Chemosynteza
Chemosynteza – starszy ewolucyjnie od fotosyntezy i mniej od niej skomplikowany sposób samożywności. Przeprowadzają go organizmy nazywane chemoautotrofami, wyłącznie bakterie, których źródłem energii do asymilacji dwutlenku węgla (CO2) są reakcje utlenienia prostszych związków nieorganicznych - chemolitotrofy, lub związków organicznych (jak na przykład metan)- chemoorganotrofy. Pełni ona bardzo ważna rolę w obiegach pierwiastków ważnych biologicznie (azotu, węgla, fosforu). Tak jak u fotosyntetyzujących autotrofów, chemosynteza jest źródłem związków organicznych, czyli sześciowęglowych cukrów (jak na przykład glukoza) i ewentualnie związków trzywęglowych.
Chemosyntezę można podzielić na dwa etapy:
- utlenianie związku chemicznego (odpowiednik fazy jasnej fotosyntezy, w którym dany organizm wytwarza energię użyteczną biologicznie (ATP);
- związanie CO2 i produkcja glukozy (na tej samej zasadzie co faza ciemna fotosyntezy).
Proces materii organicznej powstałej w wyniku chemosyntezy jest znikomy. Należy jednak zaznaczyć, że istnieją całe ekosystemy hydrotermalne wenty oceaniczne, w których produkcją związków organicznych zajmują się wyłącznie bakterie chemosyntetyzujące. Jednak nawet te odległe od światła słonecznego ekosystemy nie są niezależne od fotosyntezy zachodzącej na powierzchni kontynentów i oceanów. W organizmy tworzące wyższe poziomy troficzne w wentach oceanicznych posiadają hemoglobinę i korzystają z tlenu będącego ubocznym produktem fotosyntezy.
Chemosynteza siarkowa
bakterie z rodzaju Beggiatoa (utleniają siarkowodór do czystej siarki):
2H2S + O2 → 2H2O + 2S + ENERGIA (ok. 273 kJ)
bakterie z rodzaju Thiotrix (utleniają czystą siarke do kwasu siarkowego(VI)):
2S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO4 + ENERGIA (ok. 1193 kJ)
bakterie nitryfikacyjne:
bakterie z rodzaju Nitrosomonas (wykorzystują utlenianie amoniaku do azotynów - soli kwasu azotowego(III)):
2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + ENERGIA (ok. 664 kJ)
Nitryfikacja
Nitryfikacja proces utleniania amoniaku do azotanów(III) prowadzony przez bakterie nitryfikacyjne. Azotany powstałe w tym procesie mogą zostać przyswojone przez rośliny. Proces ten zachodzi w warunkach tlenowych gdzie w pierwszym etapie I grupa bakterii nitryfikacyjnych utlenia amoniak do azotanów(III) a druga grupa bakterii utlenia powstały azotan(III) do azotanów(V). Bakterie Nitrosomonas zamieniają amoniak w postaci jonu amonowego NH4+ w azotyny (azotany(III)) NO2- według reakcji:
2 NH3 + 3 O2 → 2 HNO2 + 2 H2O + ciepło (ok. 664 kJ)
które zostają później zamienione w azotany(V) NO3- przez bakterie Nitrobacter według reakcji:
2 HNO2 + O2 → 2HNO3 + ciepło (ok. 151 kJ)
Bakterie nitryfikacyjne - bakterie aerobowe (tlenowce), które utleniają amoniak (zawarty np. w wodzie deszczowej, kurzu, sadzy, ekskrementach ptaków) do kwasów azotowego(III) i azotowego (V). Biorą one m.in. udział w procesie niszczenia partii przypowierzchniowych kamieni zabytkowych. Powstałe na skutek utlenienia kwasy rozkładają węglan wapnia obecny w kamieniach zabytkowych, a z dwutlenku węgla bakterie wykorzystują węgiel do budowy węglowodanów i szkieletu białkowego w komórkach (obecność węglanów i innych związków mineralnych wpływa dodatnio na szybkość procesu nitryfikacji).
Bakterie siarkowe - nazwa zbiorcza bakterii wykorzystujących w swoim metabolizmie utlenianie siarki. Należą one do różnych grup taksonomicznych (mogą to być nawet archeany niezaliczane obecnie do bakterii w ścisłym tego słowa znaczeniu) i mogą stosować rozmaite strategie metaboliczne. Bakterie siarkowe ułatwiają zachodzenie niektórych etapów biogeochemicznego obiegu siarki.
Czasem bakteriami siarkowymi nazywane są wszystkie bakterie (i archeany) wykorzystujące siarkę w swoim metabolizmie, także ją redukujące.
Wydziela się następujące grupy:
bezbarwne bakterie siarkowe — jako donor elektronów w oddychaniu wykorzystują siarkę na niskim stopniu utlenienia (związaną w siarkowodorze lub siarczkach). Siarka ta utleniana jest wówczas do postaci siarki cząsteczkowej lub siarczanów. Ponieważ jednym z produktów może być kwas siarkowy(VI), mogą wykazywać właściwości acydofilne. Utleniaczem może być tlen, więc bakterie te są aerobami. Utlenianie siarki (a nie promieniowanie słoneczne) jest źródłem energii, więc są chemotrofami. Donor elektronów jest nieorganiczny, więc są litotrofami. Korzystają z nieorganicznego źródła węgla, więc są autotrofami. Zatem kombinację ich strategii metabolicznych można określić jako tlenową chemolitoautotrofią. Przykładem bezbarwnych bakterii siarkowych jest Thiobacillus, podobny typ metabolizmu mają też niektóre archeany, jak Sulfolobus.
siarkowe bakterie purpurowe - jako donor elektronów wykorzystują siarkę w postaci siarczków, siarki rodzimej, tiosiarczanów (litotrofy) lub organicznej (organotrofy). Są ścisłymi beztlenowcami, źródłem energii jest światło (fototrofy), a źródłem węgla CO2 (autotrofy). Przeprowadzają więc beztlenową fotosyntezę). Warunki umożliwiające taką kombinację występują w głębszych strefach jezior, słonych bagnach, źródłach siarkowych (także gorących), matach bakteryjnych. Bakterie te tworzą układy ekologiczne z organizmami redukującymi siarczany. Przykładami purpurowych bakterii siarkowych są: Ectothiorhodospira, Chromatium, Thiocapsa, Lamprocystis, Thiodyctyon.
siarkowe bakterie zielone — od bakterii purpurowych różnią się przede wszystkim barwnikami fotosyntetycznymi, a przez to zakresem wykorzystywanego w fotosyntezie światła i głębokością występowania w wodach. Bakterie zielone mogą występować w miejscach mniej naświetlonych. Ich przykładami są: Chlorobium lub Pelodictyon.