Какие организмы осуществляют хемосинтез

Обновлено: 02.05.2024

Хемоси́нтез (хемо и синтез) — процесс образования некоторыми бактериями органических веществ из диоксида углерода за счет энергии, полученной при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы, ионов железа и других). Хемосинтезирующие бактерии, наряду с фотосинтезирующими растениями и микробами, составляют группу автотрофных организмов. Хемосинтез открыт в 1887 году С. Н. Виноградским.

При хемосинтезе источником энергии служит не солнечный свет, а окисление неорганических соединений. Донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества. Энергия, образовавшаяся в реакциях окислении, запасается в бактериальных клетках в форме АТФ.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ. Все эти процессы представляют собой экзотермические реакции. Выделяемая энергия используется бактериями-хемосинтетиками для восстановления СО₂ и синтеза органических соединений.

Типы бактерий-хемосинтетиков

Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактерии окисляют образующиеся при гниении органических остатков аммиак до нитрита, а затем до нитрата.

Все нитрифицирующие бактерии одноклеточные, неспорообразующие, по Граму окрашиваются отрицательно, оптимум развития лежит в температуре 25-30º и pH 7, 5–8, 0. Размножение происходит делением, только у рода Nitrobacter наблюдается почкование.

Все известные аммонийокисляющие бактерии — облигатные автотрофы: они используют окисление аммония для получения энергии. Углекислота, ассимиляция которой осуществляется через цикл Кальвина, служит основным источником углерода. Они способны окислять метан и окись углерода в отличие от нитритокисляющих бактерий.

Нитритокисляющие бактерии подразделяются на четыре рода: Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira, Nitrospina. Некоторые из них обладают как хемотрофным, так и гетеротрофным типом обмена.

Нитрифицирующие бактерии относятся к самой распространенной группе хемолитотрофных микроорганизмов в природе, что связано с наличием восстановленных форм азота в различных экосистемах. Наиболее широко распространены аммонийокисляющие бактерии, так как могут использовать дополнительные источники энергии окисления CH₄ и CO, а возможно и NO₂ — как акцептор электронов.

Нитрифицирующие бактерии развиваются в почвах, рыхлых горных породах, термальных источниках, в морской и пресной воде, в илах.

Нитрифицирующие бактерии послужили фактором образования залежей селитры. Они участвуют в процессах выветривания горных пород и каменных сооружений. Огромную роль играют в процессе почвообразования. Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв. Также благодаря научным работам 1980-х годов по другому оценивают геохимическую роль нитрифицирующих бактерий в превращении газов в природе.

В практических целях использовать нитрифицирующие бактерии пытаются для очистки сточных вод, в технологиях обогащения полезных ископаемых — для извлечения марганца и добычи угля.

Сероредуцирующие бактерии

Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в бактериальных клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

Способность к росту за счет восстановления элементной серы свойственна представителям различных физиологических групп бактерий, которые при всей неоднородности разделяются на две большие категории — мезофильные эубактерии и экстремально термофильные архебактерии. Для первых источником серы служит биогенный сероводород, например, в таких биоценозах, как бактериальные маты озера Севаш. Много серобактерий обитает в Черном море, в котором глубже 200 м вода насыщена сероводородом.

Серобактерии, образуя серную кислоту, способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, разрушению каменных и металлических сооружений; выщелачивают руды и серные месторождения.

Экстремально термофильные архебактерии развиваются в гидротермах, где сера имеет вулканическое происхождение.

Железобактерии

Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, обитают как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и марганца.

Водородные бактерии

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков:

Значение хемосинтеза для биосферы

Хотя вклад хемосинтетиков в аккумуляцию энергии и синтез органических веществ на Земле невелик по сравнению с фотосинтетиками, они имеют огромное экологическое значение, участвуя в круговороте веществ в биосфере.

Хемосинтетики служат не только источником органического вещества на планете, то есть продуцентами, но также делают доступными и для растений, и для других организмов целый ряд неорганических веществ.

На корнях бобовых растений поселяются нитрифицирущие бактерии. Хемосинтезирующие прокариоты этой группы окисляют аммиак до азотной кислоты. Эта реакция осуществляется в несколько этапов с образованием промежуточных веществ. В почве находятся также азотфиксирующие бактерии. Они поселяются на корнях бобовых растений. Внедряясь в ткани подземного органа, они образуют характерные утолщения. Внутри таких образований создается благоприятная среда для протекания хемосинтеза. Симбиоз растений с клубеньковыми бактериями является взаимовыгодным. Первые обеспечивают прокариот органикой, полученной в ходе фотосинтеза. Бактерии же способны фиксировать атмосферный азот и переводить его в форму, доступную для растений.

Почему данный процесс имеет такое важное значение? Ведь в атмосфере концентрация азота достаточна велика и составляет 78%. Но в таком виде растения не могут усваивать это вещество

А азот необходим растениям для развития корневой системы. В этой ситуации на помощь и приходят клубеньковые бактерии, которые превращают его в нитратную и аммонийную форму.

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.

Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
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.
Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
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

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.

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…

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)

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:

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”.

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 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.

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

примеры воспросов ЕГЭ по теме
вопросы ОГЭ

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

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

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).

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.

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.

Особенности хемосинтезирующих бактерий

Выполнили: Гуляев Иван; Дружинин Михаил Руководитель: Агапова У.В., учитель биологии

Хемосинтез — тип питания многих прокариотов, основанный на усвоение углекислого газа за счет процессов окисления неорганических соединений.

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие , водородные , железобактерии , серобактерии и др.

На земной поверхности молекулярный водород, да еще вместе с кислородом, встречается редко. Именно поэтому распространение хемосинтезирующих бактерий в природе весьма ограничено.

Нитрифицирующие бактерии , встречающиеся в жирной почве, навозе, окисляют аммоний ( комплексный неорганический катион) до нитрита, а нитрит – до нитрата. Они завершают распад органических азотистых веществ, возвращая азот в соединения, усваиваемые растениями. В то же время удаляется аммиак – неизбежный продукт разложения белков .

Тионовые бактерии — серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.).

Это мелкие, палочковидные, в большинстве подвижные грамотрицательные бактерии. Строгие аэробы, за исключением нескольких видов, которые могут развиваться и в анаэробных условиях.

Тионовые бактерии широко распространены в водоёмах, почве, рудных месторождениях. Участвуют в круговороте серы и многих других элементов.

С их жизнедеятельностью связано бактериальное выщелачивание металлов из руд, концентратов и горных пород, аэробная коррозия металлов, разрушение бетонных сооружений и т. д.

Водородные бактерии , бактерии, получающие для роста энергию в результате окисления молекулярного водорода постоянно образующимся при анаэробном разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.

Присутствуют в разных почвах и во многих водоёмах, способны расти за счёт окисления водорода в аэробных условиях, и используют образующуюся при этом энергию для усвоения углерода.

К ним относятся представители более 30 систематических групп.

Суть автотрофного питания

Хемосинтезирующие бактерии, примеры которых будут рассмотрены в нашей статье, самостоятельно производят органические вещества. Они являются автотрофами, подобно растениям. Однако последние используют для этого энергию солнечного света. Наличие зеленых пластид хлоропластов позволяет им осуществлять процесс фотосинтеза. Его суть заключается в образовании углевода глюкозы из неорганических веществ — воды и углекислого газа. Еще одним продуктом данной химической реакции является кислород. Бактерии также являются автотрофами. Но для получения энергии им не нужен солнечный свет. Они осуществляют другой процесс — хемосинтез.

Хемосинтез – это превращение неорганических углеродсодержащих соединений в органические вещества, такие как сахара и аминокислоты, Хемосинтез использует энергию неорганических химических веществ для выполнения этой задачи.

После прохождения электронов через цепь переноса электронов источник химического топлива появляется в другой форме. Газообразный сероводород, например, превращается в твердую элементарную серу плюс воду.

Сегодня хемосинтез используется микробами, такими как бактерии и археи. Поскольку один только хемосинтез менее эффективен, чем фотосинтез или клеточное дыхание, его нельзя использовать для питания комплекса многоклеточный организмы.

Несколько многоклеточных организмов живут в симбиотических отношениях с хемосинтетическими бактериями, что делает их частичным источником энергии. Гигантские трубчатые черви, например, содержат хемосинтетические бактерии, которые снабжают их сахарами и аминокислотами.

Однако эти трубчатые черви частично зависят от фотосинтеза, потому что они используют кислород (продукт фотосинтезирующих организмов), чтобы сделать их хемосинтез более эффективным.

Уравнение хемосинтеза

Есть много разных способов достижения хемосинтеза. Уравнение для хемосинтеза будет выглядеть по-разному в зависимости от того, какой химический источник энергии используется. Однако все уравнения для хемосинтеза обычно включают в себя:

Углеродсодержащее неорганическое соединение, такое как диоксид углерода или метан. Это будет источником углерода в органической молекуле в конце процесса.
Химический источник энергии, такой как газообразный водород, сероводород или двухвалентное железо.

Органическое соединение, такое как сахар или аминокислота.
Преобразованная версия источника энергии, такая как элементарная сера или трехвалентное железо.

Обычно используемый пример уравнения для хемосинтеза показывает превращение диоксида углерода в сахар с помощью сероводорода:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (молекула сахара) + 6H2O + 12S

Это уравнение иногда сводится к простейшему соотношению ингредиентов. Это показывает относительные пропорции каждого ингредиента, необходимого для реакции, хотя он не улавливает полное количество сероводорода и диоксида углерода, необходимое для создания одной молекулы сахара.

Сокращенная версия выглядит так:

2H2S + CO2 → CH2O (молекула сахара) + H2O + 2S

Функция хемосинтеза

Хемосинтез позволяет организмам жить, не используя энергию солнечного света и не полагаясь на другие организмы в пищу.

Подобно хемосинтезу, он позволяет живым существам делать больше самих себя. Превращая неорганические молекулы в органические молекулы, процессы хемосинтеза превращают неживую материю в живую материю.

Сегодня он используется микробами, живущими в глубоких океанах, где солнечный свет не проникает; но он также используется некоторыми организмами, живущими в солнечной среде, такими как железные бактерии и некоторые почвенные бактерии.

Некоторые ученые считают, что хемосинтез может использоваться жизненными формами в бесснежных внеземных средах, таких как океаны Европы или подземные среды на Марсе.

Было высказано предположение, что хемосинтез, возможно, на самом деле был первой формой метаболизма на Земле, причем фотосинтез и клеточное дыхание развивались позднее, когда формы жизни становились более сложными. Возможно, мы никогда не узнаем наверняка, так ли это, но некоторые ученые считают, что интересно рассмотреть вопрос о том, был ли солнечный свет или химическая энергия первым источником энергии для жизни на Земле.

Типы Хемосинтетических Бактерий

Серные бактерии

Приведенный выше пример уравнения для хемосинтеза показывает, что бактерии используют соединение серы в качестве источника энергии.

Бактерии в этом уравнении потребляют газообразный сероводород (12H2S), а затем образуют твердую элементарную серу в качестве отходов (12S).

Некоторые бактерии, использующие хемосинтез, используют вместо элементарного сероводорода элементарную серу или более сложные соединения серы в качестве источников топлива.

Металлические ионные бактерии

Наиболее известным типом бактерий, которые используют ионы металлов для хемосинтеза, являются железные бактерии.

Железные бактерии могут на самом деле представлять проблему для систем водоснабжения в богатых железом средах, поскольку они поглощают растворенные ионы металлов в почве и воде – и образуют нерастворимые комки железообразного трехвалентного железа, которые могут испачкать сантехнику и даже забить их.

Однако железные бактерии – не единственные организмы, которые используют ионы металлов в качестве источника энергии для хемосинтеза. Другие типы бактерий используют мышьяк, марганец или даже уран в качестве источников электронов для своих цепей переноса электронов!

Азот Бактерии

Азотные бактерии – это любые бактерии, которые используют соединения азота в своем метаболическом процессе. В то время как все эти бактерии используют электроны из соединений азота для создания органических соединений, они могут оказывать очень различное влияние на их экосистема в зависимости от того, какие соединения они используют.

Азотные бактерии обычно можно разделить на три класса:

1. Нитрифицирующие бактерии:

Нитрифицирующие бактерии растут в почвах, содержащих аммиак. Аммиак является неорганическим азотным соединением, токсичным для большинства растений и животных, но нитрифицирующие бактерии могут использовать его в пищу и даже превратить в полезное вещество.

Нитрифицирующие бактерии забирают электроны из аммиака и превращают аммиак в нитриты и, в конечном итоге, нитраты. Нитраты необходимы для многих экосистем, потому что большинство растений нуждаются в них для производства незаменимые аминокислоты.

Нитрификация часто представляет собой двухэтапный процесс: одна бактерия преобразует аммиак в нитрит, а затем другая бактерия вид превратит этот нитрит в нитрат.

Нитрифицирующие бактерии могут превратить иные враждебные почвы в плодородную почву для растений, а затем и для животных.

2. Денитрифицирующие бактерии:

Денитрифицирующие бактерии используют нитратные соединения в качестве источника энергии. В процессе они разлагают эти соединения на формы, которые растения и животные не могут использовать.

Это означает, что денитрифицирующие бактерии могут быть очень большой проблемой для растений и животных – большинство растение виды нуждаются в нитратах в почве, чтобы производить необходимые белки для себя и для животных, которые их едят.

Денитрифицирующие бактерии конкурируют за эти соединения и могут истощать почву, что приводит к ограниченной способности растений расти.

3. Азотфиксирующие бактерии:

Эти бактерии очень полезны для экосистем, в том числе для сельского хозяйства человека. Они могут превращать газообразный азот – который составляет большую часть нашей атмосферы – в нитраты, которые растения могут использовать для производства основных белков.

Исторически проблемы с плодородием и даже голод возникали, когда почва истощалась от нитратов из-за естественных процессов или чрезмерного использования сельскохозяйственных угодий.

Многие культуры научились сохранять плодородие почвы, чередуя азотосодержащие культуры с азотфиксирующими культурами.

Секрет азотфиксирующих культур заключается в том, что сами растения не фиксируют азот: вместо этого они имеют симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии часто растут в колониях вокруг корней растений, выделяя нитраты в окружающую почву.

Современные удобрения часто изготавливаются из искусственных нитратов, как и те соединения, которые образуются азотфиксирующими бактериями.

Methanobacteria

Как археабактерии, так и настоящие бактерии являются одноклеточными прокариотами, что означает, что они выглядят очень похоже под микроскопом. Но современные методы генетического и биохимического анализа показали, что между ними существуют важные химические различия: археабактерии используют много химических соединений и обладают многими генами, которых нет в бактериях. царство.

Метанобактерии живут в различных средах, в том числе в вашем собственном теле! Метанобактерии обнаруживаются на дне океана, в болотах и заболоченных землях, в желудках коров – и даже в желудках человека, где они расщепляют некоторые сахара, которые мы не можем переварить, чтобы произвести метан и энергию.

викторина

1. Что из следующего НЕ относится к хемосинтезу?A. Это процесс использования энергии химических веществ для создания органических соединений.B. Это не может быть завершено без энергии солнечного света.C. Он использует цепь переноса электронов для извлечения энергии из электронов.D. Это требует как исходного соединения углерода, так и источника химической энергии.

Ответ на вопрос № 1

В верно. Хемосинтез НЕ требует энергии от солнечного света. По этой причине его могут использовать организмы в бессветовых экосистемах, таких как дно океана.

2. Что из следующего НЕ верно для уравнения хемосинтеза?A. Это требует углеродсодержащего неорганического соединения, такого как диоксид углерода, на стороне реагента.B. Это требует источника химической энергии на стороне реагента.C. Это заканчивается органической молекулой, такой как сахар, на стороне продукта.D. Это заканчивается преобразованной версией химического источника энергии на стороне продукта.E. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 2

Е верно. Все вышеперечисленное является особенностями уравнения хемосинтеза.

3. Что из перечисленного НЕ является типом хемосинтетических бактерий?A. Железные бактерииB. Метан-продуцирующие бактерииC. Серные бактерииD. Азотфиксирующие бактерииE. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 3

Е верно. Все вышеперечисленное относится к типам хемосинтетических бактерий.

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. Виноградскому. Именно он открыл процесс хемосинтеза в $1887$ году. К хемосинтетикам принадлежат некоторые группы бактерий: нитрифицирующие, железобактерии, бесцветные серобактерии и др.

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.

Готовые работы на аналогичную тему

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

Рассмотрим механизм хемосинтеза детальнее. Бактерии, не имеющие хлорофилла, оказались тоже способными к автотрофному типу питания. Способ, с помощью которого они получают энергию для своих реакций синтеза, принципиально иной, чем у растительных клеток. Как уже упоминалось выше, этот тип обмена открыл и описал российский ученый С. Н. Виноградский в $1887$ году.

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.

Большая часть жизни на Земле зависит от фотосинтеза — процесса, посредством которого растения производят энергию из солнечного света. Однако на гидротермальных жерлах в глубоководных районах океана в отсутствие солнечного света сложилась уникальная экосистема, и источник её энергии хемосинтез — процесс получения органических веществ из углекислого газа и воды с использованием химической энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ.

Процесс реакции
Хемосинтезирующие бактерии
Другие виды
Экосистемы и кислотность воды
Особенности превращения
Роль в природе
Значение в молекулярной нанотехнологии

Процесс реакции

Организмы, способные проводить такие реакции, — хемоавтотрофы. Это эволюционно более первичный тип, что уступил место фотосинтезу из-за его меньшей производительности и ограниченного доступа к энергетическим ресурсам. Он имеет значение в биогеохимических циклах биологически важных элементов, а его участие в производстве первичной биомассы незначительно.

Явление хемосинтеза было открыто в Париже в 1887 году, когда Сергей Виноградский наблюдал бактерии Beggiatoa, растущие в условиях отсутствия органического вещества. Хемосинтез можно разделить на 2 этапа:

Преобразование энергии в результате окисления субстратов, содержащихся в окружающей среде с помощью атмосферного кислорода и использование его для создания силы, направленной в виде NADH и АТФ.
Этап усвоения и понижения выбросов СО2.

Хемосинтезирующие бактерии

Хемолитотрофы используют в качестве источника энергии неорганические субстраты: соединения серы, азота, железа и водорода. Серные бактерии присутствуют в солёных и морских водах, богатых серными соединениями, в источниках или донных осадках и водах канализации. Субстратами для них являются сероводород, тиосульфат и в зависимости от этого возникает различное количество энергии:

H2S + 2O2 → 2H+ + SO42- + 789 кдж∙моль-1.
S0 + H2O + 11/2O2 → 2H+ + SO42- + 587 кдж∙моль-1.
Na2S2O3 + H2O + 2O2 → 2H+ + 2в+ + 2SO42- + 411 кдж∙моль-1.

Бактерии, которые используют сероводород, например, Thiothrix или Beggiatoa окисляются сначала до молекул серы в соответствии с реакцией: H2S + ½O2 → S0 + H2O + 210 кдж∙моль-1.

Водородные бактерии встречаются в почве и могут использовать экологический воздух для получения энергии, необходимой жизненным процессам. Сюда относятся 2 группы организмов:

Первая включает в себя виды, акцептором которых является кислород, а конечным продуктом окисления — вода. Примеры: Hydrogenomonas, Mycobacterium и Nocardia. Реакции проходят в соответствии со следующим уравнением: H2 + ½O2 → H2O + 237 кдж∙моль-1.
Ко второй группе относятся виды, живущие в анаэробных условиях, использующие в качестве приёмника электронов соединения, отличные от кислорода, например, Micrococcus denitrificans, который использует нитраты. Железистые бактерии энергию для жизненных процессов приобретают через окисления ионов Fe2+ до Fe3+: 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3 + 4CO2 + 11 кдж∙моль-1.

Ион Fe2+ проявляет стойкость в присутствии воздуха только в кислой среде. В pH проходит до Fe3+, который истребляет из раствора в виде Fe (OH)3. По этой причине ферритовые бактерии встречаются в подкисленных средах, где ионы железа демонстрируют большую стабильность.

Бактерии нитрифицирующие встречаются в почве и водоёмах, а энергию для жизненных процессов получают из окисления азота в форме NO3 — или NO2-.

Другие виды

Бактерии этих видов окисляют аммиак до нитрита уравнением: NH3 + 11/2O2 → NO2- + H+ + H2O + 271 кдж∙моль-1. Аммиак превращается в промежуточный продукт — гидроксиламин (NH2OH) с участием фермента монооксигеназы аммиака, а этот окисляется в нитрит оксидоредуктазой гидроксиламина.

На следующем этапе бактерии из рода Nitobacter окисляют нитрит до нитрата: NO2- + ½O2 → + NO3- + 77 кдж∙моль-1. Бактерии нитрифицирующие играют особенно большую роль в круговороте азота в природе и являются важным фактором в экономике сельского хозяйства. Преобразуют характерный основной аммиак, что появляется при разложении органических веществ в нелетучие нитраты, и обогащают почву дефицитными соединениями азота.

Хемоорганотрофы — бактерии, которые получают энергию от окисления простых моноуглеродных органических соединений: метана, метанола, с использованием атмосферного кислорода в качестве акцептора электронов. К этой группе относятся: Methylobacter, Methylocystis или Methanomonas. Поскольку они являются обязательными аэробами, то встречаются в среде, где присутствуют источники углерода и кислорода. Одной из групп побочных метилтрофов являются метанотрофы, окисляющие метан в углекислый газ. Эта реакция протекает постепенно, в соответствии с уравнениями:

CH4 + ½O2 → CH3OH → CHOH + 2H + 77.
CHOH + H2O → HCOOH + 2H HCOOH → CO2 + 2H + 77.

Метилтрофы в качестве источника углерода могут использовать метанол или формальдегид, в которых углерод находится на низкой степени окисления, чем в CO2 (в связи с этим не могут ассимилировать). Это не относится к отличию классических автотрофов. Исключением является Pseudomonas oxalaticus, что окисляет формиат с CO2, который используется затем в качестве источника углерода для синтеза собственных органических соединений.

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.

Особенности превращения

Рассмотрение функции процесса хемосинтеза через составление окислительных реакций помогает определить, как организмы могут жить без использования энергии солнечного света и других способов питания. А также это позволяет понять, как происходит превращение неорганических молекул в органику, неживой материи в живую. Хемотрофы — организмы, получающие энергию в результате хемосинтеза.

Сегодня реакция может заключаться в активности и используется микробами, живущими в глубоких океанах, куда не проникает солнечный свет, но также и некими организмами, живущими в солнечной среде, такими как почвенные бактерии. Некоторые учёные считают, что хемосинтез может быть использован жизненными формами в бессолнечной внеземной среде, такой как океаны Европы или подземные почвы на Марсе.

Значение хемосинтеза трудно переоценить — возможно, он был первичной частью метаболизма на Земле, с фотосинтезом и клеточным дыханием, эволюционирующими позже, когда формы жизни стали более сложными. Нельзя узнать наверняка так ли это, но некоторые учёные считают интересным открыть и рассмотреть, был ли солнечный свет или химическая энергия первым запуском жизни на Земле.

Роль в природе

Этот процесс происходит как фотосинтез, и он не играет большой роли в производстве органических соединений из-за возникновения большинства бактерий в эконишах. Однако понятно, что он имеет большое значение в циркуляции элементов и превращении неорганических соединений в усваиваемые формы для других организмов, особенно растений.

Важную роль выполняют нитрифицирующие бактерии продуценты из рода Nitrosomonas и Nitrobacter, присутствующие в почве и окисляющие аммиак до нитратов. Вторым типом по важности характеристики являются серные бактерии окисляющие соединения в сульфаты, доступные для питания растений.

Значение в молекулярной нанотехнологии

Читайте также: