Сярна бактерия
Откриването на големите серни бактерии, съхраняващи нитрати
Какво представляват сярните бактерии?
Много бактерии, както повечето висши организми, дишат с кислород и по този начин окисляват („изгарят“) храната си. Но не само органичният материал, като останки от растителния и животинския свят, осигурява полезна и висококалорична храна. Много неорганични химични съединения също могат да се използват и да служат като основна храна за специални бактерии. Сярните бактерии живеят върху сероводород, който превръщат в сулфат. В същото време дишат с кислород. Това им дава енергия за целия им метаболизъм и растеж.
Сулфатът е една от най-важните соли в морската вода и непрекъснато прониква в морското дъно. Под тънкия милиметър покривен слой, който покрива повърхността на морското дъно като дишаща кожа, морското дъно е свят без кислород, но не и мъртъв. Много от тези бактерии дишат със сулфат, който се превръща в сероводород.
Така че има постоянна промяна между сулфат и сероводород, което е един от най-важните екологични цикли в морето и гарантира, че органичният материал се превръща обратно в неорганични минерали и растителни хранителни соли. В морското дъно се произвеждат огромни количества сероводород. За висшите организми като риби или ракообразни е от решаващо значение той да се разгради отново в морското дъно, преди да попадне в морската вода. Тъй като сероводородът е силно токсичен, също толкова токсичен, колкото цианидът, но е естествен токсин. Ето защо в природата има и много бактерии, специализирани в разграждането на сероводорода. Най-известните от тях дишат с кислород. Те се срещат почти навсякъде, в морето, в езерата, в земята или в биореакторите и пречиствателните станции, където се пречистват отпадъчните води.
По-специално в нашите крайбрежни води, където изхвърлянето на азотни хранителни соли се е увеличило рязко през последните десетилетия, повишеното съдържание на нитрати води до повишено производство на водорасли, което от своя страна води до по-силно потъване на остатъците от органични водорасли към морското дъно. Това стимулира предимно сулфатното дишане и производството на сероводород се увеличава още повече, докато трудно може да се окисли с едновременно намаляващото съдържание на кислород в морската вода. След това сярните бактерии завземат сцената и разстилат бял чаршаф над черно морско дъно. Това е тънък слой нишковидни сярни бактерии, наречени Beggiatoa, към които пречупването на светлината в безброй капки сяра в клетките им придава бял блясък. Те са последната бариера срещу изтичането на сероводород от морското дъно и за това използват кислорода в морската вода. Това беше тяхната известна функция до нашето откриване на нитратни вакуоли в сярните бактерии.
Повечето бактерии са с размер от един до няколко микрометра (хилядни от милиметъра). Има основателни причини за това. Бактериите могат да абсорбират храната си само от водната среда под формата на разтворени вещества. Ако бактериите станат твърде големи, абсорбцията е твърде бавна, тъй като клетките нямат вътрешна транспортна система (например циркулация) и те гладуват. Следователно големите бактерии са рядкост в дивата природа. Бактерии с големи размери наскоро откритата тиомаргарита (Schulz et al., Science, 16 април 1999 г.) всъщност не би трябвало да съществуват. Това е възможно само защото те имат специална клетъчна структура.
Активната част на клетката на тези големи сярни бактерии се състои от тънка обвивка от цитоплазма, която затваря голяма сферична вакуола. Цитоплазменият слой е с дебелина само няколко микрометра, което съответства на размера на нормалните бактерии. Тиомаргаритата осигурява транспортирането на вещества в клетката въпреки техния размер. Вакуолата е като балон, пълен с вода - много уникална структура сред бактериите. Той служи като резервоар за съхранение на нитрати, които тези бактерии използват за дишане. Като дихателен агент нитратът по принцип е също толкова добър, колкото кислорода, но има голямото предимство, че може да се съхранява зад клетъчната мембрана, докато кислородът неизбежно излиза като газ. Подобно на водолаз с бутилки със сгъстен въздух, тиомаргаритата може да диша с магазина си за нитрати в продължение на месеци, преди да се нуждае от ново снабдяване отвън. С този нитрат бактериите окисляват сероводорода, който непрекъснато се произвежда в околното морско дъно, в което те са неподвижни. След това те редуват отново нитрат и са зависими от морската вода, съдържаща нитрати, проникващи в морското дъно чрез теченията и помпената активност на атлантическите вълни.
Тиомаргарита също има близки роднини, които са подвижни нишки вместо неподвижни топки, напр. тиоплоката. Те образуват най-големите видими бактериални съобщества в света на тихоокеанското крайбрежие на Южна Америка. Тук има естествено оплождане на морето, тъй като богатата на нитрати дълбока вода от Тихия океан се издига от югоизточния вятър, но също така и от постоянна липса на кислород в дъното на водния стълб. Тиоплока образува постелки на морското дъно над брегова линия от 3000 км. Подложките се сплитат от лигави обвивки на тиоплоката и достигат маса от 1 кг прясно тегло на квадратен метър. Много нишки от бактерии живеят заедно във всяка черупка, която се простира надолу в морското дъно като вертикален тунел. Това кара бактериите да се плъзгат постоянно нагоре и надолу. Тънките бактериални нишки с дължина до 7 см се простират в морската вода, където получават нитрати от водата за дишането си. С пълните си резервоари те се плъзгат през тунелите си в морското дъно, където други бактерии произвеждат интензивно производство на сероводород. Този сероводород е тяхното подхранване и се преобразува изцяло от тиоплоката.
Открихме този начин на живот за първи път преди четири години по време на изследователско пътуване край чилийското крайбрежие. Но след като бактериалната вакуола беше призната за резервоар за нитрати, ние и други изследователи открихме това явление и при други бактерии и винаги при големи сярни бактерии, всички те са тясно свързани помежду си. В горещите извори в тектонските зони за разпространение на дълбокото морско дъно също живеят дебели постелки от свободно живеещи, подобни на конци сярни бактерии от рода Beggiatoa. Отделните му клетки са много по-малки от тези на тиомаргаритата, но многоклетъчните бактериални нишки са достатъчно големи (една десета от милиметъра в диаметър и няколко сантиметра дължина), за да могат да се видят с невъоръжено око от прозореца на дълбоководната подводница, ALVIN.
Съхраняващите нитрати сярни бактерии не се намират само на екзотични за нас места. След откриването му в Чили, потърсихме този имот в родния Беджиатоа в Балтийско море и всъщност го намерихме. Така че изглежда като широко разпространена адаптация, която може да се намери навсякъде в океаните сега, когато знаем какво търсим. Характеристиките са размерът на клетките, светещи гранули на сяра и очевидно празна вътрешност на клетката. Широкото разпространение на тази група бактерии също означава, че техният метаболизъм играе съответно важна роля в екологичните цикли на материала. Чрез окисляването на сероводород с нитрат в тези бактерии, материалните цикли на сяра и нитрат се свързват по начин, последствията от който все още не можем да пренебрегнем.
Бо Б. Йоргенсен
Институт по морска микробиология Макс Планк