Круговорот серы

Сера поступает на земную поверхность в результате вулканической деятельности в виде SO₂, SO₃, H₂S, кроме того, воды некоторых источников содержат сероводород. Но основную роль в круговороте серы играют биологические процессы, вызываемые микроорганизмами при разложении растительных и животных остатков. При гниении белков, в составе которых имеются содержащие серу аминокислоты (цистин, цистеин, метионин), и разложении растительных эфирных масел образуется сероводород и немного меркаптана. Сероводород образуется также при восстановлении солей серной, сернистой и серноватистой кислот сульфатвосстанавливающими (десульфофицирующими) бактериями.

Сероводород сам по себе не усваивается растениями, а следовательно, и животными, напротив, он ядовит для них. Особая группа серобактерий окисляет сероводород. В результате этого окисления образуются сернокислые соли. Сернокислые соли хорошо усваиваются растениями. В растениях сера этих солей вновь идет на синтез соединений, содержащих серу.

Таким образом, в круговороте серы принимают участие, с одной стороны, аммонифицирующие бактерии (рассмотренные нами в круговороте азота) и сульфатредуцирующие бактерии, освобождающие сероводород из соединений, и, с другой стороны, серобактерии, окисляющие сероводород.

Серобактерии разделяются на две группы: бесцветные и окрашенные пурпурные.

К бесцветным формам относятся в основном: 1) различные виды Beggiatoa - свободноплавающие длинные нити, состоящие из отдельных клеток. Среди них имеются самые крупные по размерам из всех бактерий; 2) различные виды Thiothrix - неподвижные длинные нити, прикрепленные одним концом к подводным предметам; 3) ряд видов одноклеточных бактерий - Thiophysa и др.

Все они автотрофы. Образующуюся серу они откладывают внутри клетки. В природных условиях они находятся только там, где постоянно образуется сероводород и имеется свободный доступ кислорода. Для развития серобактерий наиболее благоприятное давление кислорода соответствует 15 мм рт. ст. (давление воздуха 75 мм рт. ст.), а давление сероводорода 0, 8 мм рт. ст. Поэтому они развиваются не на поверхности воды, а на некоторой глубине, где образуется так называемая бактериальная пластинка, в которой происходит движение этих бактерий вверх для получения кислорода и вниз для получения сероводорода. В Черном море такой слой бактерий расположен на глубине 200 м.

Рис. 36. А - Серобактерия рода Thiospirillum. В - Серобактерия рода Thiophysa: 1 - делящаяся клетка; 2 - видны капли серы

Рис. 37. Железобактерия Gallionellа (галлионелла)

Рис. 38. Spirillum desulfuricans

Серобактерии окисляют сероводород в два приема. Сначала окисляют его до серы, капельки которой отлагаются в протоплазме клеток как запасной энергетический материал.

При недостатке сероводорода в среде происходит постепенное окисление запасенной серы в серную кислоту, которая нейтрализуется бикарбонатами клетки и выводится наружу в виде сернокислой соли S₂+3О₂+2Н₂О=2H₂SО₄+294 ккал.

Пурпурные серобактерии имеют в клетке пигмент бактериопурпурин, придающий им разных оттенков красную окраску, и фотосинтезирующий пигмент бактериохлорофилл. Спектры поглощения этого пигмента и хлорофилла различны. При фотосинтезе у них и у зеленых бактерий не происходит образования кислорода, так как донатором водорода является сероводород, а не вода. Такой тип фотосинтеза называется фоторедукцией. Фотосинтез у пурпурных бактерий происходит в анаэробных условиях. Он может быть представлен таким уравнением:

2СО₂+H₂S+2Н₂О+свет→ ²/₆С₆Н₁₂О₆+H₂SО₄.

Серобактерии широко распространены в природе, они находятся в серных источниках, в спокойных застойных водах, в почве, илах. Серобактерии - автотрофы, ассимилируют СО₂, используя энергию окисления восстановленных соединений серы.

Рис. 39. Схема круговорота серы

К бесцветным серобактериям относятся также тионовые бактерии. Сюда относятся Thiobacillus thioparus, Thiobacillus thoxydans и др. Кроме серы и сероводорода они окисляют и тиосоединения (Na₂S₂О₃, Na₃S₄O₆). Они также автотрофы, находятся в пресных и соленых водоемах, в почвах.

Наряду с бактериями, окисляющими сероводород до серной кислоты, существуют бактерии, восстанавливающие соли серной кислоты до сероводорода, - десульфурирующие бактерии.

Восстановление сульфатов идет при сопряженном окислении органических соединений и имеет энергетическое значение. Эти бактерии - строгие анаэробы и гетеротрофы. Как источник углерода они используют углеводы, органические кислоты, жиры, различные углеводороды нефти, нефть, нафталин и пр. Они могут являться причиной больших потерь нефтепродуктов. Сульфаты, теряя кислород, восстанавливаются до сероводорода:

С₆Н₁₂О₆+3H₂SО₄=6СО₂+6Н₂О+3H₂S+42 ккал.

Восстановительные процессы, вызываемые серобактериями, могут достигать в природе огромных размеров. Так, например, вода Черного моря на глубине ниже 200 м содержит столь значительное количество сероводорода, возрастающее с глубиной, что жизнь глубже 200 м совсем прекращается. Если накопление сероводорода будет происходить в залитой водой почве, то жизнь растений и животных на ней станет невозможной.

Сульфатвосстанавливающие микробы играют главную роль в образовании целебной серной грязи многих озер (Тимбуканское около Пятигорска), черноморских лиманов (Одесса, Евпатория). Эти бактерии, выделяя сероводород, образуют черную массу коллоидного гидрата сернистого железа, который пропитывает ил водоема. Они же вызывают коррозию железа, переводя его в сернистое железо, чем повреждают трубы орошения и канализации.

Серобактерии принимают участие в биологическом очищении сточных вод, органических отбросов и являются показателями резкого загрязнения воды и почвы в населенных пунктах.