Роль заліза у ферментативних реакціях та процесах дихання гідробіонтів

Залізо відіграло виключно важливу роль в еволюції біосфери. Як складовий компонент металопорфірінів воно стало основою Для утворення хлорофілу, дихальних ферментів і дихальних білків. Залізо входить до структури гемоглобіну, міоглобіну а також дихальних ферментів - цитохромів, цитохромоксидаз, пероксидаз і каталаз. Воно є обов'язковим компонентом у реакціях окиснювального фосфорилування, тобто перетворення енергії, яка вивільнюється при перенесенні електронів від системи з високим відновним потенціалом до окиснювального агента — кисню.

Деякі мікроорганізми можуть окиснювати солі двовалентного (закисного) заліза з утворенням гідрату окису заліза та вивільненням енергії, яка використовується для засвоєння вуглецю. Найбільша роль у кругообігу заліза належить бактеріям. Так, у процесах хемосинтезу беруть участь залізобактерії Thiobacillus, Leptothrix, Metallogenium, Ochrobium та деякі інші. Бактерії родів Cladothrix, Lyngbia можуть накопи­чувати заліза так багато, що на їх поверхні утворюються панциреподібні тверді утворення. Залізобактерії Siderocapsa можуть утилізувати залізо з гуматів, яке також відкладається на поверхні їх тіла.

Діатомові водорості мають властивість інтенсивно засвоювати колоїдні форми гідроксиду тривалентного заліза.

Вищі рослини для утворення залізовмісних білків протоплазми використовують набагато менше заліза, ніж тваринні організми - в основному в процесі біосинтезу хлорофілу, хоча в його структуру воно і не входить. Поряд із підвищенням вмісту заліза у надводній частині вищих водяних рослин зростає і вміст хлорофілу. Молярне відношення заліза до хлорофілу у більшості рослин коливається від 1:4 до 1:10.

В організмі риб і безхребетних залізо знаходиться, головним чином, у вигляді органічних сполук. У порівнянні з теплокровними тваринами вміст заліза в тканинах і біологічних рідинах у них значно менший. Його біологічна роль пов'язана з транспортом газів кров'ю та каталітичною дією у складі ферментів. У водяних тварин існує кілька дихальних пігментів, які являють собою білок-глобін, зв'язаний з простетичною групою, або гемом. Останній складається з чотирьох пірольних кілець, в центрі якого розташоване залізо. У деяких дихальних пігментів це місце може займати не залізо, а мідь. Залізу належить надзвичайно важлива роль у зв'язуванні кисню дихальними пігментами. Серед найбільш поширених чотирьох дихальних пігментів (гемоглобін, хлорокруорин, гемеритрин, гемоціанин) у водяних тварин переважно зустрічається гемоглобін (Нb) і найменше — хлорокруорин. Водяні тварини різних систематичних груп мають не тільки різні комбінації дихальних пігментів, але й різну їх кількість. У свою чергу впливає і на вміст заліза в їх структурі. Так, у коловерток, кишковопорожнинних, моховаток, плечоногих, морських їясаків, зірок та лілей дихальних пігментів взагалі немає. У поліхет Serpula в крові є Нb і хлорокруорин, у Spirothrix borealis — хлорокруорин, а у Spirothrix corrugatus — тільки Нb.

Перенесення кисню пігментами здійснюється завдяки зв'язку із залізом у простетичній групі. При цьому одна молекула О₂ зв'язується одним атомом заліза у гемоглобіні і хлорокруорині, двома атомами заліза - в гемеритрині і двома атомами міді — в гемоціаніні.

Вміст пігментів в організмі водяних тварин залежить від особливостей їх поведінки та екологічних умов середовища, перш за все від ступеня насичення води киснем. У більш рухливих риб (форель, судак, скумбрія, ставрида, шпрот) більше не тільки Нb, але й заліза, ніж у малорухливих донних риб (скорпена, скат-хвостокол та інші). При тривалому перебуванні риб в умовах гіпоксії в їх крові збільшується вміст пігментів (компенсаторна реакція) і заліза. Така адаптивна реакція характерна не тільки для риб, а й для інших водяних тварин.

12.3. Мідь

У природі мідь зустрічається у вільному стані у вигляді самородків та в складі мінералів халькопіриту (CuFeS₂), халькозину (Cu₂S), малахіту (CuCО₃^-Cu(OH)₂), азуриту (СuСО_3*2Сu(ОН)₂) та ін. У сполуках мідь має ступінь окиснення +1 і +2. Вона легко взаємодіє з галогенами, сіркою і селеном. Різна валентність іонів міді (Сu+ і Сu²⁺) зумовлює наявність у природних водах її легкорозчинних (CuSO₄) і важкорозчинних (Cu₂О, Cu₂S, CuCl₂) форм. Утворення сполук міді в поверхневих водах залежить від рН води, наявності в ній розчинених органічних речовин (гумінових і фульвокислот) та завислих частинок органічної і мінеральної природи. Розчинена мідь представлена переважно у зв'язаному стані, що обумовлено, й основному, хімічними властивостями самого елемента як сильного комплексоутворювача. Поряд з утворенням комплексів з органічними речовинами мідь може сорбуватись завислими частинками, серед яких є гідроксиди металів (Fe, A1, Mn) та взаємодіяти з гумусовими та іншими органічними речовинами. Певна її частина у водоймах адсорбується на зависли глинистих мінеральних частинках, разом з якими вона осідає на дно. Значна частина міді асимілюється планктонними організмами, у складі яких вона приймає участь у кругообігу речовин у водних екосистемах. Близько 30—50 % загальної кількості міді, що надходить з річковим стоком у дніпровські водосховища, взаємодіє із завислими частинками, які поступово осідають на дно. Тому в донних відкладеннях водосховищ зосереджено значно більше міді, ніж у товщі води.

У перші роки після утворення Київського водосховища концентрація розчинених форм міді, що виносилася з нього, була вищою ніж та, що надходила з водою притоків. Такий позитивний баланс був наслідком її десорбції із залитих ґрунтів. З часом у донних відкладеннях накопичувались значні запаси міді, що в свою чергу призводило до зростання її концентрації у воді.

Існують певні особливості формування балансу міді у верхній, середній та нижній течії зарегульованого Дніпра. Вони пов'язані із впливом вищерозташованих у каскаді водосховищ на нижчерозташовані. Так, з Канівського водосховища до Кременчуцького надходить, крім розчинених, значна кількість завислих форм міді, більшість яких поступово осідає на дно. Загальний баланс форм міді у цьому водосховищі, головним чином, визначається їх акумуляцією в донних відкладеннях.

Вміст міді у воді річок залежить від особливостей формування їх водного режиму. Так, у верхньому Дністрі, водність якого формується за рахунок атмосферних опадів у гірських Карпатах, концентрація міді в різні сезони року змінюється від аналітичного нуля до 3,4 мкг/дм³, на середній ділянці вона становить 2,0—2,3, а на нижньому Дністрі — 1,8—6,3 мкг/дм³. У воді Дністровського і Дубосарського водосховищ ці показники становлять відповідно 1,3—2,2 і 1,5—3,0 мкг/дм³. У зв'язку із зменшенням швидкості течії у водосховищах значна кількість завислих частинок разом із адсорбованою на них міддю осідає на дно, де її концентрація відповідно підвищується. Так, у донних відкладеннях Дністровського водосховища вміст міді досягає 17,3—22,3, а Дубосарського - 8,3—13,3 мг/кг (табл. 7).

Таблиця 7.