Растения в отличие от хемосинтезируюших бактерий играют важную роль в круговороте

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 19.09.2024

Хемосинтез — это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии неорганических соединений.

Данный процесс был открыт выдающимся русским ученым С.Н. Виноградским в 1887 году. К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соотвественно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

2NH3 +302 → 2HNO2 + 2Н20 + 663 кДж,

2HN02 + 02 →2HN03 + 192 кДж.

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях и до серной кислоты:

H2S + 02 → 2Н20 + 2S + 272 кДж,

2S + 302 + Н20 → H2S04 + 483 кДж.

Железобактерии окисляют соли железа:

4FeC03 + 02 + 6Н20 →4Fe(OH)3 + 4С02 + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2Н2 + 02 → 2Н20 + 235 кДж.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, т. е. продуцентами, а также делают доступным и для растений, и для других организмов целый ряд неорганических веществ.

Хемосинтез, примеры хемосинтетических бактерий

Другой группой автотрофных организмов являются хемосинтезирующие бактерии, которые в качестве источника энергии для синтеза органических соединений из неорганических используют энергию ОВР.

Хемосинтез открыл в 1889–1890 гг. русский микробиолог С. Н. Виноградский.

Суть процесса заключается в том, что хемосинтезирующие бактерии окисляют различные неорганические вещества (водород, сероводород, аммиак, оксид железа и др.), а энергия, выделившаяся при этом, запасается в форме АТФ.

Примеры хемосинтезирующих бактерий:

Бесцветные серобактерии обитают в водоемах, богатых сероводородом.

Энергию, необходимую для синтеза органических веществ они извлекают, окисляя сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S +E↑

Выделяющаяся свободная сера накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода не достаточно, то бесцветные серобактерии могут окислять свободную серу до серной кислоты:

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SО4 +E↑

Нитрифицирующие бактерии широко распространены в почве и водоемах.

Они окисляют аммиак и азотистую кислоту до азотной кислоты.

Бактерии, которые окисляют аммиак, выделяющийся при гниении белков, до азотистой кислоты называются нитросомонас:

2NH3+ 3O2 → 2HNO2 + 2H2O+E↑

Другая группа нитрифицирующих бактерий (нитробактер) окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты:

2HNO2 + O2 → 2HNO3+E↑

Железобактерии во множестве обитающие в болотной воде окисляют двухвалентное железо до трехвалентного железа.

Этот процесс имеет большое значение для образования железных руд.

4FeO + 3O2 → 2Fe2O3+E↑

Хемосинтетические бактерии играют важную роль в круговороте веществ в биосфере.

Азотфиксирующие бактерии единственные организмы на Земле, которые усваивают свободный азот атмосферы и вовлекают его в круговорот веществ. Примером таких бактерий являются клубеньковые бактерии, поселяющиеся в клубеньках на корнях бобовых растений. В круговороте азота также большое значение имеют нитрифицирующие бактерии. Бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, имеют значение для отложения железных и марганцевых руд.

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот.

Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

автотрофное питание,
энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,
характерен только для ряда бактерий и архей;
клетки не содержат хлорофилла;
в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO2, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH), уксусная кислота (CH3COOH), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др.

Как видно, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т. е. он выступает в роли окислителя.

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

Железобактерии

Представители железобактерий: нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы.

Распространены в пресных и морских водоемах. Образуют отложения железных руд.

Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

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

Кроме энергии в этой реакции получается углекислый газ, который связывается в органические вещества.

Кроме бактерий окисляющих железо, существуют бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями.

Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах.

Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S + E

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев.

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

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.

Водородные бактерии

В основном распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органики микроорганизмами.

2H2 + O2 → 2H2O + E

Данная реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи строгие анаэробы, обитают в бескислородной среде.

Хемосинтез идет без участия кислорода.

Чаще всего восстанавливают углекислый газ до метана водородом:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + E

Особенности хемосинтезирующих бактерий

Выполнили: Гуляев Иван; Дружинин Михаил Руководитель: Агапова У.В., учитель биологии

Хемосинтез — тип питания многих прокариотов, основанный на усвоение углекислого газа за счет процессов окисления неорганических соединений.

К хемосинтезу способны только хемосинтезирующие бактерии: нитрифицирующие , водородные , железобактерии , серобактерии и др.

На земной поверхности молекулярный водород, да еще вместе с кислородом, встречается редко. Именно поэтому распространение хемосинтезирующих бактерий в природе весьма ограничено.

Нитрифицирующие бактерии , встречающиеся в жирной почве, навозе, окисляют аммоний ( комплексный неорганический катион) до нитрита, а нитрит – до нитрата. Они завершают распад органических азотистых веществ, возвращая азот в соединения, усваиваемые растениями. В то же время удаляется аммиак – неизбежный продукт разложения белков .

Тионовые бактерии — серобактерии, получающие энергию за счёт окисления серы и её восстановленных неорганических соединений (сероводорода, тиосульфата и др.).

Это мелкие, палочковидные, в большинстве подвижные грамотрицательные бактерии. Строгие аэробы, за исключением нескольких видов, которые могут развиваться и в анаэробных условиях.

Тионовые бактерии широко распространены в водоёмах, почве, рудных месторождениях. Участвуют в круговороте серы и многих других элементов.

С их жизнедеятельностью связано бактериальное выщелачивание металлов из руд, концентратов и горных пород, аэробная коррозия металлов, разрушение бетонных сооружений и т. д.

Водородные бактерии , бактерии, получающие для роста энергию в результате окисления молекулярного водорода постоянно образующимся при анаэробном разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.

Присутствуют в разных почвах и во многих водоёмах, способны расти за счёт окисления водорода в аэробных условиях, и используют образующуюся при этом энергию для усвоения углерода.

К ним относятся представители более 30 систематических групп.

Хемосинтезирующие бактерии

В последнее время активно используются в биотехнологии для получения кормового белка, ряда полисахаридов и некоторых аминокислот.

Железобактерии — бактерии, способные окислять двухвалентное железо до трёхвалентного и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов.

Железобактерии находятся повсюду: в подземных и поверхностных водах, в колодцах и родниках. Ржавая масса на дне и берегах ручьев также образована железобактериями.

По способу получения энергии все живые организмы делятся на гетеротрофные и автотрофные. Первые из них питаются уже готовыми органическими веществами, а вторые синтезируют органические соединения из неорганических. Для обеспечения процессов биосинтеза большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света (фотосинтетики, фототрофы). Значительно меньшая группа относится к хемосинтетикам (хемотрофам).

Что такое хемосинтез

Хемосинтез – самый древний способ питания, который появился значительно раньше фотосинтеза. При нем получение энергии живыми организмами происходит за счет химической реакции окисления неорганических веществ.

Хемосинтез рассматривается в биологии как уникальное явление. Хемотрофы ни напрямую, ни косвенно не зависят от солнечного света. Единственным исключением являются нитрофицирующие бактерии, так как они окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических соединений.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Для кого характерен такой тип питания

Хемосинтез используется только некоторыми прокариотами. Практически все они обитают в местах недоступных для жизни других организмов, куда не проникают кванты света и где отсутствует кислород. Например, они живут на дне глубоких разломов земной коры и на большой глубине (3-4 км) океанов.

К хемотрофным организмам относятся:

Тионовые бактерии. Обладают способностью окислять молекулярную серу, сульфиды, сульфиты и тиосульфаты до серной кислоты. Внутри клеток отложение серы не наблюдается. Практически все представители тионовых бактерий способны выживать в экстремально кислой среде с pH до 3 и менее. Они способны осуществлять окисление двухвалентного и металлического железа, выщелачивать из руд тяжелые металлы и выдерживать их высокие концентрации.
Водородные бактерии. Энергию получают за счет окисления молекулярного водорода. Являются умеренными термофилами и способны выживать при температуре 50-60° С.
Нитрифицирующие бактерии. Способны окислять остающийся в результате гниения аммиак до азотистой и азотной кислот. Последние вступают в реакции с минералами почвы, в результате которых образуются нитраты и нитриты.
Серобактерии. Получают энергию за счет окисления сероводорода до молекулярной серы или сульфатов. В отличии от тионовых способны накапливать серу внутри своих клеток.
Железобактерии. Их жизнедеятельность напрямую связана с реакцией окисления двухвалентного железа до трехвалентного.

Особенности процесса

Для синтеза органических соединений из неорганических и получения энергии бактерии-хемотрофы имеют специальный ферментный аппарат.

Нитрофицирующие азотофиксирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты, которая в дальнейшем вступает во взаимодействие с минералами почвы с образованием нитратов. Химический процесс протекает в две стадии:

\(2NH_3+3O_3→2HNO_2+2H_2O+158\) ккал.
\(2HNO_2+O_2→2HNO_3+38\) ккал.

Серобактерии получают энергию за счет реакции окисления сероводорода до молекулярной серы:

Если реакция протекает в условиях недостатка сероводорода, то молекулярная сера подвергается дальнейшему окислению:

Железобактерии преобразуют двухвалентное железо в трехвалентное:

Хемосинтетики являются типичными автотрофами, способными получать энергию при окислении неорганических веществ и использующими ее для синтеза органических соединений.

Образующаяся энергия накапливается в бактериальных клетках в виде молекул АТФ. Они в дальнейшем используются для образования из углекислого газа глюкозы и других органических веществ. Процесс аналогичен темновой фазе фотосинтеза и описывается следующим уравнением химической реакции:

\(6CO_2 + 24H+ + AТФ ‎‎→ C_6H_O_6 + 6H_2O\)

Отличие от фотосинтеза

И хемосинтез, и фотосинтез являются способами автотрофного питания. Их сходство заключается в образовании энергии, накоплении ее в виде молекул АТФ и последующем использовании для синтеза органических соединений.

Но эти два процесса имеют и свои различия. Хемосинтез характерен только для небольшой группы архей и бактерий. Если при фотосинтезе источником энергии выступают кванты света, то при хемосинтезе – энергия, выделяющаяся в ходе различных окислительно-восстановительных реакций. Признаком хемотрофиков является отсутствие хлорофилла, который обязательно присутствует у фототропиков.

При осуществлении синтеза органики фотосинтетики используют в качестве источника углерода исключительно углекислый газ. В отличии от них хемосинтетики способны усваивать углерод и из других соединений: уксусной кислоты, карбонатов, метанола, муравьиной кислоты, угарного газа.

Роль и значение в круговороте веществ

Процесс хемосинтеза играет огромную роль во многих экологических процессах:

Первый слайд презентации: Биогеохимические циклы в биосфере

Слайд 2

Циркуляция химических элементов (веществ) в биосфере называется биогеохимическими циклами. Обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой называют биогеохимическим круговоротом, или биогеохимическим циклом.

Слайд 3

Живые организмы играют в этих процессах решающую роль. Необходимые для жизни элементы условно называют биогенными (дающими жизнь) элементами, или питательными веществами. Различают две группы питательных веществ: • К макротрофным веществам относятся элементы, которые составляют химическую основу тканей живых организмов. Это углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера. • Микротрофные вещества включают в себя элементы и их соединения, также необходимые для существования живых систем, но в исключительно малых количествах. Такие вещества часто называют микроэлементами. Это железо, марганец, медь, цинк, бор, натрий, молибден, хлор, ванадий и кобальт. Недостаток микроэлементов может оказывать сильное влияние на живые организмы (в частности, ограничивать рост растений), так же как и нехватка биогенных элементов.

Слайд 4

Биогенные элементы благодаря участию в круговороте могут использоваться неоднократно. Запасы биогенных элементов непостоянны: некоторая их часть связана и входит в состав живой биомассы, что снижает количество, остающееся в среде экосистемы. И если бы растения и другие организмы в конечном счете не разлагались, запас питательных веществ исчерпался бы и жизнь на Земле прекратилась. Отсюда можно сделать вывод, что активность гетеротрофных организмов, в первую очередь редуцентов, — решающий фактор поддержания круговорота биогенных элементов и сохранения жизни.

Слайд 5

В зависимости от природы резервного фонда выделяют два основных типа биогеохимических круговоротов: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере, 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Слайд 6: Круговорот воды

Вода — основной элемент, необходимый для жизни. В количественном отношении это наиболее распространенная неорганическая составляющая живой материи.

Слайд 7

Вода составляет значительную часть живых существ: в теле человека - по весу 60%, а в растительном организме достигает 95%. На круговорот воды на поверхности Земли затрачивается около трети всей поступающей на Землю солнечной энергии. Испарение с водных пространств создает атмосферную влагу. Влага конденсируется в форме облаков, охлаждение облаков вызывает осадки в виде дождя и снега; осадки поглощаются почвой или стекают в моря и океаны.

Слайд 8

Для человечества важны фазы круговорота в пределах экосистем. Здесь происходят четыре процесса: • перехват. Растительность перехватывает часть выпадающей в осадках воды до того, как она достигает почвы. Перехваченная вода испаряется в атмосферу. Величина перехвата в умеренных широтах может достигать 25% общей суммы осадков, это - физическое испарение;

Слайд 9

транспирация - биологическое испарение воды растениями. Это не дождевая вода, а вода, заключенная в растении, т.е. экосистемная. Растения, потребляя около 40% общего количества осадков, играют главную роль в круговороте воды;

Слайд 10

инфильтрация - просачивание воды в почве. При этом часть инфильтрованной воды задерживается в почве тем сильнее, чем значительнее в ней коллоидальный комплекс, соответствующий накоплению в почве перегноя;

Слайд 11

сток. В этой фазе круговорота избыток выпавшей с осадками воды стекает в моря и океаны.

Хемотрофы играют главную роль в сложных процессах превращения и круговорота соответствующих химических веществ в природе. Поскольку сероводород и аммиак являются достаточно токсичными веществами, существует необходимость в их нейтрализации. Это также осуществляют хемотрофные бактерии. В ходе химических превращений образуются вещества, необходимые другим организмам, что делает возможным их нормальный рост и развитие. Крупные месторождения руд железа и марганца на дне морей и болот возникают благодаря деятельности хемотрофов. А именно — железобактерий.

Человек научился использовать уникальные свойства хемотрофов и в своей деятельности. К примеру, с помощью серобактерий очищают сточные воды от сероводорода, защищают металлические и бетонные трубы от коррозии, а почвы от закисления.

Итак, бактерии хемосинтезирующие являются особыми прокариотами, способными осуществлять соответствующие химические реакции в анаэробных условиях. Эти организмы окисляют вещества. Энергию, которая при этом выделяется, они сначала запасают в связях АТФ, а потом используют для осуществления процессов жизнедеятельности. Основными из них являются железо- , серо- и азотфиксирующие бактерии. Они обитают как в водной, так и в почвенной среде. Хемотрофы являются незаменимым звеном в круговороте веществ, обеспечивают живые организмы необходимыми веществами и широко используются человеком в его хозяйственной и промышленной деятельности.

Нитрифицирующие бактерии

На корнях бобовых растений поселяются нитрифицирущие бактерии. Хемосинтезирующие прокариоты этой группы окисляют аммиак до азотной кислоты. Эта реакция осуществляется в несколько этапов с образованием промежуточных веществ. В почве находятся также азотфиксирующие бактерии. Они поселяются на корнях бобовых растений. Внедряясь в ткани подземного органа, они образуют характерные утолщения. Внутри таких образований создается благоприятная среда для протекания хемосинтеза. Симбиоз растений с клубеньковыми бактериями является взаимовыгодным. Первые обеспечивают прокариот органикой, полученной в ходе фотосинтеза. Бактерии же способны фиксировать атмосферный азот и переводить его в форму, доступную для растений.

Почему данный процесс имеет такое важное значение? Ведь в атмосфере концентрация азота достаточна велика и составляет 78%. Но в таком виде растения не могут усваивать это вещество

А азот необходим растениям для развития корневой системы. В этой ситуации на помощь и приходят клубеньковые бактерии, которые превращают его в нитратную и аммонийную форму.

Распространение и экологические функции

Гигантские многощетинковые черви (Riftia pachyptila) имеют орган, содержащий хемосинтетических бактерий вместо пищеварительной системы.

Хемосинтезирующие организмы (например, серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры в воду выходит 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 и являющиеся продуцентами. Хемосинтетические организмы могут потребляться другими организмами в океане или образовывать симбиотические ассоциации с гетеротрофами. Гигантские многощетинковые черви используют бактерий в их трофосомах (англ.)русск. для связывания диоксида углерода (используя сероводород как источник энергии) продуцирования сахаров и аминокислот. В некоторых реакциях получается сера

Вместо высвобождения кислорода при фиксации углекислого газа во время фотосинтеза, из сероводорода в процессе хемосинтеза получаются водорастворимые глобулы серы. В бактериях способных к хемоавторофии в форме хемосинтеза, таких как пурпурные серные бактерии (англ.)русск., пурпурные глобулы серы окрашивают цитоплазму в соответствующий цвет.
Большие популяции животных могут поддерживаться за счет хемосинтезирующих бактерий и архей в белых и черных курильщиках, метановых клатратах, холодных просачиваниях (англ.)русск., трупах китов (англ.)русск., изолированных подземных водных пещерах.

С другой стороны, аммиак, который используется нитрифицирующими бактериями, выделяется в почву при гниении остатков растений или животных. В этом случае жизнедеятельность хемосинтетиков косвенно зависит от солнечного света, так как аммиак образуется при распаде органических соединений, полученных за счёт энергии Солнца.

Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика, так как они являются непременным звеном природного круговорота важнейших элементов: серы, азота, железа и др. Хемосинтетики важны также в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород. Огромное значение имеют нитрифицирующие бактерии, которые обогащают почву нитратами и нитритами, — форма азота, преимущественно усваиваемая растениями. Некоторые хемосинтетики (в частности, серобактерии) используются для очистки сточных вод.

Была выдвинута гипотеза о том, что хемосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марса, спутника Юпитера — Европы и других планет . Хемосинтез также может быть первым типом метаболизма, который возник на Земле, что привело позже к возникновению клеточного дыхания и фотосинтеза.

Читайте также: