1.5. Метаногенная стадия

Сложный процесс распада ОВ в анаэробных условиях за­вершают метанобразующие бактерии или метаногены. Они являются облигатными анаэробами, чувствительными к кис­лороду. Окислительно-восстановительный потенциал среды их роста составляет — 330 мВ и ниже. Среди метанобразующих организмов встречаются психрофильные, мезофильные и термофильные виды. Описаны также галофильные метановые бактерии, обитающие в осадках соленых водое­мов. Для обеспечения жизнедеятельности чистых культур метаногенов в первую очередь необходим строжайший ана­эробиоз и нейтральная или слабощелочная реакция среды.

Метанобактерии могут использовать в качестве источни­ков энергии и углерода ограниченное количество субстра­тов— всего 8: СО₂+Н₂, формиат, закись углерода, метанол, ацетат, моно-, ди- и триметиламины (табл. 2).

Среди них наиболее важным является ацетат, из которого при разложе­нии сложных ОВ образуется более 70% метана (рис. 1). Помимо указанных выше восьми источников углерода ника­кие другие его соединения не поддерживают рост метанобразующих бактерий, правда имеется сообщение об об­разование метана из метильных групп многоуглеродных спиртов.

Метаногенные бактерии 90—95% используемого углерода превращают в метан, чтобы за счет сопряженного образова­ния трансмембранного потенциала аккумулировать необхо­димую для конструктивного обмена энергию, и лишь 5—10% углерода превращается в биомассу. Благодаря указанной особенности до 80—90% ОВ, разлагающегося в процессе развития метаногенного консорциума, превращаются в газ.

По типу использования субстратов все виды метанобразующих организмов могут быть условно разделены на 3 подгруппы (рис. 2). Следует отметить, что здесь мы не рассматриваем группу галофильных метаногенов. Бак­терии первой подгруппы используют Н₂+СО₂, к ним отно­сится большинство метановых бактерий, некоторые из них способны также использовать формиат.

Вторая подгруппа представлена ацетатиспользующими метаногенами. Осуществлять реакцию способны пред­ставители только двух родов Methanosarcina и Methanothrix, причем для последних ацетат является единственным субстратом роста, к которому они обладают очень высоким сродством. В настоящее время описано три вида метанотриксов: два мезофильных М. soehngenii и М. concilii и один термофильный М.thermoacetophila. Так как при реакции выигрыш свободной энергии Гиббса относительно невелик, то скорость роста бактерий второй подгруппы достаточно низка — время генерации исчисляется сутками. Метанотриксы являются определяющей группой бактерий при очистке сточных вод, они способны использовать ацетат в очень низких концентрациях (до7мкМ) и обеспечивают глубокую очистку стока. |

К третьей подгруппе могут быть отнесены метаносарцины, способные утилизировать все известные к настоящему времени метаногенные субстраты, за исключением формиата. Наиболее предпочтительным субстратом для них является метанол, наименее — ацетат, сродство к которому у них на порядок ниже, чем у метанотриксов. К настоящему времени описано несколько видов метаносарцин, в том, числе термофильная М. thermophila, не использующая водо­род.

Приведенные в таблице 2 реакции на биохимическом уровне реализуются с помощью исключительно специфичных только для метаногенов метаболических путей при участии уникальных метаногенных кофакторов, таких как метаноптерин, фактор F₄₂₀, фактор F₄₃₀, кофермент М и др. На наличии этих соединений и основан достаточно простой метод определения водородиспользующих метаногенов в смешанных культурах с помощью флуоресцентной мик­роскопии: они дают либо зеленую флуоресценцию за счет фактора F₄₂₀ или голубую флуоресценцию за счет 7-метилптерина.

Метанобразующие бактерии представлены видами с раз­ ной морфологией. Среди них имеются округлые, ланцето­ видные, палочковидные, спиральные, нитевидные и другие формы. Все метанобразующие бактерии имеют клеточные стенки. Но в отличие от большинства других бактерий в нее не входит муреиновая кислота и аминокислоты в D-форме. У части видов, например, Methanococcus vannieli стенка образована белковыми субъединицами, у других, в том числе Methanobacterium thermoautotrophicum, содержит особый пептидглюкан, называемый еще псевдомуреином. В зависимости от состава клеточной стенки метанобразующие бактерии могут окрашиваться как грамположительные или граммотрицательные бактерии. Особое строение клеточных стенок обуславливает устойчивость метановых бактерий кантибиотикам, которая варьирует у разных видов. Другое отличие метанобразующих бактерий от остальных бактерий проявляется в том, что их клеточные мембраны содержат глицериновые эфиры полиизопреноидов.