5.4.6. Ассимиляция сульфата

Сульфат используют почти все растения и микроорганизмы в качестве источника серы. В клетках с затратами энергии происходит поэтапное восстановление сульфатов SO₄ ^2– до сульфидов S^2–. Последние используется только на нужды организма (включается в реакции образования серусодержащих аминокислот) и в окружающую среду не выделяется.

При деградации серусодержащих органических соединений в процессе жизнедеятельности бактерий, растений и животных происходит их окисление до сульфатов, однако возможно и выделение других продуктов (см. выше подраздел 5.4.1). В результате гниения органических остатков выделяется сероводород H₂S и меркаптаны (последние также окисляются на воздухе с выделением H₂S).

5.4.7. Восстановление сульфата и другие процессы

Большая часть сероводорода в природе образуется в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий, обитающих в анаэробных условиях (в океане и на континентах). Суммарное уравнение процесса восстановления сульфата (его еще называют сульфатным дыханием) выглядит так:

SO₄ ²⁻ + 8[H] → H₂S + 2 H₂O + 2OH⁻.

В результате процесса бактерии запасают энергию. Источниками [Н] служат низкомолекулярные соединения, образовавшиеся при анаэробном разложении биомассы – молочная, пропионовая, уксусная, муравьиная кислоты, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный водород.

Деятельность сульфатредуцирующих бактерий особенно заметна в иле на дне прудов и ручьев, в болотах и вдоль морского побережья. Ее признаки – запах сероводорода и черный как смоль ил, цвет которого обусловлен присутствием FeS. Некоторые береговые области становятся безжизненными из-за токсического действия H₂S.

Большие количества H₂S накапливаются в верхних слоях морских донных отложений и в некоторых случаях – в придонных водах морей (например в Черном море глубже 200м), отличающихся высокой биологической продуктивностью и сла­бой циркуляцией.

Благодаря сульфатредуцирующим бактериям возможна анаэробная коррозия железных труб. Во влажной среде происходит ионизация железа:

Fe + 2H⁺ → Fe²⁺ + H₂.

Пленка молекулярного водорода должна предохранять металл от дальнейшего разрушения, однако в присутствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии сульфата в среде идут реакции

4H₂ + SO₄ ²⁻ → H₂S + 2H₂O + 2OH⁻ ;

4Fe²⁺ + H₂S + 2OH⁻ + 4H₂O → FeS + 3Fe(OH)₂ + 6H⁺.

Известно, что некоторые микроорганизмы (в том числе дрожжи) способны осуществлять восстановление серы (серное дыхание):

S + 2[H] → H₂S.

Особенно важен этот процесс для уникальных бактерий, обитающих в гидротермальных источниках (температура среды 45…100ºС). Для них источником S является элементарная сера вулканического происхождения.

5.4.8. Окисление сероводорода и другие процессы

Способностью получать энергию за счет окисления соединений серы обладают разнообразные тиобациллы, обитающие в аэробных и анаэробных условиях. Они осуществляют различные реакции:

S²⁻ + 2O₂ → SO₄ ²⁻,

S⁰ + H₂O + 1,5O₂ → SO₄ ²⁻ + 2H⁺,

S₂O₃²⁻ (тиосульфат-ион) + H₂O + 2O₂ → 2SO₄ ²⁻ + 2H⁺.

Например, Thiobacillus thiooxidans образует большие количества серной кислоты и хорошо переносит кислую среду (клетки сохраняют жизнеспособность в 0,5М растворе H₂SO₄). Такая способность к используется для подкисления известковых почв путем внесения элементарной серы – почвенный карбонат кальция (нерастворимый) переходит в сульфат, который вымывается из почвы.

Некоторые тиобациллы окисляют не только серу, но и металлы. Совместно с другими бактериями их используют для получения металлов, превращая рудные сульфиды (пирит FeS₂, халькозин Cu₂S, CuS, ZnS, NiS, MoS₂, Sb₂S₃, Co_S, PbS) в сульфаты.

Хемолитоавтотрофные бактерии, окисляющие сероводород, являются основой для бессветовой экосистемы в океанских глубинах. Они обитают вблизи выходов подземных горячих источников, в водах которых растворено большое количество минеральных веществ, в том числе H₂S. Эта вода соприкасается с опускающейся сверху холодной водой, насыщенной растворенным кислородом. В таких условиях развиваются хемолитоавтотрофные бактерии, которым не нужен свет (фотосинтез у них отсутствует). В качестве источника углерода они используют СО₂, а энергию получают за счет окисления H₂S или S до сульфатов или серной кислоты:

H₂S + 2O₂ → SO₄ ²⁻,

S + H₂O + 1,5O₂ → SO₄ ²⁻ + 2H⁺.

Хемолитоавтотрофные бактерии являются первым звеном (продуцентами) глубоководной экосистемы – ими питаются моллюски, ракообразные, черви. Интересно отметить, что эти бактерии могут существовать как симбионты животных – обитать на жабрах червей и моллюсков, в кишечнике червей.

Фототрофные бактерии (пурпурные и зеленые бактерии) расходуют сероводород на аноксигенный фотосинтез:

2H₂S + СО₂ + hν → [CH₂O] + 2S + H₂O ;

H₂S + 2СО₂ + 2H₂O + hν → 2[CH₂O] + Н₂SO₄ .

Некоторые из таких бактерий накапливают серу в цитоплазме клетки или вне ее – она является промежуточным или конечным продуктом процесса. Большинство месторождений серы имеет невулканическое происхождение и возможно, что они содержат отложения биогенной серы прошлых геологических эпох.

Фототрофные бактерии, окисляющие сероводород, обитают в анаэробных зонах пресных водоемов и морей в условиях доступа света. Они являются частью «микробного фильтра», который не позволяет сероводороду поступает в атмосферу.