Сулфурни бактерии
Откривање на големите сулфурни бактерии кои содржат нитрат
Кои се сулфурните бактерии?
Многу бактерии, како и повеќето повисоки организми, дишат со кислород и со тоа ја оксидираат („горат“) нивната храна. Но, не само органскиот материјал, како што се остатоците од растителниот и животинскиот свет, обезбедува корисна и калорична храна. Многу неоргански хемиски соединенија исто така можат да се користат и служат како главна храна за специјални бактерии. Сулфурните бактерии живеат на водород сулфид, кој го претвораат во сулфат. Во исто време тие дишат со кислород. Ова им дава енергија за целиот метаболизам и раст.
Сулфатот е еден од најважните соли во морската вода и постојано продира во морското дно. Под тенок милиметарски слој на покривање што ја покрива површината на морското дно како кожа што дише, морското дно е свет без кислород, но не и мртов. Ова е светот на бактериите што ги разградуваат органските остатоци од алги што умираат откако ќе потонат во морското дно Многу од овие бактерии дишат со сулфат, кој се претвора во водород сулфид.
Значи, постои постојана промена помеѓу сулфат и водород сулфид, што е еден од најважните циклуси на еколошки материјали во морето и гарантира дека органскиот материјал се претвора повторно во неоргански минерали и растителни хранливи соли. Огромни количини на водород сулфид се произведуваат во морското дно. За повисоките организми како риба или ракови, клучно е повторно да се распадне во морското дно пред да влезе во морската вода. Бидејќи водород сулфидот е многу токсичен, исто токсичен како и цијанидот, но тој е природен токсин. Затоа во природата има и многу бактерии кои специјализирале разградување на водород сулфид. Најпознатите од нив дишат со кислород. Тие се јавуваат скоро насекаде, во морето, во езерата, во земјата или во биореакторите и постројките за пречистување на отпадни води каде што се третираат отпадните води.
Особено во нашите крајбрежни води, каде што испуштањето на азотни хранливи соли нагло се зголеми во последните децении, зголемената содржина на нитрати доведува до зголемено производство на алги, што пак предизвикува остатоци од органски алги да потонат во морското дно. Пред сè, ова го стимулира сулфатното дишење, а производството на водород сулфид се зголемува уште повеќе, сè додека не може оксидира со истовремено опаѓање на содржината на кислород во морската вода. Тогаш сулфурните бактерии ја завземаат сцената и шират бел чаршав над дното на црното море. Ова е тенок слој на сулфурна бактерија слична на конец наречена Бегјатоа, на која прекршувањето на светлината во безброј капки сулфур во нивните клетки им дава бел сјај. Тие се последната бариера против бегството на водород сулфид од морското дно и го користат кислородот во морската вода за да го направат тоа. Ова беше нивната позната функција сè до нашето откривање на нитратни вакуоли во сулфурните бактерии.
Повеќето бактерии се со големина од еден до неколку микрометри (илјадити дел од милиметарот). Постојат добри причини за тоа. Бактериите можат да ја апсорбираат нивната храна само од нивната водна средина во форма на растворени супстанции. Ако бактериите станат преголеми, навлегувањето е премногу бавно бидејќи клетките немаат внатрешен систем на транспорт (на пр. Циркулација) и гладуваат. Затоа, големите бактерии се реткост во дивината. Бактериите големи како неодамна откриената тиомаргарита (Шулц и сор., Наука, 16 април 1999 година) всушност не треба да можат да постојат. Ова е можно само затоа што тие имаат посебна клеточна структура.
Активниот дел од клетката на овие големи сулфурни бактерии се состои од тенка обвивка од цитоплазма која затвора голема, сферична вакуола. Цитоплазматскиот слој е дебел само неколку микрометри, што одговара на големината на нормалните бактерии. Тиомаргарита обезбедува транспорт на супстанции во клетката и покрај нивната големина. Вакуолата е како балон исполнет со вода - многу уникатна структура меѓу бактериите. Служи како резервоар за складирање на нитрат, кој овие бактерии го користат за дишење. Како респираторен агенс, нитратот е во принцип подеднакво добар како и кислородот, но има голема предност што може да се чува зад клеточната мембрана, додека кислородот неизбежно исчезнува како гас. Како нуркач со шишиња со компримиран воздух, тиомаргарита може да дише со својата продавница за нитрати со месеци пред да им треба ново снабдување однадвор. Со овој нитрат, бактериите оксидираат водород сулфид, кој постојано се произведува во околното морско дно, во кое тие се неподвижни. Потоа, наизменично им е потребен нитрат повторно и зависат од морската вода што содржи нитрати и продира во морското дно преку струите и пумпната активност на атлантските бранови.
Тиомаргарита исто така има блиски роднини кои се подвижни нишки наместо неподвижни топчиња, на пр. Тиоплока. Овие формираат најголеми видливи бактериски заедници во светот на пацифичкиот брег на Јужна Америка. Тука постои природно оплодување на морето, бидејќи длабоката вода богата со нитрати од Пацификот се движи нагоре од СЕ ветерот, но и постојан недостаток на кислород на дното на водената колона. Тиоплока формира душеци на морското дно преку крајбрежје од 3000 км. Душеците се плетат заедно од лигави обвивки на тиоплока и достигнуваат маса од 1 кг свежа тежина на метар квадратен. Многу нишки на бактерии живеат заедно во секоја школка, која се протега во морското дно како вертикален тунел. Ова предизвикува постојано лизгање на бактериите нагоре и надолу. Тенките бактериски нишки долги до 7 см се протегаат во морската вода, каде што извлекуваат нитрат од водата за да дишат. Со полни резервоари за складирање, тие се лизгаат надолу низ нивните тунели во морското дно, каде што другите бактерии произведуваат интензивно производство на водород сулфид. Овој водород сулфид е нивна храна и целосно се претвора во тиоплоката.
Овој начин на живот за прв пат го откривме пред четири години на истражувачко патување покрај чилеанскиот брег. Но, откако бактериската вакуола беше препознаена како резервоар за нитрат, ние и другите истражувачи го пронајдовме овој феномен и во други бактерии, и секогаш во големи сулфурни бактерии, сите тесно поврзани едни со други. На топлите извори во тектонските зони на ширење на дното на морското дно, живеат и густи душеци на слободни живи, сулфурни бактерии слични на конец од родот Бегјатоа. Нејзините индивидуални клетки се многу помали од оние на тиомаргарита, но повеќеклеточните бактериски нишки се доволно големи (со дијаметар од една десетина милиметри и долги неколку сантиметри) што може да се видат со голо око од прозорецот на длабокото море потопување, АЛВИН.
Сулфурните бактерии кои чуваат нитрати не се наоѓаат само на локации што се егзотични за нас. По неговото откритие во Чиле, го баравме овој имот во родната Беџијатоа во Балтичко Море и всушност го најдовме. Значи, се чини како широко распространета адаптација што се претпоставува дека може да се најде каде било во океаните сега кога знаеме што бараме. Карактеристики се големината на клетката, блескавите сулфурни гранули и очигледно празната внатрешност на клетките. Распространетата дистрибуција на оваа група бактерии исто така значи дека нивниот метаболизам игра соодветно важна улога во циклусите на еколошки материјали. Поради оксидација на водород сулфид со нитрат во овие бактерии, материјалните циклуси на сулфур и нитрат се споени на некој начин, чии последици сè уште не можеме да ги превидиме.
Бо Б. Јиргенсен
Институт за морска микробиологија Макс Планк