ما هي البكتيريا الأرجواني؟ هذه الكائنات الحية الدقيقة مصبوغة بجرثومة الكلوروفيل أ أو ب جنبًا إلى جنب مع الكاروتينات المختلفة التي تمنحها ألوانًا تتراوح بين الأرجواني والأحمر والبني والبرتقالي. هذه مجموعة متنوعة إلى حد ما. يمكن تقسيمها إلى مجموعتين: بكتيريا الكبريت الأرجواني والبكتيريا الأرجواني البسيطة (Rhodospirillaceae). اقترحت ورقة 2018 Frontiers in Energy Research استخدامها كمصادر حيوية.
علم الأحياء
البكتيريا الأرجوانية هي في الغالب ذات التغذية الضوئية ، ولكن من المعروف أيضًا الأنواع ذات التغذية الكيميائية والضوئية. قد تكون مختلطة التغذية قادرة على التنفس الهوائية والتخمير.
يحدث التمثيل الضوئي للبكتيريا الأرجوانية في مراكز التفاعل على غشاء الخلية حيث يتم إدخال أصباغ التمثيل الضوئي (مثل الكلوروفيل الجرثومي والكاروتينات) وبروتينات ربط الصباغ في الانزلاق لتشكيل حويصلات أو أنابيب أو زوج واحد أو صفائحي مكدس أوراق. وهذا ما يسمى الغشاء داخل الهيولى (ICM) ، والذي يتضخممساحة السطح لتعظيم امتصاص الضوء.
الفيزياء والكيمياء
تستخدم البكتيريا الأرجواني النقل الدوري للإلكترون الناجم عن سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال. تجمع مجمعات حصاد الضوء المحيطة بمركز التفاعل (RC) الفوتونات على شكل طاقة طنين ، وتلتقط أصباغ الكلوروفيل P870 أو P960 الموجودة في RC. دورة الإلكترونات المثارة من P870 إلى quinones QA و QB ، ثم انتقل إلى السيتوكروم bc1 ، السيتوكروم c2 والعودة إلى P870. يجذب الكينون QB المختزل بروتونات حشوية ويصبح QH2 ، ويتأكسد في النهاية ويطلق البروتونات ليتم ضخها في محيط البلازم بواسطة مجمع السيتوكروم bc1. ينتج عن تقاسم الشحنة بين السيتوبلازم و periplasm قوة دافعة بروتون يستخدمها سينسيز ATP لتوليد طاقة ATP.
تنقل البكتيريا الأرجواني أيضًا الإلكترونات من المتبرعين الخارجيين مباشرةً إلى السيتوكروم bc1 لتوليد NADH أو NADPH المستخدم في عملية الابتنائية. إنها بلورات مفردة لأنها لا تستخدم الماء كمانح للإلكترون لإنتاج الأكسجين. نوع واحد من البكتيريا الأرجواني ، يسمى بكتيريا الكبريت الأرجواني (PSB) ، يستخدم الكبريتيد أو الكبريت كمانحين للإلكترون. نوع آخر ، يسمى البكتيريا غير الكبريتية الأرجواني ، يستخدم عادة الهيدروجين كمانح للإلكترون ، ولكن يمكنه أيضًا استخدام كبريتيد أو مركبات عضوية بتركيزات أقل مقارنة بـ PSB.
بكتيريا البنفسجلا توجد ناقلات إلكترون خارجية كافية لتقليل NAD (P) + إلى NAD (P) H تلقائيًا ، لذلك يجب عليهم استخدام الكينونات المخفضة لتقليل NAD (P) + بشغف. هذه العملية مدفوعة بالقوة الدافعة للبروتون وتسمى التدفق العكسي للإلكترونات.
كبريت بدلاً من الأكسجين
كانت البكتيريا الأرجواني غير الكبريتية هي البكتيريا الأولى التي تم العثور عليها في عملية التمثيل الضوئي بدون أكسجين كمنتج ثانوي. بدلا من ذلك ، منتجهم الثانوي هو الكبريت. تم إثبات ذلك عندما تم تحديد تفاعلات البكتيريا لتركيزات مختلفة من الأكسجين لأول مرة. تم العثور على البكتيريا تتحرك بسرعة بعيدا عن أدنى أثر للأكسجين. ثم قاموا بتجربة حيث استخدموا طبقًا من البكتيريا ، وكان الضوء مركّزًا على جزء منه ، والآخر ترك في الظلام. لأن البكتيريا لا تستطيع البقاء على قيد الحياة بدون ضوء ، فإنها تنتقل إلى دائرة الضوء. إذا كان الناتج الثانوي لحياتهم هو الأكسجين ، فإن المسافات بين الأفراد ستزداد مع زيادة كمية الأكسجين. ولكن نظرًا لسلوك البكتيريا الأرجواني والأخضر في الضوء المركّز ، فقد استنتج أن المنتج الثانوي لعملية التمثيل الضوئي البكتيري لا يمكن أن يكون الأكسجين.
اقترح الباحثون أن بعض البكتيريا الأرجوانية اليوم مرتبطة بالميتوكوندريا ، البكتيريا التكافلية في الخلايا النباتية والحيوانية التي تعمل كعضيات. تظهر مقارنة بنية البروتين الخاصة بهم أن هناك سلفًا مشتركًا لهذه الهياكل. تحتوي البكتيريا الخضراء الأرجواني والبكتيريا الحلزونية أيضًا على بنية مماثلة.
بكتيريا الكبريت (بكتيريا الكبريت)
بكتيريا الكبريت الأرجواني (PSB) هي جزء من مجموعة Proteobacteria القادرة على التمثيل الضوئي ، والتي يشار إليها مجتمعة باسم البكتيريا الأرجواني. إنها لاهوائية أو ميكرويروفيليك وغالبًا ما توجد في البيئات المائية الطبقية ، بما في ذلك الينابيع الساخنة ، والبرك الراكدة ، والتجمعات الميكروبية في مناطق المياه العالية. على عكس النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء ، لا تستخدم بكتيريا الكبريت الأرجواني الماء كعامل اختزال وبالتالي لا تنتج الأكسجين. بدلاً من ذلك ، قد يستخدمون الكبريت على شكل كبريتيد أو ثيوسلفات (وقد تستخدم بعض الأنواع أيضًا H2 أو Fe2 + أو NO2-) كمانح للإلكترون في مسارات التمثيل الضوئي الخاصة بهم. يتأكسد الكبريت لإنتاج حبيبات الكبريت الأولية. هذا ، بدوره ، يمكن أن يتأكسد لتشكيل حامض الكبريتيك.
التصنيف
تنقسم مجموعة البكتيريا الأرجواني إلى عائلتين: Chromatiaceae و Ectothiorhodospiraceae ، والتي تنتج حبيبات كبريتية داخلية وخارجية على التوالي وتظهر اختلافات في بنية أغشيتها الداخلية. أنها تشكل جزءًا من ترتيب الكروماتيل ، المدرجة في قسم غاما Proteobacteria. تم تضمين جنس Halothiobacillus أيضًا في Chromatiales في عائلته الخاصة ، ولكنه ليس ضوئيًا.
الموائل
توجد بكتيريا الكبريت الأرجواني عادةً في مناطق نقص الأكسجين المضيئة في البحيرات والموائل المائية الأخرى حيث يتراكم كبريتيد الهيدروجين ،وأيضًا في "الينابيع الكبريتية" حيث يمكن أن يتسبب كبريتيد الهيدروجين المنتج بيولوجيًا أو جيوكيميائيًا في تكاثر بكتيريا الكبريت الأرجواني. يتطلب التمثيل الضوئي ظروف نقص الأكسجين ؛ لا يمكن لهذه البكتيريا أن تزدهر في البيئات المؤكسجة.
البحيرات Meromictic (الطبقية بشكل دائم) هي الأكثر ملاءمة لتطوير بكتيريا الكبريت الأرجواني. يتم تقسيمها إلى طبقات لأنها تحتوي على مياه أكثر كثافة (فسيولوجية عادةً) في القاع وأقل كثافة (عادةً مياه عذبة) أقرب إلى السطح. يتم دعم نمو بكتيريا الكبريت الأرجواني أيضًا من خلال الطبقات في بحيرات هولومتيك. يتم تقسيمها إلى طبقات حرارياً: خلال فصلي الربيع والصيف ، ترتفع درجة حرارة المياه السطحية ، مما يجعل المياه العلوية أقل كثافة من المياه السفلية ، مما يوفر طبقة مستقرة إلى حد ما لنمو بكتيريا الكبريت الأرجواني. في حالة وجود ما يكفي من الكبريتات لدعم الكبريت ، ينتشر الكبريتيد المتكون في الرواسب صعودًا إلى مياه قاع نقص الأكسجين حيث يمكن أن تشكل بكتيريا الكبريت الأرجواني كتل خلايا كثيفة.
مجموعات
يمكن أيضًا العثور على بكتيريا الكبريت الأرجواني وهي مكون بارز في التجمعات الميكروبية الوسيطة. تتمتع مجموعات مثل سجادة Sippewissett الميكروبية ببيئة ديناميكية بسبب تدفق المد والجزر والمياه العذبة الواردة ، مما يؤدي إلى بيئات طبقية مماثلة مثل البحيرات المرمية. نمو بكتيريا الكبريت الأرجوانييتم تنشيطه حيث يتم توفير الكبريت بسبب موت وتحلل الكائنات الحية الدقيقة الموجودة فوقها. يسمح التقسيم الطبقي ومصدر الكبريت لـ PSB بالنمو في أحواض المد والجزر حيث تحدث التجمعات. يمكن أن يساعد PSB في استقرار الرواسب الميكروبية من خلال إفراز المواد البوليمرية خارج الخلية التي يمكن أن تربط الرواسب في مستجمعات المياه.
علم البيئة
بكتيريا الكبريت الأرجواني قادرة على التأثير على البيئة من خلال تعزيز دورة المغذيات ، باستخدام التمثيل الغذائي لتغيير البيئة. قد تلعب دورًا مهمًا في الإنتاج الأولي من خلال التأثير على دورة الكربون من خلال تثبيت الكربون. تساهم بكتيريا الكبريت الأرجواني أيضًا في إنتاج الفوسفور في بيئتها. من خلال النشاط الحيوي لهذه الكائنات الحية ، يتم إعادة تدوير الفوسفور ، الذي يحد من العناصر الغذائية في الطبقة المؤكسدة للبحيرات ، ويتم توفيره للبكتيريا غيرية التغذية لاستخدامه. يشير هذا إلى أنه على الرغم من وجود بكتيريا الكبريت الأرجواني في طبقة نقص الأكسجين في بيئتها ، إلا أنها قادرة على تحفيز نمو العديد من الكائنات غيرية التغذية عن طريق توفير العناصر الغذائية غير العضوية لطبقة الأكسيد المذكورة أعلاه.
