Хемосинтез

Некоторым бактериям свойственен тип питания называемый хемосинтезом. Эти бактерии способны усваивать CO₂ как единственный источник углерода за счёт энергии окисления неорганических соединений. Автором открытия хемосинтеза в 1887 г. стал русский ученый-микробиолог С.Н. Виноградским (1856 — 1953), и это событие оказало большое влияние на представления об основных типах обмена веществ у живых организмов. Окисляя неорганические вещества, хемосинтетики (хемолитотрофы) получают восстановительные эквиваленты (в виде НАДН), а также энергию, которая запасается в виде АТФ за счет процесса  переноса электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных в клеточную мембрану бактерий. Биосинтез органических соединений при хемосинтезе происходит в результате автотрофной ассимиляции CO₂ (цикл Кальвина) в точности, как при фотосинтезе.

Бактерии, которым свойственен хемосинтез, не относятся к единой в таксономическом отношении группе, их систематизируют в зависимости от окисляемого ими неорганического субстрата. Среди них есть микроорганизмы, которые окисляют водород, окись углерода, восстановленные соединения серы, аммиак, нитриты, железо, марганец и др.

Водородные бактерии — бактерии, окисляющие водород, как и следует из их названия. Формула окисления:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + Е (энергия)

Эти бактерии относятся к одной из самых многочисленных и разнообразных групп хемосинтезирующих организмов. Водородные бактерии — могут развиваться только в присутствии кислорода, т. е. являются аэробами.
Они окисляют водород, который выделяется при анаэробном разложении различных органических остатков. По сравнению с другими автотрофными микроорганизмами отличаются высокой скоростью роста и могут образовывать большую биомассу. Эти бактерии являются миксотрофными или факультативно хемоавтотрофными бактериями, т.к. могут расти на средах, которые содержат органические вещества.

Серобактерии, как можно догадаться, микроорганизмы, которые окисляют восстановленные соединения серы (сероводород, молекулярную серу). Изучение именно этой группы бактерий привело С.Н. Виноградского к открытию явления хемосинтеза. Средой обитания серобактерий являются водоемы, в воде которых содержится сероводород.

2H₂S + O₂ = 2H₂O + 2S + Е

В клетках бактерий в виде множества крупинок накапливается свободная сера, которая выделяется в результате реакции. При недостатке сероводорода серобактерии продолжают дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄ + Е

Энергия, получаемая при окислении этими бактериями восстановленных соединений серы, используется ими для синтеза органических соединений из углекислоты. Развитие серобактерий влечет за собой образование серной кислоты и связанное с этим сернокислотное выветривание, что в итоге может привести к разрушению серных месторождений (в открытых разработках). Кроме того, серобактерии могут повреждать инженерные сооружения. Способность некоторых серобактерий разлагать сульфиды металлов используют в бактериальной гидрометаллургии для бактериального выщелачивания металлов из руд.

Существуют также бактерии, преобразующие аммиак и аммонийные соли в нитраты, — это нитрифицирующие бактерии. Средой их обитания являются почва и водоемы. Жизнедеятельность этих бактерий — один из самых важнейших факторов плодородия почв.

Процесс нитрификации или превращения аммиака в нитраты проходит в две стадии. Сначала нитритные бактерии окисляют аммиак (NH₃) до нитрита (NО₂-):

2NH₃ + 3O ₂ = 2НNO₂ + 2H₂O + Е

На второй стадии другая группа нитрифицирующих микроорганизмов – нитратные бактерии окисляют нитрит (NО₂-) до нитрата (NО₃-):

2НNO₂ + O₂ = 2HNO₃ + Е

Также, как и другие хемоавтотрофы, нитрифицирующие бактерии за счёт энергии окисления могут усваивать углерод атмосферы (CO₂) или карбонатов для его использования при синтезе веществ, входящих в состав клетки.

Таким образом, хемосинтезирующим бактериям принадлежит ведущая роль в биогеохимических циклах различных химических элементов в биосфере.

Перейти к оглавлению.