Муниципальное общеобразовательное учреждение гимназия №3
advertisement
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение гимназия №3 Учебно – исследовательская работа «Исследование биогенной трансформации серы и железа» Выполнили учащиеся 10 класса Станишевская Александра Федерякина Дарья Руководитель: учитель химии Сорокина В.В. г. Грязи 2012 год Содержание: I. Введение стр.3 II. Теоретическая часть: стр.4 - 12 Глава 1Биологическая роль серы стр.4 Глава 2 Биологическая роль железа стр.4 Глава 3 Бактерии стр.5-12 III. Практическая часть: стр.10 - 14 Методика проведения исследований. 1.Трансформация серы 2.Трансформация железа IV. Результаты исследований и их обсуждение стр.15 V Выводы стр.17 VI. Список использованной литературы стр.18 2 ВВЕДЕНИЕ. Актуальность темы: Бактерии – микроорганизмы с прокариотным типом строения клетки. Физиология их по разнообразию превосходит физиологию всех остальных органических форм. Для получения энергии они используют различные органические и неорганические соединения (хемотрофы), солнечный свет (фототрофы). В зависимости от природы окисляемого соединения, используемого в обмене веществ, каждая из этих групп бактерий подразделяется на органнотрофы (источник энергии – органическое вещество) и литотрофы, получающие энергию за счет окисления неорганических веществ. Бактерии участвуют в циклах всех биологически важных элементов и обеспечивают круговорот веществ в биосфере. Многие ключевые реакции круговорота веществ (например окисление восстановление соединений серы) осуществляются только бактериями. В следствии этого роль бактерий в процессах деструкции является определяющей. Бактерии относятся к космополитам. Их можно найти на всех материках, то есть почти повсеместно. Они приспособлены к самым разным экологическим условиям.[1] Остатки морфологически дифференцированных прокариот обнаружены в породах возраста 3,5миллиарда лет, то есть бактерии функционировали на протяжении всей геологической истории Земли. Примерно 2 млрд. лет назад они сформировали биосферу сходную с современной. К тому же времени относится установление характерного для океанов цикла серы, включающего сульфаты. Серобактерии широко распространены в воде и грунтах морей, озер, серных источников. Активно участвуют в круговороте серы в природе и предотвращают накопление в воде токсичного сероводорода. Железобактерии – микроорганизмы, способные отлагать окисное железо на поверхности клетки. В этой работе рассматриваются процессы трансформации серы, железа в природе при участии бактерий. Выясняется позитивная и негативная роли серобактерий и железобактерий.[2] В биосфере всё время совершаются круговорот воды и всех элементов, входящих в состав живых организмов. Процесс этот длится десятки миллионов лет. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». (Вернадский) В круговороте веществ планеты Земля живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую. Биохимическая функция связана: а) с питанием, дыханием и размножением и б) с разрушением и гниением отмерших организмов. В се эти функции проявляются в биогенной миграции атомов. Особое место занимает функция человеческой деятельности и созданный ею круговорот выделяемых и поглощаемых промышленностью химических элементов. Мы в своей работе остановились на биогенной трансформации серы и железа. Цель исследования: Практически выполнить лабораторные опыты, доказывающее роль микроорганизмов в химических превращениях как составной части круговорота веществ в природе. Задачи: 1. 2. 3. 4. Изучить литературу по данной теме. Изучить качественные реакции на исследуемые соединения. Осуществить опытно-экспериментальную работу по трансформации серы и железа. Обсудить экологические проблемы. Объект исследования: Соединения серы и железа, автотрофные микроорганизмы. Предмет исследования: Настой сенной палочки (серобактерии), гетеротрофные микроорганизмы (железобактерии). Гипотеза: Бактериальные организмы, участвующие в трансформации серы и железа, способствуют образованию отложений известняков, бокситов, руды и др., но они оказывают отрицательное многоплановое влияние на окружающую среду, т. е. могут приносить как пользу, так и вред. 3 Теоретическая часть. Глава 1 Биологическая роль серы.. Сера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). Биологическое значение серы определяется прежде всего тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи –S–S– в полипетидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (–SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями. В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г серы. Суточная потребность взрослого человека в сере — около 4. Однако по своему отрицательному воздействию на окружающую среду и человека сера (точнее, ее соединения) стоит на одном из первых мест. Основной источник загрязнения серой — сжигание каменного угля и других видов топлива, содержащих серу. При этом около 96% серы, содержащейся в топливе, попадает в атмосферу в виде сернистого газа SO2. В атмосфере сернистый газ постепенно окисляется до оксида серы (VI). Оба оксида — и оксид серы (IV), и оксид серы (VI) — взаимодействуют с парами воды с образованием кислотного раствора. Затем эти растворы выпадают в виде кислотных дождей. Оказавшись в почве, кислотные воды угнетают развитие почвенной фауны и растений. В результате создаются неблагоприятные условия для развития растительности, особенно в северных регионах, где к суровому климату добавляется химическое загрязнение. В результате гибнут леса, нарушается травяной покров, ухудшается состояние водоемов. Кислотные дожди разрушают изготовленные из мрамора и других материалов памятники, более того, они вызывают разрушение даже каменных зданий и изделий из металлов. Поэтому приходится принимать разнообразные меры по предотвращению попадания соединений серы из топлива в атмосферу. Для этого подвергают очистке от соединений серы нефть и нефтепродукты, очищают образующиеся при сжигании топлива газы.[1] Глава 2 Биологическая роль железа. Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа(II) в железо(III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железа выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, крнцентрируется в 4 печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепояющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.[1] Глава 3 Бактерии. Бактерии — это мельчайшие организмы, обладающие клеточным строением. Диаметр бактериальной клетки в среднем составляет 1 мкм. Размеры клеток варьируют в пределах от 0,1 до 10 мкм. Бактерии - одноклеточные организмы; их можно разглядеть только под микроскопом. Поэтому их и называют микробами или микроорганизмами. Изучением бактерий занимается наука бактериология - одна из дисциплин микробиологии. К микробиологии относятся также вирусология (изучение вирусов), микология (изучение грибов) и другие дисциплины, занимающиеся изучением остальных микроорганизмов. При исследовании самых разных микроорганизмов используют почти одни и те же методические приемы. Бактерии освоили самые разнообразные среды обитания: они живут в почве, пыли, воде, воздухе, на внешних покровах животных и растений и внутри организма. Их можно обнаружить даже в горячих источниках, где они живут при температуре около 60°С или выше. Численность бактерий трудно оценить: в 1 г плодородной почвы может находиться до 100 млн., а в 1 см 3 парного молока - свыше 3000 млн. бактерий. Жизнедеятельность микроорганизмов имеет важное значение для всех остальных живых существ, так как бактерии и грибы разрушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ в природе. К тому же бактерии приобретают все большее значение в жизни людей, и не потому, что они вызывают различные заболевания, а потому, что их можно использовать для получения многих необходимых продуктов. Бактерии, полезные для человека. Микроорганизмы имеют большое значение для человека: во-первых, потому, что они играют важную роль в биосфере, и, во-вторых, потому, что их можно преднамеренно использовать в нужных целях и при этом самыми разными способами. Человек все больше и больше использует бактерии. Это создает все предпосылки для происходящей сейчас перестройки промышленности и создания так называемой биотехнологии. При этом мы рассчитываем на коренное изменение способов получения многих товаров повседневного спроса, и в том числе пищевых продуктов и источников энергии. Своими успехами биотехнология во многом обязана генетикам. Накопление генетических знаний позволило свободно обращаться с генами любых организмов, в том числе и с нашими собственными. Так возникла генная инженерия. [2] Бактерии и плодородие почвы. Бактерии играют важную роль в плодородии почвы. Ниже перечислим самые основные моменты. РАСПАД И ОБРАЗОВАНИЕ ГУМУСА. Образование гумуса из лесной подстилки и лежащих на ней гниющих растительных и животных остатках мы рассмотрим в гл. 12. Гумус - это слой разложившегося органического 5 вещества, который не только содержит питательные вещества, но и обладает важными физическими и химическими свойствами, такими, например, как способность удерживать воду. Роль сапрофитных бактерий в разложении органических веществ мы рассмотрим в разд. 9.11.1. При разложении образуются двуокись углерода, аммиак, минеральные соли (например, фосфаты и сульфаты) и вода, которые снова вступают в круговорот веществ. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ (круговороты биогенных элементов). В круговороте азота участвуют: а) азотфиксирующие бактерии, такие, как свободно живущие сапрофиты, например Azotobacter, или симбионты, например Rhizobium; б) нитрифицирующие бактерии, которые превращают азот, связанный в органических соединениях (например, в белках), в нитраты, например Nitrosomonas и Nitrobacter; в) денитрифицирующие бактерии, например Thio-bacillus, которые превращают нитрат в свободный азот.[3] Железобактерии. Железобактерии, бактерии, способные окислять закисные соединения железа в окисные и использовать освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов. Окисление протекает следующим образом: 4Fe (HCO3)2 + 6H2O + O2 = 4Fe (OH)3 + 4H2CO3 + 4CO2. При этой реакции энергии выделяется немного, поэтому железобактери окисляют большое количество закисного железа. Из железобактерий наиболее изучена в физиологическом и биохимическом отношении неспороносная подвижная палочка Thiobacillus ferrooxidans, окисляющая и серу. К железобактериям относятся также некоторые нитчатые бактерии из рода Leptothrix, с толстыми ржавого цвета капсулами (влагалищами), содержащими гидрат окиси железа; Gallionella, состоящая из спирально закрученных в виде пучков тончайших (0,01 мкм) нитей, образующих стебелёк, на поверхности которого откладывается гидрат окиси железа. Железобактерии обитают в воде пресных и солёных водоёмов, играют большую роль в круговороте железа в природе. На дне водоёмов образуют тёмно-коричневые дискообразной формы конкреции, состоящие из железа и марганца. Физиолого-биохимическая характеристика железобактерий. Типичными представителями микрофлоры подземных вод являются железобактерии, наиболее полно описанные в монографии Н.Г. Холодного. Железобактерии были открыты в конце прошлого века Р. Лиске и X. Молишем, которые включили в их число организмы, способные откладывать вокруг клеток окислы железа или марганца, независимо от физиологического значения данного процесса для организма. После открытия С.Н. Виноградским хемосинтеза сложились две точки зрения на физиологию железобактерий. По концепции С.Н. Виноградского, к которой полностью присоединился Н.Г. Холодный, железобактерии относились к типичными хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления двухвалентного железа для автотрофной ассимиляции углекислоты. В противоположность этой концепции В.О. Калиненко полагал, что окисление железа является побочной функцией некоторых гетеротрофных организмов. Возникшее противоречие разрешили В.В. Балашова, Г.А. Заварзин и Г.А. Дубинина. Сегодня железобактерии не рассматриваются, как отдельная таксономическая единица. Это физиологическое, экологическое понятие, которое объединяет микроорганизмы, отлагающие на своих поверхностях окислы железа и (или) образующие его оформленные осадки. К группе железобактерий относятся организмы, принадлежащие к различным систематическим единицам: нитчатые бактерии, флексибактерии, одноклеточные бактерии из разных 6 таксономических групп, микоплазмы, цианобактерии и др. Можно считать установленным, что все исследованные чистые культуры известных видов железобактерий обладают гетеротрофным типом обмена, и окисление закисного железа не служит для них источником энергии в целях ассимиляции углекислоты. Исключение составляет лишь ряд облигатно-ацидофильных бактерий, характеризуемых автотрофным типом метаболизма. Однако их местообитание ограничено подземными водами сульфидных месторождений, кислыми водами железистых источников (рН менее 4,5) и, соответственно, отношения к питьевым подземным водам не имеет. Подземные воды характеризуются рН, близким к нейтральному, поэтому в качестве микробиологических агентов систем водоснабжения выступают, как правило, представители двух последних групп, что находит подтверждение в работах ряда исследователей. Ими в системах водоснабжения были обнаружены представители родов: Gallionella, Leptothrix, Crenothrix, Siderocapsa, Arthrobacter.[6} Gallionella является типичным представителем одноклеточных железобактерий. Бактерии этого рода представляют собой слегка изогнутые бобовидные клетки, от вогнутой стороны которых отходят длинные переплетенные «стебельки», хорошо различимые при микроскопировании. Общая длина стебелька может достигать 1000 мкм. В состав стебелька входит железо в аморфном состоянии и органическое вещество. Более 90 % от сухой массы этих организмов приходится на окисное железо. По сравнению со стебельком сама клетка очень мала, ее размеры составляют 0,5-0,6 х 1,2-1,5 мкм, именно по этой причине клетка Gallionella долго оставалась незамеченной исследователями. В настоящее время установлено, что представители рода Gallionella не имеют клеточной стенки и представляют собой сапрофитные микоплазмы. Leptothrix – нитчатый микроорганизм. Наиболее распространенный вид данного рода – L. ochracea. Окисляя закисное железо, он выделяет гидроокись железа, которая откладывается на поверхности клеток. При этом образуется типичный слизистый чехол, который препятствует сообщению клеток с внешней средой. Когда чехол становится достаточно плотным, клетки покидают его. Освободившиеся клетки имеют жгутики и поэтому подвижны. Покинув старый чехол, они приступают к выработке нового. Чехол L. ochraceae имеет форму цилиндра, диаметр которого постоянен на всем протяжении, внутренний – 1 мкм, наружный – 2-3 мкм. Нити L. ochraceae никогда не ветвятся. Нитчатая бактерия Sphaerotilus natans по многим признакам очень близка к железобактериям, поэтому ее обычно рассматривают вместе с родом Leptothrix. Sphaerotilus образует длинные нити, состоящие из цепочек клеток, окруженных общим влагалищем. В отличие от Leptothrix влагалище Sphaerotilus состоит из полисахаридов. Клетки размножаются внутри влагалища поперечным делением. Они имеют полярные жгутики, могут покидать влагалище, прикрепляться к субстрату и прорастать. Очень часто бактерии прикрепляются к тому влагалищу, которое покинули. Это создает впечатление ложного ветвления нитей. Типичный вид рода Sphaerotilus – Sph. natans – относится к гетеротрофным организмам, обладает весьма активным обменом и дает вспышки массового развития. Влагалища Sph. natans обычно не содержат солей железа, но экспериментально показано, что при культивировании на специальных средах в них возможно отложение солей железа. Марганец в чехлах Sph. natans не откладывается. Sph. natans образует мощные разрастания в водоемах и водопроводных трубах. Бороться с этой железобактерией чрезвычайно трудно. Для Crenothrix характерны коническая форма чехла и прикрепление к субстрату узким концом. Железо откладывается только у основания. Длина нитей Crenothrix достигает 3 мм, ширина у основания составляет 1,5-5,0 мкм, а у верхнего конца – 6-9 мкм. Клетки Crenothrix размножаются не только поперечным, но и продольным делением, поэтому у открытого конца чехла образуется несколько параллельных рядов. Различные виды рода Siderocapsa в таксономическом отношении принадлежат к коринебактериям рода Arthrobacter и характеризуются большой морфологической вариабельностью, обусловленной возрастом и условиями культивирования [50,60]. Чаще обнаруживаются кокки или короткие палочки, погруженные в капсулу, в свою очередь, окруженную желтыми или коричневыми отложениями, содержащими железо или марганец. Единый взгляд на распространение конкретных форм железобактерий в системах водоснабжения отсутствует.[3] 7 Серобактерии. Серобактерии, тиобактерии, микроорганизмы, окисляющие восстановленные соединения серы. Изучение серобактерий послужило С. Н. Виноградскому основанием для установления хемосинтеза (1887). К серобактериям относятся фотосинтезирующие пурпурные и зелёные бактерии, окисляющие сероводород анаэробно на свету; тионовые бактерии; собственно серобактерии - бесцветные микроорганизмы, в клетках которых содержатся включения серы. Серобактерии в массе развиваются на поверхности сероводородного ила, где идёт восстановление сульфатов. Чаще всего встречаются нитчатые серобактерии (Beggiatoa, Thiothrix) и одноклеточные (Thiospira, Thiovulum, Macromonas). Наиболее важными в геохимическом отношении являются тионовые бактерии, к которым относятся мелкие псевдомонады рода Thiobacillus. Энергия окисления восстановленных соединений серы используется этими микроорганизмами для автотрофной ассимиляции углекислоты. Tионовые бактерии thioparus развиваются при pH>5, Tионовые бактерии thiooxidans и ferrooxidans в сильнокислых средах - вплоть до pH 1. Развитие тионовых бактерий приводит к образованию серной кислоты и связанному с этим сернокислотному выветриванию, вызывающему разрушение (в открытых разработках) серных месторождений. Серобактерии могут повреждать также инженерные сооружения (например, Ангкор-Ват). Тионовые бактерии thiooxidans окисляют только серу, ferrooxidans способны окислять также сульфиды и Fe2+ и служит причиной образования кислых шахтных вод. Способность этой бактерии разлагать сульфиды металлов используется для бактериального выщелачивания металлов из руд и основанной на этом бактериальной гидрометаллургии. [8] Древнейшие докембрийские эмбрионы оказались бактериями? Американские к обсуждению ученые загадочных вновь возвращаются находок в отложениях Доушаньтуо в Китае. Среди древнейших окаменелостей Доушаньтуо часто встречаются микрошарики и кластеры шариков. Принято считать, что это яйца и ранние эмбрионы многоклеточных животных. В научном мире ведутся горячие споры: какому типу животных могли принадлежать эти оригинальная интерпретация возможно, остатки эмбрионы? И вот предложена находкам: гигантских всё это, серобактерий. В материалах исследователей оказались современные Клетки гигантской серобактерии Thiomargarita из зоны апвеллинга Намибии. серобактерии, по размерам, форме, деталям строения подобные окаменевшим образованиям Доушаньтуо. Возможно, именно эти организмы были матрицей микроокаменелостей Доушаньтуо. Фото с сайта www.mpi-bremen.de В своей публикации американские специалисты из Университета южной Калифорнии и Университета Джорджии дают совершенно новую интерпретацию знаменитым окаменелостям из Доушаньтуо (Doushantuo). Местонахождение Доушаньтуо открыто около 20 лет назад. С ним связаны изумительные открытия ископаемых докембрийского возраста (около 580 млн лет назад) — это самые ранние находки явных многоклеточных животных: губок, кишечнополостных, билатеральных червей; известны также и замечательной сохранности отпечатки крупных водорослей. 8 Но взрослые (хоть и микроскопические!) многоклеточные в этих отложениях редки, чаще встречаются шарики и кластеры шариков, которые признаны яйцами и ранними эмбрионами многоклеточных животных. Вот они-то и составляют самую обильную часть находок Доушаньтуо. С ними связаны и рассуждения об условиях фоссилизации мягкотелых и их яиц. Вполне логично прозвучало утверждение, что яйца и ранние эмбрионы могли сохраниться только при наличии плотных эмбриональных оболочек, защищающих эмбрионы от разрушительного воздействия разлагающих бактерий. Только в этом случае эмбрионы могли сохранить четкую форму. Тонкие остатки таких пленок найдены на некоторых эмбрионах, но не на всех. Очевидно, что после выхода из эмбриональных оболочек эмбрионы мгновенно прекращали дробление и погибали, столь ядовитой была для них та сероводородная и бескислородная среда, в которой формировались осадки Доушаньтуо. Здесь, однако, остается место для мучительных вопросов: почему шаровидные яйцеклетки не имеют никакой внешней скульптуры или пор на поверхности? Почему одноили двухклеточных эмбрионов много, а с большим числом клеток — мало; обычно у современных животных всё наоборот, потому что дробление происходит быстро, за часдва? Эмбриональные признаются чехлы посмертными многими специалистами минеральными наслоениями. И наконец, самый главный вопрос: какому типу животных могли принадлежать эти ранние стадии развития Это не водоросли — у их клеток были мягкие стенки, это не губки — у более поздних эмбрионов не было эмбрионального рта бластоцеля, и клетки все одинакового размера, это и не кишечнополостные — у них бластула без эпителия. Неожиданное решение ученые увидели, изучая недавно открытые серные бактерии глубоких океанических вод. Несколько лет назад в водах Мексиканского залива, в глубоких бескислородных слоях, были обнаружены гигантские бактерии Thiomargarita. Их размеры от 0,1 до 0,75 мм, для бактерий — это поистине рекордные показатели. Эти гиганты для окисления органики используют нитраты, превращая нитраты в азот. Это так называемое нитратное. Кислород нитратов переходит на сульфиды, Слева (a,b,c,d) — серобактерия Thiomargarita, образуя сульфаты. Запасы азота в клетке сконцентрированы а справа (a',b',c',d') — окаменелые яйца и эмбрионы. в центральной Фото из обсуждаемой статьи в Nature вакуоли, другие клеточные органеллы расположены по периферии клетки. Клетки Thiomargarita окружены гликопротеидным чехлом. Иногда гигантские клетки делятся, образуя дуплеты или другие, кратные двум, кластеры. На поверхности клеток почти всегда имеются симбиотические нитчатые или сферические сульфатредуцирующие бактерии, им для жизнедеятельности нужны как раз сульфаты, которые являются продуктом нитратного дыхания Thiomargarita. Весь 9 этот бактериальный комплекс катализирует осаждение фосфатов — если геолог в далеком будущем нашел бы места обитания Thiomargarita, то это были бы богатейшие залежи фосфоритов. Именно таким фосфоритовым отложением и является местонахождение. Доушаньтуо. Так что вполне логично предположить, что и в древних осадках фосфориты концентрировались при участии комплекса серобактерий. Так же логично предположение, что этими бактериями могли быть организмы, подобные Thiomargarita. И где же они в Доушаньтуо? Этими серобактериями вполне могут быть наши старые знакомые, принимаемые за яйца и эмбрионы многоклеточных. Они имеют сходные с серобактериями размеры, совершенно такое же дробление клеток в трех плоскостях, в результате которого получаются кластеры с числом клеток, кратным двум. Мало того, у серобактерий больше всего одноклеточных образований, двухклеточных меньше, редки кластеры из 8 и более клеток — точь-в-точь как и у загадочных окаменевших эмбрионов. Поверхность клеток и у тех и у других гладкая, и те и другие окружены фосфатной оболочкой. Слева — серобактерия, справа — эмбрион; стрелками показаны сходные по форме и размерам нитчатые образования на поверхности живых и ископаемых клеток (длина масштабной линейки: слева 50 мкм, справа 100 мкм). Фото из обсуждаемой статьи в Nature А что касается многочисленных симбионтов на поверхности Thiomargarita, то окаменевшие нитчатые образования видны кое-где и на поверхности древних эмбрионов. Эти разительные черты морфологического сходства вместе с логичным объяснением условий накопления фосфоритового осадка заставляют внимательно отнестись к этой смелой гипотезе. Можно не сомневаться, что вскоре в печати мы увидим профессиональные комментарии к этой статье. Сами авторы заключают: «Мы не предполагаем, что все яйца и эмбрионы являются серобактериями, потому что у ископаемых Доушаньтуо имеется множество очевидно небактериальных структур. Однако обе гипотезы — бактериальная и эмбриональная — не исключают друг друга, а дополняют. Мы лишь выдвигаем альтернативную интерпретацию наиболее многочисленных остатков сфероидных (Megasphaera inornata) и сборных сфероидных (Parapandorina) фоссилий».[8] 10 Практическая часть. Трансформация серы. Сера — один из основных элементов питания растений. В природе она встречается в составе неорганических веществ: сульфатов, сульфидов, в молекулярном виде. В живых организмах сера входит в состав аминокислот, белков, алкалоидов. В трансформации серы участвуют все природные компоненты: вода, воздух, почва, а также специализированные микроорганизмы. Одни из них окисляют соединения серы во внутриклеточных реакциях с выделением энергии, а другие восстанавливают. Эти химические реакции являются источником получения энергии для бактерий. Микроорганизмы, участвующие в трансформации серы, относятся к хемолитотрофам, т.е. им свойствен неорганический характер окислительно-восстановительных реакций. Основная доступная для растений форма соединений серы — сульфат-ионы, образующиеся в почве в результате деятельности микроорганизмов. Докажем это, проведя качественную реакцию на сульфат-ион в пробах из настоя сенной палочки и накопительной культуры серобактерий.[5] Опыт 1 Реактивы и объекты: настой сенной палочки, накопительная культура серобактерий, раствор хлорида бария. Подготовка к опыту. Для получения накопительной культуры десульфофицирующих бактерий готовим питательную смесь (на 1 л воды): сегнетовая соль — 5 г, аспарагин — 2 г, сульфат магния — гидрофосфат калия — 1 г, сульфат железа — следы. Смесь наливаем в высокие конические колбы до самой пробки, заражаем почвой, и настаиваем 7-10 суток при температуре 25-30 °С. В высокий цилиндр наливаем воду, прибавляем туда свежеосажденный гидроксид железа (Ш), небольшое количество ила из водоема и немного сена, предварительно вываренного в большом количестве воды. Содержимое сосуда настаиваем при комнатной температуре и через несколько дней наблюдаем появление на стенках ржавых пятен, которые постепенно разрастаются и образуют сплошной "войлок", состоящий преимущественно из бактерий. В ходе дальнейшего круговорота эта форма иона восстанавливается. Сульфатредуцирующие бактерии, которые в результате своей жизнедеятельности образуют атомарный водород, осуществляют этот процесс по схеме: SО42- + 8H = S2- + 4H2O + Q. S6+ + 8e = S2H° - 1e = H+l 11 При ассимиляции (у растений) и иммобилизации (у микроорганизмов) часть серы усваивается и фиксируется в организме: SO42- = S0 Дальнейший процесс связан с минерализацией органических соединений, содержащих серу. Происходит восстановление серы неспециализированными гетеротрофными микроорганизмами: S0 = H2S-2, и, таким образом, конечным продуктом восстановления сульфат-иона оказывается сероводород. Процесс восстановления серы получил название десулъфофикации. Информационная справка. В природе этот процесс имеет немаловажное значение: он лежит в основе формирования в толщах морей и океанов слоев, содержащих в высоких концентрациях сероводород. Так, в Черном море сероводородные воды занимают около 90 % объема. В бассейне Соленого озера (США) бактерии образуют в год до 104 т серы в виде сероводорода. Иловые отложения, содержащие сероводород, используют для лечения остеохондроза. Трансформация предусматривает и обратный процесс — окисление образующегося сероводорода до сульфат-иона. Этот процесс осуществляют специализированные группы автотрофных микроорганизмов — серобактерии (бесцветные — аэробно, пурпурные и зеленые — анаэробно). Сущность процесса сульфофикации: 2Н2S-2 + O20 серобактерии 2S0 + 2H2O-2 + Q 2S° + 2H2O + З02 тионовые 2H2S+6O4 + Q. Серобактерии могут запасать молекулярную серу. Энергию, получаемую от окисления, бактерии используют для восстановления углекислого газа. В условиях недостатка сероводорода в среде они переходят к окислению серы, запасенной в клетке, и окисляют ее до серной кислоты. Последняя вступает во взаимодействие с гидрокарбонатом кальция с образованием гипса; H2SO4 + Са(НСО3)2 = CaSO4 + Н2О + СО2. Круговорот серы связан с круговоротом фосфора: когда в среде образуются сульфат-ионы, фосфор из нерастворимой формы переходит в растворимую и становится доступным к переработке: FeHPO4 + S2 = FeS + НРО42-. Опыт 2 Обсушиваем предметное стекло, обезжиренное в смеси Никифорова (спирт: эфир = 1:1). Микробиологической петлей, предварительно прокаленной, делаем мазок. Высушиваем его и фиксируем в пламени спиртовки. Окрашиваем в течение 2-3 мин (генциан-виолёт, фуксин, метиленовая синь) и смываем краситель. Готовый препарат высушиваем на воздухе. Изучаем 12 его под микроскопом с объективом МИ-90, используя иммерсионное масло. Делаем рисунок и даем морфологическую характеристику обнаруженных форм. В накопительной культуре чаще всего встречается Spirillum desulfu-ricans — вибрионоподобная палочка извилистой формы (рис. 1). Другая распространенная форма этой группы, Vibrio desulfuricans — подвижный вибрион с одним или несколькими жгутиками, обычно обитает в шлаках и грязях.[9] ТРАНСФОРМАЦИЯ ЖЕЛЕЗА. Многие составные части пищевых цепей интенсивно накапливают железо, например водная флора (сине-зеленые водоросли, тростник, хвощ), бактерии, являющиеся кормом для малощетинковых червей. Далее осуществляется передача его по трофическим цепям к более высокоорганизованным существам. Интенсивная деятельность железобактерий приводит к тому, что железо в водоемах не рассеивается, а окисляется и концентрируется в донных отложениях. Нитчатые формы железобактерий являются обитателями поверхностных вод. Железобактерии, как геологические агенты, участвуют в образовании железистых отложений, формируя осадочные железные руды. В основе деятельности железобактерий лежит процесс окисления Fe2+ до Fe3+. Так, минерал сидерит РеСО3 под воздействием железобактерий превращается в Fe(OH)3: 4Fe+2CO3 + 6H2O + O20 = 4Fe+3(OH)3 + 4СО2-2 Fe+2 + le = Fe+3 О20 + 4e = 2О-2 Выделяют две группы железобактерий. Первую — сравнительно небольшую группу — составляют ацидофильные "истинные" железобактерии. Процесс окисления у этих железобактерий протекает в кислой среде (рН 2,3). Живут они в кислых источниках, озерах, но в наибольших масштабах их деятельность проявляется в рудных месторождениях, торфяниках. Процесс можно записать следующим образом: 4Fe+2SO4 + О2 + 2H2SO4 = 2Fe+3(SO4)3 + 2НO + Q. Вторую — более обширную группу — составляют микроорганизмы, окисляющие ионы Fe2+ в нейтральной или щелочной среде. С их деятельностью связано образование железомарганцевых конкреций в пресноводных и морских водоемах. Железобактерии выделяют в окружающую среду пероксид водорода, под действием которого окисление осуществляется по схеме: 2Fe2+ + Н2О2 + Н+ = 2Fe3+ + 2Н2О. Кроме того, окисление ионов Fe2+ до Fe3+ происходит и самопроизвольно, без непосредственного участия микроорганизмов, но в присутствии железобактерий скорость этого процесса резко возрастает, т.е. железобактерии играют роль катализаторов. 13 В природе в анаэробных условиях могут происходить микробиологические процессы восстановления железа при сопряженном окислении органических веществ гетеротрофными микроорганизмами (например, клостридиумом)[5]. Опыт 3 Реактивы и объекты: растворы хлорида железа(П), гидроксида натрия, гексацианоферрата(П) калия; накопительная культура железобактерий. Получим гидроксид железа(П) реакцией обмена. Оставив его для окисления, наблюдаем за происходящими изменениями. Интересные работы по морфологии и распространению железобактерий провел Н.Г.Холодный. Ему удалось доказать, что в течение почти 100 лет исследователи за тело железобактерий принимали футляр из гидроксида железа (Ш). Он сумел получить эти микроорганизмы без футляра. Проведем микробиологическое изучение культуры железобактерий. Опыт 4 Готовим препарат (по общей схеме), микроскопируем его. Делаем рисунок и даем морфологическую характеристику форм железобактерий. Среди железобактерий имеются кокковидные, палочковидные и нитчатые формы (рис. 2). За последнее время выяснилось, что большинство форм железобактерий не принадлежат к автотрофам или являются факультативными автотрофами. рН2-3 "истинные" железобактерии Fe+2 = самопроизвольно рН 7-8 = Fe+3 окисление органических веществ гетеротрофами [11] 14 Результаты исследования и их обсуждение Обсуждение результатов. Бактериальные организмы, участвующие в трансформации серы, могут приносить как пользу, так и вред. Например, установлено, что сульфатредуцирующие бактерии разрушают материалы, не устойчивые к воздействию сероводорода. Подсчитано, что 50 % ущерба от коррозии подземных трубопроводов вызвано активной жизнедеятельностью бактерий этой группы. Накопление сероводорода в почве и водоемах оказывает сильное токсикологическое воздействие на организмы животных и растений и нередко приводит к их гибели. В то же время сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливая сульфаты, являются продуцентами сероводорода и, следовательно, играют существенную роль на первом этапе геологического процесса образования месторождений серы и сульфидных руд. Помимо биологического цикла соединений серы в атмосфере происходит трансформация серосодержащих газов. Сернистый газ и сероводород выделяются в атмосферу при извержении вулканов, но это явление происходит сравнительно редко и не относится к факторам, вызывающим загрязнение атмосферы. Более серьезную опасность представляют выбросы промышленных предприятий, работающих на высокосернистых сортах угля и нефти. Окисление сернистого газа в атмосфере сопровождается образованием серной кислоты, которая с осадками выпадает на почву, вызывая сильное закисление почв и гибель растительности вблизи промышленных комплексов. Кроме того, сжигание ископаемого топлива повышает содержание в воздухе токсичного оксида серы(IV). При загрязнении атмосферного воздуха оксидами азота, углеводородами под воздействием ультрафиолетового излучения оксид серы(IV) превращается в оксид серы(VI), образующий с парами воды аэрозоль серной кислоты, которая снижает пород зеленых растений (угнетается процесс фотосинтеза). В свою очередь, это приводит к нарушениям в общей цепи круговорота серы. Обсуждение результатов. Жизнедеятельность железобактерий наносит большой вред трубопроводам водоснабжения и канализации. Установлено, что даже при наличии в воде двухвалентного железа (а оно присутствует практически всегда) железобактерии начинают развиваться. В протоплазме своих клеток они превращают двухвалентное железо в нерастворимый гидроксид железа (Ш). В результате вода растворяет все новые и новые порции железа. Гидроксид железа (Ш) выделяется на поверхности клеток микроорганизмов, что со временем все больше затрудняет в них обмен веществ. 15 Поэтому у железобактерий время от времени происходит своеобразная "линька" — сбрасывание гидроксида железа (Ш), который придает воде ржавый цвет и мутный вид. Эта ржавчина откладывается в застойных зонах водопроводных систем и становится пищей для других бактерий, продукт жизнедеятельности которых - серная кислота. В свою очередь, это вещество вызывает интенсивную электролитическую коррозию трубопровода. Например, в результате деятельности микроорганизмов вида тиобацилус ферроксиданс происходит следующий процесс: 4FeS2 + 6Н2О + 15O2 = 4Fe(OH)SO4 + 4H2SO4. Вода, вытекающая из заброшенных железорудных шахт, может иметь рН 2 и больше и тем самым создавать угрозу кислотного загрязнения расположенных поблизости водоемов. В то же время известно, что присутствие железобактерий приводит к катастрофическим последствиям в результате разрушения технического оборудования из кислотоупорных сталей и алюминиевых сплавов. 16 Выводы 1. В результате изучения материала выяснили, что серобактерии окисляют сероводород и другие неорганические соединения серы. Железобактерии способны окислять железо (2) и отлагать его на поверхности клетки. Серобактерии активно участвуют в круговороте серы в природе и предотвращают накопление в воде токсичного сероводорода. Железобактерии наносят огромный ущерб трубопроводам водоснабжения и канализации разрушая их в процессе своей жизнедеятельности. 2. К сеорбактериям относятся многие фотоавтотрофные пурпурные и зелёные бактерии, для которых неорганические соединения серы служат донорами электронов при фотосинтезе. 4.Для жизнедеятельности серобактерий серьезную опасность представляют выбросы промышленных предприятий, работающих на высокосернистых сортах угля и нефти ( например НЛМК). Окисление сернистого газа в атмосфере сопровождается образованием серной кислоты, которая с осадками выпадает в почву, вызывая сильное закисление почв и гибель растительности вблизи промышленных комплексов. Аэрозоль серной кислоты угнетает процесс фотосинтеза у зеленых растений. В свою очередь, это приводит к нарушениям в общей цепи круговорота серы. 17 Список использованной литературы: 1. Гиляров М.С., Биологический энциклопедический словарь / М.С. Гиляров. - М.: «Советская энциклопедия», 1989 г. – 1198 с. 2. Заварзин Г. А., Литотрофные микроорганизмы / Г.А. Заварзин. - М.: Просвящение, 1972 г. – 359 с. 3. Краткий определитель бактерий / перевод с английского/ Берги. - М.,Дрофа, 1980 г. – 560 с. 4. Мир микробов / перевод с английского:/ [ Р. Стейннер и др.]. - М., Просвящение, т.1-3, 1979 г. – 862 с. 5. Новая большая энциклопедия школьника: 5 – 11-й кл.:учебно-справочное пособ./[Р.А. Лидин и др.]. – М.:АСТ: Астрель, 2005 г. – 1199, [1] с. 6. Роль микроорганизмов в выщелачивании металлов из руд:/[ Г.И. Каравайко и др.]. - М.: Дрофа, 1972 г. – 400 с. 7. Evidence of giant sulphur bacteria in Neoproterozoic phosphorites:/[Jake V. Bailey и др.]. - // Nature, 2007 г. V. 445. P. 198-201. 8. http://www.slovar.info/word/?=56782 9. http://078.help-rus-student.ru/texlon.htm 10. http://www.sbio.info/page.php?id=11036 11. http://dic.academik.ru/dic.nsf /en3p/128354 18
