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 рис. 53.

Рис. 53. Биологический цикл превращения железа.

Минерализация органических соединений, содержащих железо.

Органические вещества, содержащие железо, могут быть представлены ферментами каталазой и пероксидазой, цитохромами, железопорфириновыми соединениями и др. 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.

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 окисное 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 хемоорганогетеротрофы. 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 коринеформную 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 оксиды железа. Указаннная группа микроорганизмов представлена родами Gallionella, Siderococcus, Metallogenium.

Типичный представитель рода Gallionella — 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 не мертвые части железобактерий.

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

К типичным хемолитоавтотрофным 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 архебактерии 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 (FeS₂), а также в пиритизированных торфяниках, железистых источниках.

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

Выявлены термофильные штаммы Sulfolobus acidocatdarius, 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 хемоорганогетеротрофных 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 не только железо, но и марганец. Например, нитчатая бактерия Leptothrix discophorus обладает 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 оксидами 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. Оксидные соединения железа и марганца восстанавливают многие гетеротрофные аэробные организмы, резко смещающие окислительновосстановительный потенциал среды.