Хемосинтез – биология

Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Содержание:

  • История открытия хемосинтеза
  • Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия
  • Энергия хемосинтеза
  • Значение хемосинтеза в природе
  • Реакции хемосинтеза
  • Хемосинтез, видео
  • Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО2 благодаря окислению неорганических соединений.

    Причем что интересно, по мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного питания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше нежели фотосинтез.

    Как биологическое явление хемосинтез бактерий был открыт русским биологом С. Н. Виноградским в 1888 году. Ученый доказал способность некоторых бактерий выделять углеводы используя химическую энергию. Им же был выделен ряд особых хемосинтизирующих бактерий, среди которых наиболее заметными являются серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.

    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.

    Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

    Хемотрофы – организмы, получающие жизненную энергию благодаря хемосинтезу, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности они поддерживают плодородность почв. Также благодаря деятельности бактерий-хемосинтетиков в природных условиях накапливаются большие запасы руды и селитры.

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

    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.

    И в завершение образовательное видео о сути хемосинтеза.

    Источник: http://www.poznavayka.org/biologiya/hemosintez-unikalnyiy-protsess-pitaniya-bakteriy/

    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.

    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

    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.

    $2H_2S + O2 → 2H_2O + 2S$

    При определенных условиях (недостатке сероводорода) образованная сера окисляется до серной кислоты.

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

    Источник: https://spravochnick.ru/biologiya/hemosintez/

    Биология и медицина

    В природе органическое вещество создают не только зеленые растения, но и бактерии, не содержащие хлорофилла.

    Этот автотрофный процесс называется хемосинтезом, потому что осуществляется он благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др. Энергия, получаемая при окислении, запасается в организме в форме АТФ. Хемосинтез открыл (в 1889-1890 гг.

    ) знаменитый русский микробиолог С.Н. Виноградский . В водоемах, вода которых содержит сероводород, живут бесцветные серобактерии . Энергию, необходимую для синтеза органических соединений из углекислого газа они получают, окисляя сероводород:

    Хемосинтез – тип питания, свойственный некоторым микроорганизмам и способный создавать органические вещества из неорганических ( угольной кислоты и воды) за счет знергии, получаемой при окислении ими других неорганических веществ (например, аммиака, сероводорода).

    2H2S + 02 =2H20 + 2S + Е Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в их клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

    2S+302+2H20 =2H2S04 + Е Образовавшаяся в результате энергия (Е) также используется на синтез органического вещества из углекислого газа.

    Энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты равен 666 кДж на каждую окисленную грамм-молекулу сероводорода.

    Колоссальное количество серобактерий имеется в Черном море , в котором глубже 200 м (а в некоторых местах почти от поверхности) вода насыщена сероводородом.

    Чрезвычайно широко распространены в почве и в различных водоемах нитрифицирующие бактерии .

    Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе .

    Аммиак , образующийся при гниении белков в почве или в водоемах, окисляется нитрифицирующими бактериями, которые С.Н. Виноградский назвал нитросомонас (Nitrosomonas) . Этот процесс отражает уравнение:

    2NH3 + 302 = 2HN02 + 2H20 Энергия, выделяющаяся при этом (662 кДж), также используется для синтеза органических соединений вследствие восстановления углекислого газа. Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой кислоты до азотной кислоты осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов, названных С. Н. Виноградским нитробактером (Nitrobacter) :

    2HN02+02 = 2HN03 Процесс сопровождается выделением 101 кДж. Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв .

    Широко распространены в почве также бактерии, окисляющие водород:

    2Н2+02=2Н20 Водородные бактерии окисляют водород , постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы . Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца , также открыл С.Н. Виноградский.

    Они чрезвычайно широко распространены как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и руд марганца . Академик В.И.

    Вернадский – основатель биогеохимии говорил о залежах железных и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние геологические периоды.

    Ссылки:

    Источник: http://medbiol.ru/medbiol/biology_sk/00063e4c.htm

    Автотрофное питание. Хемосинтез. Видеоурок. Биология 10 Класс

    Энергия существует во многих формах, но для живых организмов подходят всего две из них – это световая и химическая энергия.

    Те организмы, которые используют для синтеза собственных органических веществ энергию солнечного света, называют фототрофами.

    Организмы, которые используют для синтеза собственных органических веществ химическую энергию, – это хемотрофы.

    Хемосинтез – способ автотрофного питания, при котором источником питания для синтеза собственных органических веществ служит реакция окисления неорганических соединений.

    Хемосинтез свойственен и найден у бактерий. Открыл хемосинтез как явление русский ученый С.Н. Виноградский.

    Выделяют несколько групп хемотрофных бактерий:

    1. Железобактерии. Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного.

    Читайте также:  Охрана почвы - биология

    2. Серобактерии. Окисляют сероводород до серы или до серной кислоты.

    3. Нитрифицирующие бактерии. Окисляют аммиак до азотной или азотистой кислоты, которая при взаимодействии с минералами образует нитраты и нитриты.

    Выделяющаяся в процессе окисления  неорганических соединений энергия не может быть сразу израсходована на синтез органических соединений. Она вначале переводится в энергию химических связей молекулы АТФ и только после этого расходуется на биосинтетические процессы в клетке.

    Рис. 1. С.Н. Виноградский

    Сергей Николаевич Виноградский (см. Рис. 1) родился в Киеве 1 сентября 1856 года в семье состоятельного юриста. После окончания в 1873 г. 2-й Киевской гимназии  (с золотой медалью) Виноградский  изучает юриспруденцию, естественные науки, музыку.

     В ноябре 1877 года он поступает на 2 курс естественного отделения Петербургского университета, где особое внимание уделяет химии. После окончания университета Виноградский остается работать на кафедре ботаники в лаборатории физиологии растений под руководством известного русского ученого А.С. Фаминцына.

    Его серьезным увлечением стала микробиология. Для углубления своих знаний Сергей Николаевич отправляется на стажировку в Страсбургский университет, где начинает изучать морфологию и физиологию железо- и серосодержащих бактерий, применив к ним разработанный метод элективных сред.

    Он обнаружил, что серобактерии могут получать энергию при окислении неорганических соединений, в частности при окислении восстановленных соединений серы, таких как сероводород, до серной кислоты.

    Таким образом, Виноградский открыл новый источник энергии, который возникает при окислении неорганических соединений. Это явление он назвал хемосинтезом.

    Далее ученый приступил к исследованию процесса нитрификации и его роли в почвообразовании. Он выделил бактерии-нитрификаторы, а также подтвердил, что процесс нитрификации состоит из двух стадий. На первой стадии происходит окисление аммиака до нитритов, а на второй стадии – окисление нитритов до нитратов.

    После этого Виноградский увлекся изучением бактерий, которые способны были фиксировать молекулярный азот, то есть использовать азот из воздуха. В связи с этим он выделил азотфиксирующую бактерию, которую назвал в честь Пастера – Clostridium pasteurianum.

    С.Н. Виноградский стал основоположником эколого-физиологического направления микробиологии.

    У железобактерий энергия выделяется при окислении двухвалентного железа (см. Рис. 2).

    Рис. 2. Железобактерии

    Такие микроорганизмы легко обнаруживаются в природных водоемах в виде обрастаний нижней части водных растений. Железобактерии часто встречаются в хорошо аэрируемых ручьях при выходе подземных вод на поверхность.

    Железобактерии (см. Рис. 3) способны разрушать органические комплексы железа, трудно разрушаемые в химических окислительных процессах. Образующийся в результате этого гидроксид железа откладывается на поверхности клеток.

    Рис. 3. Железобактерии

    Развитие железобактерий в трубах приводит к их забиванию слизью и гидроксидом железа (III).

    В условиях малого протока воды через полгода эксплуатации водопровода на внутренней поверхности труб железобактерии образуют обрастания в виде бугров высотой до 10 мм (см. Рис. 4).

    В таких отложениях находят благоприятные условия для жизнедеятельности кишечная палочка, гнилостные бактерии и различные черви.

    Рис. 4. Обрастания на внутренней поверхности труб

    Большое число бактерий способны окислять восстановленные соединения серы (см. Рис. 5). Эти микроорганизмы принимают участие в глобальном круговороте серы в природе.

    Серобактерии делят на две группы:

    1. Бактерии, которые способны откладывать серу внутри клетки.

    2. Бактерии, которые не способны откладывать серу ни при каких условиях.

    Рис. 5. Серобактерии

    Давно известно, что в сероводородных источниках встречаются неокрашенные микроорганизмы, которые накапливают в себе серу.

    В тех источниках, где сероводорода немного, такие микроорганизмы наблюдаются в виде белых пленок (см. Рис. 6).

    Рис. 6. Белые пленки из серобактерий

    Виноградский показал, что у одних видов неокрашенных серобактерий сера образуется в результате окисления сероводорода. Таким образом, бесцветные серобактерии играют большую роль в детоксикации воды (очистка воды от сероводорода).

    Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов.

    Биологическая природа превращения аммиака в нитраты была известна давно, и в Европе это использовали для получения селитры при изготовлении пороха.

    С.Н. Виноградский выделил чистые культуры нитрификаторов. Выяснилось, что процесс нитрификации идет в две стадии (см. Рис. 7).

    Рис. 7. Нитрифицирующая бактерия и две стадии процесса нитрификации

    Нитрифицирующие бактерии играют в природе важную роль, осуществляя один из этапов круговорота азота (см. Рис. 8).

    Рис. 8. Круговорот азота

    Растения получают азот в виде нитрата из почвы, а животные получают азот от растений.

    На рисунке 9 показано, как сапрофитные бактерии и грибы возвращают азот белков, содержащихся в мертвых растениях и животных, в общий круговорот в форме нитратов. Такое превращение происходит в результате последовательного окисления азотистых соединений, а для этого нужны аэробные бактерии и кислород.

    После гибели живого организма его белки разлагаются до аминокислот, а затем до аммиака. Точно так же расщепляются и азотистые соединения экскрементов и различных выделений животных. Затем хемосинтезирующие бактерии окисляют аммиак до нитрата. Этот процесс называется нитрификацией.

    Рис. 9. Круговорот азот

    Денитрифицирующие бактерии осуществляют процесс, обратный нитрификации, – денитрификацию, которая может уменьшать плодородие почвы.

    Денитрификация происходит только в анаэробных условиях, когда бактерии используют нитрат как окислитель (акцептор электронов), заменяющий кислород в реакциях окисления органических веществ. Сам нитрат при этом восстанавливается. Такие бактерии относятся к факультативным анаэробам.

    Не следует думать, что денитрифицирующие бактерии ставят под угрозу существование жизни на Земле. Как полагают, не будь процессов денитрификации, большая часть атмосферного азота находилась в связанном состоянии в земле.

    Роль хемосинтетиков для всех живых организмов на нашей планете чрезвычайно велика, так как они являются звеном в круговороте важнейших элементов (азота, серы). Таким образом, существование жизни невозможно без деятельности хемосинтезирующих организмов.

    Хемосинтетики также важны в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород.

    Нитрифицирующие бактерии насыщают почву нитратами, которые хорошо усваиваются растениями.

    Некоторые нитрифицирующие бактерии используют для очистки сточных вод (серобактерии).

    Список литературы

    1. Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
    2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
    3. Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
    4. Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

    Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

    Домашнее задание

    1. Вопросы в конце параграфа 25 (стр. 95) – Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Общая биология», 10-11 класс (Источник)
    2. Чем хемотрофы отличаются от фототрофов?
    3. Как вы думаете, можно ли, рассмотрев единственную клетку многоклеточного организма, определить его тип питания?

    Источник: https://interneturok.ru/lesson/biology/10-klass/bosnovy-citologii-b/avtotrofnoe-pitanie-hemosintez?konspekt

    Фотосинтез и хемосинтез

    Обычно все организмы, способные из неорганических веществ синтезировать органические, т.е. организмы, способные к фотосинтезу и хемосинтезу, относят к автотрофам.

    К автотрофам традиционно относят растения и некоторые микроорганизмы.

    Кратко мы говорили о фотосинтезе, когда рассматривали строение растительной клетки, давайте разберем весь процесс поподробнее…

    это полное, суммарное уравнение фотосинтеза

    Вступают в процесс Результат фотосинтеза
    Энергия солнечного света АТФ (химическая энергия)
    вещества, бедные энергией — CO2, H2O (N, S, P — содержащие соединения) глюкоза (вещество, богатое энергией) и O2

    Основное вещество, участвующее в многоступенчатом процессе фотосинтеза — хлорофилл. Именно оно трансформирует солнечную энергию в химическую.

    На рисунке указано схематическое изображение молекулы хлорофилла, кстати, молекула очень похожа на молекулу гемоглобина…

    Хлорофилл встроены в граны хлоропластов:

    Световая фаза фотосинтеза:

    (осуществляется на мембранах тилакойдов)

    1. Свет, попав на молекулу хлорофилла, поглощается им и приводит его в возбужденное состояние — электрон, входящий в состав молекулы, поглотив энергию света, переходит на более высокий энергетический уровень и участвует в процессах синтеза;
    2. Под действием света так же происходит расщепление (фотолиз) воды:

      протоны ( с помощью электронов) превращаются в атомы водорода и расходуются на синтез углеводов;

    3. синтезируется АТФ (энергия)

    Темновая фаза фотосинтеза

    (протекает в стромах хлоропластов)

    собственно синтез глюкозы

    Обратите внимание: темновой эта фаза называется не потому что идет ночью — синтез глюкозы происходит, в общем-то, круглосуточно, но для темновой фазы уже не нужна световая энергия.

    К.А.Тимирязев.

    Соответственно веществам, включенным в метаболизм бактерий, существуют:

    • серобактерии — микроорганизмы водоемов, содержащих H2S — источники с очень характерным запахом,
    • железобактерии,
    • нитрифицирующие бактерии — окисляют аммиак и азотистую кислоту,
    • азотфиксирующие бактерии — обогащают почвы, чрезвычайно повышают урожайность,
    • водородокисляющие бактерии

    Но суть остается та же — это тоже автотрофное питание , так же запасается энергия  и это запас в виде молекул АТФ

    Этот тип синтеза используется ТОЛЬКО бактериями.

    Поэтому бактерии, «практикующие» хемосинтез, могут жить на любой глубине океанов.

    Изучением фотосинтеза и хемосинтеза занимался С. Н. Виноградский  — ученый, который рассматривал влияние микроорганизмов на биосферу (он ввел понятие «экология микроорганизмов»).

    Как видите,  фотосинтез и хемосинтез — две формы пластического обмена, при котором из неорганических веществ образуются органические вещества.

    • в ЕГЭ это вопрос А3 — обмен веществ и фотосинтез
    • А10 — физиология растений

    Обсуждение: “Фотосинтез и хемосинтез”

    (Правила комментирования)

    Источник: https://distant-lessons.ru/fotosintez-i-xemosintez.html

    Хемосинтез. Значение хемосинтеза в биосфере

    Кроме фотосинтеза, существует еще одна форма автотрофной ассимиляции – хемосинтез, свойственный некоторым бактериям.

    В отличие от фотосинтеза источником энергии для синтеза сложных органических веществ из простых неорганических здесь служит не свет, а энергия окисления некоторых неорганических соединений – сероводорода, серы, аммиака водорода, азотистой кислоты, закисных соединений железа и марганца. Открытие бактериального хемосинтеза принадлежит известному русскому ученому С. Н. Виноградскому.

    Важнейшей группой хемосинтезирующих организмов являются нитрифицирующие бактерии, способные окислять аммиак, образующийся при гниении органических остатков до нитрита, а затем до нитрата:

    2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + 663 кДж,

    2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 142 кДж.

    Этот процесс сопровождается выделением энергии. Образующаяся азотная кислота, реагируя с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотной кислоты, которые хорошо усваиваются растениями.

    Бесцветные серобактерии окисляют сероводород и накапливают в своих клетках серу:

    2H2S + O2 = 2H2O + 2S + 272 кДж.

    При недостатке сероводорода бактерии производят дальнейшее экзотермическое окисление накопившейся в них серы до серной кислоты:

    2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO + 636 кДж.

    Железобактерии переводят двухвалентное железо в трехвалентное:

    4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 324 кДж.

    Водородные бактерии используют в качестве источника энергии реакцию окисления молекулярного водорода, а в качестве единственного источника углерода – диоксид углерода. Реакция окисления протекает по схеме:

    2H2 + O2 → 2H2O + 235 кДж.

    Энергия, которая выделяется при окислении указанных выше соединений, используется бактериями-хемосинтетиками для восстановления CO2 до органических веществ.

    Экологическая роль хемосинтеза

    Хемотрофные нитрифицирующие бактерии широко распространены в природе. Они встречаются как в почве, так и в разных водоемах. Осуществляемые ими процессы могут происходить в весьма крупных масштабах и имеют существенное значение в круговороте азота в биосфере.

    Серобактерии способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород вследствие образования ими серной кислоты, являются причиной порчи каменных и металлических сооружений, выщелачивания руд и серных месторождений.

    Многие виды серобактерий, окисляя до сульфатов различные соединения серы, играют большую роль в процессах очищения промышленных сточных вод.

    При деятельности некоторых железобактерий образуется Fe(OH)3, скопления которого образуют болотную железную руду.

    Водородные бактерии уже используются для получения дешевого пищевого и кормового белка, а также для регенерации (восстановления) атмосферы в замкнутых системах жизнеобеспечения (например, система «Оазис-2» была испытана на космическом корабле «Союз-3» в 1973 г.). Кроме того, водородные бактерии участвуют в окислении водорода в природных условиях, который накапливается при действии некоторых микроорганизмов, размельчающих органические вещества почвы, донные отложения водоемов и т. п.

    Читать далее

    Источник: http://ed-lib.ru/biology/30-hemosintez-znachenie-hemosinteza-v-biosfere.html

    Автотрофное питание. Хемосинтез

    Энер­гия су­ще­ству­ет во мно­гих фор­мах, но для живых ор­га­низ­мов под­хо­дят всего две из них – это све­то­вая и хи­ми­че­ская энер­гия.

    Те ор­га­низ­мы, ко­то­рые ис­поль­зу­ют для син­те­за соб­ствен­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ энер­гию сол­неч­но­го света, на­зы­ва­ют фо­то­тро­фа­ми.

    Ор­га­низ­мы, ко­то­рые ис­поль­зу­ют для син­те­за соб­ствен­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ хи­ми­че­скую энер­гию, – это хе­мот­ро­фы.

    Хе­мо­син­тез – спо­соб ав­то­троф­но­го пи­та­ния, при ко­то­ром ис­точ­ни­ком пи­та­ния для син­те­за соб­ствен­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ слу­жит ре­ак­ция окис­ле­ния неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний.

    Хе­мо­син­тез свой­стве­нен и най­ден у бак­те­рий. От­крыл хе­мо­син­тез как яв­ле­ние рус­ский уче­ный С.Н. Ви­но­град­ский.

    Вы­де­ля­ют несколь­ко групп хе­мот­роф­ных бак­те­рий:

    1. Же­ле­зо­бак­те­рии. Окис­ля­ют двух­ва­лент­ное же­ле­зо до трех­ва­лент­но­го.

    2. Се­робак­те­рии. Окис­ля­ют се­ро­во­до­род до серы или до сер­ной кис­ло­ты.

    3. Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии. Окис­ля­ют ам­ми­ак до азот­ной или азо­ти­стой кис­ло­ты, ко­то­рая при вза­и­мо­дей­ствии с ми­не­ра­ла­ми об­ра­зу­ет нит­ра­ты и нит­ри­ты.

    Вы­де­ля­ю­ща­я­ся в про­цес­се окис­ле­ния  неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний энер­гия не может быть сразу из­рас­хо­до­ва­на на син­тез ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний. Она вна­ча­ле пе­ре­во­дит­ся в энер­гию хи­ми­че­ских свя­зей мо­ле­ку­лы АТФ и толь­ко после этого рас­хо­ду­ет­ся на био­син­те­ти­че­ские про­цес­сы в клет­ке.

     Сергей Николаевич Виноградский

    Рис. 1. С.Н. Ви­но­град­ский

    Сер­гей Ни­ко­ла­е­вич Ви­но­град­ский (см. Рис. 1) ро­дил­ся в Киеве 1 сен­тяб­ря 1856 года в семье со­сто­я­тель­но­го юри­ста. После окон­ча­ния в 1873 г. 2-й Ки­ев­ской гим­на­зии  (с зо­ло­той ме­да­лью) Ви­но­град­ский  изу­ча­ет юрис­пру­ден­цию, есте­ствен­ные науки, му­зы­ку.

     В но­яб­ре 1877 года он по­сту­па­ет на 2 курс есте­ствен­но­го от­де­ле­ния Пе­тер­бург­ско­го уни­вер­си­те­та, где осо­бое вни­ма­ние уде­ля­ет химии.

    После окон­ча­ния уни­вер­си­те­та Ви­но­град­ский оста­ет­ся ра­бо­тать на ка­фед­ре бо­та­ни­ки в ла­бо­ра­то­рии фи­зио­ло­гии рас­те­ний под ру­ко­вод­ством из­вест­но­го рус­ско­го уче­но­го А.С. Фа­мин­цы­на. Его се­рьез­ным увле­че­ни­ем стала мик­ро­био­ло­гия.

    Для углуб­ле­ния своих зна­ний Сер­гей Ни­ко­ла­е­вич от­прав­ля­ет­ся на ста­жи­ров­ку в Страс­бург­ский уни­вер­си­тет, где на­чи­на­ет изу­чать мор­фо­ло­гию и фи­зио­ло­гию же­ле­зо- и се­ро­со­дер­жа­щих бак­те­рий, при­ме­нив к ним раз­ра­бо­тан­ный метод элек­тив­ных сред.

    Он об­на­ру­жил, что се­робак­те­рии могут по­лу­чать энер­гию при окис­ле­нии неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, в част­но­сти при окис­ле­нии вос­ста­нов­лен­ных со­еди­не­ний серы, таких как се­ро­во­до­род, до сер­ной кис­ло­ты.

    Таким об­ра­зом, Ви­но­град­ский от­крыл новый ис­точ­ник энер­гии, ко­то­рый воз­ни­ка­ет при окис­ле­нии неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний. Это яв­ле­ние он на­звал хе­мо­син­те­зом.

    Далее уче­ный при­сту­пил к ис­сле­до­ва­нию про­цес­са нит­ри­фи­ка­ции и его роли в поч­во­об­ра­зо­ва­нии. Он вы­де­лил бак­те­рии-нит­ри­фи­ка­то­ры, а также под­твер­дил, что про­цесс нит­ри­фи­ка­ции со­сто­ит из двух ста­дий. На пер­вой ста­дии про­ис­хо­дит окис­ле­ние ам­ми­а­ка до нит­ри­тов, а на вто­рой ста­дии – окис­ле­ние нит­ри­тов до нит­ра­тов.

    После этого Ви­но­град­ский увлек­ся изу­че­ни­ем бак­те­рий, ко­то­рые спо­соб­ны были фик­си­ро­вать мо­ле­ку­ляр­ный азот, то есть ис­поль­зо­вать азот из воз­ду­ха. В связи с этим он вы­де­лил азот­фик­си­ру­ю­щую бак­те­рию, ко­то­рую на­звал в честь Па­сте­ра – Clostridium pasteurianum.

    С.Н. Ви­но­град­ский стал ос­но­во­по­лож­ни­ком эко­ло­го-фи­зио­ло­ги­че­ско­го на­прав­ле­ния мик­ро­био­ло­гии.

     Железобактерии

    У же­ле­зо­бак­те­рий энер­гия вы­де­ля­ет­ся при окис­ле­нии двух­ва­лент­но­го же­ле­за (см. Рис. 2).

    Рис. 2. Же­ле­зо­бак­те­рии

    Такие мик­ро­ор­га­низ­мы легко об­на­ру­жи­ва­ют­ся в при­род­ных во­до­е­мах в виде об­рас­та­ний ниж­ней части вод­ных рас­те­ний. Же­ле­зо­бак­те­рии часто встре­ча­ют­ся в хо­ро­шо аэ­ри­ру­е­мых ру­чьях при вы­хо­де под­зем­ных вод на по­верх­ность.

    Же­ле­зо­бак­те­рии (см. Рис. 3) спо­соб­ны раз­ру­шать ор­га­ни­че­ские ком­плек­сы же­ле­за, труд­но раз­ру­ша­е­мые в хи­ми­че­ских окис­ли­тель­ных про­цес­сах. Об­ра­зу­ю­щий­ся в ре­зуль­та­те этого гид­рок­сид же­ле­за от­кла­ды­ва­ет­ся на по­верх­но­сти кле­ток.

    Рис. 3. Же­ле­зо­бак­те­рии

    Раз­ви­тие же­ле­зо­бак­те­рий в тру­бах при­во­дит к их за­би­ва­нию сли­зью и гид­рок­си­дом же­ле­за (III).

    В усло­ви­ях ма­ло­го про­то­ка воды через пол­го­да экс­плу­а­та­ции во­до­про­во­да на внут­рен­ней по­верх­но­сти труб же­ле­зо­бак­те­рии об­ра­зу­ют об­рас­та­ния в виде буг­ров вы­со­той до 10 мм (см. Рис. 4).

    В таких от­ло­же­ни­ях на­хо­дят бла­го­при­ят­ные усло­вия для жиз­не­де­я­тель­но­сти ки­шеч­ная па­лоч­ка, гни­лост­ные бак­те­рии и раз­лич­ные черви.

    Рис. 4. Об­рас­та­ния на внут­рен­ней по­верх­но­сти труб

    Серобактерии

    Боль­шое число бак­те­рий спо­соб­ны окис­лять вос­ста­нов­лен­ные со­еди­не­ния серы (см. Рис. 5). Эти мик­ро­ор­га­низ­мы при­ни­ма­ют уча­стие в гло­баль­ном кру­го­во­ро­те серы в при­ро­де.

    Се­робак­те­рии делят на две груп­пы:

    1. Бак­те­рии, ко­то­рые спо­соб­ны от­кла­ды­вать серу внут­ри клет­ки.

    2. Бак­те­рии, ко­то­рые не спо­соб­ны от­кла­ды­вать серу ни при каких усло­ви­ях.

    Рис. 5. Се­робак­те­рии

     Бесцветные серобактерии

    Давно из­вест­но, что в се­ро­во­до­род­ных ис­точ­ни­ках встре­ча­ют­ся неокра­шен­ные мик­ро­ор­га­низ­мы, ко­то­рые на­кап­ли­ва­ют в себе серу.

    В тех ис­точ­ни­ках, где се­ро­во­до­ро­да немно­го, такие мик­ро­ор­га­низ­мы на­блю­да­ют­ся в виде белых пле­нок (см. Рис. 6).

    Рис. 6. Белые плен­ки из се­робак­те­рий

    Ви­но­град­ский по­ка­зал, что у одних видов неокра­шен­ных се­робак­те­рий сера об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те окис­ле­ния се­ро­во­до­ро­да. Таким об­ра­зом, бес­цвет­ные се­робак­те­рии иг­ра­ют боль­шую роль в де­ток­си­ка­ции воды (очист­ка воды от се­ро­во­до­ро­да).

     Нитрифицирующие бактерии

    Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии окис­ля­ют ам­ми­ак до нит­ри­тов и нит­ра­тов.

    Био­ло­ги­че­ская при­ро­да пре­вра­ще­ния ам­ми­а­ка в нит­ра­ты была из­вест­на давно, и в Ев­ро­пе это ис­поль­зо­ва­ли для по­лу­че­ния се­лит­ры при из­го­тов­ле­нии по­ро­ха.

    С.Н. Ви­но­град­ский вы­де­лил чи­стые куль­ту­ры нит­ри­фи­ка­то­ров. Вы­яс­ни­лось, что про­цесс нит­ри­фи­ка­ции идет в две ста­дии (см. Рис. 7).

    Рис. 7. Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щая бак­те­рия и две ста­дии про­цес­са нит­ри­фи­ка­ции

    Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии иг­ра­ют в при­ро­де важ­ную роль, осу­ществ­ляя один из эта­пов кру­го­во­ро­та азота (см. Рис. 8).

    Рис. 8. Кру­го­во­рот азота

     Распад органического материала и нитрификация

    Рас­те­ния по­лу­ча­ют азот в виде нит­ра­та из почвы, а жи­вот­ные по­лу­ча­ют азот от рас­те­ний.

    На ри­сун­ке 9 по­ка­за­но, как са­про­фит­ные бак­те­рии и грибы воз­вра­ща­ют азот бел­ков, со­дер­жа­щих­ся в мерт­вых рас­те­ни­ях и жи­вот­ных, в общий кру­го­во­рот в форме нит­ра­тов. Такое пре­вра­ще­ние про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те по­сле­до­ва­тель­но­го окис­ле­ния азо­ти­стых со­еди­не­ний, а для этого нужны аэроб­ные бак­те­рии и кис­ло­род.

    После ги­бе­ли жи­во­го ор­га­низ­ма его белки раз­ла­га­ют­ся до ами­но­кис­лот, а затем до ам­ми­а­ка. Точно так же рас­щеп­ля­ют­ся и азо­ти­стые со­еди­не­ния экс­кре­мен­тов и раз­лич­ных вы­де­ле­ний жи­вот­ных. Затем хе­мо­син­те­зи­ру­ю­щие бак­те­рии окис­ля­ют ам­ми­ак до нит­ра­та. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся нит­ри­фи­ка­ци­ей.

    Рис. 9. Кру­го­во­рот азота

    Де­нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии осу­ществ­ля­ют про­цесс, об­рат­ный нит­ри­фи­ка­ции, – де­нит­ри­фи­ка­цию, ко­то­рая может умень­шать пло­до­ро­дие почвы.

    Де­нит­ри­фи­ка­ция про­ис­хо­дит толь­ко в анаэ­роб­ных усло­ви­ях, когда бак­те­рии ис­поль­зу­ют нит­рат как окис­ли­тель (ак­цеп­тор элек­тро­нов), за­ме­ня­ю­щий кис­ло­род в ре­ак­ци­ях окис­ле­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ.

    Сам нит­рат при этом вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Такие бак­те­рии от­но­сят­ся к фа­куль­та­тив­ным анаэ­ро­бам. Не сле­ду­ет ду­мать, что де­нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии ста­вят под угро­зу су­ще­ство­ва­ние жизни на Земле.

    Как по­ла­га­ют, не будь про­цес­сов де­нит­ри­фи­ка­ции, боль­шая часть ат­мо­сфер­но­го азота на­хо­ди­лась в свя­зан­ном со­сто­я­нии в земле.

    Роль хемосинтетиков

    Роль хе­мо­син­те­ти­ков для всех живых ор­га­низ­мов на нашей пла­не­те чрез­вы­чай­но ве­ли­ка, так как они яв­ля­ют­ся зве­ном в кру­го­во­ро­те важ­ней­ших эле­мен­тов (азота, серы). Таким об­ра­зом, су­ще­ство­ва­ние жизни невоз­мож­но без де­я­тель­но­сти хе­мо­син­те­зи­ру­ю­щих ор­га­низ­мов.

    Хе­мо­син­те­ти­ки также важны в ка­че­стве при­род­ных по­тре­би­те­лей таких ядо­ви­тых ве­ществ, как ам­ми­ак и се­ро­во­до­род.

    Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии на­сы­ща­ют почву нит­ра­та­ми, ко­то­рые хо­ро­шо усва­и­ва­ют­ся рас­те­ни­я­ми.

    Неко­то­рые нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии ис­поль­зу­ют для очист­ки сточ­ных вод (се­робак­те­рии).

    Источник: http://100ballov.kz/mod/page/view.php?id=1610

    Фотосинтез и хемосинтез

    Фотосинтез и хемосинтез

    Цель: изучить механизм процессов фотосинтеза и хемосинтеза

    Задачи:

    • Рассмотреть особенности процессов фотосинтеза и хемосинтеза, основные этапы этих процессов, выявить их роль
    • формировать умения и навыки самостоятельной работы с различными источниками информации
    • Ответственное отношение к выполняемым заданиям, патриотическое воспитание на примере работ отечественных ученых по изучению этих процессов

    История изучения

    процесса фотосинтеза

    1771 г. – англ. химик Джозеф Пристли установил, что растения «исправляют» воздух, «испорченный» горящей свечой.

    1782 г. – Жан Сенебье показал, что растения, выделяя кислород, поглощают углекислый газ; предположил, что в вещество растения превращается углерод, входящий в состав углекислого газа.

    1779 г.- австр. врач Ян Ингенхауз обнаружил, что растения выделяют кислород только на свету. Он погружал ветку ивы в воду и наблюдал на свету образования на листьях пузырьков кислорода.

    1903 г. – русский ученый Климент Аркадьевич Тимирязев первый обобщил все данные о фотосинтезе и дал научное объяснение этому процессу в книге « Жизнь растений »

    Фотосинтез  – это процесс преобразования поглощённой энергии света в химическую энергию органических

    соединений

    Строение хлоропласта

    Хлорофилл- сложное органическое вещество, в центре которого находится атом магния. Хлорофилл находится в мембранах тилакоидов гран, из-за чего хлоропласты приобретают зеленый цвет. Хлорофилл поглощает лучи в красной и синей областях спектра и отражает зеленые лучи, которые воспринимаются нашим глазом.

    СВЕТОВАЯ

    ТЕМНОВАЯ

    Фазы фотосин-теза

    Локализация в клетке

    Световая фаза

    Мембраны тилакоидов, граны хлоропластов

    Процессы, происходящие в этой фазе

    Результаты процессов

    • а) хлорофил-(свет) → хлорофилл+е;

    б) е + белки-переносчики → на наружную поверхность мембраны тилакоида

    в) НАДФ +  +2Н 2 + 4е →НАДФ Н 2

    • НАДФН 2
    • О 2 – в атмосферу
    • Образование АТФ
    • Фотолиз воды (разложение)                                       Н 2 О   свет   → Н +  +ОН –  

    Н + → в протонный резервуар тилакоида

    ОН –   → ОН – – е → ОН

    4ОН → 2Н 2 О + О 2

    е+хлорофилл ——-хлорофилл

    3. Н + – источник энергии, необходимой АТФ фазе для синтеза АТФ из АДФ+Ф

    Фазы фотосинтеза

    Локализация в клетке

    Темновая фаза

    Процессы, происходящие в этой фазе

    Строма хлоропластов

    Результаты процессов

    Связывание СО 2. Участвуют молекулы АТФ , синтезированные во время световой фазы и атомы Н (образованные при фотолизе), связанные с молекулами переносчиками. СО 2 присоединяется к существующим в клетке молекулам пентозы, которые функционируют в цикле Кальвина, образуются углеводы

    Образование глюкозы

    Значение фотосинтеза

    • Фотосинтез – основа питания всех живых существ
    • Ежегодно на Земле производится 150 млрд. тонн органического вещества и выделяется 200 млрд. тонн свободного кислорода
    • Из кислорода образуется озоновый слой, защищающий живые организмы от ультрафиолетовой радиации
    • Фотосинтез поддерживает современный состав атмосферы
    • Препятствует увеличению концентрации СО 2 , предотвращая перегрев  Земли
    • Растения вовлекают в круговорот миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов

    В природе происходит ещё один процесс, при котором создаются органические вещества – это хемосинтез

    С.Н. Виноградский

    в 1887 году впервые открыл процесс хемосинтеза

    • Существует несколько групп хемосинтезирующих бактерий, из которых наибольшее значение имеют нитрифицирующие, серобактерии и железобактерии.
    • Например, нитрифицирующие бактерии получают энергию для синтеза органических веществ, окисляя аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты, серобактерии — окисляя сероводород до сульфатов, водородные бактерии – окисляя водород до воды, а железобактерии — превращая закисные соли железа в окисные.
    • Освобожденная энергия аккумулируется в клетках хемобактерий в форме АТФ.
    • Процесс хемосинтеза, при котором из СO2 образуется органическое вещество, протекает аналогично темновой фазе фотосинтеза. Благодаря жизнедеятельности бактерий-хемосинтетиков в природе накапливаются большие запасы селитры и болотной руды

    Источники информации:

    Планирование к учебнику А.А. Каменского, ЕА. Криксунова, В.В. Пасечника «Введение в общую биологию и экологию»: пособие для учителя. – М.: Дрофа, 2012. – 128 с.

    Пепеляева, О.А., Сунцова, И.В. Поурочные разработки по общей биологии: 9 класс. – М.: ВАКО, 2006. – 464 с. – (В помощь школьному учителю).

    Сидоров Е.П. Общая биология для поступающих в вузы. Структурированный конспект. – М.: «Уникум-центр», 1997

    Биология для поступающих в вузы. Под ред. Ярыгина В.Н., – М.: «Высшая школа», 1997

    Петросова Р.А. Дидактический материал по общей биологии: пособие для учителей биологии – М.: «РАУБ – Цитадель». 1997

    CD- диск «Уроки биологии Кирилла и Мефодия. 10-11 класс»,2005

    Картинки сайтов сети Интернет.

    Источник: https://multiurok.ru/index.php/files/fotosintiez-i-khiemosintiez.html

    Хемосинтез бактерий, в чем заключается сходство хемосинтеза и фотосинтеза

    Хемосинтез бактерий – тип питания бактериальных клеток, при котором они усваивают углекислый газ (CO2), потребляя энергию окисления определенных веществ неорганической природы (H2, NH4, ионов Fe, соединений S и прочих). Этот феномен интересен еще и тем, что здесь проявляется сходство бактерий с растениями и цианобактериями, которые посредством фотосинтеза получают кислород из воды и углекислого газа.

    Схожесть и отличия процессов питания бактерии и растения

    Итак, на основании каких критериев можно сравнить эти два процесса? Различие фотосинтеза от хемосинтеза как механизмов преобразования веществ заключается в том, что хемосинтез использует в качестве донора электронов не воду, как во время фотосинтеза, а некоторые вещества с неорганическими свойствами. И здесь не нужна ультрафиолетовая составляющая солнечного света, в отличие от фотосинтеза. Полученная в результате реакций окисления энергия накапливается бактериями в виде аденозинтрифосфата (АТФ).

    Хемосинтез впервые был изучен в 1887 году русским ученым-микробиологом Виноградским С.Н.. Ученый наблюдал за железо- и серобактериями. Именно этим исследованием Виноградский сумел доказать существование автотрофного типа питания. А в 1890 году предложил термин «хемосинтез».

    Основные типы хемосинтетиков

    Среди хемосинтезирующих бактерий выделяется несколько групп в зависимости от вещества, используемого в качестве источника углерода

    Сероредуцирующие, или серобактерии

    Абсолютно бесцветные микроорганизмы, которые получают энергию посредством окисления сероводорода (H2S) и образования свободной серы (S).

    2H2S + O2 = 2H2O + S2 + 272 кДж

    В случае недостаточного количества сероводорода они могут продолжить окислительный процесс окислением серы и получением серной кислоты (H2SO4):

    S2 + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 + 483 кДж

    Живут серобактерии в водоемах, насыщенных сероводородом. В Черном море количество таких бактерий просто огромно.

    Образованная серная кислота медленно разрушает сооружения из металла и камня, горные породы, способствует выщелачиванию руды и месторождений серы.

    Нитрифицирующие, или нитробактерии

    Это одноклеточные бактерии, получающие энергию для протекания такого процесса, как хемосинтез, из реакции окисления аммиака (NH3) и азотистой кислоты (HNO2) при гнилостном разложении веществ органической природы.

    Аммонийокисляющие микроорганизмы занимаются окислением аммиака:

    2NH4 + 3O2 = 2HNO2 + 663 кДж

    Нитритокисляющие бактерии продолжают окислительный процесс, окисляя нитритную кислоту до нитратной:

    2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 192 кДж

    Средой обитания данного вида бактериальных микроорганизмов являются почвы и водоемы, где они комфортно себя чувствуют при температуре 25-30°С, а также уровне pH=7,5-8,0. Размножаются путем деления (кроме Nitrobacter).

    Аммонийокисляющие бактерии во всем своем количестве являются облигатными автотрофами, то есть могут окислить метан (CH4) и диоксид углерода.

    Нитрифицирующие микроорганизмы принадлежат к хемолитотрофным микробам, являющимся наиболее распространенными в естественных условиях. Из них самое широкое распространение получили аммонийокисляющие, благодаря возможности использовать еще один энергетический источник окисления метана.

    Именно благодаря жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий образовалось столько ископаемой селитры в недрах земли. Человечество научилось использовать нитрифицирующих бактерий в процессах обогащения руд для получения чистого марганца и при добыче угля. Также их используют для преобразования сточных вод.

    Железобактерии

    Тип бактерий, которые способны окислять соединения железа (Fe), а также марганца (Mn). Средой обитания данного вида являются морские, пресные водоемы. Своей жизнедеятельностью они способствуют отложениям на дне водоемов руд, содержащих марганец и железо.

    4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 324 кДж

    Водородные бактерии, или водородобактерии

    Хемосинтез водородных бактерий протекает за счет окисления молекул водорода (H2), образующегося за счет анаэробного (без применения кислорода) разложения на компоненты органического материала:

    2H2 + O2 = 2H2O + 235 кДж

    Водородных микроорганизмов применяют для продукции пищевых, а также кормовых белков, осуществления атмосферных регенеративных процессов в системе жизнеобеспечения замкнутого типа (в системе «Оазис-2» и других).

    Сходные процессы

    Ученые исследовали хемосинтез на меченом углекислом газу (14CO2), действуя с различными видами бактерий. В результате этого была получена фосфоглицериновая кислота.

    Ее образование вызвано наличием в бактериальных клетках рибулозодифосфата, стимулирующего ассимиляционный процесс в 14CO2.

    Таким образом, было выяснено, что хемосинтез подобен процессам фотосинтеза в присоединении диоксида углерода к рибулозодифосфату – основному механизму ассимиляции CO2.

    Источник: https://probakterii.ru/prokaryotes/in-nature/hemosintez-bakterij.html

    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.

    Источник: http://www.studentguru.ru/chemosynthesis.html

    Ссылка на основную публикацию