Chemosinteza

Plantele verzi folosesc lumina pentru a produce substanțe organice, dar unele microorganisme pot obține energia din reacții chimice. Când folosesc această energie pentru a fixa dioxidul de carbon și a construi substanțe organice, procesul se numește chemosinteză. Nu este o formă de fotosinteză „fără soare”; sursa energiei este alta.

Unele bacterii transformă compuși ai azotului, de exemplu amoniul în nitriți sau nitriții în nitrați. Energia eliberată le poate susține creșterea și fixarea carbonului. Alte microorganisme folosesc compuși reduși ai sulfului sau fierului. Astfel de procese sunt importante în circuitul substanțelor din sol și apă. În medii fără lumină, inclusiv în apropierea unor izvoare hidrotermale, microorganismele care folosesc energie chimică pot sta la baza unor rețele de hrană.

Nu toate microorganismele care obțin energie din substanțe chimice sunt automat chemosintetizatoare. Unele consumă substanțe organice gata formate, așa cum fac și animalele. Pentru a recunoaște chemosinteza, pune două întrebări: „De unde vine energia?” și „De unde vine carbonul pentru moleculele organice?”. Dacă energia vine din reacții chimice ale compușilor anorganici, iar carbonul din $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, ai exemplul clasic de organism chemoautotrof. Grupele chemosintetizante se deosebesc și prin substanța pe care o transformă.

Chemosinteza este sinteza substanțelor organice din $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și apă cu energia obținută prin oxidarea unor substanțe anorganice. Organismele care o realizează sunt chemoautotrofe. Energia oxidării formează ATP, iar $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ este redus la glucide. Procesul se petrece fără lumină, dar are nevoie de un compus oxidabil și, de regulă, de oxigen.

Nitrosomonas oxidează amoniacul la nitrit, iar Nitrobacter oxidează nitritul la nitrat. Metanogenele trăiesc fără oxigen și, în clasificarea actuală, sunt arhee, nu bacterii.

Exemplu rezolvat 1: stoichiometria nitrificării. Ce masă de oxigen se consumă și ce masă de acid azotic ($\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$) se formează din 34 g de amoniac? ($M_{\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3}=17$; $M_{{\mathrm{O}}_2}=32$; $M_{\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3}=63$ g/mol)

1. $\nu (\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3)=34/17=2$ mol.
2. Prima etapă: $2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+3{\mathrm{O}}_2\to 2\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Pentru 2 mol $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ se consumă 3 mol ${\mathrm{O}}_2$ și se formează 2 mol $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_2$.
3. A doua etapă: $2\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}_2\to 2\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$. Pentru 2 mol $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_2$ se consumă 1 mol ${\mathrm{O}}_2$ și se formează 2 mol $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$.
4. Total: 4 mol ${\mathrm{O}}_2$, adică $4\cdot 32=128$ g; $2\cdot 63=126$ g $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$.

Exemplu rezolvat 2: clasificarea după sursa de energie și de carbon. Încadrează Nitrosomonas, Spirogyra (algă verde), Escherichia coli și Beggiatoa.

1. Se întreabă de unde vine energia (lumină sau reacții chimice) și de unde vine carbonul ($\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ sau substanțe organice).
2. Spirogyra: lumină și $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ – fotoautotrofă.
3. Escherichia coli: reacții chimice cu substanțe organice și carbon organic – chemoheterotrofă.
4. Nitrosomonas și Beggiatoa: reacții de oxidare a unor compuși anorganici (amoniac, respectiv hidrogen sulfurat) și $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ – chemoautotrofe.

Rolul în natură. Nitrificatoarele transformă amoniul din descompunerea resturilor în nitrați, forma în care plantele absorb azotul. Bacteriile sulfuroase susțin comunitățile din izvoarele hidrotermale de adâncime, unde viermii tubicoli Riftia găzduiesc astfel de bacterii. În Peștera Movile, de lângă Mangalia, descoperită în 1986, un ecosistem întreg depinde de chemosinteză.

Chemosinteza a fost descoperită de Serghei Winogradski, care a studiat în 1887 bacteriile sulfuroase. Față de fotosinteză, sursa de energie este reacția chimică, nu lumina; donatorul de electroni nu este apa, ci ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}$, $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$, $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$ sau ${\mathrm{H}}_2$; nu se eliberează oxigen, ci se consumă oxigen în majoritatea grupelor; iar organismele nu au clorofilă.

Nitrificarea cere sol aerat și pH apropiat de neutru; într-un sol inundat lipsește oxigenul, nitrificarea se oprește și azotul rămâne sub formă de amoniu. Bacteriile sulfuroase din genul Beggiatoa formează pelicule albe pe sedimentele bogate în hidrogen sulfurat, de exemplu în nămolurile din bălți. Ferobacteriile pot depune, în mlaștini, hidroxid de fier. Metanogenele sunt folosite în instalațiile de biogaz, unde descompunerea anaerobă a deșeurilor organice produce metan.

Greșeli frecvente

• Greșit: Chemosinteza folosește energia luminii.
  Corect: Folosește energia eliberată prin transformarea unor substanțe anorganice.
• Greșit: Toate microorganismele din întuneric fac chemosinteză.
  Corect: Multe consumă materie organică deja formată.
• Greșit: Metanogenele sunt bacterii în clasificarea actuală.
  Corect: În clasificarea actuală sunt arhee; în clasificarea școlară sunt numite bacterii metanogene.
• Greșit: Bacteriile nitrificatoare produc azot din aer, ca bacteriile din nodulii leguminoaselor.
  Corect: Nitrificatoarele oxidează amoniul la nitriți și nitrați; fixarea azotului din aer este alt proces.

Înainte și după