1. Основные процессы биотического круговорота железа
(1) Поглощение железа организмами (ассимиляция)
Растения и микроорганизмы:
Субстраты:
Fe³⁺ (в форме оксидов и гидроксидов, плохо растворим),
Fe²⁺ (более доступная форма, образуется при восстановлении).
Продукты:
Комплексы с сидерофорами (у бактерий и грибов),
Органические соединения (ферритин, гемовые группы в растениях).
Животные:
Получают железо с пищей (гемовое Fe²⁺ в мясе, негемовое Fe³⁺ в растениях).
(2) Окисление железа (химическое и бактериальное)
Хемолитотрофные бактерии (например, Acidithiobacillus ferrooxidans):
Субстраты:
Fe²⁺ (в кислой среде, например, в шахтных водах).
Продукты:
Fe³⁺ (в форме Fe(OH)₃, Fe₂O₃),
Энергия для бактериального метаболизма.
Абиотическое окисление:
Fe²⁺ + O₂ → Fe³⁺ (в нейтральных и щелочных условиях).
(3) Восстановление железа (микробное и химическое)
Анаэробные бактерии (например, Geobacter, Shewanella):
Субстраты:
Fe³⁺ (в оксидах и глинах), органические вещества.
Продукты:
Fe²⁺ (растворимая форма), CO₂ или другие продукты разложения.
Химическое восстановление:
Под действием H₂S: Fe³⁺ + H₂S → Fe²⁺ + S⁰.
(4) Осаждение железа (биогенное и абиогенное)
Биогенное:
Железобактерии (например, Leptothrix, Gallionella) образуют Fe(OH)₃.
Абиогенное:
Fe²⁺ + O₂ → Fe₂O₃·nH₂O (ржавчина).
(5) Выветривание горных пород (источник железа)
Субстраты:
Магнетит (Fe₃O₄), гематит (Fe₂O₃), пирит (FeS₂).
Продукты:
Растворимые Fe²⁺ и Fe³⁺ в почвах и водах.
15. Аэробная деструкция органики. Основные процессы, субстраты, продукты.~
Аэробная деструкция органики — это процесс биологического разложения органических веществ в присутствии кислорода с образованием углекислого газа (CO₂) и воды (H₂O). Этот процесс играет ключевую роль в круговороте углерода в водных экосистемах и в значительной степени осуществляется прокариотами, особенно бактериями.
1. Общая характеристика
Общее уравнение полной деструкции органики: [CH2O]+O2→CO2+H2O
Аэробная зона — основной участок деструкции: до 80 % разложения органики происходит здесь.
Микроорганизмы-деструкторы: преимущественно аэробные прокариоты (бактерии), также участвуют грибы.
2. Основные субстраты
Субстраты делятся на:
Легкоокисляемые:
моносахариды (глюкоза),
органические кислоты,
аминокислоты,
спирты.
Трудноокисляемые:
гуминовые кислоты,
полисахариды (целлюлоза),
белки, липиды (в составе детрита — отмерших остатков).
3. Основные этапы процесса
I. Гидролиз полимеров
Производится гидролитической микрофлорой, которая выделяет экзоферменты:
Целлюлазы — расщепляют целлюлозу.
Протеазы — белки.
Липазы — липиды.
Продукты: мономеры — сахара, аминокислоты, жирные кислоты.
II. Утилизация мономеров
Осуществляется диссипотрофами — одиночными бактериями, потребляющими растворенные вещества.
Взаимодействие гидролитиков и диссипотрофов обеспечивает эффективную переработку субстрата, т.к. последние «убирают» продукты гидролиза, стимулируя его продолжение.
III. Аэробное окисление
Осуществляется с участием кислорода как конечного акцептора электронов.
Основные продукты:
CO₂ — углекислый газ,
H₂O — вода,
энергия — используется бактериями для роста.
4. Продукты аэробной деструкции
Минеральные вещества:
Углекислый газ (CO₂),
Вода (H₂O),
Аммоний, нитраты, фосфаты (в случае участия соединений азота и фосфора).
Энергия, запасаемая в виде АТФ и использующаяся для биосинтеза.
16. Анаэробная деструкция органики. Основные процессы, субстраты, продукты.
Анаэробная деструкция органики — это процесс разложения органического вещества в отсутствии кислорода, при котором используются альтернативные акцепторы электронов. Она играет важную роль в глубинных слоях водоемов, донных осадках и зонах, бедных кислородом. Процесс более медленный, чем аэробный, и включает несколько микробных этапов с участием разных групп прокариот.
1. Общая характеристика
Анаэробная деструкция — многоступенчатый процесс, в котором продукты одного этапа служат субстратами для следующего.
Ведущую роль играют бактерии и археи, осуществляющие брожение, сульфатредукцию, денитрификацию, метаногенез и др.
2. Основные субстраты
Полимеры: белки, липиды, полисахариды (целлюлоза, хитин).
Продукты гидролиза полимеров: аминокислоты, жирные кислоты, сахара.
Промежуточные соединения: ацетат, лактат, этанол, H₂, CO₂, пропионат, бутират.
3. Основные этапы и процессы
Этап 1. Гидролиз полимеров
Выполняется гидролитической микрофлорой с участием ферментов (протеазы, липазы, целлюлазы).
Результат: образование мономеров.
Этап 2. Брожение (ферментация)
Выполняется бродильной микрофлорой.
Продукты:
летучие жирные кислоты (ацетат, пропионат, бутират),
спирты (этанол),
H₂, CO₂, NH₃, и др.
Этап 3. Анаэробное окисление промежуточных продуктов
Процесс зависит от доступных акцепторов электронов:
1. Денитрификация (нитратное дыхание)
Субстрат: простые органические соединения (например, сахара).
Акцептор: NO₃⁻ (нитрат).
Продукты: CO₂, N₂, H₂O.
2. Сульфатредукция
Субстрат: органические кислоты (ацетат и др.).
Акцептор: SO₄²⁻ (сульфат).
Продукты: CO₂, H₂S, H₂O.
3. Метаногенез (карбонатное дыхание)
Субстраты:
Водород и CO₂: 4H2+CO2→CH4+2H2O
Ацетат: CH3COOH→CH4+CO2
Продукты: метан (CH₄), CO₂, H₂O.
Выполняется археями, строго анаэробный процесс.
4. Конечные продукты анаэробной деструкции
Газы:
Метан (CH₄) — основной биогенный газ.
Углекислый газ (CO₂).
Азот (N₂) — при денитрификации.
Сероводород (H₂S) — при сульфатредукции.
Растворимые соединения:
Ацетат, аммоний, фосфаты (в зависимости от состава субстрата).
Билеты 9-16 в виде таблицы
Элемент |
Процесс |
Субстрат |
Продукт |
Участник |
Углерод |
Фотосинтез (ассимиляция углерода) 6CO2+6H2O+свет→ C6H12O6+6O2 |
CO2, Н2O, cолн. энергия |
Глюкоза, кислород |
растения, водоросли, цианобактерии |
Дыхание (разложение органики) C6H12O6+6O2→ 6CO2+6H2O+энергия |
органические вещества (глюкоза), кислород (O₂) |
CO₂, H₂O, энергия (АТФ) |
все живые организмы (растения, животные, грибы, бактерии) |
|
Деструкция углерода |
детрит |
CO₂, CH₄ (метан), Кероген |
Бактерии |
|
Брожение |
глюкоза |
CO₂, спирт, CH₄ (метан) |
бактерии, дрожжи, в анаэробных условиях |
|
Азот |
Азотофиксация, преобразование молекулярного азота (N₂) из атмосферы в соединения, доступные для живых организмов |
атмосферный азот (N₂) |
аммиак (NH₃) или ион аммония (NH₄⁺) |
азотфиксирующие бактерии (напр., Rhizobium, Azotobacter, цианобактерии) |
Амонфикация (минерализация, разложение органических азотсодержащих веществ (белков, аминокислот) до аммиака) |
органический азот (например, мертвые организмы, экскременты) |
аммиак (NH₃) → ион аммония (NH₄⁺) |
гнилостные бактерии, грибы |
|
Нитрификация (окисление ионов аммония до нитритов, а затем до нитратов. Субстраты и продукты) |
NH₄⁺ |
NO₂⁻ (нитриты) |
хемоавтотрофные бактерии, Nitrosomonas |
|
NO₂⁻ |
NO₃⁻ (нитраты) |
хемоавтотрофные бактерии Nitrobacter |
||
Ассимиляция азота (усвоение неорганических форм азота (NH₄⁺ или NO₃⁻) растениями и превращение их в органические соединения) |
нитраты (NO₃⁻), аммоний (NH₄⁺) |
аминокислоты, белки, нуклеотиды |
растения, водоросли |
|
Денитрификация (восстановление нитратов до газообразных форм азота (N₂, N₂O) с возвращением его в атмосферу) |
нитраты (NO₃⁻) |
N₂, CO2, Н2O |
анаэробные бактерии (Pseudomonas, Clostridium) |
|
Фосфор |
Выветривание фосфорсодержащих минералов |
апатиты и другие фосфорсодержащие минералы |
неорганические фосфаты (PO₄³⁻) |
Участие организмов косвенное, через корневые выделения растений и микроорганизмов |
Ассимиляция фосфора (поглощение фосфатов из почвы или воды) |
неорганический фосфат (PO₄³⁻) |
органические соединения фосфора — АТФ, ДНК, РНК, фосфолипиды |
растения, водоросли (первичные продуценты), далее — потребители |
|
Минерализация |
органические фосфорные соединения |
неорганический фосфат (PO₄³⁻) |
сапротрофы — бактерии, грибы, детритофаги |
|
Растворение фосфора в анаэробных условиях |
соединения фосфора с металлами (Fe, Ca) |
Растворимые формы фосфора |
Косвенно, в водоемах зависит от режима стратификации |
|
Осаждение и седиментация (вымывание фосфатов из почвы в водоемы, где они оседают в осадочные породы) |
растворённые фосфаты |
нерастворимые соединения фосфора в иле |
участвуют опосредованно (через экскременты, отмершие тела) |
|
Кальций |
Выветривание пород (поступление кальция в почву и воду) |
кальцит (CaCO₃), доломит, гипс |
ионы кальция (Ca²⁺) |
сапротрофные бактерии, грибы |
Поступление с изверженными породами и выщелачивание из них |
СaSiO3 + СО2 |
CaCO3 (Известняк, мрамор, кальцит) + SiO2 |
абиотический процесс, но может усиливаться органическими кислотами от корней растений
|
|
Ассимиляция кальция (поглощение кальция из почвы растениями, а из воды — водорослями и животными) |
ионы кальция (Ca²⁺) |
биологически важные соединения — клеточные стенки, хлоропласты у растений; у животных — кости, раковины, панцири |
растения, моллюски, кораллы, позвоночные животные |
|
Минерализация кальция (разложение останков организмов с высвобождением кальция обратно в почву или воду) |
органические и неорганические кальцийсодержащие структуры |
ионы кальция (Ca²⁺) |
сапротрофные бактерии, грибы |
|
Осаждение и отложение в осадочных породах |
Ca²⁺, HCO₃⁻ |
CaCO₃ (карбонат кальция) |
кораллы, фораминиферы, планктон (участвуют в биогенном осаждении) |
|
Сера |
Окисление |
Сульфиды FeS2, PbS, ZnS |
сульфаты - SO42 |
Абиотический процесс |
Деструкция органики с использованием сульфата (сульфат-редукция) в качестве окислителя
|
2[CH2O] + SO42- |
CO2 + CO32-+ H2O + H2S |
Анаэробный процесс, осуществляется сульфат-редуцирующими бактериями |
|
Фотосинтез с использованием сероводорода
|
CO2 + CO3 2- + H2O H2S |
2[CH2O] + SO4 2- |
Осуществляется пурпурными и зелеными серными бактериями |
|
Хемоавтотрофный биосинтез (окисление восстановленных соединений серы) |
S 2- + 2O2 |
SO4 2- |
Протекают в верхних слоях донных отложений и в хемоклине стратифицированных водоемов, Thiobacillus sp., Beggiatoa, Thioploca |
|
S + H2O + 1,5 O2 |
SO4 2- + 2H+ |
|||
S2O3 2- + H2O + 2O2 |
2SO4 2- + 2H+ |
|||
Рудообразование (смешение поверхностных вод, несущих ионы металлов, с глубинными сероводородными водами) |
H2S, сульфаты |
PbS, MoS2 , ZnS, CuS |
Абиогенный процесс |
|
Железо |
Бактериальное окисление железа |
FeS2 +O2 + H2O |
FeSO4 + H2 SO4 |
Хемолитотрофные бактерии, Бактериальное окисление S -2 в S +6,Thiobacillus thiooxidans |
FeSO4 + O2 + 2H2 SO4 |
Fe2 (SO4 )3 + 2H2O |
Бактериальное окисление Fe2+ в Fe3+ , Thiobacillus ferrooxidans |
||
Восстановление железа (бактериальное и химическое) |
Fe³⁺ (в оксидах и глинах), органические вещества |
Fe²⁺ (растворимая форма), CO₂ или другие продукты разложения |
Анаэробные бактерии (например, Geobacter, Shewanella) |
|
Выветривание горных пород (источник железа) |
Магнетит (Fe₃O₄), гематит (Fe₂O₃), пирит (FeS₂) |
Растворимые Fe²⁺ и Fe³⁺ в почвах и водах |
Абиогенный процесс |
|
Аэробная деструкция органики |
Гидролиз полимеров |
Органические полимеры |
мономеры — сахара, аминокислоты, жирные кислоты |
Производится гидролитической микрофлорой, которая выделяет экзоферменты |
Образование керогена |
детрит |
CO₂, CH₄ (метан), Кероген |
Бактерии |
|
Утилизация мономеров |
продукты гидролиза |
|
Осуществляется диссипотрофами — одиночными бактериями, потребляющими растворенные вещества |
|
Аэробное окисление (Осуществляется с участием кислорода как конечного акцептора электронов) |
продукты гидролиза |
CO₂ — углекислый газ, H₂O — вода |
|
|
Анаэробная деструкция |
Гидролиз полимеров |
Органические полимеры |
мономеры — сахара, аминокислоты, жирные кислоты |
Выполняется гидролитической микрофлорой с участием ферментов (протеазы, липазы, целлюлазы). |
Брожение (ферментация) |
мономеры — сахара, аминокислоты, жирные кислоты |
летучие жирные кислоты (ацетат, пропионат, бутират), спирты (этанол), H₂, CO₂, NH₃, и др
|
Выполняется бродильной микрофлорой |
|
Денитрификация (нитратное дыхание) |
простые органические соединения (например, сахара), NO₃⁻ (нитрат). |
CO₂, N₂, H₂O |
анаэробные бактерии (Pseudomonas, Clostridium) |
|
Сульфатредукция |
органические кислоты (ацетат и др.), SO₄²⁻ (сульфат) |
CO₂, H₂S, H₂O |
Анаэробный процесс, осуществляется сульфат-редуцирующими бактериями |
|
Метаногенез |
Водород и CO₂: 4H2+CO2→CH4+2H2O CH3COOH→CH4+CO2 |
(CH₄), CO₂, H₂O |
Выполняется археями, строго анаэробный процесс |
