Біологія і екологія. Профільний рівень. Повторне видання. 10 клас. Задорожний

§ 48. Хемосинтез

Поміркуйте

Відомо, що процес хемосинтезу не залежить від сонця і може відбуватися цілодобово. Але в масштабах нашої планети хемосинтез не так поширений, як фотосинтез. Чому?

Згадайте

• Окиснення, відновлення

• АТФ

• Кругообіг речовин

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 + О = 4Н₂О + 2Fe₂O₃

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

Мал. 48.1. Залізисті кварцити — результат життєдіяльності залізобактерій

Мал. 48.2. Результати діяльності залізобактерій у водопровідних трубах

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

2H₂S + О₂ = 2Н₂О + 2S

У разі нестачі сірководню окиснюють сульфур до сульфатної кислоти:

2S + 3О₂ + 2Н₂О = 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.

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

2ΝΗ₃ + 3О₂ = 2ΗΝΟ₂+ 2Н₂О,

2ΗΝΟ₂ + О₂ = 2ΗΝΟ₃

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

Водневі бактерії окиснюють водень, який утворюється під час анаеробного розкладання органічних решток: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О. Отриману енергію використовують для перетворення СО₂ на метан та інші органічні сполуки.

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 нітрифікувальним 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 нітрифікувальних 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»

Практична робота

Розв'язування задач на тему «Фотосинтез і хемосинтез»

1. Розрахуйте, скільки кілограмів глюкози синтезовано рослинами під час фотосинтезу, якщо відомо, що в результаті цього процесу виділився кисень об'ємом 22 400 л.

2. Визначте, яку кількість речовини амоніаку повинні окиснити нітрифікувальні бактерії для синтезу глюкози масою 360 г, якщо для синтезу 1 моль глюкози використовується близько 12 600 кДж енергії?

Ключова ідея

Хемосинтез — вид автотрофного живлення, у якому енергію для утворення органічних речовин організм отримує від реакцій окиснення неорганічних сполук. До хемосинтетиків належать залізобактерії, сіркобактерії, тіонові, нітрифікувальні, водневі бактерії. Хемосинтез забезпечує кругообіг найважливіших елементів зі змінним ступенем окиснення: Феруму, Сульфуру, Нітрогену тощо.

Запитання та завдання

1. Чим хемосинтез відрізняється від фотосинтезу? 2. Чим хемосинтез відрізняється від гетеротрофного живлення? 3. Наведіть приклади використання людиною тіонових бактерій і залізобактерій. 4. Намалюйте схему кругообігу Нітрогену в природі.