Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ: Κεφ 4: Οι γεωβιοχημικοί κύκλοι της ύλης και της ενέργειας μέσω μεταφοράς ηλεκτρονίων: Χημειότροφοι -Λιθοτροφικοί μικροοργανισμοί: Μεταβολικές αντιδράσεις με δότες ηλεκτρονίων ανόργανα, για παραγωγή CH4, CO2, S, NO3, Fe+++

Ο ΚΥΚΛΟΣ ΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΩΝ: Κεφ 4: Οι γεωβιοχημικοί κύκλοι της ύλης και της ενέργειας μέσω μεταφοράς  ηλεκτρονίων: Χημειότροφοι -Λιθοτροφικοί μικροοργανισμοί: Μεταβολικές αντιδράσεις  με δότες ηλεκτρονίων  ανόργανα, για παραγωγή CH4, CO2, S, NO3, Fe+++

της Δήμητρας Σπανού καθηγήτριας χημικού Δευτερ/θμιας Εκπ/σης

 

 

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Τα άτομα μπορούν να προσλάβουν αυτήν την ενέργεια από φωτόνια, άλλα ηλεκτρόνια ή σωματίδια

 

Ο κύκλος των ηλεκτρονίων των ατόμων της ύλης 

Οι οργανισμοί χρησιμοποιούν δότες ηλεκτρονίων για να καλύψουν τις ενεργειακές τους ανάγκες και πηγές για την προμήθεια του άνθρακα.  Ανάλογα με την ουσία /ες αυτές που ανάγουν οι οργανισμοί χαρακτηρίζονται:

Ετερότροφοι αν χρησιμοποιούν οργανικές ουσίες για ενέργεια και πηγή άνθρακα

Αυτότροφοι αν χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα σαν πηγή άνθρακα

Χημειότροφοι αν χρησιμοποιούν απλές ανόργανες ή οργανικές ουσίες σαν πηγή ενέργειας

Φωτοαυτότροφοι  αν χρησιμοποιούν το φως σαν πηγή ενέργειας

 

Ο κύκλος των ηλεκτρονίων των ατόμων αφορά το άβιο και το έμβιο περιβάλλον εφόσον:

-Οι φυσικοί και χημικοί νόμοι που διέπουν τα έμβια συστήματα είναι ίδιοι που διέπουν τα άβια

-H χημική σύσταση και οι μεταβολικές διαδικασίες όλων των ζωντανών οργανισμών είναι σε μεγάλο βαθμό όμοιες , παρά τις μεγάλες αποκλίσεις που παρατηρούνται

 

Χημειολιθοτροφια: Εισαγωγή ηλεκτρονίων από την άβια ύλη στον κύκλο της ζωής

Λιθοτροφικοί οργανισμοί

Κάνουν  μια  μορφή κυτταρικής αναπνοής με αρχικές ουσίες ανόργανες ενώσεις:

Οι προκαρυωτικοί οργανισμοί ( βακτήρια και αρχαία) που είναι ένα από τα αρχαιότερα είδη ζωής στην γη αποτελούν τον σύνδεσμο και τον πρώτο κρίκο της αλυσίδας από την οποία ηλεκτρόνια εισέρχονται από την άβια ύλη στη ζωή

Ενώσεις (εδώ μιλάμε για ανόργανες) που μπορούν να τροφοδοτήσουν με ενέργεια τους οργανισμούς αυτούς  είναι ενώσεις που δίνουν εξώεργες αντιδράσεις

 Στα σημεία των κυτταρικών κύκλων που μπορεί να συμβεί τροφοδοσία   είναι περιπτώσεις που επικρατούν πιο θετικά ηλεκτρικά δυναμικά ή διαδοχικά μειωμένες διαφορές με τον τερματικό δείκτη ώστε να αντιστοιχούν σε διαδοχικά μικρότρες αλλαγές στην ενέργεια. Παράδειγμα η οδός της γλυκόλυσης.

Άλλωστε τα βακτήρια, ιδιαίτερα τα προκαρυωτικά, γεμίζουν πολλές θέσεις στη γη συμμετέχοντας σε κύκλους χημικών στοιχείων όπως αζώτου και άνθρακα στην φωτοσύνθεση, στην αποσύνθεση νεκρών οργανισμών κ.λ.π.

Τα ηλεκτρόνια που αφαιρούνται από τις ανόργανες ουσίες που τροφοδοτούν τα βακτήρια μπαίνουν στην παραγωγή ATP με φωσφορυλίωση μέσα από ένα σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων που αποτελεί την κυτταρική αναπνοή των βακτηρίων αυτών.

Οι Λιθοτροφικοί οργανισμοί είναι μικροοργανισμοί. Οι μακροοργανισμοί (φυτά, ζώα) δεν κάνουν λιθοτροφία. Δημιουργούνται όμως συμβιωτικές σχέσεις των μακροοργανισμών και των μικροοργανισμών όπως τα αζωτοβακτήρια  στις ρίζες  των ψυχανθών που ανταλλάσουν νιτρικά με σάκχαρα.

Οι Οργανισμοί αυτοί, εξάγουν ενέργεια από την οξείδωση ανόργανων ουσιών και το διοξείδιο του άνθρακα καλύπτουν  τις ανάγκες τους σε άνθρακα από το διοξείδιο του άανθρακα

.

Οι οργανισμοί αυτοί είναι τα βακτήρια και τα αρχαία

  • Οι μικροοργανισμοί συλλέγουν ενέργεια μέσω κυτταρικων μηχανισμών. Το ηλεκτρόνιο δωρίζεται σε έναν δέκτη ηλεκτρονίων που είναι μια ανόργανη ουσία που συνήθως πλησιάζει την κυτταρική μεμβράνη ή συνδέεται στην επιφάνεια και τα ηλεκτρόνια διοχετεύονται στην μεμβράνη του πλάσματος
  • Τα μεμομωμένα βακτήρια χρησιμοποιούν πολλές αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων στους οποίους συμμετέχουν πολλοί δότες ηλεκτρονίων, διάφορες αφυδρογονάσες, αναγωγάσες, και δέκτες ηλεκτρονίων.
  • Η ενέργεια αποθηκεύεται κι εδώ όπως και στα περισσότερα είδη ζωής στον τρίτο φωσφορικό χημικό δεσμό της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) παράγεται με οξειδωτική φωσφορυλίωση

 

Οι ανόργανες ύλες από τις οποίες εξάγουν ηλεκτρόνια είναι: H2, Fe+2 , H2S, NH3, NO2-

 

Χρειάζονται το ΑΤΡ και τις αναγωγικές ουσίες NADH/NADPH για να πετύχουν την καλύτερη παραγωγή των οργανικών ουσιών τους (π.χ. γλυκόζη) χρησιμοποιώντας το διοξείδιο του άνθρακα σαν πηγή άνθρακα

 

Χρησιμοποιούν τα αναγωγικά NAD+/NADP για να επαναφέρουν τα ηλεκτρόνια στην μορφή της υψηλής τους ενέργειας.

Για να γίνει αυτό 

 

Η χημειολιθοτροφία μπορεί να είναι αερόβια ή αναερόβια διαδικασία 

Αερόβια έχουμε αν τα ηλεκτρόνια της αλυσίδας καταλήξουν (ενεργειακά υποβαθμισμένα) στο οξυγόνο που είναι ο καλύτερος δέκτης ηλεκτρονίων

 Στην Αναερόβια ο δέκτης ηλεκτρονίων δεν είναι το οξυγόνο. Υπάρχει όμως  μεγαλύτερη ποικιλομορφία  όταν  έχουμε αποδέκτες που δεν είναι οξυγόνο και ικανότητα να ζουν σε ευρύτερη ποικιλία περιβάλλοντος. Όμως  το ενεργιακό κέρδος είναι μεγαλύτερο στην αερόβια

 

Τα μεμομωμένα βακτήρια χρησιμοποιούν πολλές αλυσίδες μεταφοράς ηλεκτρονίων στους οποίους συμμετέχουν πολλοί δότες ηλεκτρονίων, διάφορες αφυδρογονάσες, αναγωγάσες, και δέκτες ηλεκτρονίων.

 

Τα ανόργανα που χρησιμοποιούν οι χημειολιθοτροφικοί οργανισμοί σαν πρώτες ύλες είναι τα εξής:

Μικροβιακή οξείδωση του αέριου υδρογόνου.

Υπάρχει αερόβια και αναερόβια αναπνοή

Pseudomonas alcaligenes infection and mortality in cultured Chinese  sturgeon, Acipenser sinensis - ScienceDirect


Μονοκύτταροι οργανισμοί όπως το βακτήρια υδρογόνου  ( Alcaligenes , Pseudomonas

οξειδώνουν το αέριο υδρογόνο χρησιμοποιώντας υδρογενετικά ένζυμα.  Το οξειδωμένο τελικό προϊόν είναι το νερό

Κατά την κυτταρική τους αναπνοή, τα βακτήρια υδρογόνου χρησιμοποιούν μια ΝΑD υδρογονάση και μεταφέρουν τα ηλεκτρόνια του Η2 στο NAD. Από εκεί  τα μεταφέρουν σε μια οικογένεια μεταγραφικών γονιδίων ATS ή σε άλλους φορείς στο βακτηριακό σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων, ανάλογα με τα ένζυμα που διαθέτουν. 

Στην συνέχεια  ακολουθούν την αντίθετη κατεύθυνση ώστε τα πρωτόνια να μεταφερθούν , με την βοήθεια της ΝΑDΗ αφυδρογονάσς   

στο εξωτερικό του κυττάρου NADH + H +   -->  NAD+ + Η2

 

Τα μεθανογόνα είναι μια κατηγορία βακτηρίων υδρογόνου που κατατάσεται στα αρχαία βακτήρια. Μεταφέρουν ηλεκτρόνια από το υδρογόνο έως το διοξείδιο του άνθρακα το οποίο ανάγεται προς μεθάνιο. Η διαδικασία είναι  και οι μηχανισμοί που διαθέτουν είναι σπάνιοι.            

Χρησιμοποιούν το διοξείδιο του άνθρακα σαν δότη ηλεκτρονίων. Ανάγουν το διοξείδιο του άνθρακα, χρησιμοποιώντας υδρογόνο. Αν θεωρηθεί ότι το διοξείδιο του άνθρακα λαμβάνεται υπό μορφή ανθρακικών ιόντων έχουμε την χημική αντίδραση:

HCO3-  + H+   +  4H2  -> CH4  + 3H2O  DG= -32,4 kcal/mol

Γενικά όμως

Ο άνθρακας του μεθανίου αποτελεί ασυνήθιστο υπόστρωμα για τα βακτήρια και 

Η εξαγωγή οξείδωση του υδρογόνου είναι ασύμφορη ενεργειακά ώστε οι περισσότεροι από αυτούς τους οργανισμούς κάνουν αεροβική αναπνοή.

 

Μικροβιακή οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα

 

Τα καρβοξυβακτηρια (Rhodospirillum , Azotobacter)

οξειδώνουν το μονοξείδιο του άνθρακα σε διοξείδιο του άνθρακα χρησιμοποιώντας ένα ένζυμο CODH

Τέτοιοι μικροοργανισμοί συναντώνται σε μεγάλα βάθη όπως σπηλιές, ορυχία. Αρχαιοβακτήρια μετατρέπουν το μονοξείδιο του άνθρακα σε μεθάνιο, ενώ ακετογενετικά βακτήρια μετατρέπουν το μονοξείδιο του άνθρακα σε οξικό .

Η συνηθέστερη όμως οξείδωση του μονοξειδίου είναι προς διοξείδιο του άνθρακα, που καταλύεται από ένα μεταλλοένζυμο την αφυδρογονάση CO το οποίο διαφέρει σε αερόβιες και αναερόβιες συνθηκες εφόσον τα μέταλλα που περιέχονται είναι χαλκός και μολυβδαίνιο στην αερόβια και νικέλιο και σίδηρο στην αναερόβια

CO  + 2H2O  <-> CO2  +  2H+  + 2e-

 

 Μικροβιακή οξείδωση  ενώσεων θείου (θείο, θειούχα), (H2S, So,  S2O3-2,  SO3-2.

Βακτήρια και αρχαία οξειδώνουν θειούχες ουσίες παράγοντας θειϊκό οξύ. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία όξινου PH, που επιρεάζει το περιβάλλον.

 Ο πίνακας από την δ/ση https://en.wikipedia.org/wiki/Microbial_oxidation_of_sulfur#/media/File:Sulfide_oxidation_reactions.jpg

δίνει περιπτώσεις αερόβιας και αναερόβιας  κυτταρικής αναπνοής με πρώτη ύλη θείο και ενώσεις του θείου και τελικούς αποδέκτες το οξυγόνο, τα νιτρικά ιόντα, καθώς και την παρασκευή των σακχάρων τους στην συνέχεια χρησιμοποιώντας το διοξείδιο του άνθρακα σαν πηγή άνθρακα.

 

 

Αναερόβια οξείδωση της αμμωνίας.

Λιθοτροφικά βακτήρια χρησιμοποιούν τις ενώσεις αζώτου σαν δέκτες και δότες ηλεκτρονίων ταυτόχρονα. Η αμμωνία οξειδώνεται μεταφέροντας ηλεκτόνια και μετατρεπόμενη σε νιτρικά ιόντα και χρησιμοποιώντας αέριο άζωτο

 

Μικροβιακή οξείδωση  ενώσεων αζώτου (αμμώνιο ,νιτρώδες)

The microbial nitrogen-cycling network | Nature Reviews Microbiology

Στο γήϊνο οικοσύστημα άζωτο από την ατμόσφαιρα , πρέπει να αναχθεί σε αμμωνία, να οξειδωθεί σε νιτρώδη και νιτρικά, να περάσει στις οργανικές ουσίες , να μεταβολιστεί και να αποβληθεί στο περιβάλλον σε διάφορες μορφές (ουρία, αμμωνία, ουρικό οξύ) , να αναχθεί ξανά σε αζωτο στην ατμόσφαιρα

Τα  Βακτήρια νιτροποίησης δυο γένη κυρίως (Nitrosomonas και Nitrobacter.) 

Η νιτροποίηση που μετατρέπει την αμμωνία σε νιτρικά 

, πρέπει να γίνει σε δύο στάδια, στο πρώτο η αμμωνία μετατρέπεται σε νιτρώδη με επίδραση Nitrosomonas

ΝH3  + 2H2O -->  NO2-  + 7H+  + 6e-

Χρησιμοποιούν NAD  και  NADP 

 στο δεύτερο μετατρέπουν  τα νιτρώδη σε νιτρικά

NO2- + H2O -->  NO3-  + 2H+  + 2e-

Νιτροποιητικά βακτήρια Κάποια άλλα βακτήρια που ζουν στο έδαφος ή σε υδάτινα συστήματα ανάγουν τα νιτρικά και επαναφέρουν το άζωτο στην ατμόσφαιρα.

5H2  + 2 NO3   -->N +  4H2O  +  2 OH-


επίσης στην 

5S  +  6NO3-   +2H2O    -> 5SO4--  +  3N2  +4 H+

 Το νιτρικό άλας χρησιμοποιείται σαν τερματικός δείκτης ηλεκτρονίων αντικαθιστώντας το οξυγόνο

 

Πρόσφατα ανακαλύφθηκαν είδη βακτηρίων που μετατρέπουν απευθείας αεροβικά την αμμωνία σε άζωτο

Στην κατηγορία αυτή εναι και το Thiobacillus denitrificans 

 

Χημειοτροφίκά  σίδηρου.

Ο δισθενής σίδηρος μπορεί να λειτουργήσει σαν πηγή ηλεκτρονίων για σιδηροβακτήρια  αερόβια ή αναερόβια.

Ο σίδηρος βρίσκεται σε αφθονία στον γήϊνο φλοιό, έτσι, δράση των μικροοργανισμών που χρησιμοποιούν σίδηρο δισθενή για τις μεταβολικές τους ανάγκες , μπορεί να προμηθεύσει ηλεκτρόνια με την  κυτταρική αναπνοή,  σε μεγάλους πληθυσμούς μικροβίων ιδιαίτερα σε ιζηματογενή περιβάλλοντα.  Οι μεταβολικές αυτές διαδικασίες συμβάλλουν στην βιογεωχημεία του εδάφους, στα ιζήματα και στην ορυκτολογία σε αναερόβια περιβάλλοντα.

Corrosion of carbon steel C1010 in the presence of iron oxidizing bacteria  Acidithiobacillus ferrooxidans - ScienceDirect

Ta βακτήρια που βρέθηκαν πως οξειδώνουν τον σίδηρο είναι τα Acidithiobacillus ferrooxidans

Στο αναερόβιο μεταβολισμό από σιδηροβακτήρια  οξείδωσης του δισθενούς σιδήρου προς τρισθενή που μπορεί να συμβεί παρουσία ή απουσία φωτός.μπορεί να συνδυάζεται με την αναγωγή νιτρικών, χλωρικών και υπερχλωρικών.

Αυτό έχει  σαν αποτέλεσμα την διάβρωση του σιδήρου, αφού συνήθως ο οξειδωμένος σίδηρος Fe+++  

 Αναγωγή των νιτρικών μπορεί να οξειδώσει τον σίδηρο και σε στερεά φάση όπως  σε ορυκτά αιματίτη και μαγνητίτη και εδώ φαίνεται η επιδραση των μικροοργανισμών  σε πετρώματα

 

Χημειοοργανότροφα, Χημειολιθοτροφικά  Μικτοτροφικά

Κάποια μικρόβια είναι χημειολιθοτροφικά χρησιμοποιώντας ανόργανα χημικά υλικά για τις ενεργειακές τους ανάγκες αλλά ταυτόχρονα οργανικές ουσίες άνθρακα για τις ανάγκες τους σε άνθρακα

Σε ορισμένες περιπτώσεις οι οργανικές ουσίες που παρέχουν ηλεκτρόνια, είναι υδρογονάνθρακες, χλωριούχο βινύλιο, οργανική ύλη του εδάφους

Ώστε η ενέργεια που λαμβάνουν οι διάφοροι μικροοργανισμοί συνδέονται με την φυσική βιοαποικοδόμηση και έχουν μεγάλη σημασία για την ανακύκλωση της ύλης και την λειτουργία των οικοσυστημάτων

 

Ta βακτήρια, είναι προαιρετικά λιθότροφα, εφόσον τα  περισσότερα από αυτά έχουν διατροφική ευελιξία.

Φωτουδροτροφικά βακτήρια

 Σε κάποιες περιπτώσεις οργανισμοί χρησιμοποιούν οξυγόνο από το νερό σε αεροβική αναπνοή. Αυτοί οι οργανισμοί χρησιμοποιούν  επίσης και οργανικά υλικά για να καλύψουν ενεργειακές ανάγκες.

 

                                                   Δήμητρα Σπανού

Δήμητρα Σπανού

 

 

Πηγες

Electrons, life and the evolution of Earth's oxygen cycle_files

Μικροβιακός μεταβολισμός Τμήμα Χημείας Αλέξιος Βλαμής Επίκουρος καθηγητής Βιοχημείας Ενότητα γ ΄

GBookbioenergetics-achileas

Αντιδράσεις σε βιολογικά συστήματα και βιοενεργητική

https://www.slideserve.com/gudrun/4931632

https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%95%CE%BD%CE%AD%CF%81%CE%B3%CE%B5%CE%B9%CE%B1_%CE%B9%CE%BF%CE%BD%CE%B9%CF%83%CE%BC%CE%BF%CF%8D

https://greek_greek.enacademic.com/215949/%CE%B7%CE%BB%CE%B5%CE%BA%CF%84%CF%81%CE%BF%CF%83%CF%85%CE%B3%CE%B3%CE%AD%CE%BD%CE%B5%CE%B9%CE%B1

https://slideplayer.gr/slide/11999861/

https://www.nature.com/articles/nrmicro.2018.9?proof=true

https://www.nature.com/articles/nrmicro1490

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0010938X1400434X

https://textbookofbacteriology.net/metabolism_5.html  Diversity of Metabolism in Procaryotes (page 5)

 https://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=933035

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0044848615002185

https://www.biospektrum.de/blatt/d_bs_pdf&_id=933035