В природе бактерии, окисляющие серу, занимают специфические экологические ниши и встречаются в массовых количествах как в сильнокислых, так и в щелочных средах, где имеется сероводород или другие восстановленные соединения серы. Некоторые живут при высоких температурах в горячих серных источниках. Фототрофные серобактерии распространены главным образом в водоемах, хемотрофные тионовые — в почвах. Образуемая ими серная кислота подкисляет почву, что способствует переводу некоторых важных для растений элементов (фосфора, железа) в доступную форму. В то же время серная кислота может быть опасным агентом коррозии металлических труб и других сооружений в почве. Этот процесс подробно изучается, устанавливаются почвы, где он более возможен, составляются специальные картосхемы, разрабатываются меры по его предотвращению.
Тионовые бактерии используются в гидрометаллургии. Бактериальное выщелачивание металлов за счет окисления содержащихся в руде сульфидов позволяет вести добычу металла из бедного минерального сырья при минимальных энергозатратах. Разработано целое направление микробной гидрометаллургии (получение цветных металлов).
Восстановление сульфатов происходит в разных метаболических процессах. Сульфаты служат источником серы как для растений, так и для микроорганизмов. Их ассимиляция сопровождается восстановлением серы в процессах конструктивного метаболизма. Это ассимиляционная сульфатредукция сходная с соответствующим процессом поглощения и восстановления нитратов. Процесс этот универсален для всех организмов. Биологическое закрепление серы в микробных клетках называется также ее иммобилизацией.
В анаэробных условиях сульфаты восстанавливаются до сероводорода специфическими бактериями из группы облигатных анаэробов. Это узкоспециализированные сульфатредуцирующие бактерии, использующие сульфаты в качестве окислителя органических соединений в процессе анаэробного дыхания — дисси- миляционной сульфатредукции (сравни с денитрификацией). Они были открыты М. Бейеринком. Некоторые виды могут окислять свободный водород, выступая как хемолитоавтотрофы или как хемолитогетеротрофы. Для последних донором электрона служит Н2, а источником углерода — органические вещества, например лактат. У сульфатредуцируюших бактерий перенос электрона происходит через цитохромную цепь, как и у аэробных бактерий, с образованием АТФ. Возбудители процесса сульфатредукции относятся к 10 разным родам строго анаэробных бактерий (около 50 видов): Desulfovibrio — подвижные изогнутые палочки, не образующие спор, Desulfotomaculum — споровые палочки. Среди представителей первого рода есть галофилы, среди вторых — термофилы. В последние годы выделено много новых сульфатредуцирующих бактерий: Desulfonema, Desulfosarcina, Desulfobacter, Desulfococcus. Два последних рода — кокковые бактерии, Desulfonema — крупные трихомные микроорганизмы со скользящим движением. Распространены сульфатредуцирующие бактерии во всех почвах, но особенно много их в почвах с режимом, приводящим к длительному анаэробиозу, например в затопляемых почвах рисовых полей, а также в болотах, илах, лиманных грязях, пластовых водах, сопровождающих нефтяные месторождения. В подзолах мало сульфатов, и биогенным путем сульфиды в них не накапливаются. В щелочных и нейтральных почвах образуются нерастворимые сульфиды. Накопление сульфида железа приводит к образованию черного ила.
С жизнедеятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий связывают процесс биогенного содонакопления. Провинции, где формируются содовые солончаки, тяготеют к низменным местам, например, к поймам рек, понижениям вокруг озер. Если коренные породы в этих местах обогащены сульфатами, то в анаэробных условиях при затоплении и разложении органического вещества образуется H2S, который затем путем химических реакций преобразуется в Na2S и далее в соду при наличии карбонатов (CaC03, MgC03).
Биогенное появление соды не всегда сопровождается ее накоплением. На гипсоносных отложениях не происходит содонакопления, так как гипс реагирует с содой и образуется вторичный сульфат натрия по схеме: Na2C03 + CaS04 -» Na2S04 + CaC03.
В присутствии тионовых бактерий, окисляющих Na2S, сода тоже не будет накапливаться. Таким образом, количественная сторона процесса содонакопления зависит от степени и длительности увлажнения почвы застойными водами, от количества органического вещества, характера отложений и наличия сероокисляющих бактерий.
Восстановительные процессы в цикле серы не ограничиваются ассимиляционной и диссимиляционной сульфатредукцией. Восстанавливаться могут тиосульфаты и молекулярная сера. Восстановление S032” и S2032- до S° проводят облигатно-анаэробные термофильные бактерии Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes Clostridium thermosulfurogenes. Эти хемоорганотрофные бактерии, выделенные из термального источника в Йеллоустонском парке (США), вызывают брожение с образованием этанола, молочной и уксусной кислот и Н2; способны к гидролизу пектина и крахмала. Образующаяся при восстановлении тиосульфата молекулярная сера откладывается на клеточных стенках и выделяется в среду.
В восстановлении молекулярной серы до H2S участвуют многие термоацидофильные строго анаэробные архебактерии, например Thermoproteus tenax, Pyrococcus furiosus, Desulfurococcus mucosus и др. Эти бактерии — обитатели очень кислых сред с высокой температурой. Для Pyrococcus furiosus оптимальны: pH 1,0, температурный оптимум 100°С. В анаэробных условиях серу восстанавливают архебактерии Sulfolobus, которые в аэробных условиях входят в группу окислителей серы. И, наконец, бесцветные серные хемоорганогетеротрофные бактерии Beggiatoa alba в анаэробных условиях используют серу и тиосульфат в диссимиляционной редукции как акцепторы электронов по типу анаэробного дыхания, сопряженного с окислением органических субстратов.
Сероводород образуется в больших количествах при разложении белковых веществ. Этот процесс, сопровождающийся выделением других летучих дурно пахнущих продуктов, обычно называют гниением. Гнилостные микроорганизмы могут быть аэробными и строго анаэробными. В основном это обычные сапротрофы родов Bacillus, Clostridium и др. Биогенная сера, поступающая в атмосферу в виде органических летучих соединений, в основном продукт деятельности гнилостных бактерий.
Процессы восстановительных звеньев цикла серы тесно сопряжены с окислительными, и часто сульфатредуцирующие бактерии развиваются в общих местообитаниях с серными, которые используют для окисления сероводород, поступающий из анаэробной зоны. Накопление в среде сероводорода может вызывать негативные последствия, так как он бывает причиной токсикоза почв, а в водоемах повышение концентрации H2S приводит к массовой гибели рыбы и других животных. В местах высокой активности сульфатвосстанавливающих бактерий происходит коррозия металлических конструкций в почве (H2S окисляет железо).
Помимо биологического цикла серы в атмосфере Земли происходят превращения серосодержащих газов без участия живых организмов. Сера в виде сернистого газа образуется в результате сжигания угля и нефти, а также при извержении вулканов в форме H2S. Эти соединения окисляются в атмосфере, а образующаяся серная кислота возвращается на поверхность земли и в почву (кислотные дожди). Вокруг промышленных районов таким путем на сотни и тысячи километров происходит повреждение растительности, особенно лесов, подкисление почв, иногда полная гибель растительности и образование так называемых «техногенных пустынь» вблизи химических предприятий.
Бактерии, окисляющие серу
Бесцветные серобактерии: /— Achromatium\ 2— Thiovulurrr, 3 — Thiospira; 4 — Thiothrix; 5 —Beggialoa; 6— Thioploca. Пурпурные серобактерии: 7— Thiospirillum\ 8 — Chromatium\ 9 — Thiocyclis; 10 — Thiocapsa\ II — Thiodictyon. Зеленые серобактерии: 12, 13— Chlorobium spp.; 14— Prosthecochloris\ 15— Chloronema
Слайды, презентации
Контрольные вопросы:
1. Круговорот серы в биосфере?
2. Роль и участие серы в биологическом круговороте веществ?
3. Хемосинтез и его значение?
4. Бактерии, окисляющие серу?
5. Восстановительные процессы в цикле серы?
6. Цикл превращений серы?
7. Бесцветные серобактерии?
Литература:
1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.
2. Грабович М.Ю. Участие прокариот в круговороте серы // Соросовский Образовательный Журнал, 1999, №12, с. 16–20.
3. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 248 c.
4. Громов Б.В. Удивительный мир архей // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №4. C. 23–26.
5. Кальдерные микроорганизмы / Под ред. Г.А. Заварзина. M.: Наука, 1989. 120 c.
6. Кондратьева Е.Н. Хемолитотрофы и метилотрофы. М.: Изд-во МГУ, 1983. 172 c.
7. Малахов В.В. Вестиментиферы – автотрофные животные // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №9. C. 18–26.Хоффман, P. F., Кауфман, A.J., Хэльверсон, G.P., и Schrag, D.P., 1998, неопротерозойская Земля Снежка: Наука, 287, p. 1342–1346
8. Лион, T.W., Gellatly, Утра, Макголдрик, P.J., и Kah, L.C., 2006, протерозой осадочный exhalative (SEDEX) депозиты и связи с развитием глобальной океанской химии, в Kesler, S.E., и Ohmoto, H., редакторы, Развитие Атмосферы Ранней Земли, Гидросферы и Биосферы — Ограничения от Месторождений руды: Геологическое Общество Американской Биографии 198, p. 169-184
9. Phamn, M., Мюллер, J.-F., Брассер, G.P., Гранье, C., Megie, G., 1996, 3D исследование глобальной серы cycle:contributions антропогенных и биогенных источников: Атмосферная Окружающая среда, издание 30, n. 10/11, p. 1815-1822
Лекция 13
Превращения фосфора
Цель лекции: раскрыть значение фосфора в биосфере, минерализация и мобилизация органических и не органических соединений фосфора
Ключевые слова: фосфор, круговорот фосфора, минерализация, мобилизация, фитин, лецитин, эфиры, нуклеиновые кислоты
Вопросы:
- Значение фосфора
- Минерализация фосфорорганических соединений
- Мобилизация неорганических соединений фосфора
1 Значение фосфора Фосфор открыт гамбургским алхимиком Хеннигом Брандом в 1669 году. Подобно другим алхимикам, Бранд пытался отыскать философский камень, а получил светящееся вещество. Бранд сфокусировался на опытах с человеческой мочой, так как полагал, что она, обладая золотистым цветом, может содержать золото или нечто нужное для его добычи. Первоначально его способ заключался в том, что сначала моча отстаивалась в течение нескольких дней, пока не исчезнет неприятный запах, а затем кипятилась до клейкого состояния. Нагревая эту пасту до высоких температур и доводя до появления пузырьков, он надеялся, что, сконденсировавшись, они будут содержать золото. После нескольких часов интенсивных кипячений получались крупицы белого воскоподобного вещества, которое очень ярко горело и к тому же мерцало в темноте. Бранд назвал это вещество phosphorus mirabilis (лат. «чудотворный носитель света»). Открытие фосфора Брандом стало первым открытием нового элемента со времён античности.
Фосфор — исключительно важный биогенный элемент. Он входит в состав аденозинфосфорных кислот (АТФ, АДФ, АМФ), нуклеиновых кислот, фосфолипидов клеточных мембран. Первым этапом метаболизма многих веществ является их фосфорилирование. Фосфор имеет очень большое значение в энергетике клетки.
Валовое содержание фосфора в 1 га пахотного слоя составляет Ют, т.е. гораздо больше, чем выносится с урожаем. Однако фосфор в почве находится в недоступной для растений форме. Это органические или слаборастворимые минеральные соединения. Основным источником фосфора в почвах служат нерастворимые и труднорастворимые фосфорсодержащие минералы группы апатита.
История «путешествий» фосфора на Земле, или, как говорят ученые-геохимики, его миграция, очень интересна и поучительна. Атомы фосфора, как и всех других элементов, постоянно участвуют в великом природном круговороте веществ.
Фосфор – относительно редкий элемент. По данным академика А.Е.Ферсмана, его весовой кларк (процентное содержание элемента в земле) равен всего 0,12%. В таблице распространенности химических элементов в земной коре он стоит на 13-м месте вслед за углеродом и хлором, перед серой. К тому же фосфор – элемент, редко накапливающийся в больших количествах, и потому его относят к числу рассеянных.
В свободном виде в природе по причине своей очень сильной окисляемости он не встречается, но входит в состав многих минералов (их насчитывается до 120) и множества органических веществ. Большинство минералов, содержащих фосфор, являются редкими. Наиболее важные минералы (природные фосфаты) – апатит, вивианит, а также осадочная горная порода фосфорит, состоящая из мелкокристаллического или аморфного фосфата кальция с примесью некоторых других веществ.
Источником всех фосфорных соединений в природе следует признать апатит – фосфат кальция, содержащий переменное количество фтора и хлора. В зависимости от преобладания в апатите фтора или хлора образуются минералы фторапатит Са5F(РO4)3 или хлорапатит Са5Сl(PO4)3. Они содержат от 5 до 36% P2O5.
Фосфоритовые залежи есть во многих странах. Наиболее известны месторождения в Северной Африке (Египет, Тунис, Алжир, Марокко), в США (Флорида). В России месторождения фосфоритов распространены на Урале, в Поволжье, Московской, Кировской, Смоленской, Брянской, Ленинградской и других областях.
Коэффициент использования растениями фосфора из минеральных удобрений в первый год чрезвычайно низкий — всего 15-20% (азота до 50%, калия до 60-70%). Это обусловлено высокой способностью железа, алюминия, кальция и других элементов, а также ряда минералов не только связывать ионы Р042-, но и прочно их удерживать.
Основным источником фосфора для растений являются соли ортофосфорной кислоты, называемой обычно фосфорной. Корни растений поглощают фосфор в виде анионов этой кислоты. Наиболее доступными для растений являются водорастворимые однозамещенные соли ортофосфорной кислоты: Са (H2PO4)2 - H2O, КН2РO4 NH4H2PO4 NaH2PO4, Mg(H2PO4)2.
Фосфор участвует в обмене веществ, делении клеток, размножении, передаче наследственных свойств и в других сложнейших процессах, происходящих в растении. Он входит в состав сложных белков (нуклеопротеидов), нуклеиновых кислот, фосфатидов, ферментов, витаминов, фитина и других биологически активных веществ. Значительное количество фосфора содержится в растениях в минеральной и органической формах. Минеральные соединения фосфора находятся в виде ортофосфорной кислоты, которая используется растением прежде всего в процессах превращения углеводов. Эти процессы влияют на накопление сахара в сахарной свекле, крахмала в клубнях картофеля и т. д.
Особенно велика роль фосфора, входящего в состав органических соединений. Значительная часть его представлена в виде фитина - типичной запасной формы органического фосфора. Больше всего этого элемента содержится в репродуктивных органах и молодых тканях растений, где идут интенсивные процессы синтеза. Опытами с меченым (радиоактивным) фосфором было установлено, что в точках роста растения его в несколько раз больше, чем в листьях.
Фосфор может передвигаться из старых органов растения в молодые. Особенно необходим фосфор для молодых растений, так как способствует развитию корневой системы, повышает интенсивность кущения зерновых культур. Установлено, что увеличивая содержание растворимых углеводов в клеточном соке, фосфор усиливает зимостойкость озимых культур.
Как и азот, фосфор является одним из важных элементов питания растений. В самом начале роста растение испытывает повышенную потребность в фосфоре, которая покрывается за счет запасов этого элемента в семенах. На бедных по плодородию почвах у молодых растений после расхода фосфора из семян проявляются признаки фосфорного голодания. Поэтому на почвах, содержащих небольшое количество подвижного фосфора, рекомендуется одновременно с посевом проводить рядковое внесение гранулированного суперфосфата.
Фосфор в отличие от азота ускоряет развитие культур, стимулирует процессы оплодотворения, формирования и созревания плодов.
Несмотря на свою малую распространенность и разбросанность, фосфор, однако, имеет исключительно важное значение в жизни растительных и животных организмов. Он входит в состав большинства растительных и животных белков и протоплазмы. Фосфор – биогенный элемент. Академик Ферсман называл фосфор элементом жизни и мысли.
У растений реакция на обеспеченность почвы доступными соединениями фосфора разная. Большое влияние на фосфорное питание растений оказывают микоризные грибы — симбионты корневых систем. Однако значение микроорганизмов в питании растений фосфором не сводится только к микосимбиотрофии. Свободноживущие и ризосферные микроорганизмы участвуют в процессах минерализации фосфорорганических соединений и способствуют переводу нерастворимых минеральных форм фосфора в растворимые. Эти процессы составляют основу превращений фосфора в природе.
В процесс круговорота фосфора, как и в природный круговорот других элементов (кислорода, азота, серы, калия, кальция, алюминия, железа и др.), энергично вмешивается человек. Фосфор нужен человеку для многих целей: большое количество его поглощает спичечная отрасль промышленности. Лучшие сорта нержавеющей стали получаются благодаря процессу фосфатирования – покрытия тонким слоем фосфатов, стойких против атмосферной коррозии. Аналогичной обработке часто подвергаются изделия из цинка, алюминия и их сплавов. Соединения фосфора идут на изготовление многих лекарственных веществ.
Главнейшие процессы, характеризующие круговорот фосфора в природе, изображены на рисунке. Лучшим объяснением этого рисунка могут служить следующие слова знаменитого русского геолога и минералога, профессора Я.В.Самойлова, которому принадлежит большая заслуга в деле изучения фосфоритов: «Фосфор наших фосфоритовых месторождений – биохимического происхождения. Из апатита – минерала, в котором первоначально заключен почти целиком весь фосфор литосферы, элемент этот переходит в тело растений, из растений – в тело животных, которые являются истинными концентраторами фосфора. Пройдя через ряд животных тел, фосфор, наконец, выпадает из биохимического цикла и вновь возвращается в мир минеральный. При определенных физико-географических условиях в море происходят массовая гибель животных организмов и скопление их тел на дне морском, а скопления эти приводят к образованию фосфоритовых месторождений в осадочных отложениях. Наши фосфориты – биолиты, и если бы можно было шаг за шагом повернуть весь ход испытанных нашими фосфоритами перемещений в обратную сторону, то образцы, заполняющие наши музеи, зашевелились бы...»
Таков круговорот и значение фосфора в природе. Крайне ядовитое и реакционноспособное вещество (в одной из его аллотропных форм – белом или желтом фосфоре) в своих соединениях является существенно необходимым элементом растительной и животной жизни.
2 Минерализация фосфорорганических соединений
Органические фосфорсодержащие соединения в почве входят в состав гумуса, навоза, растительных и животных остатков. Фосфор содержится в них, в противоположность азоту и сере, в окисленной форме, в виде остатка фосфорной кислоты. Наибольший процент фосфорорганических соединений от общего запаса фосфора в почве содержится в черноземе (до 80%), а наименьший — в сероземе (не более 10%). Большая их часть находится в форме фитина, нуклеиновых кислот, фосфолипидов. Живые клетки не способны поглощать большинство фосфорорганических соединений. Последние должны быть разложены до свободных фосфатных ионов, из которых затем вновь синтезируются внутриклеточно новые фосфорорганические вещества. Рассмотрим для примера разложение некоторых органических соединений, содержащих фосфор.
Фитин(соль инозитфосфорной кислоты) в кислых почвах закрепляется в виде солей Fe и А1, а в щелочных и нейтральных — солей Са и Mg. Под действием микробных ферментов — фитаз — от фитина отщепляется 6 молекул Н3Р04.
Лецитини другие фосфолипиды — сложные эфиры глицерина и фосфорной кислоты — входят в состав цитоплазматических мембран. Расщепляются с участием внеклеточных микробных ферментов — фосфолипаз.
Фосфорные эфиры сахаров гидролизуются фосфатазами. Фосфатазной активностью в той или иной степени обладают все почвенные микроорганизмы, однако только некоторые из них образуют большое количество внеклеточных фосфатаз.
Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) также содержат остатки фосфорной кислоты, которые освобождаются под действием микробных ферментов, выделяемых клетками многих почвенных микроорганизмов.
3 Мобилизация неорганических соединений фосфора
Фосфор в составе неорганических соединений входит в структуру первичных минералов или содержится в почве в виде нерастворимых солей фосфорной кислоты с Са, Mn, Fe и А1. В качестве фосфорных удобрений применяют фосфориты Са3(Р04)2 и апатиты Са5(Р04)3 • (F, С1, ОН).
Мобилизация из них фосфора происходит под действием кислот — органических и неорганических. Сильные неорганические кислоты образуют нитрификаторы (азотную) и тионовые бактерии (серную). Органические кислоты накапливаются в процессе анаэробных брожений и аэробных неполных окислений органических веществ грибами. Много органических кислот продуцируют лишайники. Роль микоризных грибов в снабжении растений фосфором также определяется их способностью растворять фосфорсодержащие минералы путем выделения органических кислот, а также разрушать фосфорорганические соединения. Активная мобилизация фосфора из нерастворимых его соединений протекает в ризосфере, где огромная масса гетеротрофных бактерий, живущих за счет корневых выделений, образует в процессе дыхания С02, как и сами корни, что способствует растворению солей фосфора.
Устойчивость фосфорных соединений к микробному разложению зависит от природы катионов, с которыми связан фосфатный ион. Наиболее легко мобилизуется фосфат кальция; фосфат алюминия менее подвержен растворению, а фосфат железа очень устойчив к действию бактериальных метаболитов.
Судьба образующихся под действием микроорганизмов растворимых фосфатов может быть различной. Часть фосфатных ионов поглощается растениями в процессе питания, часть иммобилизуется микроорганизмами и часть фиксируется в почве. Потери фосфора из почвы в атмосферу в виде летучего соединения РН3 ничтожны. Вынос фосфора в моря и океаны — процесс однонаправленный, так как фосфор переходит в осадки и лишь в очень малой степени возвращается в круговорот по пищевым цепям морских животных и далее на сушу выносится птицами в виде гуано.
Таким образом, общий поток превращений фосфора представляет собой осадочный биогеохимический цикл с образованием в океане «недоступных хранилищ». Перевод нерастворимых фосфатов в доступную для растений форму — главное движущее звено в вовлечении фосфора в биологический цикл. Напомним, что открытый океан очень мало продуктивен из-за отсутствия фосфора и железа в воде.
Слайды, презентации
Контрольные вопросы:
1. Значение фосфора в биосфере?
2. Как минерализуются органические фосфорные соединения?
3. Как минерализуются неорганические фосфорные соединения?
4. В состав каких кислот входит фосфор?
5. Фосфор разлагающие микроорганизмы?
Литература:
1. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.
2. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и почва. М.: МГУ, 1987.
3. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. с.336.
4. Мирчинк Т.Г.Почвенная микология.-М.: Изд. МГУ,1986.
5. Емцов В. Т.Микробы, почва, урожай. – М.: Изд. Колос,1980.
6. Илялетдинов А.Н.Микробиологические превращения азотосодержащих соединений в почве. Алма – Ата, 1976.
7. Почвенная микробиология./ Под ред. Д.И. Никитина /- М.: Изд. Колос,1979.
Лекция 14
