в чем заключается роль хемосинтезирующих бактерий на земле

Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле

Содержание:

Фотосинтез и его значение. Космическая роль фотосинтеза

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.

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:

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:

Световая и темновая фазы фотосинтеза. Их взаимосвязь.

В 1905 году английский физиолог Ф. Блэкман обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться бесконечно, существуют ограничивающие её факторы. Исходя из этого, он предложил две фазы фотосинтеза:

При низкой освещенности скорость световых откликов увеличивается пропорционально увеличению интенсивности света, и, помимо этого, эти реакции не зависят от температуры, поскольку для их прохождения не требуются ферменты. На тилакоидных мембранах осуществляются световые реакции.

Наоборот, скорость темновых реакций увеличивается с ростом температуры; однако при достижении температурного порога 30 ° C этот рост прекращается, что указывает на ферментативный характер этих превращений, которые происходят в строме. Также важно отметить, что свет тоже оказывает некоторое влияние на темновые реакции, несмотря на их название.

Световая фаза фотосинтеза происходит на тилакоидных мембранах, несущих несколько типов белковых комплексов, главными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В составе фотосистем находятся пигментные комплексы, в которых, помимо хлорофилла, присутствуют также каротиноиды. Каротиноиды захватывают свет в областях спектра, где нет хлорофилла, и помимо этого, защищают хлорофилл от повреждения интенсивным светом.

Помимо пигментных комплексов, фотосистемы также включают ряд акцепторных белков, последовательно переносящих электроны от молекул хлорофилла друг к другу. Последовательность этих белковых молекул называется цепью переноса электронов хлоропластов.

Особый комплекс белков непосредственно связан с фотосистемой II, обеспечивающей выделение кислорода при таком процессе как фотосинтез. Этот комплекс выделения кислорода содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе световые кванты или фотоны, падающие на молекулы хлорофилла, которые расположены на мембранах тилакоидов, переводят их в состояние возбуждения, характеризующееся более высокой энергией электронов. В этом случае возбужденные электроны из хлорофилла фотосистемы I передаются через цепочку посредников к водородному носителю НАДФ, который присоединяет протоны водорода, которые постоянно находятся в водном растворе:

Темная фаза — это процесс преобразования углекислого газа в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с участием энергии АТФ и НАДФ •Н.

Результат темновых реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо стромальных молекул глюкозы образуются аминокислоты, нуклеотиды и спирты.

Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемосинтез является самым старым типом автотрофного питания, образованным еще во время эволюции до фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе, основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтезирующие бактерии живут в местах, недоступных для других организмов: на больших глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтетические организмы не зависят от энергии солнечного света, ни как растения, ни как животные. Исключением являются бактерии, которые окисляют аммиак, поскольку последний выделяется в результате гниения органических веществ.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

Отличия в хемосинтезе:

Хемосинтезирующие организмы генерируют энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитритов и т.д. Как видите, используются неорганические вещества.

В хемосинтетических аэробных организмах кислород является акцептором электронов и водорода, т.е. он действует как окислитель.

Хемосинтезирующие организмы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, и способствуют плодородию почвы.

В группу хемосинтетических организмов (хемотрофов) в основном входят бактерии: нитрифицирующие, сернистые, черные и т. д., использующие энергию окисления ионов азота, серы и железа. В этом случае донором электронов является не вода, а другие неорганические вещества.

Таким образом, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, образующийся из атмосферного азота, от азотфиксирующих бактерий до нитритов и нитратов:

Серобактерии производят окисление сероводорода до серы и, в некоторых случаях, до серной кислоты:

Железобактерии производят окисление солей железа:

Водородные бактерии имеют способность окислять молекулярный водород:

Углекислый газ действует как источник углерода для синтеза органических соединений во всех автотрофных бактериях.

Хемосинтезирующие бактерии играют наиболее значительную роль в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в течение их жизни образовались отложения многих минералов. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть производителями, а также делают доступными для растений и других организмов ряд неорганических веществ.

_{Источник изображения:
Рис. 2 — Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.}

Источник

Особенности хемосинтеза бактерий

Хемосинтез

Хемосинтез — это процесс синтеза органических веществ из углекислого газа за счет энергии окисления аммиака, сероводорода и других веществ, который осуществляется микроорганизмами в процессе их жизнедеятельности.

Нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак (NH3) до нитритов (соли HNO2), а затем — к нитратам (соли HNO3).

Железобактериями получают энергию за счет окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного. Они участвуют в образовании залежей железных руд. Бесцветные сиркобактерии окисляют сероводород и другие соединения серы до серной кислоты (H2SO4).

Процесс хемосинтеза открыл в 1887 году выдающийся украинский микробиолог С.М.Виноградський.

Хемосинтезирующие микроорганизмы играют исключительную роль в процессах превращения химических элементов в биогеохимических циклах. Биогеохимические циклы (биогеохимический круговорот веществ) — это обмен веществами и обеспечение потока энергии между различными компонентами биосферы, в результате жизнедеятельности различных организмов, имеет циклический характер.

Хемосинтез был открыт в 1889 украинском микробиологом С. Н. Виноградским.

Процесс хемосинтеза осуществляют хемоатотрофни бактерии:

Особенности хемосинтеза

Особенностями хемосинтеза, которые отличают его от фотосинтеза, является то, что этот процесс:

Значение

В планетарном масштабе хемосинтез составляет не более 1% фотосинтеза, однако он имеет большое значение для биологического круговорота и геохимических преобразований. Значение хемосинтетики важно в природе, так как они участвуют в образовании горных пород, вызывают коррозию металлов. Хемоавтотрофные организмы могут жить в океанах на больших глубинах, где есть ядовитый сероводород. Они окисляют его и получают важные вещества для жизнедеятельности. Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа, марганца, распространены в пресных водоемах. Вероятно, что именно с их участием в течение миллионов лет на дне некоторых болот, озер образовались залежи железных и марганцевых руд. Также, некоторые хемосинтезирующие бактерии используются человеком для очистки сточных вод.

Хемосинтез

Все живые организмы, как нам известно, по способу получения энергии делятся на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные организмы обладают способностью синтезировать органические соединения из неорганических. Используют они для этого различные источники энергии.
Большинство автотрофных организмов принадлежит к фотосинтетикам.

Это группа организмов, способных использовать энергию солнечного света для обеспечения процессов биосинтеза.

Но существует еще группа организмов, которые дл обеспечения реакций синтеза используют энергию, которая освобождается во время окисления органических соединений. Эту группу живых организмов называют хемотрофами или хемосинтетиками.

Что же такое хемосинтез?

Хемосинтез – это тип питания, во время которого органические соединения синтезируются из неорганических с использованием энергии химических реакций.

Организмы, которым свойственен хемосинтез

Что же это за организмы, тип питания которых для нас так непривычен? Процесс хемосинтеза в живых организмах изучался давно. Честь открытия этого процесса принадлежит российскому микробиологу С. Н.

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Нитрифицирующие бактерии в ходе биохимических реакций последовательно окисляют аммиак до нитритов, а позже – до нитратов, серобактерии – сероводород и другие соединения серы до серной кислоты. Железобактерии получают энергию за счет окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного.

Хемосинтетики играют важную роль в процессах превращения химических элементов в биогеохимическом круговороте веществ.
При этом большинство процессов превращения химических элементов в биосфере происходит только с участием живых организмов.

Механизм хемосинтеза

Бактерии для синтеза используют энергию химических реакций. Они имеют специальный ферментный аппарат, который дает им возможность превращать энергию химических реакций в химическую энергию соединений, которые синтезируются.

Из хемосинтетиков очень важны азотофиксирующие и нитрифицирующие бактерии. Они живут в почве и осуществляют окисление аммиака, образующегося при гниении органических остатков до азотной кислоты. Последняя, вступая в реакцию с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотной кислоты. Этот процесс происходит в две фазы. Вначале происходит окисление аммиака до азотистой кислоты.

$2NH_3 + 3O_2 → 2HNO_2 + 2H_2O + 158$ ккал

Затем азотистая кислота превращается в азотную.

$2HNO_2 + O2 → 2HNO_3 + 38$ ккал

У серобактерий происходит окисление сероводорода.

$2H_2S + O2 → 2H_2O + 2S$

При определенных условиях (недостатке сероводорода) образованная сера окисляется до серной кислоты.

$2S + 3_O2 + 2H_2O → 2H_2SO_4 + 115$ ккал

Под воздействием железобактерий происходит преобразование закиси железа в окись железа.

$4FeCO_3 + O_2 + 6H_2O → 4Fe(OH)_3 + 4CO_2 + 81$ ккал

Как мы видим из уравнений химических реакций, хемосинтетики являются типичными автотрофами, самостоятельно синтезирующими необходимые органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии, освобождающейся в ходе окислительных процессов.

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

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

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)

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.

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”.

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:

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

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.

Обсуждение: “Фотосинтез и хемосинтез”

Автотрофное питание. Хемосинтез. Видеоурок. Биология 10 Класс

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.

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.

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

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

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 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

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

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 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

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

Автотрофное питание. Хемосинтез

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.

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 азота

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).

Источник