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 → Н24 + 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 Н24 + 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

Н24 → Н23 → Н22→ 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 + Н24 → 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.






Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 2270; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2022 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.034 сек.