КРУГОВОРОТ СЕРЫ В ПРИРОДЕ
Сера входит в состав ряда аминокислот (цистеин, цистин, метионин), витаминов группы В (биотин, тиамин), много ее в волосах
и перьях. Минерализацию серы осуществляют микробы, которые
в аэробных условиях доводят ее до сульфатов, а в анаэробных - восcтанавливают серосодержащие белки до сероводорода и частично до меркаптонов.
Восстановленные соединения серы окисляют автотрофные (фотолитотрофы, хемолитотрофы) микробы.
Среди них различают: нитчатые, тионовые и фотосинтезирующие.
Нитчаные хемолитотрофные серобактерии из родов Beggiatoa, Thiotrix, Achromatium и Thioploca - аэробы, окисляют сульфиды до сульфатов. Промежуточным продуктом является элементарная сера,
в виде шариков накапливающаяся в клетках.
Тионовые хемолитотрофные серобактерии представлены в основном родом Thiobacillus - грамотрицательные, неспорообразующие, подвижные палочки окисляют серу и ее соединения (сероводород, сульфиды и т. д.).
Фотосинтезирующие зеленые и пурпурные серобактерии из семейств Chromatiaceae (ранее Thiorhodaceae), Chlorobiaceae и Rhodospi-rillaceae (ранее Achromatiaceae) - фотолитотрофы, в анаэробных условиях окисляют сероводород до серы, которая затем превращается
в сульфаты. Имеют округлую, палочковидную или извитую форму.
Способностью окислять серу в присутствии органических веществ обладают и некоторые гетеротрофы (Bacillus subtilis и другие), актиномицеты, дрожжи.
В данном учебном пособии представлена методическая документация, которая предназначена для модульно-рейтинговой технологии изучения основ микробиологического превращения соединений серы.
Общие сведения
В микробиологическом превращении соединений серы принимают участие различные группы микроорганизмов. Минерализацию органических соединей серы осуществляют многие неспецифические гетеротрофные микроорганизмы, обладающие протеолитическими ферментами. Наиболее активны бактерии родов Proteus, Bacillus, Arthrobacter и грибы родов Aspergillus и Microsporium.
Цикл трансформации соединений серы включает окислительные и восстановительные звенья, основную роль в которых играют микроорганизмы (рисунки 2.1.1, 2.1.2).
Основоположниками направления микробиологии, связанного
с биотрансформацией основных биогенных элементов, в частности серы, являются и М. Бейеринк. , положившие в основу микроэкологический принцип, выделил из почвы микроорганизмы, представляющие совершенно новый тип жизни - хемолитотрофы, получающие энергию в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы и молекулярного водорода. М. Бейеринку принадлежат первые работы по изучению процесса сульфатредукции. В 1904 году им были выделены в чистую культуру тионовые бактерии и отнесены к роду Thiobacillus.
Сера органических соединений | ||
Ассимиляция (растения) Иммобилизация | Минерализация (аммонификаторы) | |
SO42- | Восстановление (сульфатредуцирующие) | H2S |
Окисление (серные тионовые бактерии) | Окисление (бесцветные и фотосинтезирующие серобактерии) | |
S0; SO32-; S2O32- | ||
Рисунок 2.1.1 - Схема биологического цикла серы
(по и др., 1985) [13]
Sx молекулярная | (I) | 2 | SO32-; S2O32- |
1 (I) | 7 (II) | 3 (I) | |
S2- | (II) | 5 | SO42- |
6 | 4 | ||
(III) | Органические | (II) |
(I) - восстановительные процессы; (II) - без перемены
валентности серы; (III) - окислительные процессы.
Возбудители процессов: 1 - бесцветные серобактерии, тионовые
(в аэробных условиях) и фотосинтезирующие серные бактерии
(в анаэробных условиях); 2,3 - тионовые бактерии, архебактерии;
4 - все микроорганизмы и растения (ассимиляция); 5 - сульфатредуцирующие бактерии; 6 - термоацидофильные анаэробные бактерии;
7 - облигатно термофильные анаэробные клостридии
Рисунок 2.1.2 - Цикл превращения серы [6]
Начиная с работ и М. Бейеринка, интерес ученых к процессам микробиологического превращения соединений серы не угасал, что послужило поводом для открытия новых сероокисляющих и сульфатредуцирующих микроорганизмов, входящих в различные семейства и роды. Наиболее известные из них представлены
в данном учебном пособии.
- Нитчатые хемолитотрофные серобактерии из родов Beggiatoa, Thiotrix, Achromatium и Thioploca - аэробы, окисляют сульфиды до сульфатов. Тионовые хемолитотрофные серобактерии представлены в основном родом Thiobacillus окисляют серу и ее соединения (сероводород, сульфиды и т. д.). Среди этого обширного и гетерогенного рода встречаются виды, у которых акцептором водорода при окислении соединений серы в аэробных условиях выступает молекулярный кислород (Thiobacillus thiooxidans), а в анаэробных условиях - азот нитратов (Thiobacillus denitrificans). Фотосинтезирующие зеленые и пурпурные серобактерии из семейств Chromatiaceae (ранее Thiorhodaceae), Chlorobiaceae и Rhodospi-rillaceae (ранее Achromatiaceae) - фотолитотрофы, в анаэробных условиях окисляют сероводород до серы, которая затем превращается
в сульфаты. Эубактерии, восстанавливающие серу, родов Desulfotomaculum, Desulfobacterium, Desulfobacter, Desulfosarcina, Desulfonema, Desulfovibrio и Desulfomonas. Пути получения энергии у этих сульфатвосстанавливающих бактерий могут быть разными - это процессы брожения органических веществ, сопровождающиеся образованием АТФ в результате субстратного фосфорилирования; сульфатное дыхание, предусматривающее окисление органических веществ в анаэробных условиях с переносом электронов на серу сульфатов. Например, представители рода Desulfovibrio получают энергию путем анаэробного дыхания, восстанавливая сульфаты или другие соединения серы до H2S. Облигатно анаэробные формы, отнесенные в порядки Thermococcales и Thermoproteales, используют S0 только в качестве конечного акцептора электронов, восстанавливая ее до H2S. Представители рода Sulfolobus, входящие в порядок Sulfolobales, - облигатные или факультативные аэробы, способные к росту в авто - или гетеротрофных условиях при использовании в качестве источника энергии H2S и/или S0, могут окислять их до H2SO4. Для представителей рода Acidianus, близкого к Sulfolobus, обнаружена способность в зависимости от условий метаболизировать молекулярную серу в разных направлениях. Архебактерии, восстанавливающие сульфаты (Archaeoglobus),
в процессе диссимиляционной сульфатредукции способны восстанавливать сульфат до H2S.
С задачами по получению накопительных и чистых культур сероокисляющих и сульфатредуцирующих микроорганизмов можно ознакомиться в
Более подробная характеристика представителей, участвующих
в микробиологическом превращении соединений серы, представлена
в
Тестовые задания и ответы к ним даны в ля оценки успеваемости студентов рекомендована ведомость по модульно-рейтинговой технологии обучения (Приложение Г).
Тип дыхания
Кислород - самый распространенный элемент земной коры.
В свободном состоянии он находится в атмосферном воздухе (20,9% по объему и 23,2% по массе); в связанном виде входит в состав воды, минералов, горных пород и всех веществ, из которых построены организмы.
Прокариоты подразделяются по отношению к молекулярному кислороду на несколько физиологических групп (рисунок 2.2.1) Большинство прокариот для жизнедеятельности нуждаются в молекулярном кислороде и носят название облигатных (строгих) аэробов. Среди представителей Sulfolobus встречаются как облигатные, так и факультативные аэробы [10, 18]. В клетках облигатных аэробов большая часть молекулярного кислорода расходуется в процессе дыхания в качестве конечного акцептора водорода, меньшая часть его включается
в молекулы различных соединений.
Предельный максимум концентрации молекулярного кислорода, выдерживаемый микробной клеткой, для разных микроорганизмов различен. Многие облигатные аэробы способны выдерживать концентрацию О2 порядка 40…50%. Однако среди этой группы имеются бактерии, для которых молекулярный кислород необходим в незначительных количествах - не более 2%. Такие микроорганизмы получили название микроаэрофилов. К ним можно отнести бактерии родов Thiovulum и Macromonas, представители последних встречаются в пресноводных местах с низкими концентрациями кислорода, например,
в гиполимнионе и верхних слоях придонного ила. Представители семейства Rhodospirillaceae также обычно микроаэрофилы, хотя многие из них могут расти при полном атмосферном давлении кислорода на свету или в темноте. У штаммов, способных расти в микроаэрофильных или аэробных условиях, содержание фотопигментов и система внутренних мембран уменьшаются при повышении концентрации растворенного кислорода; при определенных низких концентрациях кислорода депрессируется образование фотопигментов и внутренних мембран. Штаммы Beggiatoa также относятся к аэробам, или микроаэрофилам [10, 18].
Микроорганизмы, для жизнедеятельности которых молекулярный кислород не нужен, составляют вторую, менее обширную группу прокариот. Такие микроорганизмы получили название облигатных анаэробов. К ним относятся сульфатвосстанавливающие и некоторые другие бактерии. В клетках облигатных анаэробов окисление веществ субстрата происходит без участия молекулярного кислорода. Среди бактерий этой группы имеются микроорганизмы, неспособные выносить даже незначительное количество молекулярного кислорода в среде. Так, большинство видов семейства Chromatiaceae - строгие анаэробы (только один вид - Thiocapsa roseopersicina - может расти
в темноте в микроаэрофильных условиях) и способны к фотолитотрофной ассимиляции CO2 в присутствии элементарной серы и сульфида. Все формы семейства Chlorobiaceae - строгие анаэробы и облигатные фототрофы; способны к фотолитотрофной ассимиляции двуокиси углерода в присутствии сульфида и серы, которые окисляются до сульфата. Представители рода Desulfovibrio также строгие анаэробы, энергию они получают путем анаэробного дыхания, восстанавливая сульфаты или другие соединения серы до H2S. Облигатно анаэробные формы, отнесенные в порядки Thermococcales и Thermoproteales, используют S0 только в качестве конечного акцептора электронов, восстанавливая ее до H2S [10, 18]. Донорами электронов для них служат H2 или различные органические соединения, среди них есть и облигатные литотрофы, использующие для восстановления S0 только H2 (например, Pyrodictium).
Устойчивость к молекулярному кислороду проявляют многие виды бактерий, которые носят название аэротолерантных. Примером аэротолерантов являются бактерии рода Clostridium. Развитие облигатно-анаэробных бактерий в природных условиях обусловливается выделением газообразных продуктов СО2 и Н2, механически вытесняющих О2 из окружающей среды, а также активным потреблением молекулярного кислорода живущими рядом аэробами.
Известны микроорганизмы, способные расти как в аэробных, так и в анаэробных условиях и переключать свой энергетический метаболизм с одного способа получения энергии на другой. Такие микроорганизмы получили название факультативных аэробов или факультативных анаэробов. Примером факультативных анаэробов являются десульфофицирующие бактерии. Так, представители рода Acidianus
в зависимости от условий могут метаболизировать молекулярную серу в разных направлениях: 1) окислять H2S и S0 до SO42- в аэробрых условиях; 2) восстанавливать S0 до H2S с помощью H2 в анаэробных условиях [10, 18].
Аэробы | Анаэробы | ||
Облигатные (Sulfolobus) | Факультативные (Sulfolobus, Acidianus) | Облигатные (Chromatiaceae Desulfovibrio, Thermococcales, Thermoproteales) | |
Растущие на воздухе (Sulfolobus, Rhodospirillaceae) | Микроаэрофильные (Thiovulum, Macromonas, Rhodospirillaceae, Thiocapsa roseopersicina) | Строгие (Chromatiaceae, Desulfovibrio, Thermococcales, Thermoproteale) | Аэротолерантные (Clostridium) |
Рисунок 2.2.1 - Группы прокариот, принимающие участие
в микробиологическом превращении соединений серы
в зависимости от их отношения к молекулярному кислороду
2.3 Тип питания
По источнику энергии прокариоты, использующие солнечный свет, называются фототрофами, а получающие энергию за счет окислительно-восстановительных реакций - хемотрофами.
По донору электронов прокариоты подразделяются на литотрофы, обладающие способностью использовать неорганические доноры электронов (Н2, NН3, H2S, СО и так далее) и органотрофы, использующие в качестве доноров электронов органические соединения.
По вышеуказанным критериям выделяют четыре основных типа питания прокариот: фотолитоавтотрофы, фотоорганоавтотрофы, хемолитоавтотрофы и хемоорганогетеротрофы (таблица 2.3.1).
Автотрофные микроорганизмы различаются по способу получения энергии. Некоторые автотрофы (пурпурные и зеленые серобактерии) имеют пигментную систему - хлорофиллы особого типа, и могут использовать энергию света. Они осуществляют, как и зеленые растения, фотосинтез. Другие автотрофные микроорганизмы используют энергию окисления минеральных веществ: соединений серы (бесцветные серобактерии), азота (нитрификаторы), железа (железобактерии).
К группе фотолитоавтотрофов относятся прокариоты, использующие в качестве источника углерода СО2, а в качестве донора электронов различные неорганические соединения (Н2О, H2S, S и другие). Усваивая энергию солнечного света в процессе фотосинтеза, они образуют органические вещества клетки. Фотолитоавтотрофы представлены цианобактериями (сине-зелеными водорослями), зелеными и серными пурпурными бактериями.
Таблица 2.3.1 - Основные типы питания прокариот, принимающие участие в микробиологическом превращении соединений серы
Тип питания | Источник углерода | Источник энергии | Донор электронов | Представители прокариот |
Фотолито-автотрофы | СО2 | Свет | Н2О, неорганические соединения (H2S, S, Nа2S2O3, H2) | Зеленые, серные пурпурные бактерии |
Фотооргано-автотрофы | СО2 и органические соединения | Свет | Органические соединения | Некоторые пурпурные бактерии |
Хемолито-автотрофы | СО2 | Реакции окисления неоргани-ческих вeществ | Неорганические соединения (Н2, H2S, NH3, Fe2+ и другие) | Тионовые, водородные, нитрифицирующие бактерии, железобактерии |
Хемооргано-автотрофы | Органические соединения | Реакции окисления органических вeществ | Органические соединения | Большинство бактерий родов Proteus, Bacillus, Arthrobacter и грибы родов Aspergillus и Microsporium) |
В 1931 году К. ван Ниль, выделив в чистую культуру зеленые
и серные пурпурные бактерии, впервые доказал способность бактерий к фотосинтезу.
В «Определителе Берги» фотосинтезирующие бактерии представлены тремя семействами: зеленые бактерии (Chlorobiaceae), серные пурпурные бактерии (Chromatiaceae) и несерные пурпурные бактерии (Rhodospirillaceae).
Представители семейств Chlorobiaceae и Chromatiaceae по типу питания преимущественно являются фотолитоавтотрофами. В качестве донора электронов они чаще всего используют сероводород, окисляя его до свободной серы или до сульфатов.
У зеленых бактерий сера обычно выделяется в среду, у серных пурпурных бактерий - откладывается в клетке. При отсутствии
сероводорода в среде серные пурпурные и зеленые бактерии способны окислять элементарную серу, используя ее в качестве источника электронов. Помимо сероводорода и серы бактерии донором электронов используют такие соединения, как сульфит, тиосульфат и молекулярный водород.
Зеленые и серные пурпурные бактерии широко распространены
в природе, особенно в водоемах с повышенным содержанием сероводорода. В клетках этих бактерий имеется значительное количество фотосинтетических пигментов, и поэтому они ярко окрашены в зеленый, розово-малиновый, коричневый и пурпурно-фиолетовый цвета. В чистую культуру выделены зеленые бактерии пяти родов, из них наиболее хорошо изучены Chlorobium и Chloropseudomonas. Сравнительно недавно получены в чистой культуре Prosthecochloris, имеющий клетки звездчатой формы, и Pelodictyon, клетки которого образуют соединения в виде сетки. Семейство Chromatiaceae представлено 10 родами. Среди них имеются гигантские бактерии Chromatium okenii (5х20 мкм) и Thiospirillum jenense (3,5х50 мкм). В клетках некоторых серных пурпурных бактерий (Amoebobacter, Thiopedia и другие) обнаружены газовые вакуоли [10, 18].
Хемолитоавтотрофы представлены микроорганизмами, способными в качестве основного источника углерода усваивать углекислый газ и синтезировать в клетке органические соединения, используя энергию реакций окисления неорганического субстрата. Для хемолитоавтотрофов неорганические вещества субстрата выступают донорами электронов в реакциях энергетического метаболизма и в процессе хемоассимиляции углекислого газа.
Открытие процесса хемосинтеза принадлежит [2]. Он впервые показал возможность образования органических веществ из неорганических в клетках бактерий, помимо процесса фотосинтеза.
Большинство видов нитрифицирующих, тионовых бактерий, некоторые виды из группы одноклеточных железобактерий и водородные бактерии относятся к хемолитоавтотрофам.
Хемолитоавтотрофные бактерии характеризуются специфичностью в отношении использования окисляемого субстрата.
К хемолитоавтотрофам относится большинство видов тионовых бактерий: Thiobacillus denitrificans, Т. thiooxidans, T. acidophilus, Thiomicrospira pelophila и другие [10, 18]. Они ведут процесс хемоассимиляции углекислого газа, получая энергию за счет окисления восстановленных или частично восстановленных соединений серы, сероводорода, элементарной серы, тиосульфата и сульфита. Конечным продуктом окисления обычно является сульфат. Иногда, в определенных условиях, накапливается сера, которая далее может быть тоже окислена до конечного продукта.
Некоторые виды тионовых бактерий (Thiobacillus ferrooxidans) способны получать энергию за счет окисления не только соединений серы, но и закисного железа.
Для некоторых одноклеточных ацидофильных железобактерий - Leptospirillum ferrooxidans, Thiobacillus ferrooxidans и представителей рода Sulfolobus характерен хемолитоавтотрофный тип питания [10,18, 37]. Оптимальный рост ацидофильных железобактерий наблюдается при рН ниже 4,5 (от 2 до 3). Они используют энергию окисления Fе2+ до Fe3+ для ассимиляции СО2, который служит основным или единственным источником углерода.
Хемолитоавтотрофные бактерии в природе являются геологическими агентами. Они принимают участие в процессах образования полезных ископаемых и осуществляют важнейшие звенья круговорота азота, серы, железа.
Водородные бактерии, являясь факультативными хемолитоавтотрофами, в качестве источника энергии и углерода способны использовать и различные органические соединения (сахара, органические кислоты, спирты). Таким образом, водородные бактерии могут служить еще одним примером возможного перехода микробной клетки от одного типа питания к другому - от хемолитоавтотрофного к хемоорганогетеротрофному. Бактерии, переходящие от одного типа питания
к другому, получили название миксотрофов. Так, большинство форм Chlorobiaceae не обладает способностью к ассимиляционной сульфатредукции. В присутствии сульфида и двуокиси углерода фотоассимилируется ряд простых органических веществ, поэтому они потенциально миксотрофны. Представители рода Beggiatoa миксотрофы, метаболизм дыхательный. Конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород. Некоторые виды нуждаются в органических факторах роста.
К хемоорганогетеротрофам относится большинство прокариот (Bacillus subtilis, Bacillus mesentericus и много других). Источником углерода для них являются самые разнообразные органические соединения. Энергию для жизнедеятельности они получают за счет окислительно-восстановительных реакций органического субстрата, и донором электронов в реакциях метаболизма также выступают различные органические вещества. Расщепление углеводов у широкого круга грамотрицательных эубактерий, получающих энергию в процессе дыхания, например, у Thiobacillus идет по третьему пути (пути Энтнера - Дудорова). В результате расщепления одной молекулы глюкозы
образуется: одна молекула АТФ, одна молекула НАД*H2 и одна молекула НАДФ*H2. Первые два этапа - фосфорилирование молекулы глюкозы и ее дегидрирование до 6-фосфоглюконовой кислоты - идентичны первым двум этапам окислительного пентозофосфатного пути. Для пути Энтнера-Дудорова специфичны две реакции: 1) дегидратирование 6-фосфоглюконовой кислоты с образованием КДФГ-кислоты;
2) расщепление продукта первой реакии на два С3-фрагмента. Конечными продуктами второй реакции являются пировиноградная кислота и 3-ФГА. Последний окисляется в пировиноградную кислоту так же, как в гликолитическом пути [7]. У анаэробов этот путь расщепления углеводов встречается довольно редко.
Минерализацию органических соединей серы осуществляют также многие неспецифические гетеротрофные микроорганизмы (бактерии родов Proteus, Bacillus, Arthrobacter и грибы родов Aspergillus
и Microsporium), обладающие протеолитическими ферментами.
Хемоорганогетеротрофы широко распространены в природе. Им принадлежит роль санитаров нашей планеты, так как они ведут процессы минерализации самых разнообразных, подчас сложных органических веществ. Помимо органических соединений как источника углерода, хемоорганогетеротрофы нуждаются в углекислом газе для реакций карбоксилирования
