Превращения серы, фосфора, железа,

Превращения серы

Сера – важная составная часть живой клетки. Сера входит в состав цистеина, цистина, метионина, тиамина, биотина, коферментов, а также некоторых антибиотиков и внутриклеточных запасных веществ микроорганизмов. Сера вовлекается во множество химических реакций, из которых большинство в природных условиях осуществляется микроорганизмами. Естественный цикл серы показан на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Схема круговорота серы в природа

Гниение. После отмирания животных, растений и микроорганизмов белки их тела подвергаются гниению. Как показано в (4.8) и (4.11), аммонифицирующие микроорганизмы разлагают серосодержащие аминокислоты с образованием сероводорода и меркаптанов, которые также окисляются до Н₂S.

Большое количество сероводорода отрицательно влияет на развитие различных организмов в водоемах, может приводить к заморным явлениям, делает воду непригодной для питья.

Черная окраска илов морей, океанов, озер, прудов, как правило, обусловлена образованием сульфидов, образованных в результате обменных реакций сероводорода с соединениями железа:

2 FeCl₃ + 3 Н₂S → 6HCl + Fe₂S₃, (4.18)

FeSO₄ + Н₂S → Н₂SО₄ + FeS (4.19)

Микроорганизмы, способные использовать неорганические соединения серы в энергетическом метаболизме, широко распространены в природе. Их можно разделить на бактерии, окисляющие Н₂S.и серу, и бактерии, восстанавливающие окисленные соединения серы.

Окисление сероводорода и серы. В природных условиях постоянно происходит окисление сероводорода под влиянием микроорганизмов. Серобактерии окисляют сероводород в два этапа. Сначала окисление происходит по реакции:

2 Н₂S + О₂ → 2 Н₂О + 2 S + Эн. (4.20)

Выделяющаяся сера накапливается в виде капелек в клетках серобактерий (дифференциальный признак), и является для них запасным энергетическим материалом.

При недостатке в среде сероводорода наступает второй этап - происходит постепенное окисление запасенной серы в серную кислоту:

2 S + 3 О₂ + 2 Н₂О → 2 Н₂SО₄ + Эн. (4.21)

Кислота нейтрализуется бикарбонатами клетки и выделяется в виде сернокислых солей, которые хорошо усваиваются растениями. В растениях сера этих солей идет на синтез соединений, содержащих серу.

Пурпурные серобактерии. Среди них встречаются облигатные фотолитоавтотрофы, которые используют сероводород в качестве донора водорода для восстановления диоксида углерода по реакции (3.4), а также миксотрофы, использующие в определенных условиях органические вещества ы качестве источника углерода и энергии. Это в основном водные микроорганизмы. Они развиваются в водоемах с содержанием Н₂S 20…100 мг/л и выше, что обеспечивает им анаэробные условия существования. Могут встречаться в почве, но там их роль невелика.

Бактерии представляют собой грамположительные крупные монотрихи или гигантские спириллы (рисунок 4.8), имеются и другие формы. Внутри клеток обязательно содержатся капельки серы, образовавшейся при окислении сероводорода, которая далее может окисляться до серной кислоты. Содержатся также скопления другого запасного вещества - поли-β-оксибути-рата, который может вовлекаться в обмен веществ в качестве источника энергии. У многих пурпурных серобактерий имеются газовые вакуоли. На поверхности особых пузырьков, образованных за счет разрастаний внутрь клеток цитоплазматической мембраны (хроматофоры), располагаются пигменты (бактериохлорофиллы а и b, каротиноиды). Массовое развитие этих бактерий часто приводит к образованию пурпурных налетов на иле или окрашенных слоев воды в водоеме.

Рисунок 4.8 – Пурпурные серобактерии

Зеленые серобактерии – этооблигатные анаэробы и фотолитоавтотрофы. Они представляют собой мелкие одиночные или в виде скоплений неподвижные грамотрицательные палочки (рисунок 4.9). Сера не откладывается внутри клеток, но может накапливаться вне клеток. Пигменты (с бактериохлорофиллы с, d и e) сосредоточены в вытянутых плоских пузырьках – везикулах, расположенных по периферии клетки непосредственно под ЦПМ.

Рисунок 4.9 – Зеленые серобактерии

Бесцветные серобактерии являются хемолитотрофами. Они бывают одноклеточными и нитчатыми грамотрицательными бактериями (рисунок 4.10), являются обитателями водоемов, содержащих сероводород. Особенно много их в загрязненных водоемах и серных источниках.

Нитчатые бактерии способны к скользящему движению. Они образуют длинные нити – трихомы, состоящие из ряда плоских цилиндрических клеток, прикрепленных или не прикрепленных к субстрату Способность этих микроорганизмов к хемосинтезу была впервые обнаружена в 1887 г С.Н. Виноградским на примере бактерий рода Beggiatoa. Одноклеточные серобактерии – это либо гигантские (размером более 10 мкм) неподвижные клетки (род Achromatium), либо мелкие подвижные спириллы (род Thospira)

Рисунок 4.10 – Бесцветные серобактерии

1 – Beggiatoa mirabilis; 2 –Thiothrix nivea; 3 –Achromatium oxaliferum; 4 –Thospira winogradskii

Тионовые бактерии (греч. theion – сера) – обычно название применимо в отношении бактерий рода Thiobacillus. Это неспорообразующие грамотрицательные небольшие (0,5…4 мкм) палочки, многие виды подвижны. Хемолитотрофы, мезофилы, есть ацидофильные виды и виды, предпочитающие нейтральную или щелочную среду. Есть галофильные штаммы. Большинство тиобациллы – типичные автотрофы, но для развития некоторых видов одновременно с неорганическим донором электронов требуются органические источники углерода.

Тионовые бактерии – облигатные аэробы, за исключением T. denitrificans, который является факультативным анаэробом, переключающимся в анаэробных условиях на денитрификацию, протекающую сопряжено с окислением серы или ее соединений.

Некоторые виды тионовых бактерий способны окислять также диметилсульфид (СН₃SСН₃), диметилдисульфид (СН₃SSСН₃), роданиты, сульфиды тяжелых металлов. Так, T. ferrooxibans может получать энергию путем окисления восстановленных соединений серы и двухвалентного железа.

Тиобациллы широко распространены в водоемах, почве, рудных месторождениях. Кроме серы, они участвуют в круговороте других элементов. Их жизнедеятельность связана с бактериальным выщелачиванием металлов из руд, аэробной коррозией металлов, бетонных сооружений.

Десульфатация. Это процесс восстановления сульфатов до сероводорода десульфатирующими (сульфатредуцирующими) бактериями. Схематически процесс восстановления можно представить следующим образом:

+ 2Н + 2Н +2Н +2Н

Н₂SО₄ → Н₂SО₃ → Н₂SО₂→ Н₂SО → Н₂S (4.22)

Сульфатредуцирующие бактерии являются строгими анаэробами и гетеротрофами. Наиболее распространенны представители родов Desulfovibrioи Desulfotomaculum.

Бактерии рода Desulfovibrio представляют собой неспорообразующие грамотрицательные очень подвижные вибрионы, рода Desulfotomaculum– грамотрицательные подвижные спорообразующие палочки. В качестве доноров водорода для восстановления сульфатов эти бактерии используют органические вещества (пируват, лактат, спирты, аминокислоты), некоторые виды окисляют молекулярный водород. Восстановление сульфата при сопряженном окислении пирувата идет по следующей реакции:

4 СН₃СОСООН + Н₂SО₄ → 4 СН₃СООН + 4 СО₂ + Н₂S (4.23)

Основное количество сероводорода в водоемах образуется благодаря сульфатредуцирующим бактериям. Например, в Черном море лишь 0,4…0,6% общего количества сероводорода образовалось из серосодержащих белков, а 94…96% его выделено сульфатредуцирующими бактериями из сульфатов морской воды. Сульфатредуцирующих бактерий часто развиваются совместно с аэробными слизеобразующими бактериями, которые, потребляя кислород, обеспечивают анаэробные условия сульфатредуцирующим бактериям. Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании лечебной грязи, сероводородных лечебных вод, образовании серных месторождений, сбраживании осадков сточных вод. Однако их деятельность часто приносит вред, так как они участвуют в коррозии металлов, ухудшают качество нефти.