Сірчані бактерії
Відкриття великих сірчаних бактерій, що зберігають нітрати
Що таке сірчані бактерії?
Багато бактерій, як і більшість вищих організмів, дихають киснем і тим самим окислюють («спалюють») свою їжу. Але не лише органічний матеріал, такий як залишки рослинного та тваринного світу, забезпечує корисну і калорійну їжу. Багато неорганічні хімічні сполуки також можуть бути використані і можуть служити основним кормом для особливих бактерій. Сірчані бактерії живуть із сірководнем, який вони перетворюють у сульфат. При цьому вони дихають киснем. Це дає їм енергію для всього метаболізму та росту.
Сульфат є однією з найважливіших солей морської води і постійно проникає на морське дно. Під тонким міліметровим покривним шаром, який, як дихаюча шкіра, покриває поверхню морського дна, морське дно є безкисневим світом, але не мертвим. Це світ бактерій, які розщеплюють органічні залишки гинуть водоростей після того, як вони потонули на морському дні. Багато з цих бактерій дихають сульфатом, який перетворюється на сірководень.
Отже, відбувається суттєва зміна між сульфатом та сірководнем, що є одним із найважливіших кругообігів екологічного матеріалу в морі та забезпечує перетворення органічного матеріалу назад в неорганічні мінерали та поживні солі рослин. У морському дні утворюється величезна кількість сірководню. Для вищих організмів, таких як риба або ракоподібні, важливо, щоб він знову розщепився в морському дні, перш ніж потрапити в морську воду. Оскільки сірководень дуже токсичний, так само токсичний, як і ціанід, але це природний токсин. Ось чому в природі також існує багато бактерій, які спеціалізуються на розщепленні сірководню. Найвідоміші з них дихають киснем. Вони трапляються майже скрізь, у морі, в озерах, у землі або в біореакторах та очисних спорудах, де очищуються стічні води.
Зокрема, в наших прибережних водах, де скидання азотистих поживних солей значно зросло за останні десятиліття, підвищений вміст нітратів призводить до збільшення виробництва водоростей, що в свою чергу призводить до того, що залишки органічних водоростей сильніше опускаються до морського дна. Це в першу чергу стимулює сульфатне дихання, і вироблення сірководню ще більше зростає, поки він навряд чи може бути окислений при одночасному зменшенні вмісту кисню в морській воді. Потім сірчані бактерії беруть участь у сцені та розповсюджують білий лист над дном чорного моря. Це тонкий шар ниткоподібних сірчаних бактерій під назвою Беджіатоа, до яких заломлення світла в незліченних краплях сірки в їх клітинах надає їм білого світіння. Вони є останнім бар’єром проти виходу сірководню з морського дна, і для цього вони використовують кисень у морській воді. Це була їх відома функція до нашого відкриття нітратних вакуолей у сірчаних бактеріях.
Більшість бактерій мають розмір від одного до декількох мікрометрів (тисячні частки міліметра). Для цього є вагомі причини. Бактерії можуть поглинати свою їжу лише з водного середовища у вигляді розчинених речовин. Якщо бактерії стають занадто великими, абсорбція надто повільна, оскільки клітини не мають внутрішньої транспортної системи (наприклад, циркуляції), і вони голодують. Тому великі бактерії - рідкість у дикій природі. Такі великі бактерії, як нещодавно виявлена тіомаргарита (Schulz et al., Science, 16 квітня 1999 р.), Насправді не повинні існувати. Це можливо лише тому, що вони мають особливу клітинну структуру.
Активна частина клітини цих великих сірчаних бактерій складається з тонкої оболонки цитоплазми, яка охоплює велику сферичну вакуолю. Товщина цитоплазматичного шару становить лише кілька мікрометрів, що відповідає розміру нормальних бактерій. Тіомаргарити забезпечують транспорт речовин у клітині, незважаючи на їх розмір. Вакуоль схожа на повітряну кулю, наповнену водою - дуже унікальна структура серед бактерій. Він служить резервуаром для нітратів, якими ці бактерії використовують для дихання. Як респіраторний засіб нітрат в принципі настільки ж хороший, як кисень, але має велику перевагу в тому, що він може зберігатися за клітинною мембраною, тоді як кисень неминуче виходить як газ. Як дайвер із пляшками зі стисненим повітрям, тіомаргарита може дихати своїм запасом нітратів місяцями, перш ніж їм знадобиться новий запас ззовні. За допомогою цього нітрату бактерії окислюють сірководень, який постійно утворюється на навколишньому морському дні, в якому вони нерухомі. Потім їм по черзі знову потрібна нітрат, і вони залежать від морської води, що містить нітрати, що проникають у морське дно через течії та насосну активність атлантичних хвиль.
У Тіомаргарити також є близькі родичі, які є рухомими нитками замість нерухомих куль, наприклад Тіоплока. Вони утворюють найбільші видимі бактеріальні спільноти у світі на тихоокеанському узбережжі Південної Америки. Тут відбувається природне запліднення моря, оскільки багата на нітрати глибока вода з Тихого океану підганяється південно-східним вітром, але також постійною нестачею кисню на дні товщі води. Тіоплока утворює килимки на морському дні над узбережжям 3000 км. Килимки обплітаються зі слизових оболонок тіоплоки і досягають маси 1 кг свіжої ваги на квадратний метр. Багато ниток бактерій живуть разом у кожній оболонці, яка простягається до морського дна, як вертикальний тунель. Це змушує бактерії постійно ковзати вгору і вниз. Тонкі бактеріальні нитки довжиною до 7 см втягуються в морську воду, де отримують із води нітрати для дихання. Повнивши резервуари для зберігання, вони ковзають вниз по своїх тунелях на морське дно, де інші бактерії виробляють інтенсивне виробництво сірководню. Цей сірководень служить їх живленням і повністю перетворюється тіоплокою.
Ми вперше відкрили цей спосіб життя чотири роки тому під час дослідницької поїздки біля чилійського узбережжя. Але після того, як бактеріальна вакуоль була визнана резервуаром нітратів, ми та інші дослідники виявили це явище і в інших бактерій, і завжди у великих сірчаних бактерій, які всі тісно пов'язані між собою. На гарячих джерелах у тектонічних зонах поширення на глибокому морському дні також живуть товсті килимки вільноживучих ниткоподібних сірчаних бактерій роду Beggiatoa. Її окремі клітини набагато менші, ніж у тіомаргарити, але багатоклітинні бактеріальні нитки досить великі (десята частина міліметра в діаметрі і довжина декількох сантиметрів), щоб їх можна було побачити неозброєним оком з вікна глибоководного підводного човна, ALVIN.
Сірчані бактерії, що зберігають нітрати, є не лише в екзотичних для нас місцях. Після його відкриття в Чилі ми також шукали цю власність у рідній Беджгіатоа в Балтійському морі і фактично знайшли її. Отже, це здається широко розповсюдженим пристосуванням, яке, імовірно, можна знайти де завгодно в океанах тепер, коли ми знаємо, що шукаємо. Характеристика - це розмір клітини, світяться гранули сірки та, здавалося б, порожня внутрішня частина клітини. Широке поширення цієї групи бактерій також означає, що їх метаболізм відіграє відповідну важливу роль у кругообігу екологічних матеріалів. Завдяки окисленню сірководню з нітратами у цих бактерій матеріальні цикли сірки та нітратів пов'язані певним чином, наслідки яких ми поки не можемо пропустити.
Бо Б. Йоргенсен
Інститут морської мікробіології Макса Планка