http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=d5edacc8-5699-4573-925d-c435a2937a8f&print=1
© 2021 Российская академия наук

«Когда вмешивается человек, равновесие процессов нарушается»

15.09.2021



Что такое круговорот серы, почему изучение серы сегодня важно для устойчивого развития и какие интересные открытия совершили российские ученые в области серного метаболизма — рассказывает Елизавета Александровна Бонч-Осмоловская, доктор биологических наук, заведующая отделом биологии экстремофильных микроорганизмов и главный научный сотрудник Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» Российской академии наук. Материал подготовлен в рамках специального проекта Российской академии наук и издания InScience.News.

Все знают про круговорот воды в природе, а круговорот серы история неизбитая. Какую роль она играет в живых организмах, и что вообще собой представляет круговорот серы?

— Помимо круговорота воды в природе, который проходят в младших классах средней школы, существуют циклы всех элементов, в первую очередь, биогенных — углерода, азота и других. Среди них и сера. Она входит в состав некоторых аминокислот и, соответственно, в состав белков. То есть сера в небольших количествах присутствует во всех живых организмах. Но основной вклад в цикл серы вносят прокариоты (безъядерные микроорганизмы, к которым относятся бактерии и археи). Так называемые литотрофные микроорганизмы способны использовать энергию неорганических соединений, и среди них есть такие, которые окисляют соединения серы, в первую очередь сероводород. Литотрофия (другое название этого явления — хемосинтез) была открыта нашим великим соотечественником С.Н. Виноградским в конце XIX века именно на примере сероокисляющих бактерий. Также прокариоты способны в процессе дыхания использовать иные, чем кислород, окислители. В том числе и сульфат, в результате чего образуется сероводород (так называемый процесс сульфатредукции). Эта реакция происходит в анаэробных условиях, например в толще осадков, где идет активное разложение органического вещества. Образовавшийся сероводород, попадая в аэробную зону, может окисляться химически или биологически — сероводород-окисляющими бактериями до серы, тиосульфата и, в конечном итоге, до сульфата. И, таким образом, цикл серы замыкается.

Почему эта тема сейчас актуальна?

— В природных экосистемах все сбалансировано, но, когда вмешивается человек, равновесие процессов нарушается. Например, с речным стоком в моря попадает большое количество удобрений, содержащих азот и фосфор, происходит цветение воды — массовый рост одноклеточных водорослей и цианобактерий. Их органическое вещество попадает в донные осадки, кислород быстро исчерпывается, и разложение этой избыточной органики идет с образованием сероводорода, ведь сульфата в морской воде очень много. Образовавшийся сероводород связывает кислород, образуются бескислородные зоны, губительные для организмов с кислородным дыханием. Да и сам сероводород является ядом. На городских свалках в глубинных слоях идет образование сероводорода, причем сульфат поступает из гипса – компонента попадающих туда стройматериалов. Таких примеров можно привести много.

Как были связаны с вопросом эволюции метаболизма соединения серы непосредственно ваши работы? Каковы были методы исследования, и какие трудности сейчас могут возникнуть у ученых, которые занимаются этим вопросом?

— Наша лаборатория занимается исследованием термофильных микроорганизмов, развивающихся в горячих источниках вулканического происхождения, наземных или морских. Там сероводород имеет не биологическое, как в остальных местообитаниях, а вулканическое, то есть абиогенное происхождение. Поэтому многие термофильные прокариоты используют соединения серы в своем метаболизме либо как источник энергии, либо как окислитель при анаэробном дыхании. Мы выделили много новых бактерий и архей, которые, например, в процессе жизнедеятельности окисляют молекулярный водород, восстанавливая элементную серу в сероводород, или окисляют органические соединения разной сложности, восстанавливая серу, тиосульфат, сульфит или сульфат опять же в сероводород. Не так давно мои коллеги описали новый для термофильных микроорганизмов процесс — диспропорционирование соединений серы, при котором один атом серы окисляется, а другой восстанавливается. То есть из элементной серы So образуется сероводород и сульфат, и за счет этого микроорганизм размножается, делятся его клетки. Углерод для построения этих клеток он берет из углекислоты, которой тоже много в гидротермах. То есть ему ничего не надо для жизни, кроме серы, СО2, ну и немножечко минеральных солей – азота, фосфора. Еще интересная работа – мы показали, что у архей существует свой механизм сульфатредукции, с другими ферментами, и это означает, что этот такой важный для нашей планеты процесс появился гораздо раньше, чем мы исходно предполагали.

Еще есть и совершенно особенные археи и бактерии, которые осуществляют цикл серы и в других экстремальных местообитаниях, например соленых лагунах и содовых озерах.

Что сегодня представляет собой эволюция метаболизма соединений серы?

— Эволюция — процесс очень медленный, и мы не знаем, что она из себя представляет сегодня. Я бы говорила скорее об эволюции наших знаний о микроорганизмах цикла серы, а они все время расширяются. Например, недавно были открыты бактерии, существующие в виде цепочек клеток, расположенных в морских осадках вертикально, и одним концом находящихся в сероводородной зоне, а другим – в кислородной. Клетки передают электроны от одной к другой, сверху вниз, таким образом окисляют сероводород кислородом воздуха и получают энергию для жизнедеятельности. Но они существовали с очень давних времен, просто мы о них ничего не знали.

Какое влияние будет иметь этот процесс на экологическую ситуацию, например, в России? Какое практическое применение имеют сведения о круговороте серы в природе?

— Думаю, что я уже частично ответила на этот вопрос. В России мы только начали заниматься утилизацией бытовых отходов, очистка промышленных стоков тоже пока еще далека от совершенства. Везде, где органические отходы встречаются с сульфатами в отсутствие кислорода, образуется сероводород, убивающий все живое, кроме микробов, конечно, которые тоже не всегда могут с ним справиться.