Где чаще обитают бактерии-хемосинтетики?

Хемосинтез

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?

Определение 1

Хемосинтез – это тип питания, во время которого органические соединения синтезируются из неорганических с использованием энергии химических реакций.

Врачи отмечают, что бактерии-хемосинтетики чаще всего обитают в экстремальных условиях, таких как глубоководные гидротермальные источники, где температура и давление значительно выше, чем на поверхности. Эти микроорганизмы способны использовать неорганические соединения, такие как сероводород и метан, для получения энергии, что позволяет им выживать в средах, бедных органическими веществами. Кроме того, хемосинтетические бактерии встречаются в кислых и щелочных водах, а также в почвах, богатых минералами. Их присутствие играет важную роль в экосистемах, обеспечивая круговорот веществ и поддерживая жизнь других организмов. Врачи подчеркивают, что изучение этих бактерий может помочь в разработке новых методов очистки окружающей среды и биоремедиации.

Что умеют бактерии?

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.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Обратите внимание

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.

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.

$2H_2S + O2 → 2H_2O + 2S$

$2S + 3_O2 + 2H_2O → 2H_2SO_4 + 115$ ккал

Под воздействием железобактерий происходит преобразование закиси железа в окись железа.

$4FeCO_3 + O_2 + 6H_2O → 4Fe(OH)_3 + 4CO_2 + 81$ ккал

Замечание 1

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.

Бактерии-хемосинтетики вызывают большой интерес у ученых и исследователей, поскольку они играют ключевую роль в экосистемах, где отсутствует солнечный свет. Чаще всего их можно встретить в экстремальных условиях: глубоководных гидротермальных источниках, соленых озерах и на дне океана. Эти микроорганизмы используют химические реакции для получения энергии, что позволяет им существовать в местах, где другие формы жизни не могут выжить.

Некоторые люди отмечают, что хемосинтетики являются важными для понимания происхождения жизни на Земле и возможной жизни на других планетах. Исследования показывают, что они могут быть основой пищевых цепочек в условиях, где фотосинтез невозможен. Это открывает новые горизонты для биологии и астробиологии, подчеркивая значимость этих бактерий в научных исследованиях.

КАК ДЕЙСТВУЕТ БАКТЕРИОФАГ. ВИРУС УБИЙЦА ИЛИ СПАСИТЕЛЬ

Хемосинтетики — единственные организмы на земле, не зависящие от энергии солнечного света

Хемосинтезирующие организмы могут жить на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры в воду выделяется сероводород. Конечно же, кванты света не могут проникнуть в воду на глубину около 3-4 километров (на такой глубине находится большинство рифтовых зон океана). Таким образом, хемосинтетики — единственные организмы на земле, не зависящие от энергии солнечного света. По крайней мере, напрямую. Косвенно они все же связаны с солнечной энергией, так как в процессах метаболизма используют аммиак, выделяющийся в результате гниения погибших растений и животных.

Роль хемосинтетиков в природе очень значительна, так как они являются непременным звеном естественного цикла, в котором участвуют важнейшие для жизни элементы: сера, азот, железо и др.

Хемосинтетики важны также в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород, то есть способны работать как очистители окружающей среды. Благодаря этим свойствам их уже начали применять для очистки сточных вод.

По современным оценкам, биомасса «подземной биосферы» сказочно велика. Достаточно сказать, что она превышает массу всей остальной земной биосферы. Как видите, жизнь может быть разнообразной и приспосабливаться практически к любым условиям. Возможно, нас ждет еще немало открытий в этом плане.

Реакции хемосинтеза

Теперь давайте более детально разберем существующие реакции хемосинтеза, все они отличаются в зависимости от бактерий-хемосинтетиков.

ВЫ НИЧЕГО НЕ ЗНАЕТЕ О ВАШЕМ ТЕЛЕ — ТОПЛЕС

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → Fe(OH)₃ + 4CO₂ + E (энергия)

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой.

2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + E

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота.

2NH₃ + 3O₂ → HNO₂ + 2H₂O + E

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

Болезнетворные бактерии

Болезнетворные бактерии – это симбионты-паразиты. Они питаются за счет другого организма, отравляя его продуктами своей жизнедеятельности. Они могут вызвать самые тяжелые заболевания:

• тиф;
• холеру;
• туберкулез;
• сибирскую язву;
• бруцеллез и другие.

Самое распространенная среда, где обитают болезнетворные микроорганизмы, – это слюна больного человека, посуда и другие предметы, которыми он пользовался, застоявшийся воздух помещений. Они могут содержаться в пище, воде и практически на всех поверхностях, особенно в условиях антисанитарии. Заразиться можно и от больных животных, так как некоторые болезнетворные для них бактерии опасны и для человека.

Болезнетворные бактерии могут поражать растения и их плоды. Это легко определить визуально, что подтверждает фото зараженных плодов. Поэтому надо быть внимательным к употребляемым в пищу фруктам и овощам, особенно дикорастущим. Лучшей профилактикой может служить соблюдение личной гигиены и регулярное проветривание помещения.

Кроме рассмотренных самых распространенных мест проживания, бактерии обитают и в совершенно, казалось бы, непригодных для жизни условиях. Это и полярные льды, и горячие источники, и условия сильного давления или очень разреженного воздуха. Нет такого места на Земле, где бы не были обнаружены эти мельчайшие организмы.

Азотфиксирующие организмы

Азотфиксирующие бактерии – это почвенные микроорганизмы, которые обладают способностью усваивать молекулярный азот из атмосферы, что недоступно растениям. В результате окислительно-восстановительной реакции азотфиксирующие бактерии синтезируют соединения, которые содержат азот и могут усваиваться растениями.

По тому, как именно они обитают в среде, они делятся на две группы:

1. Свободноживущие организмы (род Азотобактер от лат. Azotobacter).
2. Симбионты (клубеньковые бактерии из рода Rhizobium). Симбиотические отношения – это форма взаимодействия между организмами, при которой пользу получают оба участника или один из них (паразит).

Азотфиксирующие клубеньковые микроорганизмы-симбионты обычно имеют две формы клеток: палочка или овал, что хорошо видно на фото. Чаще всего они вступают в симбиотические отношения с растениями семейства бобовых:

• горохом;
• чечевицей;
• клевером;
• люцерной и т.д.

Клубеньковые бактерии, селясь в корнях растений, образуют на них шарообразные утолщения, которые видны даже на обычном фото. Симбионты получают обоюдную выгоду. Азотфиксирующие клубеньковые микроорганизмы поставляют растению азот, взамен получая необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Большая часть бобовых растений может самостоятельно усваивать азот из азотной кислоты и солей аммония. Клубеньковые бактерии служат дополнительными поставщиками атмосферного азота. А растение копеечник не обладает такими способностями. Поэтому клубеньковые узлы для него – единственный источник азота.

В среде с повышенным количеством азотсодержащих соединений клубеньковые бактерии перестают вести себя как симбионты. Эти организмы отличаются избирательностью. Так, клубеньковые бактерии клевера селятся только в клевере, а клубеньковые бактерии люпина заражают только отдельные его сорта.

Сапрофиты

Если хемосинтетики используют энергию химических реакций неорганических соединений, то бактерии гниения (сапрофиты) питаются готовой органикой мертвых тканей. Они обитают на поверхности почвы: на останках животных, частях скошенной травы, упавших листьях и плодах. На фото пораженного яблока отчетливо виден результат деятельности микроорганизмов гниения. Как и почвенные микроорганизмы, бактерии гниения живут в ее верхнем слое: вокруг отмерших корней растений, умерших личинок и т.п.

В результате гниения ускоряется разложение мертвых тканей и их утилизация, почва обогащается питательными веществами, улучшающими ее плодородие. Одни виды этих микроорганизмов живут в присутствии атмосферного кислорода, другие обитают в бескислородных условиях. В силу специфики питания бактерии гниения – свободноживущие организмы, не вступающие в симбиотические группы.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактер, нитрозомонас, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах.

Энергию получают за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при гниении белков. Окисление бактериями аммиака приводит к образованию азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E

Две реакции не равноценны по выделению энернгии.

Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты – только около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, которые обеспечивают плодородие почвы.

Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия

Давайте теперь разберем в чем сходство хемосинтеза и фотосинтеза, а в чем различия между ними.

Сходство:

• Как хемосинтез, так и фотосинтез являются типами автотрофного питания, когда организм выделяет органические вещества из неорганических.
• Энергия такой реакции запасается в аденозинтрифосфорной кислоте (сокращено АТФ) и впоследствии используется для синтеза органических веществ.

Отличие фотосинтеза от хемосинтеза:

• У них разный источник энергии, и как следствие разные окислительно-восстановительных реакции. При хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ.
• Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и арей.
• При хемосинтезе клетки бактерий не содержат хлорофилла, при фотосинтезе наоборот – содержат.
• Источником углерода для синтеза органики при хемосинтезе может быть не только лишь углекислый газ, но и окись углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Кишечная палочка

До сих пор рассматривались бактерии, обитающие в природных условиях. Рассмотрим типичного представителя человеческого организма, которым является кишечная палочка. Эти бактерии-симбионты, получающие питательные вещества из организма теплокровных животных. Кишечная палочка преимущественно имеет палочковидную форму, о чем свидетельствуют многочисленные фото, сделанные учеными.

Основное место, где она обитает, – кишечная полость (нижняя ее часть). Может встречаться в воде, продуктах и некоторое время выживать в окружающей среде.

По одной из версий, кишечная палочка попадает в человеческий организм в течение первых 40 часов после его рождения и обитает там всю жизнь. Источником может служить материнское молоко или контактирующие с ребенком люди. По другой версии, кишечная палочка заселяет организм ребенка еще в утробе матери.

Бактерия приносит пользу организму-хозяину, синтезируя, например, витамин К. Кишечная палочка подавляет развитие патогенной флоры в кишечнике, в терапевтических целях используется при лечении желудочно-кишечных заболеваний.

Безвредная в обычных условиях кишечная палочка, попадая в другие части организма, может стать патогенной. Кроме того, возможно проникновение извне ее болезнетворных штаммов, которое может привести к желудочно-кишечным инфекциям.

Вопрос-ответ

Где чаще всего обитают бактерии хемосинтетики?

Хемосинтезирующие организмы могут жить на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры в воду выделяется сероводород. Конечно же, кванты света не могут проникнуть в воду на глубину около 3-4 километров (на такой глубине находится большинство рифтовых зон океана).

Какие бактерии относятся к хемосинтетикам?

К хемосинтетикам (хемотрофам) относятся только некоторые бактерии и археи.

Какие бактерии хемосинтетики особенно важны в медицине и сельском хозяйстве?

Особенно важны для сельского хозяйства нитрифицирующие бактерии. Они окисляют образующиеся при гниении органические вещества и способствуют образованию залежей селитры, участвуют в процессах выветривания горных пород и различных сооружений из камня.

Как происходит хемосинтез у нитрифицирующих бактерий?

Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus) окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислот, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите экосистемы глубоководных гидротермальных источников, так как именно здесь бактерии-хемосинтетики играют ключевую роль в поддержании жизни. Эти организмы используют химические реакции для получения энергии, что позволяет им существовать в условиях, где солнечный свет не проникает.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на экосистемы, богатые сероводородом, такие как морские отложения и некоторые пресные водоемы. Бактерии-хемосинтетики могут обитать в таких условиях, преобразуя сероводород в энергию и поддерживая другие формы жизни.

СОВЕТ №3

Исследуйте влияние изменения климата на места обитания бактерий-хемосинтетиков. Изменения температуры и химического состава воды могут значительно повлиять на их распространение и жизнедеятельность, что важно учитывать при изучении этих организмов.