Окисление метана (по г.Фукс, 2005)

Минерализация центральной части специфических органических соединений почвы (гуминовых, фульвокислот, гумина) происходит по типу минерализации лигнина. Разложение периферической части, представленной в основном остатками аминокислот, происходит по типу органических азотсодержащих соединений. Поток СО₂ из атмосферы в растения и почву. Процессы фотосинтеза, хемосинтеза, гетеротрофной фиксации, метаногенез.

Лекция двенадцатая

Окисление и восстановление соединений серы в почвах

Образование сульфатов и сульфидов

Окисление серы может происходить как в аэробных, так и в анаэробных условиях. H₂S, сульфиды металлов, тиосульфаты, политионаты, молекулярная сера и сульфит служат субстратами для бактерий, окисляющих серу. Это бесцветные серные бактерии, основными представителями которых являются: p. Thiobacterium, Thiospera, Thiobacillus, Sulfolobus и др. Среди серных бактерий есть представители разных физиологических групп – аэробы, денитрификаторы, автотрофы, хемолитогетеротрофы и др. Бесцветные серные бактерии способны получать энергию в результате окисления восстановленных неорганических соединений серы. В качестве конечного акцептора электронов могут использовать кислород. Некоторые из них способны осуществлять процесс денитрификации, используя нитрат, как акцепторы электронов в процессе анаэробного дыхания. Некоторые серные бактерии могут развиваться в экстремальных условиях: рН = 1 – 4, (ацидофилы), температура > 95⁰С (термофилы), концентрация NaCl до 150 мг/л (галлофилы). Донором электронов для всех серных бактерий является сероводород или недоокисленные соединения серы: S²⁻, S⁰, S₂O₃²⁻ , FeS₂, S₄O₆²⁻ и др.

Т ионовые бактерии (Thiobacillus, Thiomicrospira, Sulfolobus и др.) окисляют молекулярную среду и другие недоокисленные соединения до серной кислоты через сульфиты: S⁰ SO₃²⁻ SO₄²⁻. Электроны поступают в дыхательную цепь. Промежуточный продукт окисления – молекулярная сера всегда откладывается во внешнюю среду. В анаэробных условиях некоторые тионовые бактерии используют вместо О₂ нитраты, восстанавливая их до нитритов или N₂ (Thiobacillus denitrificans). Sulfolobus и Thiobacillus ferrooxidans способны окислять не только серу, но и двухвалентное железо (Fe²⁺). Некоторые тионовые бактерии получают энергию за счет окисления триоцианата (CNS⁻), диметилсульфида (CH₃SCH₃) и сульфидов тяжелых металлов.

Полное ферментативное окисление молекулярной серы приводит к образованию сульфата:

H ₂S S⁰ SO₃²⁻ SO₄²⁻

На этапе окисления сульфита в сульфат происходит субстратное фосфорилирование с освобождением энергии в молекуле АТФ. Промежуточным продуктом является АФС (аденозинфосфосульфат):

S O₃²⁻ + АМФ АФС + 2ē

А ФС + Ф_Н SO₄²⁻ + АДФ

Затем, синтезируется АТФ:

2 АДФ АМФ + АТФ

(аденозиндифосфат) (аденозинмонофосфат)

Основное количество энергии тионовые бактерии получают в результате переноса электронов в дыхательную цепь, образующихся при окислении восстановленной серы. Дыхательная цепь тионовых бактерий включает все типы переносчиков, характерных для аэробных хемогетеротрофов: флавопротеины, убихиноны, FeS-белки, цитохромы b, c, цитохромоксидазы o, d, a + a₃. Конечным акцептором электронов в большинстве случаев является О₂. В анаэробных условиях используется кислород нитратов в качестве конечного акцептора электронов. Перенос электронов на нитраты осуществляет фермент нитратредуктаза. Ассимиляция СО₂ происходит в восстановительном пентозофосфатном цикле, который есть у всех тионовых бактерий. Местом включения электронов в дыхательную цепь является уровень цитохрома с ( - 250 мВ), а образование восстановительных эквивалентов происходит на уровне 820 мВ, поэтому у тионовых бактерий функционирует обратный транспорт электронов для создания NADH и NADH₂. Тионовые бактерии, растущие хемолитогетеротрофно, формируют цикл гликолиза, окислительный пентозофосфатный путь, “разорванный” цикл трикарбоновых кислот.

Фототрофные серные бактерии, окисляющие восстановленную серу – фотолитоавтотрофы, осуществляют бескислородный фотосинтез. Известно две группы этих бактерий – пурпурные и зеленые. Для развития пурпурных бактерий необходимы свет, анаэробные условия, донор электронов сульфид (H₂S) и СО₂ как единственный источник углерода. Многие виды могут использовать молекулярную S⁰, сульфит SO₃²⁻, тиосульфат (S₂O₃²⁻), молекулярный водород. Основными окислительными реакциями являются следующие:

H ₂S + 1/2 O₂ S + H₂O

H ₂S + 2 O₂ H₂SO₄

2S + 3O₂ + 2H₂O 2H₂SO₄

5NaS₂O₃ + 4O₂ + H₂O 5Na₂SO₄ + H₂SO₄ + 4S

2Na₂S₂O₃ + 1/2 O₂ + H₂O Na₂S₄O₆ + 2NaOH

Цепь реакций окисления элементарной серы бактериями рода Thiobacillus может выглядеть следующим образом:

S ⁰ S₂O₃²⁻ S₄O₆²⁻

тиосульфат тетратионат

SO₄²⁻ SO₃²⁻ S₃O₆²⁻

сульфат сульфит тритионат

Пурпурные серные бактерии откладывают серу в виде капель внутри клетки. При дефиците H₂S окисляют серу до H₂SO₄ (Thiospirillum, Chromatium, Thiocapsa и др.).

Зеленые серобактерии делятся на две группы. Первая группа представлена строгими анаэробами, облигатными фототрофами. Донор электронов H₂S или молекулярная сера. При окислении H₂S до молекулярной серы последняя выводится из клетки. Вторая группа представлена факультативными анаэробами, облигатными фототрофами, иногда могут использовать органические соединения при фототрофном метаболизме.

Все зеленые серобактерии – облигатные фотолитоавтотрофы и строгие анаэробы, более строгие по сравнению с пурпурными серобактериями. Основной источник углерода – СО₂. Доноры электронов – только неорганические соединения: H₂S, S⁰, Na₂S₂O₃, H₂. При окислении сульфидов, образующаяся молекулярная сера откладывается вне клетки:

свет

6 СО₂ + 12 Н₂S C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 12S

Фототрофное окисление H₂S у зеленых и пурпурных бактерий сопряжено с ассимиляцией СО₂ в процессе бескислородного фотосинтеза.

Вторая группа зеленых серобактерий может использовать некоторые, очень немногие, органические соединения: Сахара, аминокислоты, органические кислоты, которые используются как дополнительные источники углерода. Органические соединения никогда не служат донорами электронов или основным источником углерода. Большинство зеленых серных бактерий являются фиксаторами атмосферного азота (Chlorobium, Chloronema и др.). Им нужны свет и анаэробные условия. Таким образом, окисление восстановленных соединений серы происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях. В аэробных условиях это тионовые бактерии и бесцветные серобактерии. В анаэробных условиях серу в основном окисляют фотолитоавтотрофы – пурпурные и зеленые серные бактерии.

Восстановленные соединения серы способны окислять археи – термофильные бесцветные бактерии р. Sulfolobus и p.Acidianus – факультативные хемолитотрофы. Молекулярная сера окисляется ими либо при участии диоксигеназы:

диоксигеназа

S ⁰ + H₂S + O₂ HSO₃⁻ + H⁺

сульфит

либо в восстановительно-окислительных реакциях с образованием сульфида и сульфита:

3 S⁰ + 3H₂O HSO₃⁻ + 2HS⁻ + 3H⁺

Сульфид при этом окисляется вначале до молекулярной серы:

2 HS⁻ + 2H⁺ + O₂ 2S + 2H₂O

В данных отложения серные бактерии окисляют образующийся сероводород до сульфата. Так, бактерия Thioploca вместо О₂, которого в придонном слое почти нет, использует в качестве конечного акцептора электронов нитрат, присутствующий в морской воде.

Сульфидокисляющие бактерии обитают в районах глубоководных гидротерм (Beggiatoa, Thiomicrospira, Thiobacillus). Здесь они образуют симбиоз с трубчатыми червями, моллюсками и другими беспозвоночными, которые питаются микробной биомассой. Трубчатый червь потребляет сульфид, который поглощают сульфидокисляющие бактерии, обитающие внутри клеток червя. Симбиотические сульфидокисляющие бактерии образуют симбиоз с мелкими моллюсками, морскими ежами и другими организмами, обитающими на границе кислородной и бескислородной зон, чаще всего в илах литоралей.

В восстановленные соединения серы, которые находятся в отмершей массе растений и животных в составе серосодержащих аминокислот, разлагаются при участии оксигеназ типичными гетеротрофами (p. Bacillus, Pseudomonas и др.):

оксигеназа

H S⁻ + H₂O SO₄²⁻ + 9H⁺ + 8ē

Sulfolobus и Acidianus могут окислять молекулярную серу в присутствии сероводорода и кислорода до сульфитов:

диоксигеназа

S ⁰ + H₂S + O₂ HSO₃⁻ + H⁺

сульфит

Представители р. Thiobacillus могут окислять до сульфатов недоокисленные соединения серы, такие как тетратионаты:

N a₂S₄O₆ + SO₂ + 6H⁺ Na₂SO₄ + H₂SO₄,

откладывать серу вокруг сероводородных источников:

H ₂S + О₂ S⁰ + H₂O + ē

Тионовые бактерии, хемолитоавтотрофы, в качестве доноров электронов используют H₂S, S⁰, SO₃²⁻, S₂O₃²⁻ и др., акцептируют электроны на кислород или NO₃⁻, конечными продуктами являются SO₄²⁻ или N₂.

Схема окислительно-восстановительных процессов серы представлена на рисунке 24:

S⁰ молекулярная сера

SO₃²⁻

S₂O₃²⁻

окисление

H₂S, Сульфиды

SO₄²⁻

восстановление

Органическая сера (HS⁻)

1 – Окисляют H₂S до молекулярной серы серные бесцветные и тионовые в аэробных условиях, пурпурные и зеленые в анаэробных условиях.

2,3 – Окисление до недоокисленных продуктов осуществляют тионовые и архебактерии.

4 – Поглощение сульфатов всеми микроорганизмами и растениями и восстановление их до органических соединений.

5 – Сульфатредукторы восстанавливают сульфаты до H₂S в анаэробных условиях (р. Desulfovibrio, Desulfotomaculum и др.).

6 – Термоацидофильные анаэробные бактерии трансформируют органическую серу донных отложений до сероводорода.

7 – Облигатно анаэробные термофильные клостридии восстанавливают молекулярную серу до сероводорода и сульфидов.

Окислительно-восстановительный цикл серы.

Лекция четырнадцатая

Трансформация соединений фосфора в почвах

Роль фосфора в жизнедеятельности организмов

Фосфор играет важную роль в обмене веществ у растений и животных. Без фосфора невозможен азотный и углеводный обмен. Фосфор является конституционным элементом всех живых тканей. Фосфор – носитель энергии в синтезе клеточных протеинов, углеродном метаболизме, образовании различных полисахаридов. Соединения фосфора в живых организмах разнообразны. Нуклеотиды включают аденозинмонофосфорную (АМФ), аденозиндифосфорную (АДФ), аденозинтрифосфорную (АТФ) кислоты.

Обмен нуклеиновых кислот, биосинтез белков, углеводов, липидов осуществляется с участием нуклеотидов. Важной группой органических соединений фосфора являются коферментные системы, осуществляющие преобразование веществ и энергии в процессе дыхания и фотосинтеза: НАД, НАДФ – фосфоникотинамидадениндинуклеотиды, коэнзим А (КоА), тиаминпирофосфат и другие. С участием фосфора идут практически все реакции в цикле гликолиза, реакции карбоксилирования, образование пептидных связей. Некоторое количество фосфора содержится в растительных тканях в форме кислых и средних солей фосфорной кислоты: NaH₂PO₄, Na₃PO₄, Na₂HPO₄, Ca(H₂PO₄)₂, CaHPO₄, Ca₃(PO₄)₂, KH₂PO₄, K₂HPO₄, K₃PO₄. Фосфор, входящий в состав органических соединений часто обладает высокоэнергетическими связями.

Из почвы растения и микроорганизмы потребляют в основном соли ортофосфорной кислоты, в корень и клетку бактерий поступает только анион РО₄²⁻. Поступая в растения и бактерии, фосфор образует различные органические соединения: фитин, кефалин, лецитин и др. Фосфор входит также в состав нуклеиновых кислот и нуклеотидов. Первым этапом метаболизма многих веществ является их фосфорилирование.