Хемосинтез

Особенности превращения

Рассмотрение функции процесса хемосинтеза через составление окислительных реакций помогает определить, как организмы могут жить без использования энергии солнечного света и других способов питания. А также это позволяет понять, как происходит превращение неорганических молекул в органику, неживой материи в живую. Хемотрофы — организмы, получающие энергию в результате хемосинтеза.

Сегодня реакция может заключаться в активности и используется микробами, живущими в глубоких океанах, куда не проникает солнечный свет, но также и некими организмами, живущими в солнечной среде, такими как почвенные бактерии. Некоторые учёные считают, что хемосинтез может быть использован жизненными формами в бессолнечной внеземной среде, такой как океаны Европы или подземные почвы на Марсе.

Водородные бактерии

Эти бактерии используют молекулярный водород в качестве источника энергии для производства органических веществ и используют CO.₂ как источник углерода. Эти бактерии являются факультативными хемоавтотрофами.

В основном они встречаются в вулканах. Никель необходим в среде его обитания, поскольку все гидрогеназы содержат это соединение в качестве металлического кофактора. У этих бактерий отсутствует внутренняя мембрана.

В своем метаболизме водород включается в гидрогеназу плазматической мембраны, перемещая протоны наружу.

Таким образом, внешний водород проходит внутрь, действуя как внутренняя гидрогеназа, превращая НАД.+ в НАДН, который вместе с углекислым газом и АТФ переходят в цикл Кальвина.

Бактерии Hydrogenomonas Они также могут использовать ряд органических соединений в качестве источников энергии.

Полная классификация

Сочетание признаков рассмотренных выше классификаций описывает все возможные типы питания:

Хемоорганоавтотрофы. Окисляют трудноусваиваемые вещества. Например, некоторые представители аминобактерий (Aminobacter), метилобактерий (Methylobacterium), флавобактерий (Flavobacterium), псевдомонад (Pseudomonas).
Хемоорганогетеротрофы. Большинство видов бактерий.
Хемолитоавтотрофы. Водородные, нитрифицирующие, серо-, железобактерии.
Хемолитогетеротрофы. Некоторые водородные бактерии.
Фотоорганоавтотрофы. Довольно редкий механизм питания, при котором окисляются неусваиваемые вещества. Встречается у некоторых пурпурных бактерий.
Фотоорганогетеротрофы. Часть пурпурных и цианобактерий.
Фотолитоавтотрофы. Некоторые зеленые, пурпурные и цианобактерии.
Фотолитогетеротрофы. Гелиобактерии, часть пурпурных, зеленых и цианобактерий.

Цианобактерии

Кроме того, часть бактерий относят к миксотрофному типу. Они могут одновременно использовать различные типы питания. Так, представитель родобактерий (Rhodobacteraceae) паракоккпантотропус (Paracoccus pantotrophus) обладает органогетеротрофным и литоавтотрофным типом питания. А цианобактерии не только синтезируют органику фототрофным путем, но и могут потреблять готовые органические вещества, разлагая их до неорганических.

Типы питания живых организмов

Существует два основных способа получения питательных веществ живыми организмами:

Автотрофный тип питания
Гетеротрофный тип питания

Автотрофное питание

При автотрофном способе питания организмы используют простые неорганические вещества, такие как вода и углекислый газ, в присутствии света и хлорофилла, чтобы самостоятельно синтезировать пищу. Другими словами, процесс фотосинтеза используется для преобразования световой энергии в пищу, такую как глюкоза. Растения, водоросли и бактерии (цианобактерии) — вот некоторые примеры автотрофных организмов.

Во время фотосинтеза углекислый газ и вода превращаются в углеводы. Эти углеводы хранятся в растениях в виде крахмала. Позже растения получают необходимую энергию из запасенного крахмала. Процесс фотосинтеза можно описать тремя этапами:

Поглощение: хлорофилл, присутствующий в листьях, улавливает солнечный свет
Преобразование: захваченная световая энергия преобразуется в химическую энергию, а поглощенная вода расщепится на молекулы водорода и кислорода
Восстановление: наконец, углекислый газ восстанавливается, то есть молекулы водорода соединяются с углеродом, образуя углеводы (молекулы сахара)

Все три этапа не являются непрерывным процессом. Они могут происходить или не происходить последовательно.

У растений есть устьица — отверстия на листьях, где происходит газообмен, который регулируется замыкающими клетками. Растения поглощают и выделяют газы через эти устьичные поры.

В пустынной среде обитания, чтобы избежать потери воды, замыкающие клетки закрывают эти поры в дневное время. Позже, в ночное время, устьица открываются для поглощения углекислого газа и накопления в вакуолях. В дневное время они будут использовать накопленный углекислый газ для фотосинтеза.

Помимо фотосинтеза, растения также зависят от почвы, содержащей микро- и макроэлементы. Эти элементы используются для синтеза белков и других важных соединений, необходимых для правильного функционирования и роста.

Гетеротрофное питание

Не каждый организм способен самостоятельно синтезировать питательные вещества. Организмы, которые не могут производить пищу самостоятельно и зависят от других источников/организмов, называются гетеротрофами. Этот способ питания известен как гетеротрофное питание.

Грибы и все животные, включая человека, являются гетеротрофами. Гетеротрофное питание может различаться в зависимости от вида, среды обитания и адаптаций. Одни питаются растениями (травоядные), а другие — животными (плотоядные), а некоторые едят и то и другое (всеядные). Таким образом, можно сказать, что выживание гетеротрофов прямо или косвенно зависит от растений.

Гетеротрофы подразделяются на различные группы в зависимости от способа их питания:

Фаготрофы — употребляют твердые куски пищи. К этой группе относятся животные.
Осмотрофы — получат питательные органические вещества из растворов напрямую через стенки клеток. К этой группе принадлежат грибы и большая часть бактерий.

По типу получаемой пищи гетеротрофов подразделяют:

Биотрофов — живые организмы, питающиеся другими живыми организмами. К этой группе относятся зоофаги (питаются животными), фитофаги (питаются растениями) и бактерии.
Сапротрофов — организмы, использующие в пищу экскременты или отмерший органический материал. К этой группе принадлежат детритофаги, некрофаги, копрофаги. Примеры живых организмов с такими типами питания:
- бактерии сапротрофы;
- грибы сапротрофы;
- растения сапротрофы (сапрофиты);
- животные сапротрофы (сапрофаги).

Резюме -Фототрофы vs Хемотрофы

Фототрофы и хемотрофы — две основные группы организмов, которые подразделяются на категории в зависимости от типа питания. Фототрофы вырабатывают энергию для своих клеточных процессов, используя солнечный свет (солнечная энергия). Хемотрофы не могут использовать солнечную энергию. Следовательно, они зависят от энергии, производимой хемосинтезом. Химические вещества окисляются хемотрофами для производства энергии для их клеточных функций. Обе группы включают организмы, которые делают свою собственную пищу, и организмы зависят от продуктов, производимых другими организмами. Хемотрофы — самый распространенный тип организмов. Фототрофы важны для функционирования многих экосистем. Фотоавтотрофы поглощают углекислый газ из атмосферы и выделяют в атмосферу кислород. Выживание других гетеротрофных организмов зависит от фотоавтотрофов. В этом разница между фототрофами и хемотрофами.

Для кого характерен такой тип питания

Хемосинтез используется только некоторыми прокариотами. Практически все они обитают в местах недоступных для жизни других организмов, куда не проникают кванты света и где отсутствует кислород. Например, они живут на дне глубоких разломов земной коры и на большой глубине (3-4 км) океанов.

К хемотрофным организмам относятся:

Тионовые бактерии. Обладают способностью окислять молекулярную серу, сульфиды, сульфиты и тиосульфаты до серной кислоты. Внутри клеток отложение серы не наблюдается. Практически все представители тионовых бактерий способны выживать в экстремально кислой среде с pH до 3 и менее. Они способны осуществлять окисление двухвалентного и металлического железа, выщелачивать из руд тяжелые металлы и выдерживать их высокие концентрации.
Водородные бактерии. Энергию получают за счет окисления молекулярного водорода. Являются умеренными термофилами и способны выживать при температуре 50-60° С.
Нитрифицирующие бактерии. Способны окислять остающийся в результате гниения аммиак до азотистой и азотной кислот. Последние вступают в реакции с минералами почвы, в результате которых образуются нитраты и нитриты.
Серобактерии. Получают энергию за счет окисления сероводорода до молекулярной серы или сульфатов. В отличии от тионовых способны накапливать серу внутри своих клеток.
Железобактерии. Их жизнедеятельность напрямую связана с реакцией окисления двухвалентного железа до трехвалентного.

Ссылки

Прескотт, Харли и Кляйн микробиологии 7-е изд. McGraw-Hill Interamericana 2007, Мадрид.
Авторы Википедии, «Хемиотроф», Википедия, Бесплатная энциклопедия, en.wikipedia.org
Джо Ф. Брукс, Карен К. Кэрролл, Джанет С. Бутель, Стивен А. Морс, Тимоти А. Мицнер. (2014). Медицинская микробиология, 26д. McGRAW-HILL Interamericana de Editores, SA de CV
Гонсалес М., Гонсалес Н. Руководство по медицинской микробиологии. 2-е издание, Венесуэла: Управление СМИ и публикаций Университета Карабобо; 2011.
Химено, А. и Баллестерос, М. 2009. Биология 2. Santillana Promoter Group. ISBN 974-84-7918-349-3

Хемогетеротроф

Хемогетеротрофы (или хемотрофные гетеротрофы) ( гр . : Chemo (χημία) = химический, гетеро (ἕτερος) = (an) other, troph (τροφιά) = питание) не могут связывать углерод с образованием собственных органических соединений. Хемогетеротрофы могут быть хемолитогетеротрофами, использующими неорганические источники электронов, такие как сера, или хемоорганогетеротрофами, использующими органические источники электронов, такие как углеводы , липиды и белки . Большинство животных и грибов являются примерами хемогетеротрофов, получающих большую часть своей энергии из O ₂ . Галофилы – хемогетеротрофы.

Источники энергии

Хемоавтотрофы используют энергию различных неорганических соединений, что позволяет им процветать в различных средах, не полагаясь на солнечный свет или органические вещества в качестве источника энергии.s.

Ключевые примеры этих соединений включают сероводород, элементарную серу, двухвалентное железо, молекулярный водород и аммиак..

Например, некоторые хемоавтотрофные бактерии, обитающие вблизи глубоководные гидротермальные источники использовать сероводород, присутствующий в жерловых флюидах, в качестве основного источника энергии. Они окисляют его с образованием серной кислоты и получают необходимую химическую энергию для роста и размножения.

Кроме того, некоторые виды нитрифицирующих бактерий, обитающих в почвенных экосистемах, используют аммиак или нитрит в качестве донора электронов. для создания необходимого запаса жизненно важных энергий.

Функция хемоавтотрофа

Основа экосистем без солнечного света

Хемоавтотрофы составляют основу энергетическая пирамида для экосистем, где фотосинтезаторы не могут выжить. Без хемоавтотрофов жизнь могла бы существовать только там, где энергия могла бы быть получена из солнечного света.

Они являются основой некоторых глубоководных экосистем, таких как те, которые существуют вокруг глубоководных гидротермальных жерл.

Ученые предположили, что хемоавтотрофы могут составлять основу жизни на планетах, которые получают меньше солнечного света, чем земля.

Азот Фиксация

Один из видов хемоавтотрофов, Nitrosomonas, играет чрезвычайно важную роль закрепления азота в почве некоторых экосистем. Как и большинство хемоавтотрофов, Nitrosomonas может принимать токсичные химические вещества – в данном случае аммиак – и превращать его в материалы для жизни.

Nitrosomonas собирает азот из аммиака и превращает его в органические соединения, которые затем могут быть использованы для производства аминокислот, белков и других важных для жизни материалов.

Возможное происхождение жизни

У нас нет ископаемые из первых клеток на Земле, поэтому мы не можем сказать, на что они были похожи. Мы знаем, что они должны были быть автотрофами, так как им пришлось бы производить все свои органические материалы.

Некоторые ученые считают, что первые клетки, скорее всего, были фотоавтотрофами, получающими энергию из солнечного света, но другие ученые считают, что первые клетки могли быть хемоавтотрофами, и что фотосинтез возможно, развился позже.

Если это правда, это сделало бы всех нас потомками хемоавтотрофов!

Деструкторы

Немаловажную роль в экосистеме и структуре пищевого взаимодействия выполняют представители группы деструкторов или разрушителей. Данную группу составляют редуценты, перерабатывающие неживые органические соединения и превращающие их в неорганические вещества. Деструкторы занимают нишу отдельного трофического этапа в природе. Их роль состоит в переработке разлагающихся растений и останков погибших животных. Характерными представителями редуцентов являются классы грибов и бактерий, играющих, в свою очередь, большое значение в деятельности экосистем. С их помощью почва получает питание и воду, используемую представителями продуцентов.

Наконец, деструкторы в виде сапрофагов и бактерий используют энергию мертвых растений и животных. На этом этапе потребляется наибольшее количество запасенной живыми существами энергии. Разложение органической массы происходит в двух направлениях: распад углеводов в процессе минерализации до диоксида углерода, аммиака и воды; образование гумуса в почве под влиянием микроорганизмов.

Возвращая в почву или в водную среду биогенные элементы, они, тем самым, завершают биохимический круговорот. Функционально деструкторы — это те же самые гетеротрофы (консументы), поэтому их часто называют микроконсументами.

Бесцветные серные бактерии

Как следует из названия, это бактерии, окисляющие серу или ее восстановленные производные.

Эти бактерии строго аэробны и отвечают за преобразование сероводорода, образующегося при разложении органических веществ, в сульфат (SO₄ -2 ), соединение, которое в конечном итоге будет использоваться растениями.

Сульфат подкисляет почву примерно до pH 2 из-за накопления протонов H. + образуется серная кислота.

Это делается путем внесения в почву порошковой серы, чтобы присутствующие специализированные бактерии (сульфобактерии) окисляли серу и, таким образом, уравновешивали pH почвы до значений, подходящих для сельского хозяйства.

Все хемолитрофные виды, окисляющие серу, являются грамотрицательными и принадлежат к типу Proteobacteria. Примером бактерий, окисляющих серу, являетсяAcidithiobacillus thiooxidans.

Некоторые бактерии могут накапливать элементарную серу (S 0 ) нерастворимые в виде гранул внутри ячейки, которые будут использоваться при исчерпании внешних источников серы.

Хемосинтезирующие бактерии

Хемолитотрофы используют в качестве источника энергии неорганические субстраты: соединения серы, азота, железа и водорода. Серные бактерии присутствуют в солёных и морских водах, богатых серными соединениями, в источниках или донных осадках и водах канализации. Субстратами для них являются сероводород, тиосульфат и в зависимости от этого возникает различное количество энергии:

H2S + 2O2 → 2H+ + SO42- + 789 кдж∙моль-1.
S0 + H2O + 11/2O2 → 2H+ + SO42- + 587 кдж∙моль-1.
Na2S2O3 + H2O + 2O2 → 2H+ + 2в+ + 2SO42- + 411 кдж∙моль-1.

Водородные бактерии встречаются в почве и могут использовать экологический воздух для получения энергии, необходимой жизненным процессам. Сюда относятся 2 группы организмов:

Первая включает в себя виды, акцептором которых является кислород, а конечным продуктом окисления — вода. Примеры: Hydrogenomonas, Mycobacterium и Nocardia. Реакции проходят в соответствии со следующим уравнением: H2 + ½O2 → H2O + 237 кдж∙моль-1.
Ко второй группе относятся виды, живущие в анаэробных условиях, использующие в качестве приёмника электронов соединения, отличные от кислорода, например, Micrococcus denitrificans, который использует нитраты. Железистые бактерии энергию для жизненных процессов приобретают через окисления ионов Fe2+ до Fe3+: 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3 + 4CO2 + 11 кдж∙моль-1.

Ион Fe2+ проявляет стойкость в присутствии воздуха только в кислой среде. В pH проходит до Fe3+, который истребляет из раствора в виде Fe (OH)3. По этой причине ферритовые бактерии встречаются в подкисленных средах, где ионы железа демонстрируют большую стабильность.

викторина

1. Что из перечисленного НЕ относится к хемоавтотрофу?A. Они получают свою собственную энергию от неорганических химических веществ.B. Они делают свои собственные биологические материалы из неорганических химических веществ.C. Они составляют основу экосистем без солнечного света.D. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 1

D верно. Все вышеперечисленные утверждения верны для хемоавтотрофов!

2. Что из перечисленного не является типом хемоавтотрофа?A. Железные бактерииB. NitrosomonasC. Зеленые водорослиD. Метаногены

Ответ на вопрос № 2

С верно. Зеленые водоросли – это фотоавтотроф. Он получает энергию от солнечного света, а не от неорганических химических веществ.

3. Что из нижеперечисленного НЕ вызывает беспокойства у людей по поводу хемоавтотрофов?A. Метаногены производят метан, который является мощным фактором глобального потепления.B. Хемоавтотрофы могут представлять вредные соревнование для человеческих культур и домашнего скота.C. Железные бактерии производят отложения железа, которые могут испачкать раковины, одежду и волосы.D. Азотфиксирующие бактерии необходимы для роста некоторых культур.

Ответ на вопрос № 3

В верно. Далекие от вредной конкуренции, хемоавтотрофы действительно приносят пользу человеческим культурам и домашнему скоту, фиксируя азот и помогая переваривать другие неперевариваемые материалы.

https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/697768
https://ru.qaz.wiki/wiki/chemotroph
https://raznisa.ru/raznica-mezhdu-fototrofami-i-hemotrofami/
https://fissi.ru/chemoautotroph/

Место обитания

Эти бактерии живут там, где проникает менее 1% солнечного света, то есть они процветают в темноте, почти всегда в присутствии кислорода.

Однако идеальным местом для развития хемосинтетических бактерий являются переходные слои между аэробными и анаэробными условиями.

Чаще всего встречаются: глубокие отложения, окрестности подводных рельефов или подводные возвышенности, расположенные в средней части океанов, известные как срединно-океанические хребты.

Эти бактерии способны выжить в экстремальных условиях. На этих участках могут быть гидротермальные источники, из которых вытекает горячая вода или даже истечение магмы.

Гетеротрофы

Гетеротрофы (от греч. Heterone — «другой» и trophe — «питание») — организмы, требующие органических соединений, как источника углерода для роста и развития. Также известны как консументы (от лат. consume — употреблять).

К гетеротрофным организмам относятся все животные и человек, а также некоторые паразитические растения и бактерии. Среди этих растений можно выделить группу растений паразитов и растений-хищников. Гетеротрофные организмы (животные, грибы, часть прокариотов) не могут создавать органические соединения непосредственно из неорганических.

Гетеротрофы известны как консументы или потребители в пищевой цепочке. Гетеротрофы является противоположностью автотрофам, которые используют неорганические вещества, углекислоту или бикарбонат, как единственный источник углерода. Все животные — гетеротрофы, также как и грибы и многие бактерии и археи (группа микроорганизмов с прокариотным типом строения клетки). Некоторые паразитические растения также полностью или частично являются гетеротрофами, тогда как хищные растения потребляют мясо для получения азота, будучи при этом автотрофами.

Гетеротрофы не в состоянии синтезировать органические соединения на основе углерода независимо, используя неорганические источники (например животные, в отличие от растений, не могут проводить фотосинтез) и поэтому должны получать питательные вещества от автотрофов или других гетеротрофов. Чтобы называться гетеротрофам, организм должен получать углерод из органических соединений. Если он получает азот из органических соединений, но не углерод, он будет считаться автотрофом.

Есть два возможных подтипа гетеротрофов:

Фотогетеротрофы, получающих энергию от света. К ним относятся некоторые виды бактерий, нуждающихся в готовых органических соединениях, источником энергии является свет. В частности, к фотогетеротрофам относят большинство несерных пурпурных бактерий, поскольку они растут лишь при наличии света и органических соединений.
Хезогетеротрофы, что получают энергию за счет окисления или восстановления неорганических смесей. Такой тип питания реализуется у человека, животных и многих микроорганизмов.

Виды хемотрофов

Хемотрофы можно классифицировать в несколько разных групп в зависимости от источника энергии, которым они питаются:

Литотрофы: эти бактерии получают энергию, окисляя неорганические вещества, такие как аммиак, сероводород или железо.
Органотрофы: данная группа включает бактерии, которые использование органических веществ в качестве источника энергии. Они могут питаться глюкозой, аминокислотами или другими органическими соединениями.
Фототрофы: эти бактерии используют энергию солнечного света для синтеза органических веществ. Они поглощают свет через пигменты, такие как хлорофилл.

Каждый из этих видов хемотрофов имеет свои особенности и способности к питанию, которые позволяют им выживать и размножаться в различных средах.

Важность хемоавтотрофов

Хемоавтотрофы играют решающую роль в поддержании экосистем, способствуя глобальным биогеохимическим циклам и применениям в биоремедиации и биоэнергетике.

Роль в поддержании экосистем

Хемоавтотрофы играют жизненно важную роль в поддержании экосистем, обеспечивая энергией другие живые организмы.

Oни фиксировать углерод и азот в почве и использовать химические реакции для получения АТФ, который затем используется для метаболических процессов.
Хемоавтотрофы часто встречается в средах с недостатком солнечного света, такие как глубоководные жерла или подземные пещеры.
Без хемоавтотрофов многие экосистемы не существовали бы в том виде, в каком мы их знаем сегодня., Например, некоторые сообщества гидротермальных источников полностью полагаются на хемосинтез для удовлетворения своих энергетических потребностей.s.
Хемоавтотрофные бактерии окисляют сероводород с образованием органических соединений, которые поддерживают целые экосистемы.

Вклад в глобальные биогеохимические циклы

Хемоавтотрофы вносят значительный вклад в глобальные биогеохимические циклы благодаря своей способности фиксировать неорганический углерод и использовать его в качестве источника энергии.. В частности, хемоавтотрофы играют важную роль в круговороте азота путем окисления ионов аммиака или нитрита с выделением нитратов в окружающую среду.

Кроме того, хемоавтотрофы также играют ключевую роль в круговороте железа и составляют значительную долю восстановителей железа в морской среде. Используя растворенное двухвалентное железо в качестве донора электронов, они помогают перерабатывать это важнейшее питательное вещество во всех океанических системах.

Их важность была дополнительно продемонстрирована исследованиями экосистем глубоководных жерл, где хемоавтотрофные бактерии используют сероводород в качестве источника энергии, тем самым обеспечивая надежный источник пищи для крупных организмов как трубчатые черви и крабы

Применение в биоремедиации и биоэнергетике

Хемоавтотрофы становятся все более важными в приложениях биоремедиации и биоэнергетики. Вот несколько способов их использования:

Биоремедиация: хемоавтотрофные бактерии могут расщеплять вредные химические вещества., такие как тяжелые металлы, нефтяные углеводороды и пестициды в окружающей среде. Этот процесс называется биоремедиацией. экологически чистый способ очистки загрязненной почвы и воды.
Биоэнергия: хемоавтотрофы способны создавать свою энергию и биологические материалы из неорганических химических веществ. Их можно использовать для производить биотопливо с использованием источников углекислого газа, тем самым снижая зависимость от ископаемого топлива.
Улавливание углерода: Хемоавтотрофы также изучаются на предмет их способности улавливание углекислого газа из промышленных выбросов и превратить его в биологические материалы. Это может быть жизнеспособным решением для сокращения выбросов парниковых газов.
Очистки сточных вод: Некоторые хемоавтотрофные бактерии могут удалять загрязняющие вещества из сточных вод превращая их в безвредные вещества.

Основные выводы

Хемоавтотрофы – микроорганизмы, получающие энергия неорганических химических веществ через процесс хемосинтеза, вместо того, чтобы полагаться на фотосинтез, как другие автотрофы.
Они играют жизненно важную роль в поддержании экосистем, способствуя глобальным биогеохимическим циклам и поддерживая целые пищевые цепи в экстремальных условиях, таких как глубоководные гидротермальные источники.
Хемоавтотрофы имеют потенциальные приложения для биоремедиации, производство биоэнергии, улавливание углерода и очистка сточных вод благодаря их уникальной способности расщеплять вредные вещества и преобразовывать их в биологические материалы.
Понимание различий между фотосинтезом и хемосинтезом необходимо для понимания того, как организмы производят пищу, используя различные источники энергии.