Особенности питания бактерий-хемосинтетиков

В 1888 году русский микробиолог Виноградский С.Н. впервые показал научному сообществу, каким образом можно получить энергию при окислении сероводорода. Также было доказано, что в природе осуществляют этот процесс бактерии, которые впоследствии были названы хемосинтетики. Виноградский С.Н. дал определение бактериям-хемосинтетикам, правда, оно отличалось от современного, но зато уже тогда было введено разделение организмов по типу получения энергии.

С.Н. Виноградский

До этого открытия считалось, что единственным способом получения органики из неорганики является использование фотосинтеза (по мнению ученых, его использовали как растения, так и бактерии-фотосинтетики). Открытие синтеза АТФ без участия солнечного света, а с использованием энергии неорганических реакций, заставило научный мир пристальнее присмотреться к бактериальному сообществу на предмет того, как же микроорганизмы, являющиеся хемосинтетиками, удовлетворяют свои важнейшие потребности в энергии.

Хемосинтез

Получение энергии – это всегда окончательное звено цепочки питания. Животные-гетеротрофы, которые не могут самостоятельно производить органику, получают АТФ (энергию), расщепляя уже готовые органические соединения. Растения-автотрофы питаются солнечным светом и водой, получая энергию в процессе фотосинтеза, а бактерии-хемосинтетики питаются неорганическими соединениями, процесс переваривания которых также происходит с выделением энергии.

Схема хемосинтеза

Перечень неорганики, которую потребляют продуценты (производители органики), не так уж и мал:

  • неорганические соединения азота (его окисляют нитрифицирующие бактерии);
  • сероводород (бактерии, окисляющие серу);
  • восстановленные железо и марганец (железобактерии);
  • молекулярный водород (водородные бактерии);
  • углекислый газ (карбоксидобактерии, которые нельзя путать с такими организмами, как цианобактерии, в фотосинтезе которых также участвует углекислый газ СО2).

Отдельную группу составляют такие бактерии-хемосинтетики (продуценты), как сульфатвосстанавливающие и метаногенные микроорганизмы.

Нитрифицирующие бактерии

Обитают в водоемах – пресных и соленых, а также в почвах. Эти организмы обеспечивают круговорот азота в природе. Азот является важнейшим элементом, входящим в состав органических соединений (белков и нуклеиновых кислот). Фиксация азота является одним из результатов хемосинтеза нитрифицирующих микроорганизмов.

Все бактерии, относящиеся к этой группе хемосинтетиков, – грамотрицательные микроорганизмы, разные по форме. Некоторые из видов передвигаются с помощью жгутиков, некоторые неподвижны.

Все нитрифицирующие микроорганизмы – строгие (облигатные) аэробы, живут только в присутствии кислорода.

Сам процесс хемосинтеза в хемосинтетиках происходит в ЦПМ – цитоплазматической мембране (между клеточной стенкой и цитоплазматическим веществом). Фермент транслоказа переносит аммиак через ЦПМ. Аммиак (NH3) окисляется ферментом, продуктами этой реакции являются гидроксиламин и вода. Эта реакция происходит с потреблением энергии.

Типы хемотрофов

На втором этапе гидроксиламин окисляется до нитрита с высвобождением одного электрона и одного протона (NH2OH (нитроксиламин) -> NHO (нитроксил) + 2 электрона (Н-) + 2 протона (Н+)).

Формирование цепи протонов и электронов на разных участках ЦПМ в хемосинтетиках приводит к образованию АТФ-синтазы (проводнику протонов в мембране). Протоны, направившись по белковому проводнику (АТФ-синтаза) к электронам, обеспечивают условия для синтеза АТФ.

Окислители серы (серобактерии)

Окисляют серу не только хемотрофы. Некоторые организмы-фототрофы также используют серу для получения энергии для жизни, но это не бактерии автотрофы из группы цианобактерий. Фотосинтез с участием серы осуществляют гетеротрофы (питающиеся органикой), к которым относятся гетеротрофы бациллы и псевдомонады.

Продуценты, относящиеся к хемосинтетикам, – это тионовые бактерии. Клеточная стенка этих хемосинтетиков устроена не так, как у остальных представителей царства бактерии, поэтому тионовых микроорганизмов относят к архебактериям.

Окисляя серу до сульфата (SO4), эти продуценты образуют молекулярную серу и сульфиты.

Кроме тионовых бактерий, окисляют серу и бесцветные бактерии. Их классифицирующим признаком является то, что они откладывают серу внутри клеток.

Присутствие окисляющих микроорганизмов в окружающей среде приводит к подкислению этой среды, что положительно влияет на растворение в воде неорганических соединений и делает эту неорганику более доступной для жизни растений.

Железобактерии

Одни из представителей железобактерий – бактерии вида Thiobacillus ferrooxidans – одноклеточные бактерии, окруженные бактериальными чехлами, в которых и накапливается железо. Живут отдельно или колониями. Эти микроорганизмы не могут преобразовывать атмосферный углекислый газ и поэтому являются строгими (облигатными) хемотрофами. Окисление восстановленного железа осуществляется на ЦПМ. Железо через мембрану в цитоплазму не проникает. Движущая сила, за счет которой появляется разность потенциалов и синтез АТФ, – разность pH внутри клетки и снаружи клетки. Одна молекула АТФ синтезируется из двух молекул железа.

Виды бактерий-хемотрофов

Есть и другие примеры железобактерий. Эти микроорганизмы-продуценты широко распространены в природе и формируют железистые отложения. Среди железобактерий встречаются даже гетеротрофные организмы.

Водородные бактерии (водородобактерии)

Водородные бактерии совсем не похожи на цианобактерий, хоть молекулярный водород присутствует как в жизнедеятельности цианобактерий, так и в жизни водородных бактерий.

Особенность этой группы микроорганизмов состоит в том, что они окисляют водород в присутствии кислорода. Это довольно многочисленная группа бактерий. Среди них есть представители псевдомонад, бацилл и других бактериальных семейств.

Водородные бактерии – факультативные хемолитоавтотрофы, потребляющие углерод из самых разных соединений, что делает их привлекательными для использования в современных биотехнологиях.

В клетках водородных бактерий присутствует фермент гидрогеназа, который присоединяет водород к различным соединениям в ходе реакций восстановления. Именно этот процесс обеспечивает образование восстановленных НАД (никотинамидадениндинуклеотид) коферментов, присутствующих во всех живых клетках.

Водородные бактерии – переработчики любых минеральных субстратов – рассматриваются биотехнологами как перспективные работники для фабрик по производству экологически чистой биомассы. Уже сегодня эти биомассы используются как корм для животных. Но биотехнологии не собираются останавливаться на достигнутом.

Фотосинтез и хемосинтез
Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим