Сероводородное брожение
Сероводородное брожение — сложный биохимический процесс, состоящий в образовании сапрогенными микроорганизмами сероводорода и аммиака из сложных органических, а также неорганических, содержащих серу веществ и в дальнейших реакциях этих газов с различными солями, приходящими с ними в соприкосновение в окружающей среде — процесс существенный и грандиозный в мировом круговороте серы.
История
правитьОпыт А. Вериго
правитьОсновным опытом, доказывающим значение микроорганизмов в выработке H2S является весьма простой и наглядный опыт А. Вериго над одесской лиманной грязью, содержащей сероводород, произведенный им впервые в 1885 году. Серая (окисленная) грязь, содержащая в себе сернокислое железо и слегка отдающая сероводородом, была облита рапой и стерилизована в автоклаве при 120° С. После стерилизации она перестала истощать запах сероводорода. В таком виде масса остается без изменения продолжительное время, но если добавить в неё незначительное количество сырой, содержащей микроорганизмы грязи, она начинает вскоре темнеть и целиком превращается через некоторое время в чёрную грязь. Смысл опыта состоит в том, что со внесением в стерилизованную пробирку микроорганизмов, последние выделяют аммиак и сероводород и восстанавливают серое сернокислое железо грязи в черное сернистое железо или в его гидраты, что и сказывается в изменении цвета грязи и в появлении сероводородного запаха. Опыт А. Вериго был затем всесторонне изучен Г. Надсоном с целью выяснения условий процесса[1].
Экспедиция на лодке «Черноморец»
правитьВ 1890 году экспедиция для глубоководных исследований Чёрного моря (на канонерской лодке «Черноморец») впервые натолкнулась на большое скопление H2S на дне этого моря. Биолог экспедиции Андрусов высказался по этому поводу в том смысле, что скопление сероводорода на глубинах моря — результат гниения органических веществ и взаимодействия этого процесса с сульфатами воды. Далее, рядом исследований, а в последнее время точными опытами Надсона, удалось показать, что выделяемый микробами при разложении ими органических веществ водород действует восстанавливающим образом на сульфаты, результатом чего является выделение H2S[1].
Описание процесса
правитьПрежде всего, это биопроцесс, он вызывается микроорганизмами и ими регулируется. Многие низшие организмы, живущие в воде и почве, в лиманной грязи озер, рек и морей, в различных гниющих органических веществах, в крови теплокровных животных и человека, обладают способностью выделять сероводород при определенных условиях[1].
Способность выделять сероводород первоначально была известна лишь для некоторых бактерий, но затем она была констатирована и для некоторых грибов, особенно в последнее время, благодаря исследованиям Надсона над Actinomycetes. Процесс выделения низшими организмами сероводорода — биологическое явление, присущее при определенных условиях различным, далеко не родственным организмам. Позднее были открыты другие организмы, выделяющие сероводород. Сюда относятся разнообразные патогенные и безвредные формы, такие как: Proteus vulgaris[англ.], Bacillus mycoides[англ.], Proteus mirabilis[англ.], Proteus Zenkeri, Bacillus enteridis, Bacillus typhi abdominalis и другие. Прежде всего, таким источником являются белковые вещества, которые разлагаются сапрогенными микроорганизмами с выделением H2S и NH3. По некоторому мнению, сероводородные микробы прямо отщепляют серу от белков. Из ряда научных работ, а в особенности из труда Надсона о сероводородном брожении в Вейсовом солёном озере, ясно следует, что белки и пептон являются важным источником H2S. Другим таким источником сероводорода являются сульфаты — сернокислый кальций или гипс и сернокислый магний. Морская вода особенно богата сульфатами в сравнении с пресной речной, и известно, что образование чёрного ила, являющегося одним из последствий сероводородного брожения, идет в больших размерах на дне морей и океанов, чем в воде пресной[1].
Образование сероводорода в морской воде — результат не непосредственного воздействия бактерий на сульфаты, а только косвенного их воздействия. Реакция происходит в силу химической необходимости взаимодействия между растворенными в воде сульфатами и водородом, продуктом жизнедеятельности микробов[1].
Насчёт выделения водорода известно, что он образуется не только при гниении белков под влиянием Proteus vulgaris и других микробов, но и при брожении клетчатки, как это следует из данных Омелянского, описавшего так называемое водородное брожение клетчатки, вызываемое бактерией Bacillus fermentationis cellulosae. При этом виде брожения образуется значительное количество водорода[1].
Есть и другой случай образования газа сероводорода за счет сульфатов и при том прямым воздействием одной бактерии Spirillum desulfuricans, как это показал Бееринк. Бактерия разлагает сульфаты и выделяет H2S. Влияние кислорода на сероводородное брожение являлось также предметом повторного исследования несколькими учеными. Так, Массен и Петри высказались в пользу того, что лучше всего процесс сероводородного брожения идет в условиях анаэробиоза. Из данных Петри, Массена, Надсона и других авторов естественным является тот вывод, что кислород не влияет на сам процесс образования сероводорода при помощи брожения, осуществляемого микроорганизмами, а действует лишь на сам сероводород и, следовательно, на выделение его в свободном состоянии, окисляя известную часть этого газа в серную кислоту. Таким образом, на воздухе H2S выделяется меньше, чем в анаэробных условиях[1].
Сложность процесса сероводородного брожения, как совокупности нескольких биохимических процессов, помимо указанного гниения органических веществ, белков и клетчатки, а также восстановления сульфатов, как косвенно, так и прямым путем, заключается еще и в дальнейшем воздействии освобождающегося H2S на окружающую среду. Сероводород, встречаясь в воде — на дне озер, морей и океанов — с сернокислыми солями, восстанавливает их и выделяются сернистые металлы. В виду этого сернистый водород играет важную роль в образовании ила или лечебной грязи. Ещё английская экспедиция Челленджера на корабле «Challenger» показала, что отложения черного ила опоясывают подножие континентов на громадном протяжении. У. Томсон и Дж. Муррей исчисляют площадь, занятую этим илом, в 14500000 квадратных миль. Такой же ил отлагается в большом количестве на дне озер и морей; из него также состоит и целебная черная грязь озер и лиманов. Условия образования его везде одинаковы. Черный цвет этого ила или грязи объясняется нахождением в нем большого количества сернистого железа. Образование ила может быть объяснено благодаря трудам Вериго, Надсона и других ученых следующим образом: в падающих на дно океанов, озер и морей осадках, состоящих из трупов животных и растений, встречается целый ряд сероводородных микробов, которые могут существовать жить как при доступе воздуха, так и в анаэробных условиях. Эти микробы (бактерии и грибы) разлагают упомянутые осадки с выделением сероводорода и азота. Сероводород, встречаясь с солями железа, вступает с ними в реакцию обменного разложения, в результате чего получается, в присутствии NH3, коллоидальный гидрат сернистого железа. В силу своих химических и физических свойств, изученных Вериго и Надсоном и другими учёными, этот коллоидальный гидрат пронизывает собой всю песчано-глинистую массу грязи, придавая ей тем самым своеобразный обычный и общеизвестный вид лечебно грязи, ила[1].
Помимо реакции с солями железа, сероводород и аммиак, выделяющиеся при сероводородном брожении, вступают очевидно и с другими веществами, как из воды морей, озер и океанов, так и из осадков этих вместилищ в химическое взаимодействие и дают еще целый ряд новых веществ. Это подтверждает, что процесс сероводородного брожения — сложный биохимический процесс, первыми стадиями которого являются разрушение органических веществ и восстановление сульфатов с образованием H2S как основного продукта, характеризующего сам процесс, а последующими стадиями служат те химические реакции и их продукты, которые возникают между сероводородом и веществами окружающей его среды. Большее или меньшее выделение H2S и NH3 при брожении зависит от совокупности как внешних условий — условий состава и давления той среды, в которой живут сероводородные микробы, так и от внутренних условий, кроющихся в протопластах самих сероводородных микробов. Известно, что некоторые С. микробы (напр холерный вибрион) в молодом возрасте культур выделяют больше H2S, чем в старом возрасте, а, кроме того, дегенерируясь, дают расы, которые временно или совсем теряют способность выделять H2S, а также и NH3. Эти вопросы еще недостаточно изучены. Таким образом, процесс сероводородного брожения ставит всегда первостепенными следующие вопросы для изучения: отщепляется ли сероводород непосредственно от органических соединений; или в образование этого газа играет роль водорода, образующийся при гниении и соединяющийся с S белков и восстанавливающий сульфаты; могут ли сульфаты, а конечно и сульфиты служить вообще для сероводородных микробов непосредственно источником образования газа; какова роль кислорода при различных условиях брожения; чем, или вернее, совокупностью каких условий, объясняется массовое сероводородное брожение в определенных местностях земного шара; от каких внутренних условий, кроющихся в самих протопластах микробов, зависит большая или меньшая способность их к выделению H2S. Метод открытия H2S, выделяемого микробами, очень прост. Сероводород легко обнаружить в пробирных культурах С. микробов при помощи полосок фильтровальной бумаги, предварительно повторно смоченных раствором свинцового сахара и обработанных, кроме того, углеаммиачной солью, а затем высушенных. Полоски такой реактивной бумаги вставляются в пробирку с культурой между стеклом и ватной пробкой. В зависимости от большего или меньшого количества выделяющегося при брожения H2S, бумажки эти чернеют с различной интенсивностью. Stagnitta-Balistreri установил даже шкалу, по которой можно определять приблизительные количества выделенного H2S по цвету бумажки[1]:
- 6,2 мг H2S даёт блестящий тёмно-чёрный цвет;
- 3 мг даёт черную окраску;
- 1,2 мг даёт черноватую окраску;
- 0,3 мг даёт коричневую окраску;
- 0,03 мг даёт слабо-коричневую окраску;
- 0,01 мг даёт слабо заметное изменение цвета бумаги.
Запах сероводорода чувствуется только тогда, когда в колбе находится 3,1 мг вещества. Поэтому свинцовая проба является более чувствительной.
Массовое сероводородное брожение брожение можно наблюдать в одесских лиманах, в Сивашском лимане, в озёрах Вейсово и Репное, у берегов Балтийского моря, в Чёрном море, в озере Могильное[2][1].
Примечания
править- ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И. Л. Сербинов. Сероводородное брожение // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
- ↑ А.П. Виноградов, В.Л. Барсуков. Избранные труды: геохимия изотопов и проблемы биогеохимии. — Наука, 1989. — С. 31—32. — 234 с.
Литература
править- Д.К. Заболотный. Сероводородные бактерии и их роль в природе. — Русский архив Подвысоцкого. — 1896.
- Г.А. Надсон. О сероводородном брожении в Вейсовом солёном озере // Микроорганизмы как геологические деятели. — Санкт-Петербург, 1903. — Т. I.
- А.Н. Криштофович. Геологический словарь. — Рипол Классик, 2013. — С. 248. — 454 с.
Ссылки
править- Hydrogen sulphide production during cider fermentation is moderated by pre‐fermentation methionine addition . Wiley online library.
- Ugliano M, Kolouchova R, Henschke PA. Occurrence of hydrogen sulfide in wine and in fermentation: influence of yeast strain and supplementation of yeast available nitrogen. Publmed.
- Hydrogen sulfide production during yeast fermentation causes the accumulation of ethanethiol, S-ethyl thioacetate and diethyl disulfide. Publmed.