В этом процессе участвуют многочисленные неспециализированные гетеротрофные микроорганизмы. Они осуществляют минерализацию серосодержащих соединений с образованием различных конечных продуктов. Раньше сероводород считали чуть ли не единственным конечным продуктом. В настоящее время установлено, что помимо сероводорода, особенно в аэробных условиях, образуются и другие соединения: меркаптаны, минеральная сера и сульфаты.
В расщеплении органических соединений серы участвуют и многообразные аэробные и анаэробные бактерии, грибы и
некоторые актиномицеты. В анаэробных условиях Proteus vulgaris, Вас. subtilis образуют H2S из цистина и цистеина. Грибы Microsporum и Asp. niger образуют метил меркаптаны и сульфаты; актиномицеты при разрушении метионина образуют окислительные соединения серы и сульфиды.
Сера, освобожденная из органических соединений, используется специализированными бактериями, в большинстве случаев автотрофами, которые превращают ее в сульфаты. В одних случаях сера является донором электрона и источником энергии (происходят процессы окисления серы); когда же она играет роль акцептора водорода, то идут восстановительные процессы.
12.3.2. Окисление минеральной серы
Окисление минеральной серы, получившее название сульфо- фикации, включает процессы окисления сероводорода, элементарной серы, тио- и тетрасоединений. Эти процессы вызываются особыми группами бактерий - серобактериями и тионовыми бактериями, широко распространенными как в почвах, так и в водоемах.
Окисление сероводорода серобактериями осуществляется в два этапа. Сначала происходит внутриклеточное окисление сероводорода до элементарной серы. Последняя накапливается в форме гранул капельно-жидкой серы в протоплазме клеток, что и определило название данных бактерий. Откладываемая в протоплазме клеток сера является запасным питательным материалом. Если среда обедняется сероводородом, то эта сера начинает быстро окисляться до серной кислоты. Оба этапа окисления можно выразить следующими уравнениями:
Образующаяся серная кислота вступает в реакцию с бикарбонатами кальция и превращается в гипс (CaSO^, который диффундирует из клеток в окружающую среду. Поэтому для развития серобактерий необходимо наличие в среде бикарбонатов.
Серобактерии. Серобактерии представляют собой физиологическую группу бесцветных и пурпурных микроорганизмов, довольно разнообразных по строению и развитию. Они культивируются только в среде, содержащей сероводород. Для типичных серобактерий окисление сероводорода является энергетическим процессом. Основная характеристика физиологии серобактерий дана С. Н. Виноградским (1888): «Эти бактерии не могут жить без серы, которая откладывается в их клетках. Серу они могут получать только при окислении сероводорода, который вследствие этого необходим для их развития. Свою серу они окисляют в серную кислоту и выделяют наружу из клеток в виде сернокислых солей, главным образом гипса. Если же процесс окисления из-за недостатка серы приостановлен, то серобактерии угнетаются в своих жизненных функциях и скоро погибают. Что касается питания этих организмов органическими веществами, то в этом отношении они совершенно нетребовательны: в высшей степени ничтожные количества органических веществ, которые не могут поддерживать рост большинства организмов, вполне их удовлетворяют. Хорошие питательные вещества, т. е. легко сбраживаемые, не оказывают при культивировании их благоприятного действия, напротив, они могут оказаться косвенно неблагоприятными, вызывая развитие различных гнилостных бактерий.
К бесцветным серобактериям относятся нитчатые формы, представленные тремя родами: Beggiatoa, Thioploca, Thiothrix
(рис. 12.11). К первому принадлежат свободно плавающие подвижные формы до 1 см длиной.
Среди них следует указать Beg. alba (диаметр 3 мкм), Beg. media (диаметр 1,5 мкм); особенно большими размерами отличается Beg. mirabilis, которая является настоящим великаном среди бесцветных серобактерий (диаметр до 45 мкм).
Близок к Beggiatoa род Thioploca, но отличается тем, что нити у него по несколько ипук заключены в толстые слизистые влагалища. Серобактерии рода Thiothrix неподвижные. При помощи слизистых подушечек, располагающихся на одном конце нити, они обычно прикрепляются к камням, стеблям, водорослям. Отличием служит также наличие у нитей Thiothrix особого чехла, благодаря чему отмершая нить не распадается на отдельные членики. Размножение у этих бактерий происходит при помощи подвижных конидий.
К бесцветным серобактериям принадлежат не обязательно нитчатые формы. Клетки Thiospirillum, например, имеют спирально извитую форму.
Все бесцветные серобактерии окисляют сероводород до серной кислоты через промежуточную стадию элементарной серы по схеме вышеприведенных уравнений. Бесцветные серобактерии относятся к хемосинтезирующим автотрофам. Они способны восстанавливать углекислый газ до органических соединений и использовать их для построения протоплазмы тела:
Восстановление идет по пентозофосфатному циклу с образованием первого стабильного продукта ассимиляции углекислого газа - 3-фосфоглицериновой кислоты, которая через серию реакций превращается в фруктозодифосфат. Способность серобактерий усваивать углерод из угольной кислоты дает возможность им развиваться в чисто минеральных средах.
Пурпурные серобактерии сем. Chromatiaceae отличаются от бесцветных морфологией и наличием пигмента. Описание их приведено выше (см. гл. 8.8). Окисление сероводорода они осуществляют в процессе фотосинтеза, где сероводород является донором водорода.
Серобактерии широко распространены в природе. Они постоянно встречаются в серных источниках, в спокойных стоячих водах, в почве. Для их массового размножения обязательно присутствие кислорода и сероводорода. В результате окисления последнего они получают необходимую для жизнедеятельности энергию.
Тионовые бактерии. В отличие от серобактерий, тионовые бактерии способны окислять сернистые соединения без отложения серы внутри клетки. Сера накапливается вне клетки. Например, окисление гипосульфита происходит по следующей схеме:
За счет освобождающейся энергии бактерии ассимилируют углекислый газ (рис. 12.12). Ассимиляция углекислоты совершается по циклу Кальвина, подобно тому как у зеленых растений при фотосинтезе.
Рис. 12.12. Схема обмена тионовых бактерий: тонкие стрелки - путь энергетического обмена; толстые - конструктивного обмена
К представителям тионовых бактерий относятся Thiobacillus, Th. thiooxidans, Th. thioparus и др.
Тионовые бактерии являются литотрофами. Многие развиваются при низких значениях pH (оптимум pH 2,2). Среди них есть термофилы (Thiospirillum pistiense). Они растут при температуре выше 80°. Значительное количество их отмечается в терминальных источниках вулканического происхождения. Наличие минеральной серы вблизи вулканов и серной кислоты в водных источниках обусловлено деятельностью тионовых бактерий.
Тионовые бактерии в природных условиях производят окисление сульфидных минералов, способствуя тем самым выщелачиванию находящихся в руде металлов. При участии тионовых бактерий окисление сульфидов и выщелачивание металлов идет быстрее, чем при их отсутствии и, кроме того, сопровождается большим выходом металлов. Тионовые бактерии, в частности Th. thiooxidans, используются в гидрометаллургии для выщелачивания редких металлов: германия, галия, селена, индия, которые содержатся в сульфидах цинка, свинца, меди.