導入
ロシアの生物学者セルゲイ ウィノグラツキー (1856-1953) によるウィノグラツキー コラムは、硫黄サイクルに基づいたミニ生態系であり、原料が豊富に含まれたコラム内の土壌微生物の活動を強調することができます。
一般的な
陸域の生物地球化学サイクルは、特に陸域の異なる区画 (生物圏、大気圏、岩石圏、水圏) 間の交換の多様性と、それに関与する生物の役割により、理解するのが難しい現象です。 Winogradsky 列は、これらの相互作用の複雑さを分析し、より深く理解するためのシンプルで作成が簡単なモデルです。
S.Winogradsky によれば、「微生物叢の機能は、個々の活動の合計としてではなく、自己調整する集団の働きとして考慮されるべきである」 [要出典] 。実際、このシステムにおける微生物の生命の発達は、これらの生物間の数多くの相互作用と相互依存の結果であり、それなしではこの縮小した生態系は存続できません。
材料
Winogradsky 列を作成するには、次のものが必要です。
- たとえば、泥炭沼から出てくる黒い泥（硫化鉄が豊富に含まれているため）。
- 停滞した水（たとえば沼地から）。
- 2 つの 100 mL 試験管とビーカー。
- セロファン紙;
- 濾紙、撹拌子、ゴム製ブレスレット。
- 光源（できれば赤色） 。
- ポリビタミンカプセル2個。
- いくつかの溶液：炭酸水素ナトリウム（NaHCO 3 ）、炭酸カルシウム（CaCO 3 ）、硫酸カルシウム（CaSO 4 ）、塩化アンモニウム（NH 4 Cl）。
- リン酸緩衝液、ｐＨ７．３。 [要出典]
この緩衝液を作るには、無水リン酸水素二ナトリウム溶液 (つまり、1 リットルあたり 9.47 g の Na2HPO4) とリン酸二水素カリウムの溶液 (つまり、1 リットルあたり 9.08 g の KH2PO4) を準備する必要があります。次いで、１４３ｍＬのＮａ２ＨＰＯ４を５７ｍＬのＫＨ２ＰＯ４と混合して、 ｐＨ７．３を得る。 [要出典]
原理
この原理は、カラムの異なる層で相互に依存する異なる種類の細菌 (光有機栄養生物、従属栄養生物、化学栄養栄養生物) の連続的な発生に基づいています。さまざまな微生物の層の重層化はいくつかの段階で起こります。嫌気性従属栄養細菌は、硫酸塩還元細菌の炭素源を構成する脂肪酸を生成するために炭素化合物 (セルロース) を分解します。硫酸塩還元細菌は、硫酸塩を電子受容体として使用し、硫酸塩を硫黄に還元します。後者は、嫌気性硫黄細菌が光合成を行うための水素源を構成し、光合成硫黄細菌の硫黄サイクルを開始できるようにします。 [要出典]
主な反応
まず濾紙中のセルロースが微生物の急速な増殖を促進し、堆積物や水柱に存在する酸素を急速に枯渇させます。酸素は水中で非常にゆっくりと拡散するため、カラムの上部のみが通気されたままになります。クロストリジウム属などのセルロース分解細菌の一部の種は、堆積物中の酸素が枯渇すると増殖し始めます。すべてのクロストリジウム種は厳密に嫌気性ですが、好気条件下でも胞子として生存できます。セルロースをグルコースに分解し、そのグルコースを発酵させてエネルギーを獲得します。次に、さまざまな単純な有機化合物 (エタノール、酢酸、コハク酸など) や発酵生成物が生成されます。 Desulfovibrio などの細菌は、最終的な電子受容体として硫酸塩または他の部分酸化型硫黄 (チオ硫酸塩など) を使用して、これらの発酵生成物を嫌気呼吸に使用できます。このプロセスを通じて、大量の H2S が生成されます。 H2S は堆積物中の鉄と反応し、黒色の硫化鉄を生成します。ただし、H2S の一部は水柱内に上向きに拡散し、そこで他の生物によって使用されます。堆積物に含まれる H2S が水柱に拡散すると、光合成硫黄細菌が増殖します。彼らは光合成のための炭素源として二酸化炭素を、水素源として硫化水素を使用します。ただし、これらの細菌は還元剤として水を使用せず、H2S を使用するため、光合成中に酸素を生成しません。以下の簡略化された方程式は、植物の光合成の反応と光合成細菌の反応の違いを示しています。
6 CO2 + 6 H2O = C6H12O6 + 6 O2 (植物の光合成)
6 CO2 + 6 H2S = C6H12O6 + 6 S (嫌気性細菌の光合成)
実際、バランスの取れた方程式は次のとおりです: 6 CO2 + 12 H2S = C6H12O6 + 6 H20 + 12S これらの細菌は、硫酸塩還元細菌が使用する硫酸塩も生成します。
嫌気性光合成硫黄細菌には、緑色と紫色の 2 つの主要なカテゴリがあります。クロロビウムなどの緑色細菌は硫化水素の毒性によく耐えるため、カラムのより深いレベルで増殖できます。それらは汚泥の表面に緑色の斑点を形成します。逆に、硫化水素耐性の低い紫色細菌はカラム内でより高い位置に増殖し、紫色や紫色の斑点を形成します。柱の上部では、非硫黄紫色の細菌が増殖し、明るい赤色のさびた斑点を形成します。これらには、ロドシュードモナス種のロドスピリルムおよびロドミクロビウムが含まれます。これらの細菌は、光合成からエネルギーを得て嫌気条件で増殖します。ただし、細胞合成の炭素源として有機酸を使用します。したがって、それらは光有機栄養性と呼ばれます。彼らが使用するこれらの有機酸は、他の嫌気性細菌 (例えば、クロストリジウム属) の発酵生成物です。モデル:ジム・ディーコン