Хемосинтезирующие бактерии

Хемосинтезирующие бактерии 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^[5].

Хемосинтезом^[6] называют процесс образования органических веществ за счёт протекания окислительно-восстановительных реакций. Его в природе осуществляют только прокариоты. Хемосинтезирующие бактерии могут использовать для синтеза органических веществ соединения серы, азота и железа. При этом выделяется энергия, которая сначала аккумулируется в связях АТФ, после чего может использоваться клетками бактерий^[7].

Хемосинтез — процесс, в основе которого лежит автотрофное питание, в ходе которого некоторые виды бактерий образовывают органические вещества из углекислого газа (CO2) посредством окисления неорганических соединений (водород, сера, железо, аммиак). Специфика каждого из них лежит в основе классификации микроорганизмов. Хемосинтезирующие бактерии играют очень важную роль в биосфере, участвуя в круговороте химических соединений^[8][9].

Хемосинтезирующие бактерии окисляют также соединения железа и марганца. Считают, что образование залежей железных и марганцевых руд является результатом деятельности микроорганизмов в прошлые геологические эпохи.

— В. И. Вернадский ^[10]

• участвуют в круговороте серы, азота, железа и других химических элементов
• уничтожают в природе ядовитые вещества: аммиак и сероводород
• нитрифицирующие бактерии превращают аммиак в нитриты и нитраты, усваиваемые растениями
• серобактерии используются для очистки сточных вод^[6]

Поскольку жизнь хемотрофов не зависит от наличия солнечного света, ареал их распространения достаточно широк. К примеру, серобактерии могут жить на больших глубинах, иногда являясь там единственными представителями живых существ. Средой обитания данных прокариот чаще всего является почва, сточные воды и субстраты, богатые определенными химическими соединениями.

Хемосинтезирующие организмы бывают трёх основных видов:

• Нитрифицирующие бактерии — окисляют аммиак до азотистой и азотной кислот: NH3 => HNO2 => HNO3.
• Серобактерии — окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты: H2S+O2 => 2H2O + 2S; 2S+3O2+2H2O => 2H2SO4.
• Железобактерии — окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного: Fe2+ => Fe3+.

К хемосинтезирующим бактериям относят прокариот, изменяющих состав соединений железа. Они были открыты выдающимся русским микробиологом Сергеем Николаевичем Виноградским в 1950 году. Этот вид бактерий в ходе реакции окисления изменяет степень окисления железа, делая его трехвалентным. Они обитают в пресных, и соленых водоемах. В природе они осуществляют круговорот железа в природе, а в промышленности используются для производства чистой меди. Этот вид бактерий также относится к литоавтотрофам, способным синтезировать некоторые элементы своей клетки^[5][11][7].

Бактерии, хемосинтезирующие вещества из соединений серы, могут существовать отдельно на дне водоемов или образовывать симбиоз с моллюсками и морскими беспозвоночными. В качестве источника окисления они используют сероводород, сульфиды, тионовые кислоты или молекулярную серу. Этот вид бактерий был главным объектом при открытии и изучении процесса хемосинтеза. К этой группе прокариот относят и некоторых фототрофных прокариот. К примеру, таких как пурпурные или зеленые серобактерии^[5].

Нитрифицирущие бактерии поселяются на корнях бобовых растений. 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^[5][11].

Хемосинтезирующими бактериями являются и тионовые прокариоты. Их источником энергии служат различные соединения серы. Этот вид бактерий восстанавливает их до серной кислоты. Эта реакция сопровождается значительным понижением водородного показателя среды. Тионовые бактерии входят в группу ацидофилов. К ним относятся организмы, способные выживать в условиях повышенной кислотности. Такие условия характерны для болот. Вместе с тиановыми эту группу составляют молочно- и уксуснокислые бактерии, жгутиконосцы и коловратки^[5][11].

Эти виды прокариотов являются почвенными обитателями. Они окисляют молекулярный водород до воды с выделением энергии. Такие бактерии также входят в группу термофилов. Это значит, что они способны сохранять жизнеспособность при высоких температурах, показатель которых может достигать 50 градусов по шкале Цельсия. Эта способность водородных бактерий обусловлена тем, что они выделяют специальные ферменты, функционирующие даже в таких условиях^[5].

Хемосинтезирующие бактерии играют роль продуцентов веществ органического происхождения первичного типа для экосистем. Они являются одним из главных звеньев цепи питания. Их не нужно выводить экспериментально, все процессы природные, не подлежащие контролю со стороны человека. Встречаются в различных природных источниках:

1. Нитрифицирующие: к ним относят хемосинтезирующие организмы, живущие на поверхности жирной почвы, навоза.
2. Тионовые: сфера обитания — почвы и искусственно культивируемые грунты любого типа, состава.
3. Водородные — основной сферой проживания организмов является вода (пруды, озера); основная роль — окисление водорода при аэробных условиях.

Такие бактерии не могут нанести вред здоровью, вызвать смертельно опасное заболевание. Микроорганизмы могут быть использованы для оптимизации сельскохозяйственных процессов (получение минеральных удобрений, без которых химический состав будет бедным и не сможет гарантировать хороший урожай). Важную роль играют они для очищения загрязненных сточных вод от паразитов и тяжелых металлов. Используя в качестве питания углекислый газ, бактерии высвобождают большое количество энергии, способной поддерживать все живое на планете. Это кладезь полезных функций, без которых невозможен круговорот необходимых веществ. Хемосинтезирующие микроорганизмы поддерживают полноценную жизнедеятельность не только отдельных животных, растительных организмов, но и человека^[8].

Хемотрофы являются незаменимым звеном в круговороте веществ, обеспечивают живые организмы необходимыми веществами и широко используются человеком в его хозяйственной и промышленной деятельности^[5].

Хемосинтетические бактерии — это микроорганизмы, которые производят химические вещества, необходимые им для роста и выживания, поглощая растворённые соединения в морской воде. Они необходимы для жизни на Земле, потому что они производят кислород, требуемый для сохранения большинства форм жизни. 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. Хемосинтетические бактерии производят кислород, чтобы обеспечить выживание жизни на планете Земля^[12].

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. 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. Крупные месторождения руд железа и марганца на дне морей и болот возникают благодаря деятельности хемотрофов, а именно — железобактерий^[12][5].