ПРЕВРАЩЕНИЯ ЖЕЛЕЗА
Железо относится к элементам с переменной валентностью, и это обусловливает его разную подвижность в восстановительных и окислительных условиях. При наличии органических веществ и анаэробных условий Fe3+ восстанавливается до Fe2+ и легко мигрирует. При соприкосновении с кислородом воздуха Fe2+ окисляется, образуя скопления гидроокисей Fe (ОН)3 охристого цвета, что придает соответствующий оттенок почвам и породам (красные и бурые суглинки и глины, желтые пески, латеритные почвы). В щелочных почвах образуются недоступные для растений соединения железа, в кислых — доступные, иногда в избытке. И то и другое для растений плохо. В дерново-подзолистых почвах иллювиальные горизонты содержат много железа, а в красноземе его запас еще больше. Однако в растворенном состоянии ионы железа присутствуют в аэробных условиях только при кислой реакции среды.
Участие микроорганизмов в превращении железа в почвах может быть прямым (окисление) и косвенным (за счет создания определенного окислительно-восстановительного потенциала и pH среды).
С.Н. Виноградский назвал железобактериями узкую и специфическую группу автотрофных бактерий, осуществляющих хемосинтез за счет энергии окисления железа. Относительно авто- трофии железобактерий проходили длительные дебаты, так как в лаборатории не удавалось поддерживать в автотрофных условиях чистые культуры этих микроорганизмов. Противники автотро- фии железобактерий считали, что окисленное железо лишь физически сорбируется чехлами этих бактерий, а энергетического значения процесс не имеет.
В настоящее время для ряда видов, которые раньше относили к группе автотрофов, доказан иной механизм использования железа без энергетического выхода.В современном понимании железобактерии — это сборная группа микроорганизмов разного систематического положения, которые объединяются на основании способности окислять восстановленные соединения железа с отложением окисного железа на поверхности клеток. К ним относятся нитчатые бактерии, флексибактерии, одноклеточные бактерии разных родов, микоплазмы и цианобактерии (рис. 87). Они обладают разными механизмами осаждения и концентрирования окисленного железа (связывание продуктами метаболизма, полисахаридами капсул и влагалищ, адсорбция на основе различия электрических зарядов клеточной поверхности и ионов металла).
Все железоокисляющие бактерии можно разделить на автотрофные и гетеротрофные.
Автотрофные облигатно-ацидофильные железобактерии окисляют железо в средах с низкими значениями pH и используют энергию этого процесса для хемосинтеза. Это, в понимании С.Н. Виноградского, истинные железобактерии. Представители разных таксономических единиц: тионовая бактерия Thiobacillus ferrooxidans; грамотрицательная Leptospirillum ferrooxidans со сложным циклом развития (кокки-вибрионы-спириллы), Gallionella ferruginea и архебактерия Sulfolobus acidocaldarius.
Все они растут в кислых средах (оптимум pH 2-3 и ниже). Их местообитания в природе — подземные воды сульфидных месторождений, пиритизированные торфяники, железистые водные источники.
alt="" />
Рис. 87. Железобактерии:
1—3 — морфологические типы Arthrobacter, 4 — Synechocystis ferruginea\ 5— Seliberia slellata\ 6— Hyphomierobiunr, 7 — Pedomicrobiurrv, 8— Sphaemtilus; 9— I.eptothrix: 10— Tuxothrix; II — Spirothrix; 12 — Ch!ornnema\ 13 — Metallogenium; 14 — Siderocnccus\ 15 — Gallionella
Гетеротрофные железоокисляющие бактерии развиваются в условиях среды с близким к нейтральному значению pH на границе окислительной и восстановительной зон.
Эта группа чрезвычайно разнообразна и в таксономическом отношении, и по механизмам осаждения железа. По морфологическим признакам среди гетеротрофных железобактерий можно выделить нитчатые, одноклеточные и микоплазмы. По типу питания они относятся к гетеротрофам, о чем свидетельствует отсутствие корреляции между количеством окисленного железа и фиксированной С02. Фиксация углекислоты может происходить у них по гетеротрофному пути, и составляет примерно 1% от общего содержания углерода в клетке.Нитчатые железобактерии — группа грамотрицательных бактерий, имеющих слизистые чехлы, в которых концентрируется окисленное железо, за что эти бактерии и получили название охрообразователей. У одних нити неподвижны (виды родов Leptothrix, Sphaerotilus), другие — флексибактерии — способны к скольжению (Toxothrix). Это облигатные аэробы, хотя могут расти при низком парциальном давлении кислорода в среде.
Окисление Fe2+ у некоторых бактерий происходит в результате действия перекиси водорода, которая образуется в процессе окисления органических веществ и накапливается в чехлах, где поступающее туда же железо окисляется и откладывается в виде гидроокиси. Искусственно полученные мутанты этих микроорганизмов, лишенные чехлов, не накапливали железа; это свидетельствует о том, что именно чехлы выполняют роль среды, где происходит взаимодействие железа и Н202. Аналогичная функция присуща некоторым слизистым цианобактериям.
Одноклеточные бактерии, накапливающие окисленное железо в гетеротрофных условиях, широко распространены в почвах гумидных зон. Функция накопления железа проявляется у них только в специфической экологической обстановке: в нейтральной среде при наличии железа и органических веществ. Представители этой группы — Pseudomonas putida (Arthrobacter siderocapsulatus) и Seliberia stellata. Первый относится к типичным обитателям почв из группы коринеподобных бактерий с изменчивой морфологией, из-за чего этот микроорганизм неоднократно описывали под разными названиями — Siderocapsa, Siderobacter, Sideronema.
Второй — это стебельковая бактерия со спирально закрученными стебельками и со способностью образовывать специфические звездчатые комплексы клеток в виде розеток. Seliberia stellata относится к олиготрофной группировке почвенных бактерий. Эти бактерии способны разлагать гуматы железа и марганца с образованием ожелезненных колоний, которые могут выступать центрами формирования железистых конкреций (ортштейнов) и прослоек (орт- зандов) в почве.Микоплазмы, участвующие в аккумуляции железа в почвах, относятся к группе сапротрофных мелких бактерий без клеточной стенки. Они, как правило, ассоциированы с другими прокариотными или эукариотными микроорганизмами и способны к паразитизму. Это полиморфные организмы: их кокковидные клетки связаны тонкими нитями, на поверхности которых откладываются окислы железа. К этой группе принадлежат Siderococcus, Metallogenium. Они могут расти как в нейтральной, так и слабокислой среде за счет использования органической части железо- гумусовых комплексов. Metallogenium образует ассоциации с грибами, «чистые культуры грибов» часто содержат эту микоплазму. Если в среде есть железосодержащие вещества, то мицелий гриба покрывается окислами железа.
В восстановлении железа также участвуют почвенные микроорганизмы. Процесс протекает при сопряженном окислении органических веществ или молекулярного водорода в анаэробных условиях и проводится множеством бактерий. Ион Fe3+ выступает в качестве акцептора электрона и может быть заменен молекулярным кислородом в аэробных условиях или кислородом нитратов — в анаэробных. Восстановленное железо образует нерастворимый минерал вивианит— Fe3(P04)2.
Магнитные бактерии. В последние десятилетия были обнаружены и изучены бактерии, содержащие в клетках много чрезвычайно мелких магнитных частиц и движущиеся в магнитном поле. Магнетит может находиться в разном состоянии: 1)в клетках образуются особые тельца — магнитосомы, их может быть до 100 на клетку, частицы образуют организованную структуру и располагаются в определенном порядке, образуются цепочки магнитосом, 2) в клетке находятся некристаллические магнитные включения, осуществляется пассивное притяжение к магниту, 3) клетки образуют внеклеточный маг нетит.
Кристаллы магнетита окружены трехслойной мембраной и погружены в глубь цитоплазмы.
Магнитные бактерии разнообразны по морфологии и физиологии, грамотрицательные имеют жгутики. В чистую культуру выделены и подробно изучены только представители рода Magnetospirillum. Размеры кристаллов колеблются от 30 до 120 нм — это наименьшее из того, что возможно для обладания магнитными свойствами. В частицы входит двух- и трехвалентное железо. Кристаллы формируются особыми генами, таких кристаллов в абиотической природе нет.
Магнитобактерии обнаружены в природных водах и почвах. Их роль выяснена не полностью. Магнитосомы обусловливают движение клеток к магнитному полюсу, но какую экологическую роль это может играть, остается неясным. Для природных вод с точки зрения экологии более понятно, что в силу естественного расположения магнитного поля бактерии должны двигаться на дно водоемов. Предполагают, что кроме магнитотаксиса, бактерии с помощью магнитосом запасают железо, необходимое для метаболизма, регулируют окислительно-восстановительный потенциал и даже запасают энергию.
В природных водах содержится несколько тысяч клеток маг- нитобактерий на 1 мл воды. Это важное звено биогенного цикла железа. Магнитосомы обнаружены в метеорите с Марса, что считается доказательством наличия прежней жизни на этой планете.
В биотехнологии магнитосомы используются для иммобилизации ферментов и антител. В почвенной микробиологии предстоят исследования в этой области.
Итак, в процессах окисления и восстановления железа в почвах прямо или косвенно участвуют многие группы микроорганизмов, которые по-разному используют эти превращения. Среди железобактерий известны истинные бактерии, флексибактерии, нитчатые, цианобактерии и микоплазмы. У одних функция окисления железа связана с получением энергии и процесс протекает только в условиях кислой среды; у других превращение железа — побочный процесс, имеющий, однако, важный физиологический смысл — удаление токсичной Н202; у третьих эта функция сопряжена с разложением железогумусовых комплексов и отложением железа на клетках или же с извлечением железа из минералов и образованием хелатных форм соединений (сидерофоры).
В зависимости от условий среды окисленное железо либо отлагается в виде охры, либо мигрирует в составе комплексных соединений и аккумулируется в определенных горизонтах почв. В большинстве случаев окисление железа — это проявление неспецифической функции микроорганизмов в специфических условиях среды.В природе образующие охру бактерии иногда обильно развиваются весной после таяния снега на поверхности заболоченной почвы, куда железо поступает за счет подтока воды. Наиболее активно железобактерии растут вблизи донных отложений в болотах и ручьях. Биохимическая активность железобактерий приводит к накоплению гидроокиси железа и формированию ортштейнового горизонта кислых подзолистых почв (Т.В. Аристовская). Железобактерии встречаются и в щелочных солонцовых почвах и в почвах рисовников. Скорость биогенного окисления железа во много раз превышает скорость его химического окисления.