Хемосинтез бактерий – тип питания бактериальных клеток, при котором они усваивают углекислый газ (CO2), потребляя энергию окисления определенных веществ неорганической природы (H2, NH4, ионов Fe, соединений S и прочих). Этот феномен интересен еще и тем, что здесь проявляется сходство бактерий с растениями и цианобактериями, которые посредством фотосинтеза получают кислород из воды и углекислого газа.
Схожесть и отличия процессов питания бактерии и растения
Итак, на основании каких критериев можно сравнить эти два процесса? Различие фотосинтеза от хемосинтеза как механизмов преобразования веществ заключается в том, что хемосинтез использует в качестве донора электронов не воду, как во время фотосинтеза, а некоторые вещества с неорганическими свойствами. И здесь не нужна ультрафиолетовая составляющая солнечного света, в отличие от фотосинтеза. Полученная в результате реакций окисления энергия накапливается бактериями в виде аденозинтрифосфата (АТФ).
Сходством фотосинтеза и хемосинтеза выступает обязательное использование углекислого газа, как источника углерода. Оба процесса протекают с выделением тепла (то есть это реакции экзотермического типа). Энергия, выделяющаяся во время реакции, потребляется бактериями при хемосинтезе и восстанавливает CO2, а также синтезирует органические вещества.
Хемосинтез впервые был изучен в 1887 году русским ученым-микробиологом Виноградским С.Н.. Ученый наблюдал за железо- и серобактериями. Именно этим исследованием Виноградский сумел доказать существование автотрофного типа питания. А в 1890 году предложил термин «хемосинтез».
Врачи и биологи отмечают, что хемосинтез бактерий играет ключевую роль в экосистемах, особенно в условиях, где фотосинтез невозможен. Эти микроорганизмы используют неорганические вещества, такие как сероводород или аммиак, для получения энергии, что позволяет им существовать в экстремальных условиях, например, на дне океанов или в горячих источниках. Специалисты подчеркивают, что хемосинтетические бактерии не только обеспечивают себя энергией, но и служат основой для сложных экосистем, поддерживая жизнь других организмов. Их способность к синтезу органических веществ из неорганических соединений делает их важными для биогеохимических циклов. Врачи также исследуют потенциал этих бактерий в медицине, например, для биоремедиации и производства биопродуктов.
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.
Читайте также:
Хемосинтез бактерий — это удивительный процесс, который привлекает внимание ученых и любителей природы. Многие люди отмечают, что эти микроорганизмы играют ключевую роль в экосистемах, особенно в условиях, где фотосинтез невозможен. Например, в глубоководных гидротермальных источниках хемосинтетические бактерии используют сероводород и другие неорганические соединения для получения энергии. Это позволяет им существовать в экстремальных условиях, где другие формы жизни не могут выжить.
Некоторые исследователи подчеркивают, что хемосинтетические бактерии являются основой пищевых цепей в таких экосистемах, обеспечивая питательными веществами более сложные организмы. Кроме того, их способность к биодеградации и участию в циклах элементов делает их важными для экологии. Обсуждая хемосинтез, люди также отмечают его потенциальное применение в биотехнологии, например, в очистке сточных вод или производстве биотоплива. В целом, хемосинтез бактерий открывает новые горизонты для понимания жизни на Земле и за ее пределами.
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.
-
Читайте также:
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).
Сходные процессы
Ученые исследовали хемосинтез на меченом углекислом газу (14CO2), действуя с различными видами бактерий. В результате этого была получена фосфоглицериновая кислота. Ее образование вызвано наличием в бактериальных клетках рибулозодифосфата, стимулирующего ассимиляционный процесс в 14CO2. Таким образом, было выяснено, что хемосинтез подобен процессам фотосинтеза в присоединении диоксида углерода к рибулозодифосфату – основному механизму ассимиляции CO2.
Вопрос-ответ
В чем особенность хемосинтеза?
Хемосинтез – процесс синтеза органических соединений из неорганических, но осуществляется он не за счет энергии света, как фотосинтез, а за счет химической энергии, получаемой при окислении неорганических веществ (серы, сероводорода, железа, аммиака, нитрита и др.).
- Использование энергии окисления неорганических веществ – ключевая особенность хемосинтеза (в отличие от фотосинтеза, где используется световая энергия).
Что делают хемосинтезирующие бактерии?
Хемосинтезирующие бактерии — единственные организмы, способные производить кислород в океанах Земли. Они делают это, используя сероводород и железо для производства необходимого им кислорода. Поэтому они являются узкоспециализированными организмами, которым для выживания требуются особые условия и минералы.
Каковы примеры хемосинтезирующих бактерий?
Примерами хемосинтезирующих организмов являются сероокисляющие бактерии (например, Beggiatoa), нитрифицирующие бактерии, которые преобразуют аммиак в нитраты в почве, и метанотрофы, которые метаболизируют метан.
Советы
СОВЕТ №1
Изучите основные типы хемосинтетических бактерий, такие как нитрифицирующие, серобактерии и железобактерии. Понимание их роли в экосистемах поможет вам лучше осознать важность хемосинтеза в природе.
СОВЕТ №2
Обратите внимание на условия, в которых хемосинтетические бактерии могут существовать. Например, они часто обитают в экстремальных средах, таких как глубоководные гидротермальные источники или соленые озера, что подчеркивает их адаптивные способности.
СОВЕТ №3
Исследуйте применение хемосинтетических бактерий в биотехнологии и экологии. Эти микроорганизмы могут быть использованы для очистки загрязненных водоемов или в процессе биоремедиации, что делает их важными для устойчивого развития.
СОВЕТ №4
Следите за новыми исследованиями в области микробиологии и экологии, чтобы быть в курсе последних открытий о хемосинтетических бактериях. Научные публикации и конференции могут предоставить вам актуальную информацию и новые перспективы в этой области.
