Bacteria oxidation of elemental sulfur and sulfate-reducing
No Thumbnail Available
Date
2010
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Abstract
Description
Sulfur is the chemical element in the periodic table that has the symbol S and atomic number 16, it is an non-metal. Sulfur, in its native form, is a bright yellow crystalline solid. In nature, it can be found as the pure element and as sulfide and sulfate minerals. It is an essential element for life and is found in amino acids: cystine, cystine and methionine. Its commercial uses are primarily in fertilizers, but it is also widely used in black gunpowder, matches, insecticides and fungicides. The sulfur allotropes form several crystal structures, with rhombic and monoclinic S8 best known. In Poland deposit of sulfur in native form, was found in near Tarnobrzeg (Piaseczno, Machów, Jeziórko but Osiek), in near Staszów (Grzybów) and near Lubaczów. Elemental sulfur can be found near hot springs and volcanic regions in many parts of the world, especially along the Pacific Ring of Fire. Such volcanic deposits are currently mined in Indonesia, Chile, and Japan. Elemental sulfur is non-toxic, but it can burn, producing sulfur dioxide. Sulfur dioxide is sufficiently safe to be used as a food additive in small amounts, at high concentrations it harms the lungs, eyes or other tissues. Sulfur trioxide and sulfuric acid are similarly highly corrosive, due to the strong acids that form on contact with water (sulfuric acid – H2SO4 and sulfurous acid – H2SO3). These acids are components of acid rain, which lower the pH of soil, sometimes resulting in substantial damage to the environment and chemical weathering of statues and structures. Sulfur is an essential component of all living cells. Sulfur is absorbed by plants via the roots from soil as the sulfate and transported as a phosphate ester. Sulfate is reduced to sulfide via sulfite before it is incorporated into cysteine and other organosulfur compounds. Elemental sulfur is mainly used as a precursor to other chemicals. In plants and animals the amino acids cysteine, cystine and methionine contain sulfur, as do all polypeptides, proteins, and enzymes that contain these amino acids. Sulfur may also serve as energy source (chemical food) for bacteria that use hydrogen sulfide (H2S) in the place of water as the electron donor in a primitive photosynthesis-like process in which oxygen is the electron receptor. The photosynthetic green and purple sulfur bacteria and some chemolithotrophs use elemental oxygen to carry out such oxidization of hydrogen sulfide to produce elemental sulfur (So). The so-called sulfur bacteria, use sulfur as the electron acceptor, and reduce various oxidized sulfur compounds back into sulfide, often into hydrogen sulfide. They also can grow on a number of other partially oxidized sulfur compounds (e.g. thiosulfates, thionates, polysulfides, sulfites). The hydrogen sulfide produced by these bacteria is responsible for the smell of some intestinal gases and decomposition products. Biological oxidation of hydrogen sulfide to sulfate is one of the major reactions of the global sulfur cycle. Reduced inorganic sulfur compounds (referred to below as sulfur) are exclusively oxidized by prokaryotes, and sulfate is the major oxidation product. Sulfur oxidation in members of
the Eukarya is mediated by lithoautotrophic bacterial endosymbionts. The sulfur-oxidizing prokaryotes are phylogenetically diverse. In the domain Archaea aerobic sulfur oxidation is restricted to members of the order Sulfolobales, and in the domain Bacteria sulfur is oxidized by aerobic lithotrophs or by anaerobic phototrophs. Prokaryotes oxidize hydrogen sulfide, sulfur, sulfite, thiosulfate, and various polythionates under alkaline, neutral, or acidic conditions. Aerobic sulfur-oxidizing prokaryotes belong
to genera like Acidianus, Acidithiobacillus, Aquaspirillum, Aquifex, Bacillus, Beggiatoa, Methylobacterium, Paracoccus, Pseudomonas, Starkeya, Sulfolobus, Thermithiobacillus, Thiobacillus, and Xanthobacter and are mainly mesophilic. Phototrophic anaerobic sulfuroxidizing bacteria are mainly neutrophilic and mesophilic and belong to genera like Allochromatium (formerly Chromatium, Chlorobium, Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodovulum, and Thiocapsa. Lithoautotrophic growth in the dark has been described for Thiocapsa roseopersicina, Allochromatium vinosum, and other purple sulfur bacteria.
Siarka jest pierwiastkiem chemicznym, który w układzie okresowym jest oznaczony symbolem S i liczbą atomową 16; nie jest ona metalem. Siarka jest formą rodzimą, jasno krystaliczna, stała. W naturze może być znaleziona jako czysty minerał lub jako siarczki i siarczany. Jest ona pierwiastkiem koniecznym do życia i występuje w postaci aminokwasów: cysteiny, cystyny i metioniny. Komercjalnie używana jest w nawozach, ale także w materiałach wybuchowych, zapałkach, insektycydach i fungicydach. Najbardziej znane alotropowe odmiany krystalicznej siarki, to siarka rombowa i monocykliczna (S8). W Polsce złoża siarki w stanie rodzimym występują w okolicach Tarnobrzega (Piaseczno, Machów, Jeziórko oraz Osiek), w rejonie Staszowa (Grzybów) oraz koło Lubaczowa. Siarka elementarna występuje w okolicach ciepłych źródeł i rejonów wulkanicznych w różnych stronach świata, zwłaszcza wzdłuż pacyficznego pierścienia ognia. Takimi wulkanicznymi terenami są obecnie kopalnie w Indonezji, Chile i w Japonii. Elementarna siarka nie jest toksyczna, ale może być palna, wytwarzając tlenek siarki. Tlenek siarki jest dostatecznie bezpieczny i może być używany w małych ilościach jako dodatek do żywności; przy wysokiej koncentracji uszkadza płuca, oczy i inne tkanki. Tlenek siarki i kwas siarkowy są wysoce korozyjne z powodu tworzenia silnych kwasów w kontakcie z wodą (kwas siarkowy – H2SO4 i kwas siarkawy – H2SO3). Kwasy te są składnikami kwaśnych deszczów, które obniżają pH gleby, powodują chemiczne wietrzenie pomników i konstrukcji, a czasami są przyczyną pokaźnych uszkodzeń w środowisku. Siarka to podstawowy składnik wszystkich żywych komórek. Jest ona absorbowana przez rośliny drogą korzeniową z gleby w postaci siarczanów i transportowana jako ester fosforanowy. Siarczany są redukowane do siarczków przez siarczyny przed ich wbudowaniem w cysteinę i inne związki organiczne siarki. Siarka elementarna jest używana głównie jako prekursor innych związków. U roślin i zwierząt siarka występuje w postaci aminokwasów – cysteiny, cystyny i metioniny, które znajdują się również we wszystkich polipeptydach, białkach i enzymach. Siarka może być także źródłem energii dla bakterii, które używają siarkowodoru (H2S) w miejsce wody jako donor elektronu w prymitywnych procesach podobnych do fotosyntetycznych, w których tlen jest akceptorem elektronu. Fotosyntetyczne zielone i purpurowe bakterie siarkowe i niektóre chemolitotrofy używają tlenu do utleniania siarkowodoru do siarki elementarnej (S0). Bakterie siarkowe używają siarki jako akceptora elektronu i redukują różne utlenione związki siarki do siarczków, często do siarkowodoru. One także mogą wykorzystywać inne częściowo utlenione związki siarki (np. tiosiarczany, tionaty, polisiarczki, siarczki). Siarkowodór wytwarzają bakterie odpowiedzialne za jelitowe zapachy i produkty rozkładu. Biologiczne utlenianie siarkowodoru do siarczanów jest jedną z największych reakcji globalnego cyklu siarki. Zredukowane nieorganiczne związki siarki są utleniane przez prokarionty a siarczany są produktem utleniania. W utlenianiu siarki przez Eukarya pośredniczą litoautotroficzne bakterie endosymbiotyczne. Utlenianie siarki przez prokarionty jest filogenetycznie różne. W obrębie domeny Archaea tlenowe utlenianie siarki jest ściśle przeprowadzane przez rząd (order) Sulfolobales, natomiast w obrębie domeny Bacteria siarka jest utleniana przez tlenowe litotrofy lub przez beztlenowe fototrofy. Prokarionty utleniają siarkowodór, siarkę, siarczyny, tiosiarczany i różne politionaty w alkalicznych, neutralnych lub kwaśnych warunkach. Tlenowe utlenianie siarki przez prokarionty należy do rodzajów: Acidianus, Acidithiobacillus, Aquaspirillum, Aquifex, Bacillus, Beggiatoa, Methylobacterium, Paracoccus, Pseudomonas, Starkeya, Sulfolobus, Thermithiobacillus, Thiobacillus i Xanthobacter i są to głównie mezofile. Fototropiczne beztlenowe bakterie utleniające siarkę to głównie neutrofile i mezofile należące do rodzaju Allochromatium (formalnie Chromatium, Chlorobium, Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodovulum i Thiocapsa. Litotroficzny wzrost w ciemności będzie opisany dla Thiocapsa roseopersicina, Allochromatium vinosum i innych purpurowych bakterii siarkowych.
Siarka jest pierwiastkiem chemicznym, który w układzie okresowym jest oznaczony symbolem S i liczbą atomową 16; nie jest ona metalem. Siarka jest formą rodzimą, jasno krystaliczna, stała. W naturze może być znaleziona jako czysty minerał lub jako siarczki i siarczany. Jest ona pierwiastkiem koniecznym do życia i występuje w postaci aminokwasów: cysteiny, cystyny i metioniny. Komercjalnie używana jest w nawozach, ale także w materiałach wybuchowych, zapałkach, insektycydach i fungicydach. Najbardziej znane alotropowe odmiany krystalicznej siarki, to siarka rombowa i monocykliczna (S8). W Polsce złoża siarki w stanie rodzimym występują w okolicach Tarnobrzega (Piaseczno, Machów, Jeziórko oraz Osiek), w rejonie Staszowa (Grzybów) oraz koło Lubaczowa. Siarka elementarna występuje w okolicach ciepłych źródeł i rejonów wulkanicznych w różnych stronach świata, zwłaszcza wzdłuż pacyficznego pierścienia ognia. Takimi wulkanicznymi terenami są obecnie kopalnie w Indonezji, Chile i w Japonii. Elementarna siarka nie jest toksyczna, ale może być palna, wytwarzając tlenek siarki. Tlenek siarki jest dostatecznie bezpieczny i może być używany w małych ilościach jako dodatek do żywności; przy wysokiej koncentracji uszkadza płuca, oczy i inne tkanki. Tlenek siarki i kwas siarkowy są wysoce korozyjne z powodu tworzenia silnych kwasów w kontakcie z wodą (kwas siarkowy – H2SO4 i kwas siarkawy – H2SO3). Kwasy te są składnikami kwaśnych deszczów, które obniżają pH gleby, powodują chemiczne wietrzenie pomników i konstrukcji, a czasami są przyczyną pokaźnych uszkodzeń w środowisku. Siarka to podstawowy składnik wszystkich żywych komórek. Jest ona absorbowana przez rośliny drogą korzeniową z gleby w postaci siarczanów i transportowana jako ester fosforanowy. Siarczany są redukowane do siarczków przez siarczyny przed ich wbudowaniem w cysteinę i inne związki organiczne siarki. Siarka elementarna jest używana głównie jako prekursor innych związków. U roślin i zwierząt siarka występuje w postaci aminokwasów – cysteiny, cystyny i metioniny, które znajdują się również we wszystkich polipeptydach, białkach i enzymach. Siarka może być także źródłem energii dla bakterii, które używają siarkowodoru (H2S) w miejsce wody jako donor elektronu w prymitywnych procesach podobnych do fotosyntetycznych, w których tlen jest akceptorem elektronu. Fotosyntetyczne zielone i purpurowe bakterie siarkowe i niektóre chemolitotrofy używają tlenu do utleniania siarkowodoru do siarki elementarnej (S0). Bakterie siarkowe używają siarki jako akceptora elektronu i redukują różne utlenione związki siarki do siarczków, często do siarkowodoru. One także mogą wykorzystywać inne częściowo utlenione związki siarki (np. tiosiarczany, tionaty, polisiarczki, siarczki). Siarkowodór wytwarzają bakterie odpowiedzialne za jelitowe zapachy i produkty rozkładu. Biologiczne utlenianie siarkowodoru do siarczanów jest jedną z największych reakcji globalnego cyklu siarki. Zredukowane nieorganiczne związki siarki są utleniane przez prokarionty a siarczany są produktem utleniania. W utlenianiu siarki przez Eukarya pośredniczą litoautotroficzne bakterie endosymbiotyczne. Utlenianie siarki przez prokarionty jest filogenetycznie różne. W obrębie domeny Archaea tlenowe utlenianie siarki jest ściśle przeprowadzane przez rząd (order) Sulfolobales, natomiast w obrębie domeny Bacteria siarka jest utleniana przez tlenowe litotrofy lub przez beztlenowe fototrofy. Prokarionty utleniają siarkowodór, siarkę, siarczyny, tiosiarczany i różne politionaty w alkalicznych, neutralnych lub kwaśnych warunkach. Tlenowe utlenianie siarki przez prokarionty należy do rodzajów: Acidianus, Acidithiobacillus, Aquaspirillum, Aquifex, Bacillus, Beggiatoa, Methylobacterium, Paracoccus, Pseudomonas, Starkeya, Sulfolobus, Thermithiobacillus, Thiobacillus i Xanthobacter i są to głównie mezofile. Fototropiczne beztlenowe bakterie utleniające siarkę to głównie neutrofile i mezofile należące do rodzaju Allochromatium (formalnie Chromatium, Chlorobium, Rhodobacter, Rhodopseudomonas, Rhodovulum i Thiocapsa. Litotroficzny wzrost w ciemności będzie opisany dla Thiocapsa roseopersicina, Allochromatium vinosum i innych purpurowych bakterii siarkowych.
Keywords
sulfur, bacteria, oxidation of sulfur, sulfate-reducing, siarka, bakterie, utlenianie siarki, redukcja siarczanów
Citation
Monografie i Rozprawy Naukowe, 27, ss. 145