Окисление ионов железа

Этот процесс осуществляют железобактерии. Впервые термин «железобактерии» применил русский микробиолог С.Н. Виноградский для прокариот, использующих энергию окисления Fe²⁺ до Fe³⁺ для ассимиляции СО₂, т. е. способных существовать хемолитоавтотрофно.

Железобактерии с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа можно разделить на две группы: ацидофильные и микроаэрофильные, растущие при нейтральном рН (нейтрофильные).

Основными представителями ацидофильных железобактерий являются Thiobacillus ferrоoxidans и Leptospirillum ferrоoxidans. Железобактерии вида Thiobacillus ferrоoxidans – грамотрицательные, бесспоровые, палочковидные с полярным жгутикованием бактерии. Они относятся к тионовым бактериям, так как они способны окислять не только Fe²⁺, но и различные восстановленные соединения серы.

Облигатно ацидофильные бактерии Leptospirillum ferrоoxidans в отличие от Thiobacillus ferrоoxidans способны окислять только Fe²⁺, восстановленные соединения серы они не окисляют.

Бактерии Leptospirillum ferrоoxidans и большинство изученных штаммов Thiobacillus ferrоoxidans являются облигатными хемолитоавтотрофами. Некоторые штаммы T. ferrоoxidans способны расти на средах с органическими соединениями и являются факультативными хемолитоавтотрофами. Кроме того, среди ацидофильных железобактерий имеются термофильные представители (например, Acidianus brierleyi, Metallosphera sedula, Sulfolobus solfataricus и др.), получающие энергию в результате окисления Fe²⁺ и нуждающиеся для роста в органических соединениях, т. е. осуществляющие метаболизм хемолитогетеротрофного типа.

Механизм окисления Fe²⁺ подробно исследован у T. ferrоoxidans. Окисление железа в клетках этих бактерий, приводящее к получению энергии, происходит по уравнению:

2 Fe²⁺ + 1/2 O₂ + 2H⁺ Fe³⁺ + H₂O

Установлено, что этот процесс осуществляется в периплазматическом пространстве (в цитоплазму через мембрану Fe²⁺ не проникает) и сопровождается выделением Fe³⁺ во внешнюю среду. Электроны, оторванные от Fe²⁺ с помощью цитохромсодержащей Fe²⁺-оксидазы, акцептируются особым медьсодержащим растворимым белком рустицианином (РЦ), локализованным в периплазматическом пространстве. Затем с рустицианина они передаются на цитохром с, локализованный на внешней стороне цитоплазматической мембраны, а с него на цитохром а₁, расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома а₁ на 1/2 O₂, сопровождающийся поглощением из цитоплазмы двух протонов, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до Н₂О:

Внешняя Внутренняя

сторона сторона

2Fe²⁺ 2е^– 1/2 O₂ + 2H⁺

РЦ цит. c цит. а₁

2Fe³⁺ H₂O

Периплазма Цитоплазматическая мембрана

Особенностью дыхательной цепи бактерий Thiobacillus ferrоoxidans является отсутствие переноса через мембрану протонов, происходит перенос только электронов. Градиент Н⁺ по обе стороны цитоплазматической мембраны у Thiobacillus ferroxidans поддерживается как за счет поглощения протонов из цитоплазмы, так и в результате низкого рН внешней среды, в которой обитают эти бактерии. Синтез АТФ происходит за счет движения Н⁺ из внешней среды в цитоплазму с помощью АТФ-синтазы. Движущей силой служит в основном разность рН снаружи и внутри клетки. Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо окислить как минимум две молекулы Fe²⁺. Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов. В целом для фиксации одной молекулы СО₂ в цикле Кальвина необходимо окислить более 22 молекул Fe²⁺.

Ацидофильные железобактерии широко распространены в природе и могут существовать в различных условиях: в подземных водах сульфидных месторождений, кислых водах железистых источников, кислых озерах с высоким содержанием закисного железа и др. Они в большом количестве обнаруживаются в сульфидных минералах, таких как пирит и сульфиды других металлов. При доступе кислорода и воды они сильно подкисляют среду обитания, что часто наблюдается, например, в угольных шахтах. Если кислые шахтные воды попадают в грунтовые воды, имеющие нейтральный рН, происходит выпадение в осадок основных сульфатов Fe³⁺-ярозитов, которые снижают плодородие почвы и вызывают засорение дренажных труб. Закисление почвы при этом приводит к гибели многих живых организмов.

Ацидофильные железобактерии находят практическое применение – на их использовании основаны методы бактериального выщелачивания меди, марганца, урана, золота и других драгоценных и редких металлов из бедных руд.

Наиболее известными представителями нейтрофильных железобактерий являются бактерии вида Gallionella ferruginea и виды рода Leptotrix. Они участвуют в образовании ржавых осадков (охры) в болотах и заболоченных почвах с нейтральной и слабощелочной реакцией среды. Стебельковые бактерии Gallionella ferruginea имеют клеточную стенку грамотрицательного типа и палочковидную форму. Обитая в железистых водах, они образуют коллоидный гидроксид железа (ферригидрит), из которого формируют стебельки разной длины. На концах стебельков располагаются клетки. Они относятся к типичным хемолитотрофам, так как используют энергию аэробного окисления Fe²⁺ для фиксации СО₂ в цикле Кальвина. Нитчатые, имеющие трубковидный чехол бактерии рода Leptotrix окисляют Fe²⁺ с образованием вокруг нитей в большом количестве хлопьев и налетов оксидов железа (Fe³⁺). В массовом количестве нейтрофильные железобактерии находятся в дренажных трубах и железосодержащих ручьях. В системах водоснабжения образуют отложения, служащие причиной загрязнения питьевой воды и засорения коммуникаций.

Кроме охарактеризованных хемолитотрофов, окислять железо и/или марганец способны и другие железобактерии, принадлежащие к разным таксономическим группам. Среди них встречаются как факультативные хемолитотрофы, так и хемоорганотрофы. Установлено, что некоторые представители железобактерий окисляют железо или марганец для детоксикации перекиси водорода, которая может образовываться в их клетках при окислении органических веществ. Окисление железа у таких бактерий протекает в капсулах, чехлах, слизистых выделениях, на поверхности клеточной стенки, где концентрируются все компоненты реакции: восстановленные формы железа или марганца, перекись водорода, каталаза в соответствии с уравнениями:

2 Fe²⁺ + Н₂O₂ + 2H⁺ 2Fe³⁺ + 2H₂O,

M n²⁺ + 2Н₂O₂ MnO₂ + 2H₂O

Магниточувствительные бактерии откладывают сульфид железа в магнитосомах, обеспечивая магнитотаксис.

Однако следует отметить, что ни в одном из приведенных примеров окисление железа и марганца не связано с получением энергии, в отличие от ранее рассмотренных представителей ацидофильных и нейтрофильных хемолитоавтотрофных бактерий.