Превращение соединений железа

Железо в небольших количествах необходимо всем живым существам. В почве оно содержится в органическом и неорганическом виде. Растительные организмы усваивают неорганические соединения железа, находящиеся в почве в растворимом виде. Существенную, если не основную, роль в трансформации железа в природе, в частности в переводе нерастворимых его соединений в растворимые и обратно, играют микроорганизмы. Биологический цикл железа показан на рисунке 53.

Минерализация органических соединений, содержащих железо. Органические вещества, содержащие железо, могут быть представлены ферментами каталазой и пероксидазой, цитохромами, железопорфириновыми соединениями и лр. Минерализацию железосодержащих органических соединений осуществляют многие хемоорганогетеротрофные организмы (бактерии, актиномицеты и грибы). Органическую часть молекулы, содержащей железо, усваивает тот или иной микроорганизм, а железо освобождается и в аэробных условиях, как правило, осаждается в виде гидроксида. Таким образом, осаждение элемента часто происходит в результате непосредственного воздействия микроорганизмов на органическую часть соединения, а не на само железо.

Рис. 53. Биологический цикл прекращения железа.

Окисление восстановленных соединений железа. Многие микроорганизмы прямо или косвенно участвуют в окислении железа. Их называют железобактериями. Данные организмы окисляют комплексные органические соединения железа, а образующийся в результате гидроксид железа откладывается на поверхности их клеток. Железобактерии представлены нитчатыми бактериями, флексибактериями, одноклеточными бактериями различных родов, микоплазмами, цианобактериями.

Все железобактерии подразделяют на две большие группы: хемоорганогетеротрофы и хемолитоавтотрофы. К хемоорганогетеротрофным железобактериям относят нитчатые, одноклеточные формы бактерий и микоплазмы.

Нитчатые железобактерии разнообразны по морфологии, окисляют неорганические соединения железа в болотах, ручьях, железистых источниках, озерах, дренажных трубах и других влажных местах с образованием охристых осадков. Указанные микроорганизмы называют охрообразователями. К ним относятся грамотрицательные, аэробные бактерии, имеющие слизистые чехлы, в которых накапливается окиснос железо. У одних видов железобактерий нити неподвижны (Leptothrix), флексибактерии обладают способностью к скольжению (Toxothrix, Spirothrix).

Род Leptothrix включает железобактерии, образующие цепочки клеток. Их боковая поверхность выделяет гидроксид железа, из которого формируется цилиндрический чехол, покрывающий всю цепочку. По мере утолщения чехла ограничивается доступ к клеткам закисного железа, кислорода и С0₂. Вследствие этого бактериальные клетки покидают старые чехлы, выходят наружу и начинают строить новые чехлы. Из пустых чехлов образуются охристые осадки в водоемах.

Окисление Fe²⁺ Leptothrix осуществляет в результате действия перекиси водорода, которая образуется при окислении органических соединений и концентрируется в чехлах, поступающее туда железо при участии фермента каталазы окисляется и откладывается в виде гидроксида. Подобной функцией обладают и некоторые слизистые цианобактерии.

Нитчатые бактерии обитают в воде. Их можно культивировать на средах с органическим веществом. По-видимому, они хемооргано гетеротрофы. Одни нитчатые бактерии (Leptothrix ochraceae) свободно плавают в воде, не прикрепляясь к субстрату, другие прикрепляются к какому-либо твердому предмету в воде. Размножаются нитчатые формы поперечным делением с образованием специализированных подвижных клеток.

Одноклеточные бактерии могут окислять железо в почвах (или других средах) с нейтральной реакцией среды при наличии закисного железа и органических веществ. К таким микроорганизмам относят коринсформную бактерию Arthrobacter siderocapsulatus и стебельковую бактерию со спирально закрученными стебельками, образующую звездчатые комплексы клеток в виде розеток, — Seliberia stellata.

К хемоорганогетеротрофным бактериям, аккумулирующим железо в почвах, относят и микоплазмы. Это мелкие бактерии без клеточной стенки, обычно они ассоциированы с прокариотными или эукариотными микроорганизмами и обладают способностью к паразитизму. Микоплазмы полиморфны, они имеют кокковидные клетки, связанные тонкими нитями, на поверхности которых откладываются окислы железа. Указаннная группа микроорганизмов представлена родами Gа Шопе На, Siderococcus, Metallogenium.

Типичный представитель рода Gal Попе На — G. ferrugineae — имеет вибриоидные клетки со жгутиками. Клетки расположены на длинном плоском, спирально перекрученном стебельке. Одна сторона клетки вогнутая, другая — выпуклая. Из последней выделяется наружу коллоидный гидроксид железа, из которого постепенно формируется стебелек.

При делении клетки стебелек дихотомически ветвится. Изучение стебельков под электронным микроскопом показало, что они способны к самостоятельному росту и на них возникают новые клеточные образования. В стебельках обнаружен белок. По-видимому, стебельки — живые образования, а нс мертвые части железобактерий.

До последнего времени было не выяснено: эти бактерии — хемоорганогетеротрофы или хемолитоавтотрофы. У представителей рода Gal Попе На, однако, выявлена рибулозобифосфаткарбоксилаза, что свидетельствует о способности бактерий использовать энергию, освобождающуюся при окислении Fe²⁺-> Fe³⁺, т. е. их можно отнести к хсмолитоавтотрофам.

К типичным хемолитоавтогрофным железобактериям относят облигатно ацидофильные организмы, способные получать энергию в результате окисления закисного железа и использовать углерод диоксида углерода.

Группу таких микроорганизмов представляют: тионовая бактерия — Thiobacillus ferrooxidans, грамотрицательная бактерия с довольно сложным циклом развития (псевдококки — вибрионы-спириллы) — Leptospirillum ferrooxidans и архебактерия Sulfolobus acidocaldarius. Все перечисленные микроорганизмы развиваются в кислых средах (оптимум pH 2—3 и ниже). Они обитают в кислых рудничных водах, содержащих сульфиды разных металлов, в том числе пирит (FcS₂), а также в пиритизированных торфяниках, железистых источниках.

Реакцию окисления двухвалентного железа в трехвалентное при участии Thiobacillus ferrooxidans можно записать так:

Выявлены термофильные штаммы Sulfolobus acidocaldarius, которые наряду с соединениями серы окисляют двухвалентное железо.

Установлена способность к накоплению оксидов железа у некоторых фототрофов, в частности цианобактерий. Подобную же способность проявляют нитчатые зеленые бактерии и отдельные водоросли.

Хемолитоавтотрофные и ряд хемоорганогетсротрофных микроорганизмов, под влиянием которых происходит трансформация железа в природе, принимают участие в образовании железистых отложений. Последние обусловливают формирование осадочных железистых руд в болотах, озерах и других водоемах.

Многие железобактерии окисляют нс только железо, но и марганец. Например, нитчатая бактерия Leptothrix discophorus облапает способностью окислять Мп²⁺ до Мп⁴⁺. Выделен Metallogenium symbioticum, отнесенный к железоокисляющим микоплазмам, осуществляющий окисление марганца в строго аэробных условиях. В присутствии марганца указанный организм приобретает форму «паучка» с нитями, покрытыми окислами марганца и расходящимися из одного центра.

Восстановление окисленных соединений железа. В хорошо дренированных почвах и водоемах большая часть железа и марганца встречается в окисленном состоянии. При анаэробиозе наблюдаются восстановительные процессы в основном как результат активности хемоорганогетеротрофных бактерий родов Bacillus, Clostridium и др. Окисные соединения железа и марганца восстанавливают многие гетеротрофные аэробные организмы, резко смещающие окислительно-восстановительный потенциал среды.

Контрольные вопросы и задания

• 1. Какие группы микроорганизмов существуют за счет энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений серы? 2. Кратко охарактеризуйте основные направления трансформации соединений серы в почве.
• 3. В каких формах фосфор может находиться в почве? 4. Какие виды бактерий участвуют в трансформации соединений железа в почве? 5. Приведите примеры химических реакций, осуществляемых микроорганизмами рассматриваемых групп.