Одним зі шляхів розчинення мінеральних сполук фосфору є виді лення мікроорганізмами вуглекислого газу. Розчинення нерозчинного фосфату кальцію описується рівнянням:
Саз(Р04)г+ 2СОг+ 2НгО -* 2СаНР04+ Са(НСОз)г·
Подібну роль відіграє азотна кислота, яка утворюється нітрифікую чими бактеріями:
CarfPOJ2 * 2HN03 - » 2СаНР04 + CafNOJ*
CarfPOJi +4HNO3 —■Са(НгР04)г + 2Ca(NOJ*
Більш активно відбувається розчинення сірчаною кислотою, яку утворюють тіонові бактерії при окисненні сірки:
Са^РОдг * H2S04 -► 2СаНР04 + CaSO«.
Сульфатвідновлювальні бактерії у процесі життєдіяльності проду кують сірководень, який утворює нерозчинні сульфіди металів, при цьо му фосфор відповідно може вивільнятися зі сполук заліза або алюмінію.
Окрім неорганічних кислот, мікроорганізми при неповному окиснен ні вуглеводів можуть утворювати органічні кислоти, які ЗДІЙСНЮЮТЬ роз чинення неорганічних фосфорних сполук.
Гумусові кислоти також можуть утворювати хелати з кальцієм, залі зом та алюмінієм, при цьому вивільняється ортофосфат з важкорозчин них сполук.
М обілізація мікроорганізмами фосфору з його органічних сполук має важливе екологічне значення оскільки фосфорорганічні сполуки складають від 20 до 80% його валових запасів у ґрунті. Складні молекули органічних сполук фосфору, для того щоб бути переведені у розчинний стан, повинні розкладатися гідролітичними ферментами - фосфатазами, які синтезуються мікроорганізмами, рослинами і тваринами.
Мікроорганізми, що синтезують фосфатази І мають здатність пере творювати органофосфати на засвоювану рослинами форму, назива ють фосфатмобіпізуючими. Серед них є представники різних таксоно мічних груп: бактерії родів Pseudomonas (Р. aeruginosa), Bacillus (В. me- gaterium, В. subtiiis), Enterobacter (E. nimipressuralis), гриби родів Penicfflium, Aspergillus, Rhizopus, Trichoteclum, Altemaria; дріжджі родів Rhodotorula, Saccharomyces, Candida, Hansenula, деякі стрептоміцети та інші мікроорганізми. Активно мобілізують фосфати мікоризні гриби родів
Glomus (в. intraradices, G. fasdculatus), Gigaspora, Sclerocystis.
Фосфатази каталізують гідроліз фосфорних ефірів Із відщепленням ортофосфату, гідролітичне розщеплення неорганічних поліфосфатів до ортофосфату, розщеплення високополімерних поліфосфатів. а також
154
гідроліз АТФ, АДФ, НАДФ і ФАД. При розщепленні органічних сполук фосфору фосфатаза може переносити ортофосфат до спиртів, глюко зи, фруктози, тим самим виконуючи і функцію трансферази.
За спорідненістю до субстрату фосфатази поділяють на дві групи: до специфічних фосфатаз відносять ферменти з високою спорідненістю до якогось одного субстрату, до неспецифічних фосфатаз - ферменти, що мають спорідненість до багатьох субстратів. До специфічних фос фатаз можна віднести рибонуклеази та дезоксирибонуклеази, які ката лізують гідроліз цих субстратів із розривом диефірних зв'язків між зали шками фосфорної кислоти і спиртовими групами рибози або дезоксири бози. Фосфатази з неспецифічною дією гідролізують широке коло органофосфатів, серед них фосфомоноестерази, які діють на моноефіри фосфорної кислоти, фосфодиестерази - на диефіри фосфорної кисло ти, ангідридфосфатази - на органічні І неорганічні попіфосфати.
Мікроорганізми синтезують позаклітинні фосфатази для розщеп лення органічних сполук фосфору за умов низького вмісту розчинного фосфору у середовищі. Якщо мікроорганізми забезпечені фосфором у необхідних їм кількостях, синтез фосфатаз репресується.
Фосфатази продукуються також коренями рослин, деякими твари нами. Позаклітинні фосфатази, а також ті, що вивільняються після лізи су клітин, адсорбуються у Грунті вбирним комплексом і гумусовими спо луками. Адсорбовані фосфатази здатні довгий час зберігати свою актив ність і таким чином вони формують певний рівень фосфатазної активнос ті Грунту.
Внаслідок двфосфорилювання органічних сполук фунтовими фосфогідролазами відбувається їх мінералізація і вивільнення фосфору, який засвоюється коренями рослин і мікроорганізмами. Прості фосфо рорганічні сполуки (фосфати цукрів, іноаитфосфати) гідролізуються швидко лід дією неспецифічних 4к)сфогідролаз і тому у ґрунті не нако пичуються.
Більш складним е шлях гідролізу полїнуклеотидів (рибонуклеїнових і дезоксирибонуклеїнових кислот), які піддаються дії нукпеодеполімераз:
Нуклеїнові кислоти
неорганічний
фосфат В результаті відбувається гідроліз полїнуклеотидів з розривом ди
ефірних зв’язків, які поєднують залишки фосфорної кислоти з спирто вими групами рибози або дезоксирибози.
155
Інозитфосфати у ґрунті представлені, в основному, фітином та його похідними. При повному насиченні фосфором вони містять шість моле кул ортофосфату. які вивільняють при гідролізі. Продуктом гідролізу є також інозит.
Серед фосфопіпідів у ґрунті переважають гліцерофосфати, в основ ному лецитин, при гідролізі якого спочатку холін відщеплюється від гліцерофосфату; останній потім дефосфорилюється фосфомоноестеразами. Гідроліз диефірів фосфорної кислоти, наприклад дигліцеринфосфорного ефіру каталізують дифосфоестерази.
Фосфогідролази моноефірів ортофосфорної кислоти (фосфомоноестерази) є найбільш поширеними у ґрунті. Вони поділяються на дві групи; з лужним і кислим оптимумами активності. Існує обернена залеж ність між загальною фосфатазною активністю грунту і вмістом у ньому розчинного ортофосфату. Імовірно, це пов'язано з тим, що у мікроорга нізмів синтез позаклітинних фосфогідролаз індукується нестачею віль ного ортофосфату в середовищі.
Органічні сполуки фосфору піддаються біодеструкції з різною швид кістю. Нуклеїнові кислоти та лецитин дефосфорилюються швидко, а фітин - повільно.
Для активізації процесу мобілізації неорганічних і органічних фоофатів застосовують бактеріальні добрива на основі активних культур фосфатмобілізуючих мікроорганізмів (див. розділ 10.1).
7.5. Мікробна трансформація сполук заліза
Залізо бере активну участь у обміні речовин живих організмів. Воно слугує переносником електронів у ферментних системах, є необхідною складовою пігментів, які беруть участь V фотосинтезі. Для хемолгтотрофних мікроорганізмів сполуки заліза Ре2* можуть бути джерелом енерпї для засвоєння диоксиду вуглецю, а також окисником при анаеробному диханні і використанні Ре' , замість кисню. Основне джерело заліза у ґрунті - мінерали. Залізо вступає у біологічний кругообіг після його мо білізації із мінералів.
Із залізовмісних мінералів (лімоніту і гетиту), в яких залізо знахо диться у формі Ре3* мікроорганізми за участю оксидоредуктаз перево дять його у Ре2*, який є більш рухомим. Утворення сильних мінеральних кислот нітрифікуючими (азотиста й азотна) і боновими (сірчана) бакте ріями руйнує мінерали ґрунту.
Існує також думка про те, що при вибірковому поглинанні катіонів поживних речовин вищими рослинами і мікроорганізмами відбувається
156
підкислення ґрунту аніонами сильних кислот, які руйнують мінерали. Крім того, у руйнуванні мінералів беруть участь продукти розкладу мікроор ганізмами органічних решток - органічні кислоти (мурашина, щавлева, лимонна, янтарна, фумарова, уроноеа, 2-кетоглюконова і 3-фосфо- гліцеринова), фенольні сполуки (о-дифеноли). Ці речовини часто утво рюють комплексні хелатоаані сполуки, які підсилюють розклад мінера лів. Значну роль у таких процесах відіграють мікробні полісахариди, які утворюють із залізом також комплексні сполуки, що сприяє виходу залі за Із кристалічних решіток. Міграція й акумуляція заліза зумовлюються його зв’язками з гумусовими речовинами. У трансформації сполук заліза певна роль належить утворенню покладів заліза за рахунок руйнування органічних комплексів і сполук заліза з гумусовими кислотами (гуміно вими і фульвокиспотами). В цьому разі відкладення заліза залежить від швидкості руйнування органічних сполук, до складу яких входить залізо. Роботами Т.В. Аристовсьної була показана здатність фунтових мікроорга нізмів руйнувати сполуки заліза з гуміновими кислотами. Залізо, що вивіль няється з цих сполук, відіграє важливу роль в утворенні підзолистих фун тів. Комплексні органічні сполуки заліза, представлені у гумусі, підлягають більш складним перетворенням, ніж розчинені неорганічні сполуки заліза.
Здатність до відновлення розчинених сполук Fe3* виявлена у бага тьох облігатно і факультативно анеробних бактерій, представників родів
Bacillus, Clostridium, Pseudomonas, Lactobacillus, а також деяких видів грибів родів Fusarium, Aspergillus, РепісіВіит. Останніми роками виділе но і вивчено багато Ре3+-відновлювальних бактерій, таких як Shewanella putrefaciens, Geobacter.
Штам Desulfrtobacterium frappieri (G2) здатний використовувати кри сталічний оксид Fe3* та його розчинні форми як акцептор електронів, донором електронів можуть бути Н2 або органічні субстрати - форміат, ма нат, лактат, піруват, етанол, бутаноп. Відновлення описується реакцією:
Fe3* +Нг ->2Н* + Fe2*.
Термофільні архебакгерії Sulfolobus acidocaldarium також можуть відновлювати у мікроаерофільних умовах Fe3* при окисненні сірки. Реа кція відбувається при температурі 7СРС і pH 1,6.
Широко поширені мікроорганізми, які відновлюють Fa3*, при цьому використовують Н2 як донор електронів. Такі бактерії виділені також із континентальних терм {Thermoterrabacterium femreducens) та нафтових пластів (Defembacter thermophilus). Такі анаеробні бактерії, як Thermotoga, Thermoanaerobacter, а також архебактерія Thermococcus, здатні відновлювати Fe3* з використанням молекулярного водню або пептону як донорів електронів.
157
Встановлено, що Ге3+ може відігравати роль альтернативного акце птора водню в анаеробному диханні і цей процес відбувається за учас тю нггратредуктази. За присутності нітратів відновлення заліза припиня ється, оскільки мікроорганізм переходить на нітратне дихання, яке в енергетичному відношенні є більш вигідним, порівняно з відновленням заліза. Можливий також шлях відновлення заліза за участю ферменту, названого феріредуктазою.
Окиснення заліза широко поширене явище і може бути здійсненим багатьма мікроорганізмами. Найбільш поширеними бактеріями, що окиснюють Раг*д.о Ре3*, е ОаІІіопвІІа, іеріовігіх, З/Оегосарва, ОсЬгоЬіит, Зісіего- соса/5, РаботісгоЬіит, НуріютісгоЬіит зеІІЬегіа, Мвіаііодепіит. Описана нова родина облігатних автотрофних ацидофільних архебактерій Рет> ріа&пасаае іат.поу. вид Репоріазта асібірЬШит, який здатний окислювати Рег* І ГеЗг-
Власне до залізобактерій відносять мікроорганізми, які утворюють оформлені поклади заліза. Залізобактеріям присвячена велика кількість робіт, проте одною з фундаментальних до нинішнього часу зостається монографія М.Г. Холодного “Залізобактерії”, видана у 1922 р. Залізобак терії інтенсивно вивчались у зв'язку з гіпотезою їх участі в утворенні за лізних осадкових руд, а також охристих осадів у водоймах та системах водопостачання. М.Г. Холодний вивчав бактерії роду ЄаШопеІІа в аква ріумах з залізистою водою, в них він на поплавцях вміщував покривні скельця. Через короткий час інкубації скельця обростали мікроорганіз мами, серед яких переважали спірально скручені нитки, на одному їх кінці були бобоподібні клітини. М.Г. Холодний довів, що ці бобоподібні клітини безперервно виділяють увігнутою стороною гідрат окису заліза; при обертанні клітин “шлейф” гідрату окису заліза закручується у спіра льну нитку. Пізніше дослідженнями з використанням електронної мікро скопії була виявлена волокниста будова ниток. Розвиток ваіііопвіїа Іепидіпеа у мінеральному середовищі, яке містить двовалентне залізо як єдине джерело енергії, а також здатність за таких умов фіксувати СО& дає підставу віднести цей мікроорганізм до хемосинтезуючих.
До залізобактерій відносять також представників роду Іерґо0ігіх. Бактерії цього роду двовалентне залізо окиснюють до тривалентного:
4 РаС03 + 6 НіО + Ог -> 4 Ре(ОН)3 + 4 СОг.
Вид іерШ Ьгіх осЬгасва утворює охрисгі скупчення окислів заліза на болотах, залізистих джерелах при низьких концентраціях заліза (0,1 мг/л); за морфологічними ознаками утворює залізисті трубки з внут рішнім діаметром близько 1 мкм і зовнішнім - 2 -3 мкм. Всередині цих трубок містяться живі клітини і., осЬгасва, проте часто клітини вислиза ють із трубок, оскільки вони рухомі і мають джгутики.
158