Этот процесс осуществляют в основном три группы микроорганизмов: фотосинтезирующие бактерии (пурпурные и зеленые), собственно серобактерии, тионовые бактерии.
Сравнительно недавно обнаружили, что некоторые гетеротрофные бактерии Вас. mesentericus, Вас. subtilis, актиномицеты, грибы и дрожжи также способны окислять серу в присутствии органического вещества, но этот побочный процесс идет медленно, а выделяющаяся при окислении энергия ими не используется.
Фотосинтезирующие бактерии — пурпурные и зеленые прокариотные микроорганизмы, обитают в основном в водоемах и осуществляют «анаэробный фотосинтез» без выделения молекулярного кислорода. Все фототрофные бактерии в определителе Берги объединены в порядок Rhodospirillales на основании их способности к анаэробному фотосинтезу; выделяют два подпорядка: Rhodospirillineae — пурпурные (родобактерии), Chlorobiineae — хлоробактерии (зеленые бактерии). Большинство фотосинтезирующих бактерий — строгие анаэробы и фототрофы, хотя и среди пурпурных и зеленых бактерий встречаются виды, способные расти гетеротрофно в темноте за счет дыхания. В качестве донора водорода при фотосинтезе бактерии используют восстановленные соединения серы, молекулярный водород, а некоторые виды — органические соединения.
Наиболее хорошо изучено из порядка родобактерий семейство Chromatiaceae, род Chromatium — серные пурпурные бактерии. Представители последнего имеют овальную или палочковидную форму, обладают подвижностью благодаря полярным жгутикам; они — облигатные анаэробные фотолитотрофные организмы, окисляют сероводород последовательно до S0 и далее до SO42-. Иногда в их клетках отлагаются глобулы серы, которые постепенно превращаются в сульфаты, выделяемые наружу.
Среди зеленых серных бактерий хорошо изучены представители рода Chlorobium. В основном это палочковидные и вибриоидные формы, размножающиеся делением, часто окружены слизистыми капсулами, строгие анаэробы и облигатные фотолитотрофы. Многие из них доводят окисление серы только до стадии свободной серы. Элементарная сера часто откладывается вне клеток, в самих же клетках сера не накапливается.
Фотосинтезирующие бактерии широко распространены в водоемах; обычно обитают в среде, где содержится сероводород (пруды, морские лагуны, озера и т. д.) и выдерживают высокую его концентрацию. В почве эти бактерии существенной роли не играют, в то время как в водоемах их деятельность имеет большое значение.
Серобактерии — обширная сборная группа бесцветных микроорганизмов, развивающихся в присутствии сероводорода, откладывает капли серы внутри клеток. Первые исследования этой группы бактерий провел С. Н. Виноградский в 1887, 1888 гг. Применив оригинальный метод микрокультуры, позволяющий менять среду и проводить наблюдения за живым объектом в течение длительного времени, Виноградский установил, что сера, откладываемая в клетках Beggiatoa (типичный представитель серобактерий), образуется из сероводорода и может окисляться этим микроорганизмом до серной кислоты. Одновременно им была впервые выдвинута концепция о существовании хемосинтеза у бактерий (в частности, у нитчатых); они могут расти в отсутствие органических соединений, и процесс окисления неорганической серы служит для них энергетическим источником дыхания. Однако наличие хемоавтотрофии у большинства бесцветных серобактерий до сих нор не обоснованно, так как выделить в чистую культуру эти: микроорганизмы хотя и удается, но нет полной уверенности, что выделенные штаммы обладают той же физиологией, что и наблюдающиеся в природе. Характеристика, данная серобактериям С. Н. Виноградским (1888), остается практически неизменной и в настоящее время.
Бесцветные серобактерии представляют гетерогенную группу, обладающую единственным общим признаком — способностью отлагать внутри клеток серу. Систематика этих организмов разработана только до уровня рода; не все из них можно считать твердо установленными. Г. А. Заварзин (1972) по морфологическим признакам среди них выделяет формы: нитчатые, одноклеточные с крупными клетками и одноклеточные с более мелкими.
Нитчатые бактерии принадлежат к пяти родам; наиболее известны из них Beggiatoa, Thiothrix и Thioploca.
Род Beggiatoa представлен бесцветными нитчатыми организмами, образующими трихомы, напоминающие по строению трихомы водорослей, но в отличие от последних они содержат включения серы. Трихомы никогда не прикрепляются к субстрату, обладают подвижностью за счет образуемой слизи и встречаются в малоподвижных водах с небольшим содержанием сероводорода, относятся к микроаэрофилам. На поверхности ила в водоемах, местах своего скопления, они образуют большие белые пятна или нежную белую сетку. Все виды этого рода окисляют сероводород и сульфиды до элементарной серы, которая откладывается внутри клеток, а в случае недостатка сероводорода или сульфида — во внешней среде. Отложенная внутри клеток сера окисляется в серную кислоту и выделяется. При соединении ее с металлами образуются сульфаты.
Представители рода Thiothrix очень близки по строению к серобактериям рода Beggiatoa, но отличаются от последних тем, что прикрепляются своим основанием к субстрату с помощью особого слизистого диска, встречаются обычно в быстротекущих сероводородных водах. Нити у них кажутся черными из-за большого скопления отложившейся серы. Thiothrix дает в подвижной среде грязно-белые обрастания на подводных предметах. Пучки Thioploca обнаружены во многих водоемах, в верхних слоях ила; располагающиеся вертикально, они пересекают окислительный и восстановительный горизонты, непрерывно движутся вверх-вниз при движении воды то в кислородную, то в придонную сероводородную среду. В имеющуюся у них толстую слизистую капсулу, покрытую снаружи кусочками детрита, заключены переплетенные трихомы (их может быть от 1 до 20). Принадлежащие к Thioploca бактерий были выделены из богатых кальцием морских илов и илопресных водоемов.
Одноклеточные серобактерии с крупными клетками представлены тремя родами: Achromatium, Thiovulum и Macronionas: размеры клеток у всех видов — 10—40 мкм; размножаются делением или перетяжкой; по форме клетки бывают овальные и цилиндрические. Кроме капелек серы в клетках часто содержится карбонат кальция.
Одноклеточные формы с мелкими клетками объединены в два рода: Thiospira и Thiobacterium. Представители Thiospira изучены мало. Род Thiobacterium включает три вида. Эти неподвижные мелкие палочки, окруженные слизистыми капсулами, способны образовывать зоогель; сера в клетках откладывается не у всех видов.
Бесцветные серобактерии — типичные водные микроорганизмы, распространены в водоемах, где хотя бы слабо образуется сероводород. Все они микроаэрофилы, очень чувствительны к концентрации сероводорода: в насыщенной сероводородом среде быстро отмирают, при концентрации его меньше 40 мг/л развиваются наиболее пышно.
Оптимальные условия для них создаются в неравновесных системах, где сероводород накапливается медленно и существует щелочная либо близкая к нейтральной проточная среда. Среди бесцветных серобактерий имеются хорошо растущие как при низкой температуре, так и при высокой — до 50° С (в термальных источниках). Они могут выдерживать высокие концентрации солей и развиваться в черных илах соленых озер, в почти насыщенном растворе соли. Наиболее распространены они все же в пресных водах.
Массовые скопления серобактерий можно обнаружить в водоемах на поверхности ила, поэтому выделяющийся в илах сероводород окисляется и не отравляет водную толщу. В случае заражения сероводородом водной толщи бактерии могут образовывать на той или иной глубине так называемую «бактериальную пластинку» или пленку, выше которой отсутствует сероводород, а ниже — кислород. Например, в Черном море такая пленка находится на глубине 200 м и препятствует поступлению сероводорода выше этого уровня. Серобактерии, обитающие в ней на границе аэробной и анаэробной зоны, находятся в хаотичном, беспрестанном движении: спускаясь вниз за сероводородом, поднимаясь вверх за кислородом. Они окисляют сероводород до элементарной серы и получают энергию, необходимую для синтеза органических веществ. Хемосинтетическим путем за счет окисления 25 г H2S/м2 может ассимилироваться 8 г с/м2 в год (Сорокин, 1970). По отмирании микробные тела, обогащенные элементарной серой, погружаются в сероводородную зону, частично достигают дна, где при участии десульфуризирующих бактерий разлагаются, сера восстанавливается вновь до сероводорода. Предполагают, что в толще морской воды в пограничном слое (O2 и H2S) первая стадия окисления сероводорода осуществляется химическим путем (Скопиндев, 1973).
Серобактерии часто концентрируются в больших количествах в сероводородных источниках.
Участие серобактерий в круговороте серы, вероятно, незначительно, хотя их роль в предотвращении отравления сероводородом водных толщ и влияние на миграцию и осаждение металлов, по-видимому, существенна.
Основная роль в процессах окисления серы отводится тионовым бактериям.
Тионовые бактерии — единая в морфологическом и биохимическом отношении группа микроорганизмов, встречающихся в почвах, пресных и соленых водоемах, серных месторождениях и в горных породах. Тионовые бактерии получают энергию в результате окисления минеральных восстановленных соединений серы таких, как сероводород, сульфиды, сульфит, тиосульфат, тетратионат, тиоционат, дитионит, а также молекулярной серы. Сера, образующаяся как промежуточный продукт, откладывается вне клеток. В качестве акцептора электронов они используют свободный кислород, а отдельные виды — кислород нитратов. По типу питания тионовые бактерии можно разделить на группы: автотрофов, миксотрофов и литогетеротрофов. Большинство тионовых бактерий аэробны, хотя известны и факультативные анаэробы, например Th. denitrifisans. В зависимости от среды обитания они ведут себя по-разному: в аэробных условиях осуществляют процесс с участием молекулярного кислорода, в анаэробных — переключаются на денитрификацию и восстанавливают нитраты до молекулярного азота. Известно четыре рода тионовых бактерий: Thiobacillus — палочковидные, подвижные; Thiomicrospira — спиралевидные, подвижные; Thiodendron — микроколонии из овальных или спирально извитых клеток, соединенных стебельками или ветвящимися гифами. Sulfolobus — дольчатые, с редуцированной клеточной стенкой. Поскольку в круговороте серы особенно активны бактерии рода Thiobacillus, широко распространенного в наземных и водных экосистемах, то в основном его и изучают.
По отношению к кислотности среды тиобациллы подразделяют на две группы: растущие при нейтральной или щелочной среде (pH 6—9) и растущие в кислой среде (ацидофильные). Для тиобацилл 1-й группы оптимальное значение pH приходится на интервал 6—9; ее представляют виды: Т. thioparus, Т. denitrificans, Т. novellus, Т. thiocyanooxidans, Т. neapolitanus. Все они окисляют сероводород, серу и тиосульфат. Рассмотрим наиболее изученных представителей этой группы.
Т. thioparus — автотрофная бактерия, выделенная Бейеринком (1904 г.), развивается при нейтральной реакции среды, подвижная (имеет один полярный жгутик), грамотрицательная способна окислять сероводород, гидросульфид-ион, а из сульфидов — только сульфид кальция. Продукты окисления — сера, политионаты (прежде всего тетратионаты) и серная кислота. Может развиваться как микроаэрофил и очень неустойчива к кислотности.
Итак, накопление элементарной серы может происходить за счет: а) восстановления сульфатов десульфурирующими бактериями; б) окисления сероводорода тионовыми бактериями. Элементарная сера накапливается на илистом дне солоноватых озер, обнаружена на дне Каспийского моря, где образуется за счет окисления выделяющегося из илов сероводорода.
С окисляющей деятельностью тионовых бактерий связано образование многих серных месторождений. Осадочные залежи серы совпадают территориально с гипсоносными породами пермского, нижнемелового, палеогенового, неогенового возраста и располагаются вдоль границ геоструктурных элементов, приподнятых или погруженных. Часто приурочены к брахиантиклиналям с нефтяными месторождениями, где породы обычно раздроблены, трещиноваты, своды антиклиналей разрушены, что облегчает поступление сероводорода и насыщенных им вод к поверхности. Здесь в кислородной среде, обильно населенной тионовыми бактериями, идет процесс окисления сероводорода с накоплением элементарной серы. Таковы месторождения в Средней Азии: Гаурдак, Шорсу, Серные бугры в Каракумах.
T. thiocyanooxidans по многим признакам схож с Т. thioparus, но отличается тем, что окисляет кроме сероводорода и родонит. Эти бактерии обнаружены (Хапполд, Кэй, 1934) и выделены в чистую культуру (Хапполд, Джонстон, Роджерс, 1954). Морфологически Т. thiocyanooxidans — палочки с одним полярным жгутиком, автотрофны, аэробы; для них благоприятна нейтральная реакция среды; присутствие органического вещества при концентрации более 1% тормозит их развитие.
Т. novellus — миксотрофный организм, открыт и выделен из почв Р. Л. Старки в 1934 г., грамотрицательный, неподвижный, палочковидный, хорошо растет на органических средах,, но при определенных условиях может переходить от гетеротрофного типа питания к автотрофному.
Денитрифицирующая тионовая бактерия — мелкая, бесспоровая палочка, подвижная, впервые обнаружена Бейеринком: (1904) в анаэробных условиях, окисляет среду и ее неорганические соединения до сульфатов, восстанавливает одновременно нитраты до молекулярного азота.
В аэробных условиях восстановление нитратов не происходит, а в качестве окислителя бактерии используют кислород, воздуха.
К группе микроорганизмов, развивающихся в кислой среде принадлежат: Т. ferrooxidans, Т. intermedius, Т. thiooxidans. Значение pH 2—4 оптимальное для них, но расти они могут при pH от 0,5 до 7. Первые два вида при рН>5 не растут: Т. thiooxidans — самый ацидофильный микроорганизм в природе, так как сохраняет жизнеспособность при pH около 0.
Т. thiooxidans — палочка со жгутиком, подвижна, образует слизь, автотроф, обнаружен при изучении разложения серы в почве (Ваксман, Иоффе, 1922). Способен окислять, как недавно установлено, некоторые органические соединения серы. Основной субстрат, окисляемый этим организмом — молекулярная сера и иногда тиосульфат, в аэробных условиях этот процесс идет до стадии выделения серной кислоты. Энергия окисления используется для усвоения углекислоты. Способность данного вида окислять сероводород и другие соединения окончательно не выяснена, так как в кислой среде эти соединения неустойчивы.
К очень интересным организмам относится тионовая железоокисляющая бактерия Т. ferrooxidans, описана и выделена из кислых дренажных шахтных вод (Coiner, Hinkle, 1947), мелкая палочка с полярным жгутиком, подвижная, не образует спор, по Граму не окрашивается, размножается делением, хемолитотроф, pH 1,7—3,5 — оптимально, аэроб. Занимает особое положение среди тиобактерий, так как способность к автотрофному росту обусловлена не только энергией, получаемой за счет окисления соединений серы, но и выделяющейся при окислении закисного железа в окисное. Поскольку ион Fe2+ при рН<4 в стерильной среде устойчив против окисления кислородом воздуха, то Т. ferrooxidans можно было бы отнести к железобактериям, среди которых организм занимает определенную экологическую нишу, но по таксономическим признакам он ближе к тионовым бактериям, особенно Т. thiooxidans. Источник энергии для этого организма — окисление пирита, марказита, пирротина, антимонита и других сульфидов; остальные тиобактерии обладают меньшей способностью окислять нерастворимые в воде сульфиды тяжелых металлов. Окисление Fe2+ этим организмом — сложный, до конца не выясненный процесс. Установлено, что окисление 1 г/ат Fe2+ до трехвалентного при pH 1,5 дает энергию — 11,3 ккал и при этом выделяется теплота — 10 ккал/моль (Медведева, 1980).
Для Т. ferrooxidans характерна высокая устойчивость к концентрации тяжелых металлов: выдерживает 5%-ный раствор медного купороса, концентрацию Си — 2 г/л или мышьяка 1 г/л, развивается при малых дозах азота, фосфора и незначительной аэрации, поэтому обитает в зоне окисления сульфидных месторождений. Окисленное железо в кислой среде не образует каких-либо оформленных структур, и клетки бактерий почти всегда свободны. Бактерии окисляют элементарную серу, сульфиды, тиосульфат, тетратионит, гидросульфид. В сульфидных месторождениях выполняет двойную функцию: окисляет серу сульфатов до серной кислоты, которая в свою очередь растворяет гидроокислы железа, образуется сульфат окисного железа, последний, реагируя с сульфидами, способствует (за счет восстановления железа) химическому окислению двухвалентной серы, входящей в состав сульфидов, до шестивалентной.
Ряд тионовых бактерий может окислять различные сульфидные минералы (Си, Zn, Pb, Ni, Со, As), участвовать в изменении валентных состояний урана и ванадия, выдерживать высокие концентрации металлов, развиваться в растворе медного купороса с концентрацией до 6%. Масштаб деятельности этих организмов внушителен. Так, за одни сутки из месторождения Дегтярское выносилось 6115 кг меди и 1706 кг цинка (Коравайко и др., 1967). Многие бактерии обнаружены на рудных минералах и получают за счет их окисления энергию, необходимую для ассимиляции углекислоты. Тионовые бактерии, отнесенные к роду Т. ferrooxidans, встречаются во всех сурьмяных месторождениях. Они окисляют антимонит в кислых условиях среды (при наличии пирита). В нейтральных и слабощелочных условиях окисление антимонита могут ускорять другие бактерии — Т. denitrificans. На первом этапе окисление серы антимонита происходит под влиянием Т. ferrooxidans или других тиобацилл; сульфат сурьмы неустойчив и гидролизуется Sb2; образуется перекись сурьмы — минерал сенармонит. Окисление трехвалентной сурьмы до высших окислов Sb5+ идет при воздействии автотрофного микроорганизма Stibiobacter senarmontii, для которого наиболее благоприятна нейтральная среда. Выделен хемосинтезирующий микроорганизм, окисляющий сенармонит — Stibiobacter gen. nov.: минерал группы стибиконита (Ляликова, 1972).
Широко распространены гетеротрофные бактерии в рудных месторождениях, геохимическая деятельность которых изучена еще очень слабо. Однако установлено, что некоторые из них (Pseudomonas denitrificans, P. fluorescens), выделенные из сульфидных руд, окисляют. Могут ли они использовать энергию окисления восстановленных соединений серы, до сих пор не ясно. Очевидно, их деятельность связана с образованием органических кислот, способных разлагать минералы.
Итак, в зоне окисления сульфидных месторождений возникает сернокислая среда, сульфиды замещаются сульфатами, идет сернокислотное выветривание, одновременно разрушаются минералы рудовмещающих пород, их замещают вторичные минералы — ярозит, гетит, англезит, антлерит, дигенит и др. Над окисленным рудным телом при образовании в больших масштабах окислов железа формируется так называемая «железная шляпа». Если вмещающие породы карбонатны, то при воздействии серной кислоты образуется в большом количестве гипс, серная кислота нейтрализуется. Если породы бескарбонатны, то агрессивные сернокислые воды выносят из водоносных горизонтов в виде сульфатов щелочные и щелочноземельные металлы, тяжелые металлы группы железа и другие; образуются отбеленные зоны, где остаются наиболее устойчивые серной кислоте минералы — кварц, из вторичных минералов — каолинит.
При выходе на поверхность в виде источников кислые воды, обогащенные сульфатами меди, цинка, кобальта, железа, алюминия, никеля и других элементов, обусловливают формирование кислых (тионовых) солончаков. На подобных солончаках близ одного из медноколчеданных месторождений Южного Урала среди сухой степи появилась березовая роща.
Кислые квасцовые (тионовые) почвы распространены на заболоченных морских побережьях, в обсыхающих приморских Дельтах, что связано с окислением гидротроиллита и пирита, которые образовались в прошлом за счет восстановления сульфатов морских вод при большей обводненности территории и господстве восстановительного режима. Окисление сульфидов тионовыми бактериями сопровождается образованием серной кислоты, замещением карбонатов кальция гипсом, растворением окислов алюминия и железа с образованием квасцов: Al2(SO4)3, Fe2(SO4)3. Кислые заболоченные квасцовые почвы формируются в умеренных широтах на низменных побережьях Швеции и Финляндии (Ботнический залив), на польдерах и маршах Голландии, они нередки в дельтах рек субтропиков и тропиков, обнаружены в дельте Муррея, на территории Юго-Восточной Азии, Южной Америки, где имеют местные названия, например: «poto-poto», «katclay» и др.
Сернокислотное выветривание характерно для выходящих, на поверхность месторождений серы, вокруг которых образуется зона ярко-белого цвета выщелоченных пород, формируются кислые «купоросные» воды с высоким содержанием сульфата железа. При смешении этих вод с пресными выпадает ржавый осадок гидрата окиси железа (лимонит), обрамляющий зону сернокислотного выветривания.
При разработке сульфидных руд и сернистых углей извлекаемые на поверхность сульфиды окисляются; образуются кислые рудничные воды, в которых развиваются тионовые бактерии. Эти воды очень агрессивны, корродируют металлическое оборудование. Из-под отвалов пустой породы, угольных терриконов, содержащих рассеянные сульфиды, вытекают кислые воды с pH 1,5—2,0, под их воздействием гибнет растительность, наблюдается резкое подкисление и деградация почв. Для локализации и нейтрализации этих потоков на их пути закладывают специальные известковые барьеры, проводят известкование почв, загрязненных кислыми водами.
Фракционирование изотопов серы. В земной коре распространены четыре стабильных изотопа серы. Соотношение изотопов серы в различных природных объектах неодинаково. В качестве стандарта принято отношение S32 и S34 в сульфидных метеоритах, где оно составляет 22,21.
Обнаруживается тенденция обеднения тяжелым изотопом природных соединений серы, образовавшихся с участием микроорганизмов, это сульфиды осадочного происхождения и биогенный сероводород; сульфиды изверженных пород и сульфаты эвапоритов, наоборот, обогащены относительно стандарта легким изотопом серы.