Министерство  Общего и Профессионального Образования 

Российской  Федерации 

Уральский государственный технический университет  – УПИ 

кафедра технологии органического синтеза. 
 
 
 

Реферат на тему:

Превращение микроорганизмами соединений фосфора, серы и железа. 
 
 
 
 
 
 
 

     студент:

     группа:

     преподаватель: 
 
 
 
 
 

Екатеринбург, 2005

Оглавление

Введение  . . . . . . . . . . .  3

Превращение соединений фосфора  . . . . . .  4

Превращение соединений серы . . . . . . .  5

Превращение соединений железа . . . . . . .  8

Заключение  . . . . . . . . . . 13

Список литературы . . . . . . . . . 14

Введение.

    Эубактерии, у которых источником энергии  служат процессы окисления неорганических соединений, были обнаружены в конце CIC века и их открытие связано с именем С.Н. Виноградского. В качестве источников энергии хемолитотрофы могут использовать довольно широкий круг неорганических соединений, окисляя их при дыхании. Дыхательные цепи хемолитотрофов содержат те же типы переносчиков, что и хемоорганотрофов. Разнообразие наблюдается только на периферических участках энергетического метаболизма, т. к. для окисления неорганических соединений, связаного с получением энергии, необходимы соответствующие ферментные системы.

      Рассмотрим превращения бактериями, пожалуй, самых распространенных из неорганических веществ соединений: фосфора, серы и железа.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Превращение соединений фосфора.

    Фосфор  имеет большое значение в жизнедеятельности  организма. Без фосфора не могут  синтезироваться белки, он в большом  количестве входит в состав ядерного вещества и многих ферментов, участвует в так называемых реакциях фосфорелирования. Некоторые фосфорорганические компоненты – носители больших запасов энергии (нуклеиновые кислоты, липиды и др.).

    В почве имеется много фосфора. По расчетам, его количество составляет 3 – 5 т/га. Особенно много этого элемента в черноземах, богатых гумусом (5 – 6 т/га). Фосфор в почве содержится в основном в органической, неусвояемой растением формой и в виде трудноусвояемых минеральных соединений. Органические соединения фосфора попадают в почву вместе с растительными остатками, а также с отмирающими микроорганизмами. Они представлены нуклеопротеидами, нуклеиновыми кислотами и т.д.

    Работами  многих авторов была подтверждена роль микроорганизмов в превращении органических соединений фосфора в доступную для растений форму. Однако выделить культуру фосфорных микробов в чистом виде удалось только в 1935 г. Р. М. Менкиной. Ею были выявлены две разные группы микробов: спорообразующие и не обладающие таким свойством.

    Из  разнообразия фосфорных микроорганизмов  наибольший интерес представляют спорообразующие  формы, так как они используются для приготовления бактериального удобрения фосфобактерина. Их относят  к виду Bac. Megaterium var. phosphatium. Это крупные палочки с закругленными концами, плотной оболочкой и зернистой цитоплазмой. Размеры клеток 5 – 6 мкм в длину и 1,8 – 2 мкм в ширину. В ранней стадии клетки расположены поодиночно и слабоподвижны, в дальнейшем они располагаются попарно или короткими цепочками и становятся неподвижными. При старении концы клеток приобретают конусообразную форму.

    Клетки  богаты органическими соединениями фосфора, нуклеопротеидами, образуют овальные эндоспоры, расположенные внутри клетки. Окрашиваются клетки по Граму, аэробы. Оптимальная температура роста 37°C. Колонии резкоокаймленные грязновато-белого цвета. Старые колонии вначале желтеют, а затем приобретают бурую окраску. На среде, содержащей фосфорорганические соединения и мел, вокруг колонии под влиянием кислот образуются зоны просветления. Фосфорные микробы энергично расщепляют органические соединения фосфора, освобождают  фосфор в виде минеральных легкорастворимых солей фосфорной кислоты, доступных для растений. Чем больше таких микробов в почве, тем больше в ней доступного фосфора.

    В те почвы, которые бедны легкодоступным фосфором вносят фосфоробактерин. Это бактериальное удобрение может храниться в сухом виде более года, легко транспортируется и не боится низких температур. Можно одновременно проводить бактеризацию и протравливание семян. Протравитель заметного действия на споры микробов не оказывает.

    Сущность  действия фосфобактерина заключается  в том, что микробы, попадая вместе с семенами в почву, способствует минерализации органического фосфора  и тем самым улучшают фосфорное питание растений. Полезное действие микробов состоит еще и том, что они активизируют развитие других полезных групп микроорганизмов: нитрификаторов и азотфиксаторов.

    Наряду  с бактериями все большее внимание в усвоении фосфора и других элементов  растениями не только экзогенным, но и эндогенным путем уделяется микоризным грибам. Микориза (грибокорень) живет в симбиозе с растением как на поверхности корней, так и внутри их. В чистой культуре на искусственных средах такие грибы пока не получены. Но известно, что микоризованные корни растений наиболее устойчивы к инфекционным болезням, больше усваивают минеральных и биологически активных веществ. Все это повышает жизнеспособность и урожайность сельскохозяйственных культур. Так, учеными исследовательского института сельского хозяйства Индии выведены бактерии, которые способствуют переводу фосфатов в растворимые соединения, а они лучше усваиваются растениями, и как результат, урожайность пшеницы, картофеля и бобовых повышается на 10 – 50 %. 
 

    Превращение соединений серы.

       Сера  содержится в организме животных и растений, входит в состав серосодержащих аминокислот (цистеин, цистин, метионин), витаминов группы B (биотин, тиамин), много ее в волосах и перьях. Органические соединения серы в почве представлены остатками животных и растений. Минерализация серы осуществляется микроорганизмами, которые в аэробных условиях доводят ее до сульфатов, а в анаэробных – восстанавливают серосодержащие белки до сероводорода  и частично до меркаптанов.

       Восстановленные соединения серы окисляют автотрофные (фотолитотрофы, хемолитотрофы) микробы. Среди них различают нитчатые, тионовые и фотосинтезирующие. Нитчатые хемолитотрофные серобактерии – аэробы и относятся к родам Beggiatoa, Theatric, Thioploca и другим. Beggiatoa по форме представляет длинные нити, которые состоят из множества клеток, окисляют сульфиды до сульфатов. Промежуточным продуктом является элементарная сера, которая в виде шариков накапливается в клетках. Процесс происходит в два этапа по следующей схеме:

2H₂S + O₂ ® 2H₂O + 2S + 532,1 кДж;

2S + 3O₂ + 2H₂O ® 2H₂SO₄ + 1231,9 кДж.

       Виды  рода Beggiatoa различают по толщине нитей. Они растут в тех водоемах, где происходит разложение органического вещества с выделением водорода.

       Тионовые хемолитотрофные бактерии представляют собой грамотрицательные, неспорообразующие, подвижные палочки и относятся к роду Thiobaccilus. Они окисляют серу и ее соединения (сероводород, сульфиды и др.), которые накапливаются вне клетки.

       Фотосинтезирующие зеленые и пурпурные серобактерии (фотолитотрофы) в анаэробных условиях окисляют сероводород до серы, которая затем может превращаться в сульфаты. Они имеют округлую, палочковидную или извитую форму. Имеются виды, длина клеток которых достигает 100 мкм. Окислять серу в присутствии органических веществ способны и некоторые гетеротрофные микробы – Bac. Subtilis, Bac. Mesentericus, актиномицеты, дрожжи.

    В зонах анаэробиоза – в глубоких водоемах (некоторых морях, лиманах, озерах), а также в затопляемых, сильно увлажненных почвах, – происходит восстановление сульфатов до сероводорода. Такой процесс получил название десульфофикации (сульфатредукции). Сероводород – сильный яд, и при наличии его в среде больших количествах погибает все живое. Так в Черном море на глубине более 200 м концентрация сероводорода сильно возрастает и создаются условия, неблагоприятные для жизни. Продукты восстановления соединений серы образуются на морском дне, куда в большом количестве оседает органическое вещество.

       Сульфатредукция осуществляется микроорганизмами двух родов: Desulfovibrio и Desulfotomaculum. Их клетки не окрашиваются по Граму, но отличаются по форме и некоторым другим признакам. Представители рода Desulfovibrio – вибрионы, монотрихи – не образуют спор, растут при температуре около 30°C (мезофилы). Микробы рода Desulfotomaculum имеют палочковидную форму, образуют споры (бациллы), перитрихи и растут при температуре от 30 до 55°C. Один из видов этого рода – D. nigrificans – термофил (оптимальная температура роста 55°C), остальные: D. ruminis и D. orientis – мезофилы (оптимальная температура роста 30 – 37 °C).

       Микроорганизмы, восстанавливающие соединения серы, – облигатные анаэробы. В таких  условиях они в качестве конечного  акцептора водорода используют сульфат. Донором водорода служат различные  органические соединения и молекулярный водород. Процесс окисления органических соединений идет не до конца, основным продуктом бывает уксусная кислота, а побочным – сероводород. Образовавшийся газ может затем окисляться серобактериями, в результате чего накапливается биогенная сера.

       Наряду  с термофилами, ацидофилами, галофилами, метанобразующими и другими микроорганизмами обнаружены и серобактерии, которые  отнесены к третьей линии эволюции организмов – архебактериям. Среди  них определенный интерес представляет род Sulfolobus (Brock, Belly, Weiss, 1972).

       Клетки  этого рода имеют округлую форму. Не образуют спор и жгутиков, но имеют  пили. Не окрашиваются по Граму. Их стенка не содержит пептидогликана (муреина), а состоит из гликопротеиновых гексагонально  расположенных субъединиц. Устойчивы к некоторым антибиотикам, ингибирующим синтез пептидогликана. Трехслойная цитоплазматическая мембрана не содержит липидов (как и у других архебактерий), они заменены изопреноидными и гидроизопреноидными насыщенными углеводородами и простыми изопрениглицериновыми эфирами. Растут в аэробных условиях. На жидких средах образуют муть и нежную пленку. На агаре или полисиликатном геле – колонии беспигментные, гладкие и блестящие. Все виды Sulfolobus в присутствии углерода диоксида используют в качестве источника энергии элементарную серу, окисляют ее до серной кислоты и тем самым понижают pH среды до 1–1,5. Они аборигены высокотемпературных кислых экотопов вулканического происхождения – горячих источников и почв (сольфатар). Такие экотопы содержат много сульфидов и серы. Это богатейшие серой кислые почвы Йеллоустонского национального парка США, Исландии, Новой Зеландии, Курильской гряды, Камчатки и других мест.

       Бактерии  рода Sulfolobus могут быть использованы для выщелачивания металлов при высоких температурах из таких трудноокисляемых сульфидов, как пирит, халькопирит, молибден и др., а также удаления серных компонентов из каменного угля.

       Окисление неорганических восстановленных соединений серы с помощью фототрофных и  хемотрофных эубактерий является одним  из звеньев круговорота серы в природе. В первом случае процесс протекает в анаэробных условиях, во втором – в аэробных. Хемотрофы, окисляющие серу, обитают в морских и пресных водах, содержащих O₂, в аэробных слоях почв разного типа. Поскольку эта группа объединяет организмы с разными физиологическими свойствами, ее представителей можно обнаружить в кислых горячих серных источниках, кислых шахтных водах, в водоемах со щелочной средой и высокой концентрацией NaCl.

       Хемолитотрофные серобактерии обнаружены на глубине 2600 – 6000 м в местах, где на поверхность дна океана из недр земной коры выходят горячие источники. Вода источников, называемая геотермальной жидкостью, имеет температуру до 350°, не содержит совсем O₂ и NO₃^-, но обогащена H₂S, CO₂ и NH₄⁺. На дне океана гидротермальная жидкость смешивается с окружающей морской водой, имеющей температуру 2°, которая наоборот не содержит H₂S и характеризуется достаточно высоким уровнем O₂ и NO₃^-. Эти области отличаются также высоким давлением и полным отсутствием света.

       Вокруг выходов геотермальной жидкости были обнаружены плотные скопления необычных беспозвоночных животных. Наличие таких «оазисов» жизни объясняется присутствием бактерий, среди которых были виды H₂S-окисляющие хемолитоавтотрофы (Thiomicrospira и Thiobacillus). Такие бактерии составляют первое звено трофической цепи в экосистеме гидротермальных источников, обеспечивая пищей различные виды животных.

       Одно  из преобладающих животных R. pachyptila не может питаться частичками пищи, поскольку представляет собой просто замкнутый мешок без ротового, анального отверстий и пищеварительной системы. На переднем конце тела животного располагаются ярко окрашенные щупальца. В мешке заключены внутренние органы, самый крупный из них, занимающий почти всю полость тела, – трофосома, в которой обнаружено множество бактерий, окисляющих H₂S, запасающих энергию в молекулах АТФ и использующих ее затем для фиксации CO₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле. Бактерии локализованы внутри клеток трофосомы. R. pachyptila получает от бактерий органические соединения, а в обмен поставляет им необходимые для осуществления хемолитоавтотрофного метаболизма вещества (CO₂, O₂, H₂S), поглощая их из внешней среды щупальцами (темно-красный цвет обусловлен присутствием большого количества крови, богатой гемоглобином), откуда они по кровеносной системе переносятся в трофосому к бактериям. Таким образом, отношения между R. pachyptila и серобактериями – типичный пример внутриклеточного симбиоза.

       Симбиозы, подобные описанному выше, обнаружены в других местах, богатых H₂S, в том числе в мангровых и травяных соленых болотах, у мест просачивания нефти, в районах сброса сточных вод.

       Большое экономическое значение имеет косвенный  результат жизнедеятельности сульфатредуцирующих  бактерий (Desulfovibrio) – анаэробная коррозия железа. Во влажной среде ионизация железа может происходить и в анаэробных условиях:

4Fe + 8H⁺ ® 4Fe²⁺ + 4H₂  

обычно  образующаяся при этом пленка из молекулярного  водорода предохраняет железо от дальнейшего  разрушения. Однако в присутствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии в среде сульфатов происходит катодная деполяризация, и тогда железо окисляется даже в отсутствии кислорода:

4H₂ + SO₄^2- ® H₂S + 2H₂O + 2OH^-

4Fe²⁺ + H₂S + 2OH^- +4H₂O ® FeS + 3Fe(OH)₂ + 6H⁺

       в итоге:

4Fe + SO₄^2- + 2H₂O + 2H⁺  ® FeS + 3Fe(OH)₂ .

Обусловленное такой коррозией повреждение  труб весьма убыточно. 
 
 

Превращение соединений железа.

       Химический  элемент железо широко распространен  в природе, встречается в виде органических и минеральных соединений, входит в состав животных и растительных организмов. Содержится в гемоглобине крови и дыхательных ферментах цитохромах, необходим для образования хлорофилла у растений, хотя и не входит в его состав. При недостатке железа у животных развивается анемия, растения теряют зеленую окраску. Железо бывает в форме нерастворимого окисного Fe³⁺ и растворимого закисного Fe²⁺.

       Способность осаждать окислы железа на поверхности  клеток присуща многим эубактериям, различающимися морфологическими и  физиологическими признаками и принадлежащим к разным таксонометрическим группам. С.Н. Виноградский впервые термин «железобактерии» применил для обозначения организмов, использующих энергию окисления Fe²⁺ до Fe³⁺ для ассимиляции CO₂, т. е. способных существовать хемолитоавтотрофно. Х. Молиш к железобактериям относил все организмы, откладывающие вокруг клеток окислы железа или марганца независимо от того, связан ли этот процесс с получением клеткой энергии.

       Накопление  окислов железа на поверхности бактериальных  клеток – результат двух взаимосвязанных процессов: аккумуляции (поглощения) клетками этих металлов из раствора и окисления, сопровождающегося обильным отложением нерастворимых окислов па поверхности бактерий. Процесс аккумуляции тяжелых металлов из растворов в основе имеет физико-химическую природу и в значительной мере обусловлен химическим составом и свойствами поверхностных структур клетки. Он включает связывание металлов внеклеточными структурами (капсулы, чехлы, слизистые выделения), клеточной стенкой и цитоплазматической мембраной. Сорбционные свойства поверхностных клеточных структур определяются в большой степени суммарным отрицательным зарядом молекул, входящих в их состав. Поглощение металлов приводит к значительному концентрированию их вокруг клеток по отношению к среде. Коэффициент накопления железа может достигать величины 10⁵ – 10⁶.

       Как известно, Fe²⁺ подвергается быстрому химическому окислению молекулярным кислородом при pH>5,5, что приводит к образованию нерастворимого Fe(OH)₃. Последний вместе с Fe²⁺ неспецифически связывается клеточными кислыми экзополимерами. Подобный тип накопления железа не зависит от метаболической активности клеток.

       Окисление Fe²⁺ с последующим отложением нерастворимых окислов вокруг бактериальных клеток может быть результатом взаимодействия ионов железа с продуктами бактериального метаболизма, в частности с H₂O₂, образующейся в процессе окисления органических веществ при переносе электронов по дыхательной цепи. Перекись водорода, возникшая в качестве промежуточного или конечного продукта окисления, выделяется из клеток и накапливается в окружающих их структурах. В нейтральной или слабокислой среде окисление Fe²⁺ до Fe³⁺ происходит в результате непосредственного взаимодействия с H₂O₂:

2Fe²⁺ + H₂O₂ + 2H⁺ ® 2Fe³⁺ + 2H₂O.

       Этот  процесс протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, в которых концентрируются все компоненты реакции: восстановленные формы железа, перекись водорода, каталаза. Физиологический смысл процоссов окисления Fe²⁺ с участием H₂O₂ – детоксикация вредного продукта метаболизма. В этом случае окисление железа не приводит к получению бактериями энергии.

       Среди железобактерий есть организмы, у которых  окисление Fe²⁺ связано с получением энергии. В этом случае отложение окислов железа служит показателем активности энергетических процессов.

       На  основании морфологических характеристик  все железобактерии могут быть разделены  на две группы: нитчатые и одноклеточные.

       К первой группе относятся грамотрицательные  нитчатые бактерии, окруженные чехлом. Наиболее широко распространены представители родов Leptothrix и Sphaerotilus. Нити неподвижные или передвигающиеся скольжением. В чехлах, окружающих нити, накапливаются окислы железа и марганца (Leptothrix) или только железа (Sphaerotilus).

       Железобактерии  этой группы – облигатные аэробы, но могут удовлетворительно расти при низком содержании O₂ в среде. Оптимальный pH для роста – 6 – 8. единственно возможный способ существования – хемоорганогетеротрофия, при этом представители рода Sphaerotilus предпочитают условия с относительно высоким содержанием органических веществ, а многие штаммы Leptothrix – среды с низким уровнем органики.

       Окисление железа и отложение его оксидов  в чехлах этих бактерий не связано  с получением ими энергии. К окислению  Fe²⁺ при pH 6 – 8 могут приводить процессы как химической, так и биологической природы. Окисление связано с действием перекиси водорода, количество которой в среде в определенных условиях может достигать 10 – 20 мг/л. процесс локализован в чехлах, где концентрируются продукты метаболизма и внеклеточные ферменты. У мутантов, лишенных чехлов, накопления окислов железа не происходило. Таким образом, с помощью восстановленных форм железа обеспечивается удаление H₂O₂ – токсического продукта клеточного метаболизма.

       Помимо  бесцветных к нитчатым железобактериям относятся и некоторые фотосинтезирующие эубактерии из группы цианобактерий и скользящих зеленых бактерий.

       Вторая  группа железобактерий включает одноклеточные  организмы из разных таксонов. Она  представлена эубактериями с грамположительным и грамотрицательным строением клеточной стенки или без нее, размножающимися поперечным делением или почкованием. Клетки разной формы и размеров (форма может меняться в зависимости от стадии и условий роста), одиночные или формирующие скопления, окруженные капсулами, в которых откладываются окислы железа. Принадлежащие к этой группе железобактерии распадаются на две подгруппы, различающиеся типом метаболизма и отношением к кислотности среды.

       Первая  группа объединяет железобактерии, растущие в нейтральной или слабощелочной среде и характеризующиеся хемоорганогетеротрофным типом метаболизма. Представители подгруппы – свободноживущие микоплазмы, объединенные в роды Metllogenium, Gallionella, Siderococcus. Им свойственен типичный для микоплазм полиморфизм: кокковидные клетки, от которых могут отходить тонкие нити, пучки переплетенных тонких нитей и т. д. На поверхности нитей откладываются окислы железа (Gallionella, Siderococcus) или железа и марганца (Metllogenium). Растут в нейтральной или кислой среде. Некоторые из них олиготрфы. Все – аэробы или микроаэрофилы. Отложение окислов железа и марганца – результат химических реакций или функционирования перекисного пути и не имеет отношения к получению клетками энергии.

       Вторую  подгруппу составляют в большинстве  аэробные ацидофильные формы. Оптимальный pH их роста лежит ниже 4,5 (2 – 3). В этих условиях Fe²⁺ в присутствии O₂ устойчиво к химическому окислению. Для ацидофильных железобактерий установлена способность получать энергию в результате окисления двухвалентного железа.

       Основным  представителем бактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans, относящийся к группе тионовых бактерий и обладающий способностью получать энергию также в результате окисления различных восстановленных соединений серы. Окислять закисное железо с получением клеткой энергии способна и облигатно ацидофильная бактерия Leptospirillum ferooxidans, близкая по ряду свойств к T. ferooxidans, но в отличии от последнего не окисляющая соединения серы.

       Leptospirillum ferooxidans и большинство изученных штаммов T. ferooxidans принадлежат к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции CO₂, служащей основным или единственным источником углерода. Некоторые штаммы T. ferooxidans оказались способными расти на средах с органическими соединениями, являясь, таким образом, факультативными хемолитотрофами. Наконец, описаны термофильные бактерии, получающие энергию в результате окисления Fe²⁺ и нуждающиеся для роста в органических соединениях, т. е. осуществляющие метаболизм хемолитотрофного типа.

       Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением

2Fe²⁺ + 1/2O₂ + 2H⁺ ® 2Fe³⁺ + H₂O,

что сопровождается незначительным изменением уровня свободной  энергии (DG^¢_o при pH=2 равно – 33 кДж/моль). Поэтому для обеспечения энергией клетке необходимо «переработать» большие количества железа.

       Механизм  окисления Fe²⁺ в дыхательной цепи изучен у T. ferooxidans. Дыхательная цепь этой бактерии содержит все типы переносчиков, характерные для дыхательной системы аэробных хемоорганотрофных эубактерий, но участок цепи, связанный с получением энергии, очень короток. 

       Окисление Fe²⁺ происходит на внешней стороне цитоплазматической мембраны; в цитозоль через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe²⁺ акцептируются особым медьсодержащим белком – рустицианином, находящимся в периплазматическом пространстве.