Hemolitotrofija Hemolitotrofi iegst auganai nepiecieamo eneriju un reducjoos

Hemolitotrofija Hemolitotrofi iegūst augšanai nepieciešamo enerģiju un reducējošos ekvivalentus, oksidējot neorganiskus savienojumus Izšķir: • obligātos hemolitoautotrofus • fakultatīvos hemolitoautotrofus • hemolitoheterotrofus

Kā terminālie elektronu akceptori hemolitotrofiem kalpo skābeklis vai, anaerobos apstākļos, nitrāts un nitrīts Obligāti anaerobie hemolitotrofi, kuri par elektronu donoru izmanto ūdeņradi, kā elektronu akceptorus var izmantot arī sulfātu vai bikarbonātu, kuriem ir pārāk zems (negatīvs) red-ox potenciāls lai kalpotu par elektronu akceptoriem citu savienojumu oksidēšanā CO 2 fiksēšanai hemolitoautotrofi (izņemot arhejus) izmanto Kalvina ciklu

Hemolitotrofijas veidi (katrā grupā ietilpst taksonomiski ļoti attāli mikroorganismi) Ūdeņraža oksidētāji: 2 H 2+O 2 = 2 H 2 O 5 H 2+2 NO 3 -+2 H+ = 6 H 2 O+N 2 4 H 2+SO 42 -+2 H+ = 4 H 2 O+H 2 S 4 H 2+HCO 3 -+H+ = 3 H 2 O+CH 4 Alcaligenes eutrophus Paracoccus denitrificans Desulfovibrio desulfuricans Methanobacterium thermoautotrophicum CO oksidētāji: 2 CO+O 2 = 2 CO 2 Pseudomonas carboxydovorans Sēra oksidētāji: S 2 -+2 O 2 = SO 42 Beggiatoa sp. 2 S 0+3 O 2+2 H 2 O = 2 SO 42 -+4 H+ Thiobacillus thiooxidans 5 S 2 O 32 -+8 NO 3 -+H 2 O = 10 SO 42 -+2 H++4 N 2 Thiomicrospira denitrificans

Hemolitotrofijas veidi Slāpekļa oksidētāji: 2 NH 4++3 O 2 = 2 H 2 O +2 NO 2 -+4 H+ NH 4++ NO 2 - = N 2 + 2 H 2 O 2 NO 2 -+ O 2 = 2 NO 3 - Nitrosomonas europaea “Anammox” process Nitrobacter winogradskyi Dzelzs oksidētāji: 4 Fe 2++O 2+4 H+ = 4 Fe 3++2 H 2 O Thiobacillus ferrooxidans Mangāna oksidētāji: 2 Mn 2++O 2+2 H 2 O = 2 Mn. O 2+4 H+ Leptotrix sp. Antimona oksidētāji: 2 Sb 3++O 2+4 H+ = 2 Sb 5++2 H 2 O Stibiobacter sp.

H 2 un CO oksidētāji ir fakultatīvi hemolitotrofi Nitrificētāji ir galvenokārt obligāti hemolitoautotrofi Sēra oksidētāji (jeb “bezkrāsainās sēra baktērijas”) pārstāv visas kategorijas: • obligātie hemolitotrofi Thiobacillus ferrooxidans Thiobacillus denitrificans Thiobacillus thiooxidans • fakultatīvie hemolitotrofi Sulfolobus acidocaldarius Thiobacillus versutus • hemolitoheterotrofi Beggiatoa (nespēj fiksēt CO 2) • hemoorganoheterotrofi Macromonas, Beggiatoa (oksidē sēra savienojumus, neiegūstot no tā enerģiju)

Sadaloties organiskajām vielām, atbrīvojas sērūdeņradis un amonjaks Sēra oksidētāji oksidē sulfīdu par sulfātu (skābekļa limitā – par brīvu sēru) Slāpekļa oksidētāji oksidē amoniju par nitrātu (nitrifikācija) Attīrīšanas iekārtās nitrifikācija tiek kombinēta ar denitrifikāciju (anaerobās elpošanas paveids), kā rezultātā iegūst brīvu slāpekli Sēru un slāpekli oksidējošie hemolitotrofi – svarīgs notekūdeņu attīrīšanas sistēmu komponents

Slāpekļa cikls Reakcijas, kas parādītas ar sarkanām bultiņām notiek anaerobā vidē; bez hemolitotrofijas ciklā attēloti arī anaerobās elpošanas un slāpekļa fiksēšanas procesi Anammox process biosfērā nodrošina vairāk par pusi no amonija oksidēšanā ģenerētā N 2

“Anammox” process: anaerobic ammonium oxidation Atklāts Nīderlandes attīrīšanas iekārtās ’ 80 -tajos gados Anaerobs process, kur amonijam darbojoties kā elektronu donoram, bet nitrītam - kā akceptoram, veidojas brīvs slāpeklis un ūdens: NH 4+ + NO 2 - = N 2 + 2 H 2 O Process atklāts lēni augošās baktērijas Brocardia anammoxidans anammoksosomās Perspektīvs izmantošanai attīrīšanas iekārtās lai atbrīvotos no amonija, kopā ar Nitrosomonas, kas daļu amonija pārvērš nitrītā

Hidrazīns – toksisks un reaģētspējīgs savienojums, kuru izmanto kā raķešu degvielu. Anammoksosomu membrānās ir unikāli lipīdi, kuros taukskābes satur kondensētus ciklobutāna gredzenus. Šie lipīdi veido dubultslāni ar ļoti zemu caurlaidību, kas notur hidrazīnu anammoksosomas iekšienē.

Sēra cikls Tā vietā, lai H 2 S oksidētu līdz SO 42 -, attīrīšanas iekārtās vēlamāk sērūdeņradi O 2 limita apstākļos pārvērst par S 0

Nitrificētāji un sulfātoksidētāji veicina augsnes p. H pazemināšanos Nitrificētāji apdzīvo kaļķakmens poras; gaisā esošais amonjaks kaļķakmenī tiek oksidēts par slāpekļskābi, kurai reaģējot ar kaļkakmeni, tas tiek noārdīts, izdaloties CO 2 – tiek bojātas būves, pieminekļi, utt. Sulfātoksidētāji, veidojot sērskābi, veicina koroziju

Kopējās hemolitotrofu metabolisma iezīmes • Nav sastopama (ar retiem izņēmumiem) substrāta līmeņa fosforilēšana • Nepilns (“pakavveida”) Krebsa cikls bez 2 oksoglutarātdehidrogenāzes, kurš kalpo tikai biosintētiskajām vajadzībām; oxaloacetāts tiek reģenerēts PEP-karboksilāzes reakcijā; trūkst glioksilāta cikla • Obligātajiem hemolitotrofiem trūkst organisko substrātu transporta sistēmu; iespējams, membrānās pārāk daudz vietas aizņem elektronu transporta ķēdes

Hemolitotrofu elektronu transporta ķēdes ir līdzīgas heterotrofu elektronu transporta ķēdēm, tikai: • tajās ietilpst īpašas membrānā lokalizētas dehidrogenāzes attiecīgo neorganisko savienojumu oksidēšanai • tā kā, izņemot H 2 un CO, neorganisko elektronu donoru standarta red-ox potenciāls ir augstāks nekā NAD(P)H/NAD(P)+ pārim, tad hemolitotrofu elpošanas ķēdēs notiek “revertētais elektronu transports” pretēji red-ox potenciālu kritumam no elektronu donora uz NAD(P)+, kas prasa enerģijas patēriņu: vēl viena elpošanas ķēdes funkcija baktērijās !

Reversais elektronu transports Nitrītoksidāze

Amonija monooksigenāze analoga metāna monooksigenāzei; tā ir nespecifiska: lēni oksidē arī ogļūdeņražus u. c. savienojumus, piedalās to noārdīšanā augsnē

Obligātie hemolitotrofi līdz 50% no elpošanas ķēdē ģenerētās enerģijas tērē NAD+ reducēšanai par NADH. Lai ģenerētu pietiekami daudz NADH CO 2 reducēšanai, tiem nepieciešamas ļoti daudzas elektronu transporta ķēdes, kuras aizņem lielāko daļu no membrānas virsmas un darbojas ar lielu ātrumu. Nitrobacter reducē 1 NAD+ par NADH, oksidējot 5 molekulas NO 2 -. Lai pārnestu elektronu pāri no cyt. c uz NAD+, jāpatērē enerģija, kas ekvivalenta 2 ATP Tā kā daudz enerģijas tiek tērēts reducējošo ekvivalentu iegūšanai, obligātie hemolitotrofi aug lēni un ar mazu biomasas iznākumu

Hemolitotrofi plaši pārstāvēti starp ekstremofīliem: • termofīli • acidofīli • halofīli Piemērs: hidrotermālie dziļūdens avoti – ekoloģiskā niša sēra oksidētājiem, kā brīvi dzīvojošām formām tā simbiozē ar augstākajiem organismiem

The Thiovulum/Riftia symbiosis Riftia is a tube worm, ~ 2 meters long, found near thermal vents in the deep sea. Riftia contains an organ called a trophosome that harbours Thiovolum and several other prokaryotic genera. The worm contains a unique hemoglobin that binds the hydrogen sulfide generated by volcanic activity and delivers it to the bacterial symbiont. Bacterial oxidation of the hydrogen sulfide generates the energy that is required to fix carbon. The worm receives the fixed carbon from the bacteria.

T. ferrooxidans iztur p. H < 2 T. ferrooxidans elektronu transporta ķēde uztur lielu p. H gradientu, kas tiek izmantots ATP sintēzē Thiobacillus ferrooxidans – vienlaikus gan sēra savienojumu, gan Fe+2 oksidētājs

Kā dzelzs un sēra oksidētājs T. ferrooxidans tiek pielietots dzelzs un vara ieguvē no rūdām: Nešķīstošos dzelzs pirītu (Fe. S 2) un dzelzs-vara pirītu (Cu. Fe. S 2) T. ferrooxidans oksidē par šķīstošiem dzelzs un vara sulfātiem, un sērskābi