понеділок, 14 грудня 2020 р.

Хемосинтез. Матеріали для учнів 10 класу.

 




Презентація

Процес хемосинтезу

Одним з видів автотрофного живлення є хемосинтез — процес, у якому енергію для утворення органічних речовин організм отримує від реакцій окиснення неорганічних сполук.

Такий тип живлення характерний тільки для бактерій і архей.

Хемосинтез здійснюється без участі світла. Це відрізняє хемосинтезуючі організми від фотосинтезуючих, оскільки останні використовують як джерело енергії сонячне світло, а не енергію хімічних реакцій.

Для одержання енергії мікроорганізми використовують енергію реакцій окиснення сірководню, амоніаку, водню, ферум(ІІ) оксиду та інших речовин. Енергія, що отримується під час окиснення, запасається у формі АТФ.

Речовинами, з яких відбувається синтез органічних молекул, є вуглекислий газ або метан.

Процес хемосинтезу відкрив 1889 року видатний український мікробіолог С. М. Виноградський.

Групи хемосинтезуючих організмів

Залізобактерії. Існують за рахунок окиснення Феруму (двовалентного Fe2+ до тривалентного Fe3+):

4Fe(OH)2+ O2 = 4H2O + 2Fe2O3

Утворений ферум(ІІІ) оксид залізобактерії відкладають у своїй слизовій оболонці. Ці мікроорганізми поширені в прісних і морських водоймах (мал. 48.1, 48.2).

Сіркобактерії. Окиснюють сірководень (гідроген сульфід) до молекулярної сірки:

2H2S + O2 = 2H2O + 2S

У разі нестачі сірководню окиснюють сульфур до сульфатної кислоти:

2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4

Сіркобактерії можуть жити в океанах на величезній глибині, у тих місцях, де з розломів земної кори у воду виходить сірководень. Колосальна кількість сіркобактерій існує в Чорному морі, в якому на глибинах понад 200 м вода насичена сірководнем.

Тіонові бактерії. Окиснюють відновлені сполуки Сульфуру та двовалентного Феруму до сульфатної кислоти. Деякі представники тіонових бактерій здатні виживати й розмножуватися за екстремальних концентрацій кислоти (pH = 2). Більшість із них є аеробами.

Нітрифікуючі бактерії. Окиснюють амоніак, що утворюється в процесі гниття органічних речовин (білків), до нітритної та нітратної кислот:

2NH3+ 3O2= 2HNO2 + 2H2O,

2HNO2 + O2 = 2HNO3

Утворені кислоти взаємодіють з ґрунтовими мінералами, утворюючи нітрити та нітрати. Нітрифікуючі бактерії поширені в ґрунті та водоймах. Багато з них є симбіонтами рослин.

Водневі бактерії окиснюють водень, який утворюється під час анаеробного розкладання органічних решток: 2H2 + O2 = 2H2O. Отриману енергію використовують для перетворення CO2 на метан та інші органічні сполуки.

Мал. 48.1. Залізисті кварцити — результат життєдіяльності залізобактерій

Мал. 48.2. Результати діяльності залізобактерій у водопровідних трубах

Значення хемосинтезу

Органічна продукція хемосинтезу становить менше 1 % від фотосинтезу, проте він має величезне значення для біологічних і геохімічних процесів на Землі. Основне значення хемосинтезу полягає в тому, що він забезпечує кругообіг найважливіших елементів зі змінним ступенем окиснення: Феруму, Сульфуру, Нітрогену та інших.

Суттєве значення в кругообігу Нітрогену належить хемотрофним нітрифікуючим бактеріям. Вони поширені в природі, і здійснювані ними процеси відбуваються у досить великих масштабах. Процес нітрифікації є джерелом нітратів і нітритів — сполук Нітрогену, що засвоюються рослинами і включаються до складу органічних речовин. До того ж, життєдіяльність нітрифікуючих бактерій — найважливіший чинник родючості ґрунтів. Важливу роль у процесах перетворення речовин у ґрунтах відіграють також водневі бактерії.

Залізобактерії відіграють важливу роль у кругообігу таких елементів, як Ферум і Манган. Завдяки їхній життєдіяльності на дні водойм відкладаються залізні й марганцеві руди.

Сіркобактерії, утворюючи сульфатну кислоту, сприяють поступовому руйнуванню і вивітрюванню гірських порід, руйнуванню кам’яних і металевих споруд.

Хемосинтезуючі організми виробляють органічні речовини там, де фотосинтез неможливий. Глибоко на дні океанів існують справжні «оази життя» навколо «чорних паліїв». «Чорні палії» — це підводні гарячі джерела, вода яких насичена сполуками Сульфуру. Сіркобактерії використовують ці сполуки для свого росту, а ними живляться інші живі організми (мал. 48.3).

Мал. 48.3. Скупчення живих організмів біля «чорного палія»

Історія відкриття хемосинтезу

Як біологічне явище хемосинтез бактерій був відкритий російським біологом С. Н. Виноградским у 1888 році. Вчений довів здатність деяких бактерій виділяти вуглеводи використовуючи хімічну енергію. Їм же було виділено ряд особливих хемосинтизуючих бактерій, серед яких найбільш помітними є сіркобактерії, залізобактерії та нітрофікуючі бактерії.

Хемосинтез і фотосинтез: подібності та відмінності

Давайте тепер розберемо в чому подібність хемосинтезу і фотосинтезу, а в чому відмінності між ними.

Подібність:

  • Як хемосинтез, так і фотосинтез є типами автотрофного харчування, коли організм виділяє органічні речовини з неорганічних.
  • Енергія такої реакції запасається в аденозинтрифосфорній кислоті (скорочено АТФ) і згодом використовується для синтезу органічних речовин.

Відмінність фотосинтезу від хемосинтезу:

  • У них різне джерело енергії, і як наслідок різні окислювально-відновні реакції. При хемосинтезі первинним джерелом енергії є не сонячне світло, а хімічні реакції по окисленню певних речовин.
  • Хемосинтез характерний виключно для бактерій та арей.
  • При хемосинтезі клітини бактерій не містять хлорофілу, при фотосинтезі навпаки – містять.
  • Джерелом вуглецю для синтезу органіки при хемосинтезі може бути не тільки лише вуглекислий газ, але і окис вуглецю (СО), мурашина кислота, оцтова кислота, метанол і карбонати.

Фотосинтез та хемосинтез

Енергія хемосинтезу

Свою енергію бактерії хемосинтетики отримують завдяки окисленню водню, марганцю, заліза, сірки, аміаку, тощо. В залежності від окисленого субстрату згадані нами вище бактерії і отримали свої назви: залізобактерії, сіркобактерії, метаноутворюючі археї, нітріфікуючі бактерії, ну і так далі.

Значення хемосинтезу в природі

Хемотрофи – організми, які отримують життєву енергію завдяки хемосинтезу, грають важливу роль в круговороті речовин, особливо азоту, зокрема вони підтримують родючість грунтів. Також завдяки діяльності бактерій-хемосинтетиків в природних умовах накопичуються великі запаси руди та селітри.

Реакції хемосинтезу

Тепер давайте більш детально розберемо існуючі реакції хемосинтезу, всі вони відрізняються в залежності від бактерій-хемосинтетиків.

Залізобактерії

До них відносяться нитчасті і залізоокислюючі лептотрікси, сферотіллюси, галліонелли, металлогеніуми. Живуть вони в прісних і морських водоймах. Завдяки реакції хемосинтезу утворюються відкладення залізних руд шляхом окислення двовалентного заліза в тривалентне.

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3 + 4CO2 + E (енергія)

Крім енергії в цій реакції утворюється вуглекислий газ. Також крім бактерій, що окислюють залізо, є бактерії, що окислюють марганець.

Сіркобактерії

Інша їх назва – тіобактерії, являють собою досить велику групу мікроорганізмів. Як це випливає з їх назви, ці бактерії отримують енергію шляхом окислення сполук з відновленою сіркою.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

Отримана в результаті реакції сірка може, як накопичуватися в самих бактеріях, так і виділятися в навколишнє середовище у вигляді пластівців.

Нітріфікуючі бактерії

Ці бактерії, що живуть у ґрунті і воді, свою енергію отримують за рахунок аміаку та азотної кислоти, саме вони відіграють дуже важливу роль в кругообігу азоту.

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Азотиста кислота, отримана при такій реакції, утворює в землі солі і нітрати, що сприяють її родючості

                                    .







Немає коментарів:

Дописати коментар