30

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Дніпропетровський національний університет ім. О.Гончара

Центр заочної та вечірньої форм навчання

Кафедра мікробіології, вірусології та біотехнології

КОНТРОЛЬНА РОБОТА

з дисципліни: «Біогеохімічна діяльність мікроорганізмів»

ПЕРЕТВОРЕННЯ СПОЛУК ФОСФОРУ І СІРКИ У ПРИРОДІ

Виконавець:

Студентка групи БМ-13с-1з Кравченко Г.О.

Викладач:

доц. Зубарєва І.М.

м. Дніпропетровськ

2013

Зміст

Вступ 2

1. Перетворення сполук сірки 4

1.1.Колообіг сірки у природі 4

1.2. Характеристика мікроорганізмів, що перетворюють сірку 8 1.2.1. Еубактеріі, окислюють молекули, які містять сірку 8

1.2.2. Пурпурні сіркобактерії 14

1.2.3. Еубактерії, які відновлюють сульфати 16

2. Колообіг фосфору 23

Заключення 27

Перелік посилань 29

ВСТУП

Мікроби поширені в природі набагато ширше, чим інші живі істоти. Вони у великій кількості перебувають у ґрунті, воді, повітрі, в організмі людини й тварин, а також на поверхні їх тіла,на рослинах, різних предметах, у харчових продуктах. Завдяки винятковій різноманітності способів засвоєння живильних речовин, малим розмірам і легкої пристосовності до різних зовнішніх умов мікроорганізми можуть бути виявлені там, де відсутні інші форми життя.

У природі постійно відбувається колообіг речовин, які необхідні для життя рослин і тварин. Особливо важливе перетворення речовин, що входять до складу живої матерії-органогенів. Це вуглець, азот, фосфор, сірка, водень і кисень, з яких будуються білки, жири, вуглеводи [6].

У колообігу речовин у природі величезна роль належить рослинам і різним мікроорганізмам. Завдяки їх біохімічній активності менш складні хімічні сполуки перетворюються в більш складні й, навпаки, більш складні органічні сполуки розпадаються на прості хімічні елементи. Зелені рослини планети й фотосинтезуючі мікроорганізми використовують вуглекислоту атмосферного повітря, воду, мінеральні речовини ґрунту й енергію сонячних променів для синтезу органічних сполук, з яких побудовані різні компоненти клітин. Органічні речовини рослинного походження вживаються в їжу травоїдними тваринами. У свою чергу м'ясоїдні тварини і люди використовують органічні речовини як продукти харчування. Як тільки тварина або рослина гине, органічні сполуки їх, що входять до складу, клітин, руйнуються мікроорганізмами до більш простих і знову використовуються для синтезу рослинними організмами [9].

Крім біологічного кругообігу елементів, у природі функціонує і великий геологічний кругообіг. Він здійснюється під дією фізико-хімічних факторів і включає процеси вивітрювання гірських порід, розчинення мінеральних продуктів вивітрювання і винесення їх в моря й океани. Переважна частина винесених мінеральних елементів використовується водними організмами і після їх відмирання частково переходить до складу осадових порід. Якби цей процес проходив постійно, то життя на земній поверхні не могла б розвиватися.

Однак цього не відбувається, тому що біологічно важливі елементи безперервно закріплюються в грунті завдяки діяльності зелених рослин і автотрофних мікроорганізмів. Після відмирання організми рослин і тварин мінералізуються мікроорганізмами і залежно від умов включаються в біологічний або геологічний кругообіг.

Колообіг сірки тісно пов'язаний з живою речовиною. Сірка у вигляді SO₂ SO₃, H₂S і елементарної сірки викидається вулканами в атмосферу. З іншого боку, в природі у великій кількості відомі різні сульфіди металів: заліза, свинцю, цинку та ін. Сульфідна сірка окислюється в біосфері за участю численних мікроорганізмів до сульфатної сірки SO₄^2- ґрунтів і водойм.

Мета роботи – ознайомитись за яких умов та якими мікроорганізмами здійснюється колообіг сірки і фосфору у природі.

1. Перетворення сполук сірки

1.1. Колообіг сірки у природі

Традиційні моделі колообігу сірки свідчать, що близько 50% її з'являється в атмосфері за рахунок її біологічних перетворень наземними і водними екосистемами. Вважається, що внаслідок мікробіологічних процесів у цих природних екосистемах сірка вивітрюється у вигляді сірководню.

Переважна частина колообігу відбувається у ґрунті і воді. Основним джерелом для живих організмів є сульфіди і сульфати (пірит – FeS₂, халькопірит – CuFeS₂, гіпс, ангідрит) та продукти розпаду органіки рослин. Більшість сульфатів добре розчиняється у воді і це полегшує доступ S в екосистеми. Поглинаючи сульфати з ґрунту, рослини виробляють сірковмісні амінокислоти (цистин, цистеїн). Відмираючи, органіка розкладається гетеротрофними бактеріями, які в кінці кінців виробляють H₂S і з сульфопротеїнів, що містяться в ґрунті. З іншої сторони є бактерії, які здатні знову окисляти H₂S до сульфатів, що збільшує запас S, доступної продуцентам. Таким чином, сірка знову повертається в ґрунт. Крім S органічного походження, рослини можуть вводити в цикл значну кількість S, що переноситься повітряними течіями і дощовою водою з промислових районів (дими). Це дає від 3 до 260кг S на 1 га/рік. Остання фаза колообігу сірки повністю осадова, тобто вона випадає в осадок в анаеробних умовах при наявності Fe. Таким чином, процес закінчується повільним і поступовим накопиченням сірки в осадових породах. [11].

Сульфати поглинаються рослинами. У організмах сірка входить до складу амінокислот і білків, а у рослин, крім того, – до складу ефірних масел і ін. Процеси руйнування залишків організмів у ґрунтах і в мулах морів супроводжуються дуже складними перетвореннями сірки. При руйнуванні білків за участю мікроорганізмів утворюється сірководень. Далі сірководень окислюється або до елементарної сірки, або до сульфатів. У цьому процесі беруть участь різноманітні мікроорганізми, що створюють численні проміжні сполуки сірки. Відомі родовища сірки біогенного походження. Сірководень може знову утворити «вторинні» сульфіди, а сульфатна сірка створює гіпс. У свою чергу сульфіди і гіпс знову підлягають руйнуванню, і сірка відновлює свою міграцію [14].

Колообіг сірки відбувається в результаті життєдіяльності бактерій, що окислюють або відновлюють її.

Процеси відновлення сірки відбуваються декількома шляхами. Під впливом гнильних бактерій роду Clostridium, Proteus, в анаеробних умовах при гнитті білків, що містять сірку, відбувається утворення сірководню, і, рідше, меркаптану. Цей процес нагадує амоніфікацію азотовмісних органічних сполук. Великі кількості сірководню (Н₂S) утворюються при дисиміляційному відновлені сульфатів, що здійснюється облігатно анаеробними бактеріями родів Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfococcus, Desulfosarcina, Desulfonema [11].

Утворений в анаеробних умовах сірководень може окислюватися анаеробними фототрофними бактеріями родини Chromatiaceae до сірки або сульфату. В цій родині відомі бактерії, що накопичують сірку у клітині, як проміжний продукт окислення сірководню (види Thiospirillum, Chromatium, Thiodiction) і бактерії, що відкладають сірку за межі клітин (вид Ectothiorhodospira).

У аеробних умовах сірководень під дією сіркобактерій (види Beggiatoa, Thiothrix) окислюється в сульфат. Вільну сірку у аеробних умовах можуть окислювати до сульфату представники роду Thiobacillus. Утворюючи великі кількості сіркової кислоти тіобацили зменшують лужність ґрунту [9].

Великі кількості сірководню накопичуються також в результаті життєдіяльності сульфатвідновлюючих бактерій. Вони відновлюють сульфати ґрунту, мулу, води. Сірководень, що утворювався в процесі відновлення, частково потрапляє в атмосферу, а частково накопичується в ґрунті й воді. Надалі він окислюється. Після того як запаси сірководню в зовнішньому середовищі вичерпані, сірка окислюється до сірчаної кислоти й сульфатів, що використовуються рослинами.

Відомо, що мікроорганізми продукують сірководень в основному двома шляхами: відновленням сульфатів і розкладом органічної речовини. Desulfovibrio і близькі їй бактерії – відновлювачі сульфатів – частково заселяють болота та погано дреновані землі. Вони й використовують сульфати як кінцевий акцептор (приймач) електронів [2].

Desulfovibrio – група грамнегативних, облігатно анаеробних сульфатредукуючих бактерій. Родина включає близько 40 дійсно опублікованих видів. Мешкають в анаеробних опадах прісних і солонуватоводних водоймах, морях, а також в кишечнику деяких тварин, в гної і екскрементах. Зігнуті або зрідка прямі неспороутворюючі палички, іноді сигмовидної або спіральні форми розмірами 0,5-1,5 × 2,5-10 мкм. Морфологія залежить від віку культури. Рухливі за рахунок наявності одного або декількох джгутиків, розташованих полярно [5].

Хемоорганогетеротрофи, облігатні анаероби, використовують сульфати або інші кисневмісні сполуки сірки в якості кінцевого акцептора електронів, як кінцевий продукт виділяють сірководень. Більшість видів окислюють органічні речовини до ацетату, вуглеводи можуть використовуватися лише деякими видами як джерело вуглецю та енергії. Всі представники роду містять десульфовіридин. Деякі штами здатні до хемолітогетеротрофного метаболізму шляхом окислення молекулярного водню і асимілювання ацетату і діоксиду вуглецю як джерела вуглецю [6].

Деякі види здатні використовувати амінокислоти як джерело вуглецю. Інші види мешкають в гідротермальних джерелах. Зазначені зміни в структурі нітроцелюлози, викликані Desulfovibrio desulfuricans. В якості запасного джерела вуглецю Desulfovibrio desulfuricans, Desulfovibrio HL21 і Desulfovibrio vulgaris використовують біополімер поліглюкозу. Представники родини Desulfovibrio здатні виділяти монооксид дисірки S₂O при рості на щільних живильних середовищах. Відновлення шестивалентного хрому в клітинах Desulfovibrio vulgaris інгібує сульфатредукцію і ріст клітин. Після того як запаси сірководню в зовнішньому середовищі вичерпані, сірка окислюється до сірчаної кислоти й сульфатів, що використовуються рослинами.

Друга група мікроорганізмів надзвичайно численна і різноманітна, включає аероби, анаероби, термофіли, психрофіли та актиноміцети, тобто всі мікроорганізми, які розкладають органічні сполуки із вивільненням сірководня.

Рослини поглинають сірку у вигляді розчину сульфатів, включаючи її в білки. Подальший розклад тварин і рослин і виділення тварин призводить до вивільнення сірчистого газу і повернення сульфатів у ґрунт або воду. У колообігу сірки головну роль, як зазначено вище, відіграють два види спеціалізованих бактерій, один із яких перетворює певну частину сірководню в сульфати, а інший вивільнює сірководень із сульфатів [8].