Хемосинтез

Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемотрофы играют главную роль в сложных процессах превращения и круговорота соответствующих химических веществ в природе. Поскольку сероводород и аммиак являются достаточно токсичными веществами, существует необходимость в их нейтрализации. Это также осуществляют хемотрофные бактерии. В ходе химических превращений образуются вещества, необходимые другим организмам, что делает возможным их нормальный рост и развитие. Крупные месторождения руд железа и марганца на дне морей и болот возникают благодаря деятельности хемотрофов. А именно — железобактерий.

Человек научился использовать уникальные свойства хемотрофов и в своей деятельности. К примеру, с помощью серобактерий очищают сточные воды от сероводорода, защищают металлические и бетонные трубы от коррозии, а почвы от закисления.

Итак, бактерии хемосинтезирующие являются особыми прокариотами, способными осуществлять соответствующие химические реакции в анаэробных условиях. Эти организмы окисляют вещества. Энергию, которая при этом выделяется, они сначала запасают в связях АТФ, а потом используют для осуществления процессов жизнедеятельности. Основными из них являются железо- , серо- и азотфиксирующие бактерии. Они обитают как в водной, так и в почвенной среде. Хемотрофы являются незаменимым звеном в круговороте веществ, обеспечивают живые организмы необходимыми веществами и широко используются человеком в его хозяйственной и промышленной деятельности.

Экосистемы и кислотность воды

Наблюдения фаз хемосинтеза начались в 1977 году возле Галапагосских Островов, во время исследования вулканических явлений в зоне распространения океанических плит. Учёный Джек Корлисс на глубине нескольких тысяч метров в условиях вечного мороза и температуры 2 °C увидел ранее неизвестных моллюсков, улиток и множество видов хемотрофов.

Оказалось, что сероводород, переполняющий гидротермальные воды, является источником серы для медленно живущих хемосинетических бактерий. Затем было обнаружено сходство и ряд организмов, обитающих вокруг гидротермальных источников, что содержат в своих тканях симбиотические бактерии. В 1984 году описаны группы животных, живущих вокруг источников. Температура такой воды близка к океанской, а хемосинтетические полосы представлены другими видами животных, хотя и связаны с обитателями гидротермальных источников.

В последующие годы были исследованы скелеты китообразных, найденные по обе стороны северной части Тихого океана, у берегов Новой Зеландии и на дне Атлантического океана. Оказалось, что они были покрыты многочисленными моллюсками, а кости пахли сероводородом. Пример хемосинтеза — деревянные борта кораблей массово производят экскременты, содержащие соединения серы, тем самым создавая субстрат для функционирования хемосимбиотических организмов.

Энергия для жизни

Все живое на Земле нуждается в энергии, чтобы выжить. Однако способы получения этой энергии живыми организмами могут различаться. Люди получают питательные вещества, употребляя в пищу другие организмы как животного, так и растительного происхождения. С другой стороны, растения способны получать энергию непосредственно от солнца через процесс фотосинтеза.

Эти два пути получения энергии, вероятно, вам знакомы. Однако есть и другой, менее привычный способ, известный как хемосинтез. Хемосинтез характеризуется использованием неорганических молекул для помощи в преобразовании молекул углерода в органическое вещество. Звучит странно? Давайте попробуем объяснить это на примере.

Фотосинтез и его значение. Космическая роль фотосинтеза

Высшие растения, водоросли и некоторые бактерии — автотрофные организмы. Название типа питания в переводе с греческого означает «сам питаюсь». Углерод для создания органического вещества они берут из углекислого газа и бикарбонат-ионов НСО₃-.

Фотосинтез —  это процесс преобразования энергии света в энергию химического связывания органических соединений при участии хлорофилла.

Фотосинтез происходит в хлоропластах, куда поступает углекислый газ и вода. Зеленый пигмент хлорофилл обеспечивает поглощение энергии света, необходимой для химических превращений. Растения в дальнейшем используют созданные молекулы простого углевода  для синтеза крахмала, жиров, и других веществ. Кислород выделяется в окружающую среду. Процессы, происходящие в хлоропластах, показаны

Вследствие фотосинтеза ежегодно образуется около 150 миллиардов тонн органического вещества и около 200 миллиардов тонн кислорода. Этот процесс обеспечивает углеродный цикл в биосфере, предотвращая накопление углекислого газа и, тем самым, предотвращая парниковый эффект и перегрев Земли. Органические вещества, образующиеся в результате фотосинтеза, частично потребляются другими организмами, большая часть которых за миллионы лет образовала залежи полезных ископаемых (уголь и бурый уголь, нефть).

Все чаще, в настоящее время рапсовое масло («биодизельное топливо») и спирт, полученный из растительных остатков, также начали использовать в качестве топлива. Озон образуется из кислорода при воздействии электрических разрядов, что создает озоновый экран, защищающий всю жизнь на Земле от вредного воздействия ультрафиолетовых лучей. 

Рис.1. Фотосинтез

Как доказал русский ученый К.А. Тимирязев, фотосинтез невозможен без хлорофилла. Исследователь писал, что именно в зеленых листьях совершается процесс, связывающий жизнь на Земле с Солнцем, позволяющий всем на планете пользоваться общим источником энергии.

Значение фотосинтеза и космическая роль зеленых растений:

• Усвоение энергии света для создания органических соединений.
• Создание органической массы (177 млрд. т ежегодно), необходимой для животных и человека.
• Выделение кислорода в атмосферу Земли (около 450 млн. т в год).
• Поддержание концентрации СО₂ в воздухе на уровне 0,02–0,04%.
• Накопление энергии.
• Образование почвы.

Благодаря растениям поддерживается содержание молекул О₂ в атмосфере нашей планеты на уровне 21%. Над крупными городами, промышленными центрами, транспортными узлами воздух беднее кислородом, запылен, содержит больше углекислого газа, токсичных веществ.

Суть одного из важнейших процессов на Земле отражает химическое уравнение:

6Н₂О + 6СО₂ + энергия света → С₆Н₁₂О₆ + О₂

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?

Реакции хемосинтеза

Теперь давайте более детально разберем существующие реакции хемосинтеза, все они отличаются в зависимости от бактерий-хемосинтетиков.

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → Fe(OH)₃ + 4CO₂ + E (энергия)

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой.

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + E

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота.

2NH₃ + 3O₂ → HNO₂ + 2H₂O + E

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

Фотодыхание

Во время дыхания растения потребляют питательные вещества для поддержания метаболизма растительных клеток, в то время как во время фотосинтеза растения создают свою собственную пищу.

Формула фотосинтеза:

Световая энергия + углекислый газ + вода ➜ кислород + глюкоза6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2

Формула дыхания растений:

Кислород + глюкоза ➜ диоксид углерода + вода + тепловая энергияC6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 674 ккал

Растения дышат постоянно, днем ​​и ночью. А фотосинтез происходит только в течение дня, когда есть солнечный свет.

Дыхание – это физический процесс обмена газами между живыми объектами и окружающей средой.

Растения не дышат в самом строгом смысле этого слова, как животные и люди. Во время дыхания и фотосинтеза газы диффузно входят и выходят из растений через маленькие отверстия, называемые устьицами. Устьица расположены на нижней стороне листа. Каждый лист может содержать тысячи таких отверстий.

Так выглядят устьица под микроскопом

Все живые организмы дышат, потому что им нужно получать кислород для осуществления клеточного дыхания, чтобы остаться в живых. Так же и растения должны дышать, чтобы остаться в живых.

Однако, в общем и целом у растений объем выброса кислорода намного превышает объем его поглощения при фотодыхании. За солнечный день один гектар леса выделяет 180-200 кг кислорода, поглощая 120-280 кг углекислого газа.

Определение слова «Хемосинтез» по БСЭ:

Хемосинтез (от Хемо… и Синтез)правильнее — хемолитоавтотрофия, тип питания, свойственный некоторым бактериям, способным усваивать CO₂ как единственный источник углерода за счёт энергии окисления неорганических соединений. Открытие Х. в 1887 (Виноградский С. Н.) существенно изменило представления об основных типах обмена веществ у живых организмов. В отличие от Фотосинтеза, при Х. используется не энергия света, а энергия, получаемая при окислительно-восстановительных реакциях, которая должна быть достаточна для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и превышать 10 ккал/моль.Бактерии, способные к Х., не являются единой в таксономическом отношении группой, а систематизируются в зависимости от окисляемого неорганического субстрата. Среди них встречаются микроорганизмы, окисляющие водород, окись углерода, восстановленные соединения серы, железо, аммиак, нитриты, сурьму. Водородные бактерии — наиболее многочисленная и разнообразная группа хемосинтезирующих организмов. осуществляют реакцию 6H₂ + 2O₂ + CO₂ = (CH₂O) + 5H₂O, где (CH₂O) — условное обозначение образующихся органических веществ. По сравнению с др. автотрофными микроорганизмами характеризуются высокой скоростью роста и могут давать большую биомассу.Эти бактерии способны также расти на средах, содержащих органические вещества, т. е. являются миксотрофными, или факультативно хемоавтотрофными бактериями. Близки к водородным бактериям карбоксидобактерии, окисляющие CO по реакции 25CO + 12O₂ + H₂O + 24CO₂ + (CH₂O). Тионовые бактерии окисляют сероводород, тиосульфат, молекулярную серу до серной кислоты. Некоторые из них (Thiobacillus ferrooxidans) окисляют сульфидные минералы, а также закисное железо. Способность к Х. у разнообразных водных серобактерий остаётся недоказанной. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитрита (1-я стадия нитрификации) и нитрит в нитрат (2-я стадия). В анаэробных условиях Х. наблюдается у некоторых денитрифицирующих бактерий, окисляющих водород или серу, но часто они нуждаются в органическом веществе для биосинтеза (литогетеротрофия). Описан Х. у некоторых строго анаэробных метанообразующих бактерий по реакции 4H₂ + CO₂ = CH₄ + 2H₂O.Биосинтез органических соединений при Х. осуществляется в результате автотрофной ассимиляции CO₂ (цикл Калвина) точно так же, как при фотосинтезе. Энергия в виде АТФ получается от переноса электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных в клеточную мембрану бактерий (см. Окислительное фосфорилирование). Некоторые окисляемые вещества отдают электроны в цепь на уровне цитохрома с, что создаёт дополнительный расход энергии для синтеза восстановителя. В связи с большим расходом энергии хемосинтезирующие бактерии, за исключением водородных, образуют мало биомассы, но окисляют большое количество неорганических веществ. В биосфере хемосинтезирующие бактерии контролируют окислительные участки круговорота важнейших элементов и поэтому представляют исключительное значение для биогеохимии. Водородные бактерии могут быть использованы для получения белка и очистки атмосферы от CO₂ в замкнутых экологических системах. Морфологически хемосинтезирующие бактерии весьма разнообразны, хотя большинство из них относится к псевдомонадам, они имеются среди почкующихся и нитчатых бактерий, спирилл, лептоспир, коринебактерий.Лит.: Кузнецов С. И., Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность, Л., 1970. Заварзин Г. А., Литотрофные микроорганизмы, М., 1972. Каравайко Г. И., Кузнецов С. И., Голомзик А. И., Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд, М., 1972.Г. А. Заварзин.

Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений

Обычно все организмы, способные из неорганических веществ синтезировать органические, т.е. организмы, способные к фотосинтезу и хемосинтезу, относят к автотрофам.

К автотрофам традиционно относят растения и некоторые микроорганизмы.

Кратко мы говорили о фотосинтезе в ходе рассматрения строения растительной клетки, давайте разберем весь процесс поподробнее…

Суть фотосинтеза

(суммарное уравнение)

Основное вещество, участвующее в многоступенчатом процессе фотосинтеза — хлорофилл. Именно оно трансформирует солнечную энергию в химическую.

Важно

На рисунке указано схематическое изображение молекулы хлорофилла, кстати, молекула очень похожа на молекулу гемоглобина…

Хлорофилл встроен  в граны хлоропластов:

Световая фаза фотосинтеза:

(осуществляется на мембранах тилакойдов)

• Свет, попав на молекулу хлорофилла, поглощается им и приводит его в возбужденное состояние — электрон, входящий в состав молекулы, поглотив энергию света, переходит на более высокий энергетический уровень и участвует в процессах синтеза;
• Под действием света так же происходит расщепление (фотолиз) воды:

 Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре»

2Н+ + 2е— + НАДФ → НАДФ·Н2

НАДФ — это специфическое вещество, кофермент, т.е. катализатор, в данном случае — переносчик водорода.

синтезируется АТФ (энергия)

Темновая фаза фотосинтеза

(протекает в стромах хлоропластов)

собственно синтез глюкозы

происходит цикл реакций, в которых образуется С6H12O6. В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н2, образованных в световую фазу; rроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды

Обратите внимание: темновой эта фаза называется не потому что идет ночью — синтез глюкозы происходит, в общем-то, круглосуточно, но для темновой фазы уже не нужна световая энергия. “Фотосинтез — это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”. “Фотосинтез — это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”

“Фотосинтез — это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”.

К.А.Тимирязев.

В результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода в год.

Кроме того, растения вовлекают в круговорот миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов.

Хотя зеленый лист использует лишь 1-2% падающего на него света, создаваемые растением органические вещества и кислород в целом обеспечивают существование всего живого на Земле.

Хемосинтез

Хемосинтез осуществляется за счет энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др.

Соответственно веществам, включенным в метаболизм бактерий, существуют:

• серобактерии — микроорганизмы водоемов, содержащих H2S — источники с очень характерным запахом,
• железобактерии,
• нитрифицирующие бактерии — окисляют аммиак и азотистую кислоту,
• азотфиксирующие бактерии — обогащают почвы, чрезвычайно повышают урожайность,
• водородокисляющие бактерии

Но суть остается та же — это тоже автотрофное питание , так же запасается энергия  и это запас в виде молекул АТФ. 

Этот тип синтеза используется ТОЛЬКО бактериями.

Хемосинтетики — единственные организмы на земле, не зависящие от энергии солнечного света.

Поэтому бактерии, «практикующие» хемосинтез, могут жить на любой глубине океанов.

По современным оценкам, биомасса «подземной биосферы», которая находится, в частности, под морским дном и включает хемосинтезирующих анаэробных  архебактерий, может превышать биомассу остальной биосферы

Совет

Изучением фотосинтеза и хемосинтеза занимался С. Н. Виноградский  — ученый, который рассматривал влияние микроорганизмов на биосферу (он ввел понятие «экология микроорганизмов»).

Как видите,  фотосинтез и хемосинтез — две формы пластического обмена, при котором из неорганических веществ образуются органические вещества.

• примеры воспросов ЕГЭ по теме
• вопросы ОГЭ

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями. Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + E

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах. Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

2H₂S + O₂ → 2H₂O + 2S + E

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев. Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

Распространение и экологические функции

Гигантские многощетинковые черви (Riftia pachyptila) имеют орган, содержащий хемосинтетических бактерий вместо пищеварительной системы.

Хемосинтезирующие организмы (например, серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры в воду выходит сероводород. Конечно же, кванты света не могут проникнуть в воду на глубину около 3—4 километров (на такой глубине находится большинство рифтовых зон океана). Таким образом, хемосинтетики — единственные организмы на Земле, не зависящие от энергии солнечного света и являющиеся продуцентами. Хемосинтетические организмы могут потребляться другими организмами в океане или образовывать симбиотические ассоциации с гетеротрофами. Гигантские многощитинковые черви используют бактерий в их трофосома (англ.)русск.х для связывания диоксида углерода (используя сероводород как источник энергии) продуцирования сахаров и аминокислот. В некоторых реакциях получается сера

12H₂S + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ (=углеводы) + 6H₂O + 12S:

Вместо высвобождения кислорода при фиксации углекислого газа во время фотосинтеза, из сероводорода в процессе хемосинтеза получаются водорастворимые глобулы серы. В бактериях способных к хемоавторофии в форме хемосинтеза, таких как пурпурные серные бактерии (англ.)русск., пурпурные глобулы серы окрашивают цитоплазму в соответствующий цвет.
Большие популяции животных могут поддерживаться за счет хемосинтезирующих бактерий и архей в белых и черных курильщиках, метановых клатратах, холодных просачиваниях (англ.)русск., трупах китов (англ.)русск., изолированных подземных водных пещерах.

С другой стороны, аммиак, который используется нитрифицирующими бактериями, выделяется в почву при гниении остатков растений или животных. В этом случае жизнедеятельность хемосинтетиков косвенно зависит от солнечного света, так как аммиак образуется при распаде органических соединений, полученных за счёт энергии Солнца.

Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика, так как они являются непременным звеном природного круговорота важнейших элементов: серы, азота, железа и др. Хемосинтетики важны также в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород. Огромное значение имеют нитрифицирующие бактерии, которые обогащают почву нитратами и нитритами, — форма азота, преимущественно усваиваемая растениями. Некоторые хемосинтетики (в частности, серобактерии) используются для очистки сточных вод.

По современным оценкам, биомасса «подземной биосферы», которая находится, в частности, под морским дном и включает хемосинтезирующих анаэробных метанокисляющих архебактерий, может превышать биомассу остальной биосферы.

Была выдвинута гипотеза о том, что хемосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марса, спутника Юпитера — Европе и других планетах . Хемосинтез также может быть первым типом метаболизма, который возник на Земле, что привело позже к возникновению клеточного дыхания и фотосинтеза.

Основные типы хемосинтетиков

Среди хемосинтезирующих бактерий выделяется несколько групп в зависимости от вещества, используемого в качестве источника углерода

Сероредуцирующие, или серобактерии

Абсолютно бесцветные микроорганизмы, которые получают энергию посредством окисления сероводорода (H2S) и образования свободной серы (S).

2H2S + O2 = 2H2O + S2 + 272 кДж

В случае недостаточного количества сероводорода они могут продолжить окислительный процесс окислением серы и получением серной кислоты (H2SO4):

S2 + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 + 483 кДж

Живут серобактерии в водоемах, насыщенных сероводородом. В Черном море количество таких бактерий просто огромно.

Образованная серная кислота медленно разрушает сооружения из металла и камня, горные породы, способствует выщелачиванию руды и месторождений серы.

Нитрифицирующие, или нитробактерии

Это одноклеточные бактерии, получающие энергию для протекания такого процесса, как хемосинтез, из реакции окисления аммиака (NH3) и азотистой кислоты (HNO2) при гнилостном разложении веществ органической природы.

Аммонийокисляющие микроорганизмы занимаются окислением аммиака:

2NH4 + 3O2 = 2HNO2 + 663 кДж

Нитритокисляющие бактерии продолжают окислительный процесс, окисляя нитритную кислоту до нитратной:

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 192 кДж

Средой обитания данного вида бактериальных микроорганизмов являются почвы и водоемы, где они комфортно себя чувствуют при температуре 25-30°С, а также уровне pH=7,5-8,0. Размножаются путем деления (кроме Nitrobacter).

Аммонийокисляющие бактерии во всем своем количестве являются облигатными автотрофами, то есть могут окислить метан (CH4) и диоксид углерода.

Нитрифицирующие микроорганизмы принадлежат к хемолитотрофным микробам, являющимся наиболее распространенными в естественных условиях. Из них самое широкое распространение получили аммонийокисляющие, благодаря возможности использовать еще один энергетический источник окисления метана.

Именно благодаря жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий образовалось столько ископаемой селитры в недрах земли. Человечество научилось использовать нитрифицирующих бактерий в процессах обогащения руд для получения чистого марганца и при добыче угля. Также их используют для преобразования сточных вод.

Железобактерии

Тип бактерий, которые способны окислять соединения железа (Fe), а также марганца (Mn). Средой обитания данного вида являются морские, пресные водоемы. Своей жизнедеятельностью они способствуют отложениям на дне водоемов руд, содержащих марганец и железо.

4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 324 кДж

Водородные бактерии, или водородобактерии

Хемосинтез водородных бактерий протекает за счет окисления молекул водорода (H2), образующегося за счет анаэробного (без применения кислорода) разложения на компоненты органического материала:

2H2 + O2 = 2H2O + 235 кДж

Водородных микроорганизмов применяют для продукции пищевых, а также кормовых белков, осуществления атмосферных регенеративных процессов в системе жизнеобеспечения замкнутого типа (в системе «Оазис-2» и других).

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.

Хемосинтез в природе

Глубоко в океане есть трубообразные образования, известные как гидротермальные источники. Эти вентиляционные отверстия в океаническом дне выбрасывают сероводород. Этот газ токсичен для людей, но не для всей жизни. На самом деле, среди гидротермальных источников живут организмы, называемые гигантскими трубчатыми червями.

Эти черви полагаются на процесс хемосинтеза, чтобы выжить. В кишечнике трубчатых червей живут хемосинтетические бактерии. Эти бактерии используют неорганические молекулы сероводорода для производства углеводов и аминокислот, которые служат источником энергии для трубчатых червей, так же как пища для людей. На самом деле, это может быть даже один и тот же тип углеводов, с той лишь разницей, как он был произведен. Углеводы на вашем кухонном столе, вероятно, были произведены растениями с помощью фотосинтеза, в то время как углеводы в трубчатых червях синтезировали бактерии с помощью хемосинтеза.

В этом случае сероводород плюс углекислый газ получается углеводы, вода и сернистый газ. Химическое уравнение хемосинтеза таково:

12H₂S + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ (=углеводы) + 6H₂O + 12S

Эта реакция лишь немного отличается от фотосинтеза, где солнечный свет сочетается с углекислым газом и водой, чтобы произвести углеводы и кислород. Заметьте, что отличительной чертой хемосинтеза является использование сероводорода, а не солнечного света, который действует как драйвер для реакции.