Хемосинтез і хемосинтезуючі бактерії
~10 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Пояснюєш суть хемосинтезу як автотрофного живлення за рахунок енергії окиснення неорганічних сполук. Співвідносиш нітрифікувальні, залізо-, сірко- та водневі бактерії з речовинами, які вони окиснюють, та їхньою роллю в природі.
Ти вже знаєш, що рослини, водорості й ціанобактерії здійснюють фотосинтез — перетворюють енергію сонячного світла на хімічну й синтезують органічні речовини з вуглекислого газу. Але чи можна отримувати енергію для синтезу органіки без світла? Так — завдяки хемосинтезу.
Що таке хемосинтез?
Хемосинтез — це процес синтезу органічних речовин із вуглекислого газу (CO₂) за рахунок енергії, що вивільняється під час окиснення неорганічних сполук. Організми, здатні до хемосинтезу, називають хемоавтотрофами. Вони беруть Карбон із CO₂, а енергію — із хімічних реакцій окиснення таких речовин, як амоніак (NH₃), нітритна кислота (HNO₂), сірководень (H₂S), сірка (S), іони феруму(II) (Fe²⁺) і молекулярний водень (H₂).
Енергію, отриману від окиснення, бактерії запасають у вигляді АТФ і витрачають на фіксацію CO₂ та синтез органічних речовин — так само, як це відбувається в темновій фазі фотосинтезу. Отже, хемосинтез і фотосинтез об'єднує те, що обидва процеси є автотрофними, фіксують CO₂ і синтезують органіку.
Відкриття хемосинтезу
Хемосинтез відкрив 1887 року український мікробіолог Сергій Миколайович Виноградський (уродженець Києва). Досліджуючи безбарвні сіркобактерії, він помітив, що вони не потребують світла й органічних речовин, а отримують енергію, окиснюючи сірководень. Згодом він описав і нітрифікувальні бактерії, які окиснюють амоніак. Це відкриття докорінно змінило уявлення про живлення мікроорганізмів.
Хто здійснює хемосинтез?
Хемосинтез властивий лише прокаріотам — бактеріям і археям. Еукаріоти (рослини, тварини, гриби) не здатні до хемосинтезу. Більшість хемосинтезувальних бактерій — аероби: вони використовують кисень як окисник для перетворення неорганічних сполук.
Порівняння хемосинтезу й фотосинтезу
Ознака | Фотосинтез | Хемосинтез |
|---|---|---|
Джерело енергії | Сонячне світло | Окиснення неорганічних сполук |
Потреба в хлорофілі | Потрібен | Не потрібен |
Виділення кисню | Виділяється (з води) | Не виділяється; здебільшого споживається |
Організми | Рослини, водорості, ціанобактерії | Лише прокаріоти (бактерії, археї) |
Автотрофність | Так | Так |
Фіксація CO₂ | Так | Так |
Як бачиш, спільного між двома процесами більше, ніж відмінного: обидва забезпечують автотрофне живлення, фіксують CO₂ і синтезують органічні речовини. Відмінність — у джерелі енергії та в тому, які організми здатні до кожного процесу.
Нітрифікувальні бактерії — одна з найважливіших груп хемосинтетиків. Вони відіграють ключову роль у колообігу Нітрогену, перетворюючи амоніак (NH₃), що утворюється під час гниття білкових решток, на нітратну кислоту (HNO₃), яка в ґрунті утворює нітрати (NO₃⁻), що їх засвоюють рослини.
Двоетапний процес нітрифікації
Нітрифікація відбувається у два етапи, кожен з яких здійснюють різні групи бактерій:
Перший етап — окиснення амоніаку до нітритів. Його виконують нітрозобактерії (рід Nitrosomonas):
2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + енергія
Другий етап — окиснення нітритів до нітратів. Його виконують нітробактерії (рід Nitrobacter):
2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + енергія
Обидві групи бактерій — аероби, тому нітрифікація найактивніше відбувається в пухкому, добре провітрюваному ґрунті. У перезволоженому або надто ущільненому ґрунті, де мало кисню, нітрифікація сповільнюється, і амоніак може накопичуватися.
Де живуть нітрифікувальні бактерії?
Нітрифікувальні бактерії поширені в ґрунті та водоймах. Вони окиснюють амоніак, який постійно утворюється внаслідок розкладання органічних решток (гниття білків). Завдяки їхній діяльності рослини отримують нітрати — основну доступну форму Нітрогену.
Важливо не плутати: нітрифікатори ≠ азотфіксатори
Нітрифікувальні бактерії не зв'язують атмосферний азот (N₂). Вони лише окиснюють уже наявний у середовищі амоніак. Зв'язуванням атмосферного азоту займаються зовсім інші мікроорганізми — азотфіксатори:
бульбочкові бактерії (симбіонти бобових рослин);
ціанобактерії;
вільноживучі азотобактерії (рід Azotobacter).
Азотфіксатори не є хемосинтетиками, бо вони не отримують енергію від окиснення неорганічних сполук (вони гетеротрофи або фотосинтетики). А денітрифікувальні бактерії, навпаки, повертають азот із нітратів в атмосферу у вигляді N₂, замикаючи колообіг.
flowchart LR
A["Гниття білків"] --> B["Амоніак NH₃"]
B --> C["Нітрозобактерії Nitrosomonas"]
C --> D["Нітритна кислота HNO₂"]
D --> E["Нітробактерії Nitrobacter"]
E --> F["Нітратна кислота HNO₃ → нітрати"]
F --> G["Засвоюються рослинами"]
style C fill:# 4CAF50,color:# fff
style E fill:# 2196F3,color:# fffОкрім нітрифікувальних бактерій, існують інші групи хемосинтетиків, які окиснюють сполуки Феруму, Сульфуру та Гідрогену. Кожна з них має свої характерні реакції та екологічне значення.
Залізобактерії
Залізобактерії окиснюють іони двовалентного феруму (Fe²⁺) до тривалентного (Fe³⁺). Типова реакція:
4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ + 4CO₂ + енергія
Нерозчинний гідроксид феруму(III) Fe(OH)₃ осідає, утворюючи іржаві нальоти й осади. Саме завдяки діяльності залізобактерій у залізистих джерелах і болотах накопичуються характерні руді відкладення. Протягом тисячоліть ці бактерії спричинили утворення покладів болотних і озерних залізних руд.
Безбарвні сіркобактерії
Безбарвні сіркобактерії окиснюють сірководень (H₂S) — отруйний газ, що утворюється під час гниття білків. Перший етап — окиснення H₂S до елементарної сірки:
2H₂S + O₂ → 2S + 2H₂O + енергія
Сірка відкладається в клітинах бактерій у вигляді гранул. Якщо сірководень у середовищі вичерпується, бактерії можуть окиснювати накопичену сірку далі — до сульфатної кислоти:
2S + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + енергія
Сульфатна кислота, яку утворюють сіркобактерії, прискорює вивітрювання гірських порід, а сірка, що накопичується в їхніх клітинах, бере участь в утворенні покладів самородної сірки.
Водневі бактерії
Водневі бактерії окиснюють молекулярний водень (H₂) до води:
2H₂ + O₂ → 2H₂O + енергія
Це найпростіша реакція серед хемосинтетиків. Водневі бактерії — аероби. Вони поширені в ґрунті й водоймах, на межі безкисневих шарів, де утворюється молекулярний водень, і шарів, де є кисень.
Таблиця для запам'ятовування
Група бактерій | Що окиснюють | Продукт окиснення |
|---|---|---|
Нітрифікувальні | NH₃ → HNO₂ | HNO₃ (нітратна к-та) |
Залізобактерії | Fe²⁺ | Fe³⁺ (гідроксид) |
Сіркобактерії | H₂S → S | H₂SO₄ (сульфатна к-та) |
Водневі | H₂ | H₂O |
Хемосинтезувальні бактерії виконують надзвичайно важливі функції в екосистемах. Їхня діяльність впливає на колообіги хімічних елементів, родючість ґрунту, утворення корисних копалин і навіть підтримує життя там, куди не проникає сонячне світло.
Колообіг Нітрогену
Нітрифікувальні бактерії перетворюють амоніак (NH₃), що утворюється під час гниття органічних решток, на нітратну кислоту (HNO₃), яка в ґрунті утворює нітрати. Без нітрифікувальних бактерій у ґрунті бракувало б нітратів — основної форми Нітрогену для більшості рослин (хоча рослини засвоюють і йони амонію), що знизило б родючість. Повний колообіг Нітрогену (азотфіксація → нітрифікація → засвоєння → денітрифікація) ти вивчатимеш у курсі «Екологія і біосфера».
Колообіг Сульфуру
Безбарвні сіркобактерії окиснюють отруйний сірководень (H₂S) до сірки та сульфатів, очищуючи водойми. Сульфатна кислота, яку вони утворюють, прискорює хімічне вивітрювання гірських порід. Крім того, сіркобактерії беруть участь в утворенні покладів самородної сірки.
Утворення залізних руд
Залізобактерії протягом тисячоліть відкладали нерозчинний Fe(OH)₃, що призвело до утворення покладів болотних і озерних залізних руд. Ці руди мали велике промислове значення в минулому. У сучасних водогонах залізобактерії можуть спричиняти заростання труб іржавим нальотом, що потребує очищення.
Екосистеми гідротермальних джерел
На глибині океану, біля гідротермальних джерел («чорних курців»), куди не проникає сонячне світло, хемосинтезувальні бактерії є єдиними продуцентами. Вони окиснюють сірководень і сульфіди, що вириваються з надр Землі, і синтезують органічні речовини. Цими бактеріями живляться різноманітні тварини, зокрема гігантські трубчасті черви (вестиментифери), у тілі яких бактерії живуть як симбіонти.
Застосування людиною
Нітрифікувальні бактерії використовують на станціях біологічного очищення стічних вод. Їх додають в аеротенки, щоб перетворювати амоніак, який міститься в побутових і промислових стоках, на менш токсичні нітрати.
Розгляньмо завдання у форматі НМТ на тему хемосинтезу. Вони перевіряють, чи розумієш ти суть процесу, чи знаєш групи бактерій і речовини, які вони окиснюють.
Приклад 1. Джерело енергії для хемосинтезу
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Яке джерело енергії використовують хемосинтезувальні бактерії для синтезу органічних речовин?
А) енергію сонячного світла
Б) енергію окиснення неорганічних сполук
В) енергію розщеплення готових органічних речовин
Г) енергію АТФ, отриманого від рослини-хазяїна
Розв'язання: Хемосинтез — це автотрофне живлення, за якого енергію дає окиснення неорганічних сполук (NH₃, H₂S, Fe²⁺, H₂ тощо). Варіант А — це фотосинтез, В — гетеротрофне живлення, Г — паразитизм.
Відповідь: Б.
Чому інші варіанти неправильні: А — енергія світла потрібна для фотосинтезу, а не для хемосинтезу; В — розщеплення органічних речовин характерне для гетеротрофів; Г — хемосинтетики не отримують АТФ від рослин, вони синтезують його самі.
Приклад 2. Логічні пари: група бактерій — перетворення
Завдання (логічні пари 1–4 → А–Д): Установіть відповідність між групою бактерій (1–4) і перетворенням, що дає їм енергію (А–Д).
1. Залізобактерії | А. Fe²⁺ → Fe³⁺ |
|---|---|
2. Безбарвні сіркобактерії | Б. H₂S → S |
3. Нітрифікувальні бактерії | В. NH₃ → HNO₂ → HNO₃ |
4. Водневі бактерії | Г. H₂ → H₂O |
Д. N₂ → NH₃ (зайве) |
Розв'язання: Залізобактерії окиснюють Fe²⁺ до Fe³⁺ (А). Сіркобактерії окиснюють H₂S до S (Б). Нітрифікувальні — NH₃ до HNO₃ через HNO₂ (В). Водневі — H₂ до H₂O (Г). Варіант Д (N₂ → NH₃) — це азотфіксація, яку здійснюють азотфіксатори, а не хемосинтетики.
Відповідь: 1 → А, 2 → Б, 3 → В, 4 → Г.
Приклад 3. Судження учнів
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Учень Роман і учениця Вікторія обговорюють хемосинтез. Роман: «Хемосинтезувальні бактерії — гетеротрофи, бо не мають хлорофілу». Вікторія: «Хемосинтез відкрив С. М. Виноградський». Хто має рацію?
А) лише Роман
Б) лише Вікторія
В) обидва мають рацію
Г) обидва помиляються
Розв'язання: Роман помиляється: відсутність хлорофілу не робить бактерії гетеротрофами. Хемосинтетики — автотрофи, вони самі синтезують органіку з CO₂. Вікторія має рацію: хемосинтез справді відкрив Сергій Виноградський 1887 року.
Відповідь: Б.
Приклад 4. Болотні залізні руди
Завдання (вибір однієї відповіді з чотирьох): Діяльність яких бактерій привела до утворення болотних залізних руд?
А) нітрифікувальних
Б) залізобактерій
В) бульбочкових
Г) молочнокислих
Розв'язання: Залізобактерії окиснюють Fe²⁺ до Fe³⁺, утворюючи нерозчинний Fe(OH)₃, який осідає. Протягом тисячоліть це призвело до формування покладів болотних залізних руд. Нітрифікувальні бактерії (А) окиснюють амоніак, бульбочкові (В) фіксують N₂, молочнокислі (Г) зброджують вуглеводи.
Відповідь: Б.
У темі хемосинтезу учні нерідко припускаються однотипних помилок. Ось типові з них — запам'ятай їх, щоб не втратити бали.
Вважають хемосинтетиків гетеротрофами, бо вони не мають хлорофілу. Насправді хемосинтезувальні бактерії — автотрофи: вони самі синтезують органічні речовини з CO₂, використовуючи енергію окиснення неорганічних сполук. Відсутність хлорофілу не робить організм гетеротрофом.
Плутають нітрифікувальні бактерії з азотфіксаторами. Нітрифікувальні бактерії окиснюють амоніак (NH₃) до нітратної кислоти (HNO₃), тобто до нітратів — це хемосинтез. Азотфіксатори (бульбочкові бактерії, ціанобактерії, азотобактер) зв'язують атмосферний азот (N₂) і хемосинтетиками не є.
Вважають, що хемосинтетики, як рослини, виділяють кисень. Насправді більшість хемосинтезувальних бактерій — аероби: вони споживають кисень для окиснення неорганічних сполук, а не виділяють його.
Змінюють порядок нітрифікації. Запам'ятай: спершу амоніак окиснюється до нітритів (NH₃ → HNO₂), а потім нітрити — до нітратів (HNO₂ → HNO₃). Не навпаки.
Приписують хемосинтез рослинам або грибам. Хемосинтез здійснюють лише прокаріоти — бактерії та археї. Жоден еукаріот (рослина, тварина, гриб) не здатний до хемосинтезу.
Тема хемосинтезу входить до теми 1.4 «Обмін речовин і перетворення енергії» (розділ 1) програми НМТ з біології. Від тебе вимагають знати суть хемосинтезу, класифікувати організми за джерелом енергії та карбону, а також розрізняти залізобактерії, сіркові й нітрифікувальні бактерії за речовинами, які вони окиснюють.
Формати завдань
Завдання 1–24 — вибір однієї відповіді з чотирьох (А–Г). Кожне оцінюється в 0 або 1 бал. У демоваріанті НМТ 2026 року тема 1.4 була основною в завданні № 5.
Завдання 25–28 — логічні пари (1–4 → А–Д). Одна буква зайва. Максимум — 4 бали (по 1 балу за кожну правильну пару). У демоваріанті 2026 року тема 1.4 була додатковою в завданні № 25.
Як можуть сформулювати завдання
Форма логічних пар добре підходить для співвіднесення групи бактерій із речовиною, яку вона окиснює, або організму з типом живлення. Наприклад: «Установіть відповідність між групою бактерій і перетворенням, що дає їм енергію».
Стратегія виконання
Пам'ятай: азотфіксація (N₂ → NH₃) і денітрифікація (нітрати → N₂) — не хемосинтез. Азотфіксацію здійснюють азотфіксатори, а денітрифікацію — денітрифікувальні бактерії. У завданні про хемосинтезувальні бактерії ці перетворення не зіставляються з жодною групою хемосинтетиків.
Чи можна назвати хемосинтез фотосинтезом без світла?
Частково — так, але з важливими застереженнями. І хемосинтез, і фотосинтез є автотрофними процесами, під час яких фіксується CO₂ і синтезуються органічні речовини. В обох випадках енергія запасається в АТФ і витрачається на темнові реакції. Однак джерело енергії принципово різне: у фотосинтезі — світло, у хемосинтезі — хімічні реакції. Крім того, фотосинтез виділяє кисень, а хемосинтез здебільшого споживає його. Тому хемосинтез — не просто «фотосинтез без світла», а самостійний тип живлення.
Звідки хемосинтезувальні бактерії беруть Карбон для органічних речовин?
Із вуглекислого газу (CO₂). Хемосинтезувальні бактерії — автотрофи, тому вони, як і рослини, фіксують атмосферний CO₂ і включають його в органічні сполуки (глюкозу, амінокислоти тощо). Енергію для цього процесу вони отримують, окиснюючи неорганічні речовини.
Чим нітрифікувальні бактерії відрізняються від бульбочкових?
Нітрифікувальні бактерії — хемосинтетики: вони окиснюють амоніак (NH₃) до нітратної кислоти (HNO₃), тобто до нітратів, отримуючи енергію. Вони не зв'язують атмосферний азот. Бульбочкові бактерії — азотфіксатори: вони перетворюють атмосферний азот (N₂) на амоніак (NH₃), який потім використовують рослини. Бульбочкові бактерії живуть у симбіозі з бобовими рослинами й не є хемосинтетиками.
Чи є життя там, куди не проникає сонячне світло?
Так! На глибині океану, біля гідротермальних джерел («чорних курців»), існують цілі екосистеми, де немає сонячного світла. Їхніми продуцентами є хемосинтезувальні бактерії, які окиснюють сірководень і сульфіди, що вириваються з надр Землі. Цими бактеріями живляться різноманітні тварини, зокрема гігантські трубчасті черви, молюски та краби.
Чи здійснюють хемосинтез рослини або тварини?
Ні. Хемосинтез властивий лише прокаріотам — бактеріям та археям. Рослини здійснюють фотосинтез, а тварини — гетеротрофне живлення. Жоден еукаріотичний організм не здатний до хемосинтезу.
Хемосинтез — синтез органічних речовин із CO₂ за рахунок енергії окиснення неорганічних сполук. Хемосинтетики — автотрофи.
Хемосинтез відкрив С. М. Виноградський (1887).
Нітрифікувальні бактерії: NH₃ → HNO₂ → HNO₃.
Залізобактерії: Fe²⁺ → Fe³⁺.
Сіркобактерії: H₂S → S → H₂SO₄.
Водневі бактерії: H₂ → H₂O.
Хемосинтез — лише в прокаріотів, без світла й хлорофілу, здебільшого зі споживанням O₂.
Роль: нітрати для рослин, колообіги Нітрогену й Сульфуру, поклади залізних руд і сірки, екосистеми гідротермальних джерел.
Азотфіксатори зв'язують N₂ і хемосинтетиками не є.