Круговорот серы

Круговорот серы, железа, фосфора

Сера – важная составная часть живой клетки. Сера входит в состав цистеина, цистина, метионина, тиамина, биотина, коферментов, а также некоторых антибиотиков и внутриклеточных запасных веществ микроорганизмов. Схема круговорота серы:

Гниение. После отмирания животных, растений и микроорганизмов белки их тела подвергаются гниению. Сера освобождается в форме сероводорода:

SHСН₂CHNН₂COOH + Н₂О → СН₂ОНСНОНСООН + Н₂S + NН₃

Цистеин глицериновая кислота

Окисление сероводорода. Накопление заметных количеств сероводорода могло бы отрицательно влиять на развитие различных организмов (особенно в воде), если бы не происходило дальнейшего его окисления до серной кислоты. Окисление сероводорода происходит в два этапа: 2 Н₂S + О₂ → 2 Н₂О + 2 S + Эн.

2 S + 3 О₂ + 2 Н₂О → 2 Н₂SО₄ + Эн.

Выделяющаяся на первом этапе сера накапливается в виде капелек в клетках серобактерий. Это является их дифференциальным признаком. При исчезновении в среде сероводорода наступает второй этап – окисление серы до серной кислоты. Эта кислота вступает в реакции взаимодействия и выделяется в виде сернокислых солей. Следовательно, сера является запасным энергетическим материалом для серобактерий. Окисление серы представляет собой процесс дыхания.

Если Н₂S находится в водоеме в небольшом количестве, то его окисление идет уже в поверхностной пленке ила при участии бесцветных серобактерий. Если содержание Н₂S велико, то его окисление происходи в водной толще. В зоне проникновения света, где достаточное количество кислорода, наблюдается массовое развитие пурпурных и зеленых серобактерий, в также тионовых бактерий, окисляющих восстановленные соединения серы.

Бесцветные серобактерии бывают одноклеточными и нитчатыми. Одноклеточные – это грамотрицательные, подвижные и неподвижные бактерии. Нитчатые бактерии способны к скользящему движению. Они образуют длинные нити – трихомы, состоящие из ряда плоских цилиндрических клеток, прикрепленных или не прикрепленных к субстрату. Бесцветные серобактерии относятся к хемолитотрофам.

Пурпурные и зеленые серобактерии относятся к фотолитотрофам. Фотосинтез это бактерий не сопровождается выделением кислорода, протекает в анаэробных условиях. Они развиваются в водоемах с содержанием Н₂S 20-100 мг/л и выше, что обеспечивает им анаэробные условия существования.

Тионовые бактерии (род Thiobacillus) относятся к хемолитотрофам. Это неспорообразующие Гр- палочки, подвижные, монотрихи. Тионовые бактерии – облигатные аэробы, за исключением T. denitrificans, обладающего способностью к ассимиляции СО₂ в присутствии нитратов за счет анаэробного (нитратного) дыхания. Он окисляет серу до серной кислоты за счет кислорода нитратов. И полученную энергию используют для синтеза органических соединений из СО₂ воздуха.

Десульфатация. Это процесс восстановления сульфатов до сероводорода десульфатирующими (сульфатредуцирующими) бактериями. Схематически процесс восстановления можно представить следующим образом

+ 2Н + 2Н +2Н +2Н

Н₂SО₄ → Н₂SО₃ → Н₂SО₂→ Н₂SО → Н₂S

Сульфатредуцирующие бактерии объединены в два рода Desulfovibrioи Desulfotomaculum. Бактерии рода Desulfovibrio представляют собой неспорообразующие грамотрицательные очень подвижные вибрионы, рода Desulfotomaculum– грамотрицательные подвижные спорообразующие палочки. В качестве доноров водорода для восстановления сульфатов эти бактерии используют органические вещества (пируват, лактат, спирты, аминокислоты). Восстановление сульфата при сопряженном окислении пирувата идет по следующей реакции:

4 СН₃СОСООН + Н₂SО₄ → 4 СН₃СООН + 4 СО₂ + Н₂S

Основное количество сероводорода в водоеме образуется благодаря сульфатредуцирующим бактериям. Эти бактерии широко распространены. Это объясняется тем, что, будучи облигатными анаэробами, они часто развиваются совместно с аэробными слизеобразующими бактериями. Аэробные бактерии, потребляя кислород, обеспечивают анаэробные условия сульфатредуцирующим бактериям.

Установлено, что лишь 0,4-0,6% общего сероводорода Черного моря образовалось из серусодержащих белков, а 94-96% его выделено сульфатредуцирующими бактериями из сульфатов морской воды.

Сероводород легко вступает в обменные реакции с соединениями железе, образуя сульфиты: 2 FeCl₃ + 3 Н₂S → 6HCl + Fe₂S₃

FeSO₄ + Н₂S → Н₂SО₄ + FeS

Черная окраска илов морей, океанов, озер, прудов, как правило, обусловлена образованием сульфитов. Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании лечебной грязи, сероводородных лечебных вод, в образовании серных месторождений, в образовании осадков сточных вод. Их деятельность также приносит вред. Они участвуют в коррозии металлов, ухудшают качество нефти. Сероводород угнетает развитие планктона, отравляет рыбу, делает воду непригодной для питья.

Таким образом, превращение серы в водоеме состоит из двух микробиологических процессов – десульфатации и окислениявосстановленных соединений серы до молекулярной серы и сульфатов.