: Главная arrow Клетка и ее структура arrow Образование сероводорода при восстановлении сульфата  

Образование сероводорода при восстановлении сульфата

Печать E-mail
 

 

Физиологическую группу бактерий, восстанавливающих сульфат (их на­зывают также десульфатирующими, сульфатредуцирующими или суль-фидобразующими), отличает способность к переносу водорода с суб­страта на сульфат как конечный акцептор электронов и, таким образом, к восстановлению сульфата до сульфида. В этом процессе происходит перенос электронов, и в нем участвует цитохром с. Энергия запасается благодаря фосфорилированию в электрон-транспортной цепи в анаэ­робных условиях:

 Поскольку такое восстановление сульфата обладает формальным сходством с дыханием, при котором акцептором водорода служит кис­лород, принято говорить о сульфатном дыхании, или о диссимиляцион-ной сульфатредукцж. Главным продуктом такого процесса является сероводород:

8[Н]   +   SO*"   -»  H2S   +   2Н20   +   20Н-

Болыпая часть сероводорода, образующегося в природе, возникает бла­годаря этой реакции. Сульфатредуцирующие бактерии являются, в от­личие от нитратредуцирующих, облигатными анаэробами, т.е. ну­ждаются в строго анаэробных условиях.

Систематика. Сульфатредуцирующие бактерии-это физиологическая группа, для которой характерна способность к образованию сероводо­рода из сульфата (табл. 9.1). Донорами водорода служат простые низ­комолекулярные соединения, образующиеся при анаэробном разложе­нии биомассы, главным образом целлюлозы: лактат, ацетат, пропионат, бутират, формиат, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный во-

 

Image

дород. По степени усвоения органических кислот различают две группы сульфатредуцирующих бактерий:

  • 1. Бактерии, относящиеся к первой группе, окисляют донор водорода не полностью и выделяют уксусную кислоту. Таковы виды спорообра-зующего рода Desulfotomaculum (D. nigrificans, D. orientis и D. ruminis) и неспорообразующего рода Desulfovibrio (D. vulgaris, D. desulfuricans, D. gigas, D. thermophilus и другие).
  • 2. Вторая группа включает роды и виды, часть которых может расти, используя спирты, ацетат, высшие жирные кислоты или бензоат, а другие способны даже к хемоавтотрофному росту в присутствии водорода и формиата. К этой группе относятся спорообразователи (Desulfotomaculum acetoxidans), а также неспорообразующие палочки (Desulfobacter), кокки (Desulfococcus), сардины (Desulfosarcina), ните­видные формы, передвигающиеся путем скольжения (Desulfonema), и некоторые другие бактерии.

Восстановление сульфата. Почти все бактерии, грибы и зеленые рас­тения способны использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серусодержащих амино­кислот, путем «ассимиляционной сульфатредукции». Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для асси­миляционного восстановления сульфата. Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации. Восстановление сульфата в клетке начинается с его активации, на кото­рую непосредственно затрачивается энергия АТР (рис. 9.3); с помощью

 

Image

АТР-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТР обменивается на сульфат:

ATP + S04     ^ Аденозин-5:фосфосульфат + PPj

Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом ак­тивации является аденозин-5-фосфосульфат (АФС). Последующие реак­ции могут быть различными. На пути ассимиляционного восстановле­ния сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТР фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливает­ся сначала до сульфита, а затем до сульфида. При диссимиляционной сульфатредукции АФС с помощью АФС-редуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием AMP.

Восстановление сульфита до сульфида происходит, видимо, у разных бактерий по-разному. С помощью сульфитредуктазы сульфит прямо восстанавливается до сульфида (на что затрачивается 6 электронов) без образования промежуточных продуктов. В такого рода восстановлении как и в ассимиляционной сульфитредукции - участвуют, по-види­мому, железопорфириновые соединения (десульфовиридин, десульфору-бидин). Второй механизм состоит в последовательном трехступенчатом восстановлении сульфита с образованием промежуточных продуктов, таких как тритионат и тиосульфат (рис. 9.3). Предполагается, что элек­троны для восстановления сульфита доставляются цитохромами (у од­них бактерий -цитохромом Ь, у других-цитохромом с).

Фосфорилирование, сопряженное с переносом электронов. Предположе­ние о такого рода фосфорилировании у сульфатредуцирующих бакте­рий основано на данных о наличии цитохромов и железосерных белков в плазматических мембранах, а также о высоком выходе энергии. Ци-тохром с3 обладает, по сравнению с другими цитохромами, весьма низ­ким окислительно-восстановительным потенциалом (Јj = - 205 мВ) и находится на внешней поверхности мембраны или в периплазматиче-ском пространстве.

У хорошо изученных видов сульфатредуцирующих бактерий была обнаружена конститутивная гидрогеназа (Н2 :цитохром-с3-оксидо-редуктаза), с помощью которой Н2 может как поглощаться и активиро­ваться, так и выделяться в окружающую среду. Некоторые сульфатре-дуцирующие бактерии растут в присутствии Н2 и сульфата как един­ственных источников энергии. Способность к восстановлению сульфата с помощью Н2 и к образованию больших количеств сероводорода, не связанному с заметным ростом, вероятно, характерна для большинства сульфатредуцирующих бактерий.

Перенос электронов с Н2 как донора, сопровождающийся восстано­влением 1 моля сульфата до 1 моля сульфида, вероятно, сопряжено с регенерацией 3 молей АТР, из которых, однако, 2 моля расходуются на активацию сульфата.

Окисление органических субстратов. Классические сульфатредуци-рующие бактерии, которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют органические субстраты не до Н20 и С02, а до уксусной кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако недавно было выделено несколько ви­дов, способных окислять ацетат, высшие жирные кислоты и бензоат.

Ассимиляция органических субстратов. Энергия, получаемая сульфат-редуцирующими бактериями в результате окислительного фосфорили-рования, делает возможной ассимиляцию органических веществ (орга­нических кислот, аминокислот и т.п.). Некоторые штаммы способны синтезировать клеточные компоненты из ацетата и С02, если донором водорода служит Н2. Организмы, ассимилирующие органические веще­ства в процессе окисления неорганического донора электронов, можно называть хемолитогетеротрофами. Фиксация С02 в цикле Кальвина у данной группы микроорганизмов не обнаружена.

Брожение без сульфата. Некоторые сульфатредуцирующие бактерии обладают способностью расщеплять лактат или пируват в отсутствие сульфата. Вместо окисления пирувата 4СН3-СО-СООН   +   H2S04 -►  4СН3-СООН   +   4С02   +   H2S

они осуществляют брожение с выделением Н2:

СН3--СО-СООН   +   Н20  -  СН3-СООН   +   С02   +   Н2

Таким образом, сульфатредуцирующие бактерии можно отнести к микроорганизмам, осуществляющим брожение.

Получение накопительных культур и выделение. Для выделения суль­фатредуцирующих бактерий необходимо использовать питательную среду, содержащую подходящий донор водорода, пригодный для асси­миляции углеродный субстрат, минеральные вещества и сульфат; необ­ходимо поддерживать анаэробные условия и достаточно низкий окисли­тельно-восстановительный потенциал (£0' = - 200 мВ) (рис. 9.4).

Распространение и роль сульфатредуцирующих бактерий в природе. Сульфатредуцирующие бактерии встречаются главным образом в серо­водородном иле, где органические вещества подвергаются анаэробному разложению. Эти бактерии, по-видимому, специально приспособлены к использованию продуктов неполного  разложения  углеводов-таких

 

Image

веществ, как жирные кислоты, гидроксикислоты, спирты и водород. Ос­новную массу образующегося в природе сероводорода следует считать конечным продуктом сульфатного дыхания. Загрязненные воды содер­жат от 104 до 106 сульфатредуцирующих бактерий на 1 мл, а сероводо­родный ил-до 107.

Большинство разрабатываемых месторождений серы (например, в Те­хасе, Луизиане и Мексике) имеет невулканическое происхождение; это отложения биогенной серы прошлых геологических эпох. Путем восста­новления сульфатов морской воды за счет органических отходов (сточных вод) с помощью сульфатредуцирующих бактерий можно полу­чать сероводород, а следовательно, и серу.

Большое экономическое значение имеет косвенный результат жизне­деятельности сульфатредуцирующих бактерий (например, Desulfovib-rio) - анаэробная коррозия железа. Во влажной среде ионизация желе­за может происходить и в анаэробных условиях:

(1) Окисление железа:

4Fe   +   8Н+   - 4Fe2+   +  4Н2

Обычно образующаяся при этом пленка из молекулярного водорода предохраняет железо от дальнейшего разрушения. Однако в присут­ствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии в среде сульфатов происходит катодная деполяризация, и тогда железо окисляется даже в отсутствие кислорода;

(2) Восстановление сульфата:

2   +   SO*-   -»  H2S   +   2Н20   +   20Н-

(3) Образование сульфида железа (выпадающего в осадок):

4Fe2+   +   H2S   +   20Н"   +  4Н20  -»  FeS   +   3Fe(OH)2   +   6Н+

Суммарная реакция (1-3):

4Fe   +   БОГ   +   2Н20   +   2Н+   -»  FeS   +   3Fe(OH)2

Обусловленное такой коррозией повреждение железных труб весьма убыточно.

Способность сульфатредуцирующих бактерий использовать органи­ческие кислоты, спирты и даже молекулярный водород, образующийся при поляризации железа, в качестве доноров водорода лежит в основе способа  получения  накопительных   культур  этих   бактерий   (рис. 9.4).

Сульфатредуцирующие бактерии считают ответственными за высо­кое содержание сероводорода в глубинных слоях Черного моря (глубже 200 м). В Венеции гондолы красят обычно в черный цвет; по-видимому, это защитная мера, связанная с тем, что красители, содержащие тя­желые металлы, изменяют под влиянием H2S свой первоначальный цвет.

 
« Пред.   След. »