Przeczytaj
Bakterie jako producenci materii organicznej
Jak wiesz, procesem uruchamiającym krążenie materii w ekosystemie jest zdolność producentów do fotosyntezy. To umiejętność wykorzystania energii słonecznej do produkcji związków organicznych z powszechnych w otoczeniu związków nieorganicznych: COIndeks dolny 22 i HIndeks dolny 22O. Producenci stanowią pokarm konsumentów, a reducenci, rozkładając ich szczątki, przywracają obieg materii.
Najmniejszy pełny ekosystem lądowy to odsłonięte skały tzw. pustyni Rossa na Antarktydzie. Na skałach tych występuje kilka gatunków porostów, a pod nimi żyją – chronione przed niską temperaturą – glony Hemichloris antarctica i sinice Chlorcoccidosora. Konsumentów reprezentuje grzyb, pasożytujący na porostach, a reducenci to kilka gatunków bakterii. Ekosystem jest zależny od światła i – mimo skrajnych warunków życia – produktywny (do 150 g biomasy na mIndeks górny 22).
Chemosynteza to słowo składające się z dwóch części: „chemo” oznacza związki chemiczne, a „synteza” to tworzenie czegoś. W tym przypadku chodzi o wytwarzanie związków organicznych (glukozy) z dwutlenku węgla i wody z wykorzystaniem tlenu i energii chemicznej. Źródłem energii w chemosyntezie jest zwykle cząsteczka, która ma wolny elektron i może go przekazać na łańcuch transportu elektronów (podobnie jak podczas fotosyntezy). Końcowym produktem transportu elektronów jest ATP – cząsteczka, której energia zostanie wykorzystana do syntezy cukrów, podobnie jak w fazie fotosyntezy niezależnej od światła (cykl Calvina). Ponieważ jest to reakcja mało wydajna energetycznie, z chemosyntezy nie mogą korzystać organizmy wielokomórkowe. Chemosynteza od fotosyntezy różni się tym, że źródłem energii do asymilacji dwutlenku węgla jest energia chemiczna powstała na skutek utleniania różnych związków.
Przebieg chemosyntezy można podzielić na dwie fazy:
Przekształcenie energii w wyniku utleniania obecnych w środowisku substratów przy pomocy tlenu atmosferycznego i wytworzenie siły asymilacyjnej w postaci ATP (także NADH, NADPH). Można to zapisać jako:
związek zredukowany + OIndeks dolny 22 → związek lub jon utleniony + ATP (energia).
Asymilacja i redukcja dwutlenku węgla do związków organicznych z wykorzystaniem siły asymilacyjnej powstałej w pierwszej fazie:
COIndeks dolny 22 + HIndeks dolny 22O + ATP (energia) → glukoza + OIndeks dolny 22.
Chemosynteza była prawdopodobnie pierwszym w dziejach życia procesem metabolicznymmetabolicznym. Podobnie jak fotosynteza, proces ten przekształca materię nieorganiczną w organiczną, co umożliwia krążenie pierwiastków w cyklach biogeochemicznych. Wielu naukowców uważa, że bakterie chemosyntetyzujące mogą występować poza Ziemią, np. na Marsie.
Związek pomiędzy fotosyntezą i chemosyntezą
Wśród bakterii występują fotoautotrofy, które wykorzystują światło do produkcji pożywienia. Są to sinice, zielone i purpurowe bakterie siarkowe oraz bakterie purpurowe (nienależące do bakterii siarkowych). Jednak istnieją też bakterie, które do produkcji związków organicznych z dwutlenku węgla i wody używają nie energii słońca, a energii z reakcji utleniania różnych związków chemicznych. Nazywamy je chemoautotrofami i zaliczają się do nich bakterie siarkowe, żelazowe, wodorowe, metanogenne, nitryfikacyjne czy metanowe.
Krążenie materii pomiędzy ekosystemami opartymi na fotosyntezie i chemosyntezie
Rodzaje bakterii chemosyntetyzujących
Bakterie chemosyntetyzujące można podzielić na dwie grupy:
Litotrofy, czyli bakterie, które jako źródło energii wykorzystują związki nieorganiczne: siarki, azotu, żelaza i wodoru.
Organotrofy, czyli bakterie, które uzyskują energię z utleniania prostych, jednowęglowych związków organicznych: metanu, metylu i mrówczanu.
Litotrofy
Bakterie siarkowe żyją w wodach słodkich i słonych, bogatych w związki siarki – siarkowych źródłach (np. w Busku‑Zdroju), ściekach komunalnych i osadach dennych. Do chemosyntezy wykorzystują siarkowodór (np. Thiothrix, Sulfolobus i Beggiatoa), siarkę pierwiastkową (Thiobacillus) lub tiosiarczan sodu (np. Desulfovibrio desulfuricans). W zależności od substratu uzyskują różną ilość energii w postaci ATP.
Thiobacillus występuje w glebie i wodzie. Utleniając siarkę, wytwarza siarczany dostępne dla roślin, przez co wprowadza pierwiastkową siarkę do obiegu w ekosystemach.
Trujący siarkowodór jest substratem np. dla bakterii z rodzaju Beggiatoa, które przekształcają go w nieszkodliwą siarkę, a jej nadmiar mogą magazynować w komórkach. Po ich obumarciu siarka pierwiastkowa może trafić do osadów i zostać wycofana z obiegu.
Inaczej bakterie żelaziste. Pozyskują energię do procesów życiowych przez utlenianie jonu FeIndeks górny 2+2+ do FeIndeks górny 3+3+. Występują w środowiskach zakwaszonych, w których węglan żelaza(II) wykazuje większą trwałość niż w środowisku obojętnym. Produktem reakcji utleniania żelaza jest brązowy osad wodorotlenku żelaza, barwiący na rudo wodę, a w następstwie także wyposażenie łazienek, np. umywalki, wanny, muszle klozetowe.
Bakterie wodorowe żyją wszędzie tam, gdzie możliwe jest wykorzystanie wodoru jako dawcy, a tlenu jako akceptora elektronów, np. w glebie. Reakcja ta jest możliwa dzięki obecności enzymu hydrogenazy. Produktem reakcji utleniania wodoru jest woda.
Bakterie wodorowe można spotkać zarówno na terenach podmokłych, jak i gorących źródłach. Niektóre z nich żyją wewnątrz organizmów.
Jako substraty wykorzystują dwutlenek węgla i wodór, przekształcając je w metan i uwalniając przy tym energię wykorzystywaną do asymilacji dwutlenku węgla. Ta grupa bezjądrowców – archeanyarcheany – żyje w beztlenowych środowiskach, takich jak bagna, osady rzeczne, pola ryżowe czy gnojowica. Wydobywający się z dna bagien metan może ulec samozapłonowi, dając tzw. błędne ogniki. Bakterie metanogenne żyją też w przewodach pokarmowych wielu zwierząt, m.in. przeżuwaczy – odpowiadają za powstawanie gazów jelitowych.
Bakterie mogą wykorzystywać jako donordonor elektronów nie tylko jony żelaza, ale też innych metali: arsenu, manganu, a nawet uranu! Utleniając metale, je także mogą wprowadzić do obiegu, przyczyniając się w ten sposób do krążenia materii.
Bakterie chemosyntetyzujące, które potrafią wytwarzać cukry, pełnią rolę producentów w ekosystemach niezależnych od światła, np. izolowanych jaskiniach, głębinach oceanów, ukrytych pod lodem jeziorach czy skałach. W ekosystemach tych panują skrajne warunki temperatury, ciśnienia czy zakwaszenia, jednak bakterie potrafiły się do nich przystosować. Bez ich działania niemożliwe byłoby przywrócenie obiegu materii pomiędzy elementami biosfery.
W 1 kg żyznej ziemi znajduje się kilka miliardów różnych drobnoustrojów. Obliczono, że bakterie z 1 ha gleby mogą ważyć od 3 do 20 ton. Najliczniej występują one w górnej warstwie gleby i przy korzeniach roślin.
Bakterie jako destruenci
Bakterie odgrywają ważną rolę w procesach wykorzystania pierwiastków do produkcji materii organicznej (fotosynteza, chemosynteza), która trafia do konsumentów. Konsumenci wykorzystują tę materię do budowy własnych organizmów i przeprowadzania procesów życiowych. Szczątki organiczne, np. opadłe liście, martwe organizmy czy odchody, trafiają do gleby, gdzie ich rozkładem zajmują się destruenci (reducenci) – głównie bakterie i grzyby. Ponieważ białka, kwasy nukleinowe, a także mocznik i kwas moczowy zawierają związki azotu, istotną rolę w obiegu tego pierwiastka pełnią bakterie amonifikacyjne. Należą do nich różni przedstawiciele rodzajów: Clostridium, Proteus, Pseudomonas i Streptomyces. W procesie amonifikacji ze związków organicznych powstaje amoniak, który rozpuszcza się w wodzie – w ten sposób powstają przyswajalne dla roślin jony amonowe i obieg azotu się zamyka.
Inne bakterie, głównie laseczki Bacillus, odpowiadają za gnicie szczątków organicznych. Procesy gnilne zachodzą w warunkach beztlenowych, a produktem rozkładu białek są związki dostępne dla roślin oraz m.in. siarkowodór, wykorzystywany przez chemotrofychemotrofy. W ten sposób do obiegu wraca np. siarka. Bakterie glebowe Actinobacteria (promieniowce) także biorą udział w rozkładzie materii organicznej, głównie polisacharydów (jak celuloza, chityna) i tłuszczów.
Słownik
jednokomórkowe, bezjądrowe organizmy żyjące w ekstremalnych warunkach; razem z eubakteriami zaliczane do prokariontów
zwierzęta, w których tkankach żyją bakterie chemosyntetyzujące; dostarczają bakteriom siarkowodór, w zamian otrzymując związki organiczne; np. rurkoczułkowce
organizmy, które jako źródło energii wykorzystują reakcje utleniania związków chemicznych
dawca; związek chemiczny oddający wolny elektron w przebiegu reakcji utleniania
szczelina na dnie basenu oceanicznego, spotykana najczęściej w miejscach aktywnych wulkanicznie i w rejonach rozsuwania się płyt tektonicznych, przez którą wydostaje się ciepła (geotermalna) woda
proces wymiany części materiału genetycznego między osobnikami tego samego pokolenia (poziomo); podczas koniugacji zachodzi zwiększanie różnorodności genetycznej, nie zwiększa się jednak liczba organizmów – nie jest to więc rozmnażanie; koniugacja występuje u bakterii i niektórych protistów
biochemiczne upłynnianie nierozpuszczalnych związków metali przy pomocy drobnoustrojów; jest wynikiem wielu reakcji enzymatycznych i chemicznych
ogół przemian chemicznych w komórce; składa się z reakcji syntezy (anabolizm) i rozpadu (katabolizm)
duża grupa bakterii charakteryzująca się występowaniem RNA jako materiału genetycznego; mają otoczkę komórkową zbudowaną z lipopolisacharydów
osiadłe, morskie pierścienice; jedna ich grupa (zatyczkowce) nie ma przewodu pokarmowego i odżywia się dzięki symbiozie z bakteriami utleniającymi siarkowodór (chemosyntetyzującymi)
inaczej zimny otwór wentylacyjny; płytki obszar w dnie oceanu, gdzie występuje wyciek płynu bogatego w węglowodory (przede wszystkim w metan i siarkowodór); określenie zimny jest używane ze względu na to, że wyciek ma niższą temperaturę od bardzo ciepłych otworów hydrotermalnych