).

 

Домашнее задание

1. Вопросы в конце параграфа 25 (стр. 95) – Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Общая биология», 10-11 класс (Источник)
2. Чем хемотрофы отличаются от фототрофов?
3. Как вы думаете, можно ли, рассмотрев единственную клетку многоклеточного организма, определить его тип питания?