Хемолитотрофия и автотрофия

Хемолитотрофные микробы запасают энергию за счет окисления неорганических соединений, и многие из них также автотрофно фиксируют углекислый газ, что в совокупности поддерживает жизнь в средах, лишенных органического вещества.

Definition

Хемолитотрофия — это тип метаболизма, при котором неорганические соединения служат донорами электронов для запасания энергии, а автотрофия — это использование неорганического углерода, обычно углекислого газа, в качестве основного источника углерода для биосинтеза.

Scope

Эта тема охватывает окисление неорганических доноров электронов, таких как водород, восстановленные соединения серы и азота, а также двухвалентное железо; энергетику и экологию нитрификации, окисления серы и связанных с ними процессов; а также автотрофные пути, включая цикл Кальвина, посредством которых неорганический углерод превращается в клеточный материал. В ней подчеркиваются метаболические возможности, в значительной степени ограниченные прокариотами.

Core questions

• Какие неорганические соединения могут служить источниками энергии для микробов?
• Как запасается энергия при неорганических окислениях?
• Как автотрофы фиксируют углекислый газ в клеточный материал?
• Почему хемолитотрофы важны в биогеохимических циклах?

Key concepts

• Неорганические доноры электронов
• Нитрификация и окисление серы
• Автотрофная фиксация углерода
• Цикл Кальвина и альтернативные пути фиксации
• Роль в биогеохимических циклах

Key theories

Хемолитотрофия

Виноградский установил, что некоторые микробы получают энергию путем окисления неорганических соединений, а не органического вещества, демонстрируя способ жизни, независимый от заранее сформированного органического углерода и центральный для круговорота элементов.

Mechanisms

Хемолитотрофы окисляют неорганические доноры, такие как водород, аммиак, нитрит, сульфид или двухвалентное железо, направляя высвобождающиеся электроны через транспортные цепи для генерации протон-движущей силы для синтеза АТФ. Поскольку многие такие организмы не могут использовать органический углерод, они фиксируют углекислый газ посредством автотрофных путей, таких как цикл Кальвина, который требует значительной энергии и восстановительной силы, обеспечиваемых их неорганическим метаболизмом.

Clinical relevance

Хемолитотрофные и автотрофные микробы управляют ключевыми этапами циклов азота, серы и железа, способствуют плодородию почв, коррозии и выветриванию материалов, а также поддерживают экосистемы в глубоководных гидротермальных источниках и других условиях без солнечного света или органического поступления.

History

Сергей Виноградский открыл хемолитотрофию в 1880-х годах в ходе исследований серо- и азотокисляющих бактерий, введя концепцию микробов, живущих за счет неорганических источников энергии, и основав область микробной экологии наряду с Мартином Бейеринком.

Key figures

• Sergei Winogradsky
• Martinus Beijerinck

Seminal works

• madigan2018
• willey2020

Frequently asked questions

Все ли хемолитотрофы также являются автотрофами?

Многие из них фиксируют углекислый газ для биосинтеза, но эти два признака различны. Хемолитотрофия относится к источнику энергии (неорганические соединения), тогда как автотрофия относится к источнику углерода (неорганический углерод). Некоторые организмы сочетают их, а другие нет.