Характеристики хемосинтеза: какие вещества образуются, роль и значение

По способу получения энергии все живые организмы делятся на гетеротрофные и автотрофные. Первые из них питаются уже готовыми органическими веществами, а вторые синтезируют органические соединения из неорганических. Для обеспечения процессов биосинтеза большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света (фотосинтетики, фототрофы). Значительно меньшая группа относится к хемосинтетикам (хемотрофам).

Что такое хемосинтез

Автором открытия явления хемосинтеза (1887 г.) является известный русский микробиолог Виноградский С. Н. Ему удалось выделить из почвы некоторые микроорганизмы, которые для построения органических соединений используют углекислый газ, а энергию получают в результате химических реакций по окислению молекулярного водорода, неорганических соединений сурьмы, железа, азота или серы. Это совершенно иной тип живых организмов, которые Виноградский назвал «хемолитоавтотрофными», а тип их жизнедеятельности – «минеральным дыханием». В настоящее время этот процесс называется хемосинтезом.

Для кого характерен такой тип питания

Хемосинтез используется только некоторыми прокариотами. Практически все они обитают в местах недоступных для жизни других организмов, куда не проникают кванты света и где отсутствует кислород. Например, они живут на дне глубоких разломов земной коры и на большой глубине (3-4 км) океанов.

К хемотрофным организмам относятся:

1. Тионовые бактерии. Обладают способностью окислять молекулярную серу, сульфиды, сульфиты и тиосульфаты до серной кислоты. Внутри клеток отложение серы не наблюдается. Практически все представители тионовых бактерий способны выживать в экстремально кислой среде с pH до 3 и менее. Они способны осуществлять окисление двухвалентного и металлического железа, выщелачивать из руд тяжелые металлы и выдерживать их высокие концентрации.
2. Водородные бактерии. Энергию получают за счет окисления молекулярного водорода. Являются умеренными термофилами и способны выживать при температуре 50-60° С.
3. Нитрифицирующие бактерии. Способны окислять остающийся в результате гниения аммиак до азотистой и азотной кислот. Последние вступают в реакции с минералами почвы, в результате которых образуются нитраты и нитриты.
4. Серобактерии. Получают энергию за счет окисления сероводорода до молекулярной серы или сульфатов. В отличии от тионовых способны накапливать серу внутри своих клеток.
5. Железобактерии. Их жизнедеятельность напрямую связана с реакцией окисления двухвалентного железа до трехвалентного.

Особенности процесса

Для синтеза органических соединений из неорганических и получения энергии бактерии-хемотрофы имеют специальный ферментный аппарат. 

Нитрофицирующие азотофиксирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты, которая в дальнейшем вступает во взаимодействие с минералами почвы с образованием нитратов. Химический процесс протекает в две стадии:

1. \(2NH_3+3O_3→2HNO_2+2H_2O+158\) ккал.
2. \(2HNO_2+O_2→2HNO_3+38\) ккал.

Серобактерии получают энергию за счет реакции окисления сероводорода до молекулярной серы:

\(2H_2S+O_2→2H_2O+2S\)

Если реакция протекает в условиях недостатка сероводорода, то молекулярная сера подвергается дальнейшему окислению:

\(2S+3O_2+2H_2O→2H_2SO_4+115\) ккал

Железобактерии преобразуют двухвалентное железо в трехвалентное:

\(4FeCO_3+O_2+6H_2O→4Fe(OH)_3+4CO_2+81\) ккал

Образующаяся энергия накапливается в бактериальных клетках в виде молекул АТФ. Они в дальнейшем используются для образования из углекислого газа глюкозы и других органических веществ. Процесс аналогичен темновой фазе фотосинтеза и описывается следующим уравнением химической реакции:

\(6CO_2 + 24H+ + AТФ ‎‎→ C_6H_{12}O_6 + 6H_2O\)

Отличие от фотосинтеза

И хемосинтез, и фотосинтез являются способами автотрофного питания. Их сходство заключается в образовании энергии, накоплении ее в виде молекул АТФ и последующем использовании для синтеза органических соединений.

Но эти два процесса имеют и свои различия. Хемосинтез характерен только для небольшой группы архей и бактерий. Если при фотосинтезе источником энергии выступают кванты света, то при хемосинтезе – энергия, выделяющаяся в ходе различных окислительно-восстановительных реакций. Признаком хемотрофиков является отсутствие хлорофилла, который обязательно присутствует у фототропиков.

При осуществлении синтеза органики фотосинтетики используют в качестве источника углерода исключительно углекислый газ. В отличии от них хемосинтетики способны усваивать углерод и из других соединений: уксусной кислоты, карбонатов, метанола, муравьиной кислоты, угарного газа.

Роль и значение в круговороте веществ

Процесс хемосинтеза играет огромную роль во многих экологических процессах:

• серобактерии образуют серные месторождения, а за счет образования серной кислоты выщелачивают руды, ускоряют разрушение горных пород; также находят применение на очистных сооружениях, очищая промышленные стоки от серы;
• нитрофицирующие бактерии осуществляют круговорот азота в биосфере, повышают урожайность сельскохозяйственных культур;
• железобактерии образуют отложения болотных железных руд;
• водородные бактерии окисляют водород, накапливающийся в почве результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, в народном хозяйстве их используют для получения кормового и пищевого белка.