Минерализация углеводородов

Углеводороды могут быть алифатическими (алканы) и циклическими соединениями.

Углеводороды используют специализированные бактерии: Arthrobacter, отдельные штаммы Pseudomonas. Эти микроорганизмы могут использовать углеводороды как единственный органический субстрат. Начальные этапы микробного разложения углеводородов должны происходить в присутствии молекулярного кислорода в аэробных условиях. В анаэробных условиях возможна очень медленная деградация углеводородов. При использовании углеводородов бактериями в качестве единственного субстрата выход биомассы невелик, вероятно, из-за лимита азота и других элементов. Углеводороды нерастворимы в воде. Поэтому большинство микроорганизмов, способных использовать алканы, например, нефть, выделяют низкомолекулярные внеклеточные вещества – гликолипиды, липопептиды, жирные кислоты, фосфолипиды, обладающие поверхностной активностью для диспергирования углеводородов. При этом образуются мелкодисперсные мицеллы, способные усваиваться микроорганизмами.

Низкомолекулярные углеводороды (до С₈) окисляются и поглощаются микроорганизмами легко и быстро. Высокомолекулярные углеводороды плохо и медленно растворимые, проникают в клетки в виде микрокапель. Алифатические углеводороды в аэробных условиях быстро и эффективно окисляются (С₁₀ – С₁₈). Для разложения этих алканов требуется активация молекулярным кислородом с помощью оксигеназ. Монооксигеназа окисляет кольцевой атом углерода алкана с образованием первичного спирта:

R – CH₃ + O₂ + NAD(P)H + H⁺ R – CH₂OH + NADP⁺ + H₂O

Эта и другие реакции гидроксилирования и последующая реакция окисления алканов происходят в мембране.

Донором электронов для монооксигеназ служит рубредоксин – низкомолекулярный белок, активный центр которого содержит атом Fe²⁺, связанный с остатком цистеина. В свою очередь рубредоксин восстанавливается NADH. Иногда роль донора электронов в оксигеназных реакциях выполняет цитохром Р – 450, восстанавливаемый NADH с участием флавин-Fe-S-белка. (Т.Фукс, 2005). Циклические углеводороды разлагаются по типу лигнина. Во всех случаях конечными продуктами являются спирты или карбоновые кислоты, которые легко и быстро разлагаются аэробной микрофлорой до СО₂ и Н₂О.

Довольно значительные количества СО₂ поступают в атмосферу при окислении метана (СН₄), особого углеводорода. Его потребляют (окисляют) специфические группы бактерий в качестве единственного субстрата. Метан образуется в результате анаэробного сбраживания органических соединений. Общая схема окисления метана включает образование нескольких одноуглеродных соединений:

С Н₄ + О₂ СН₃ОН СН₂О НСООН СО₂ + 4Н

метанол формальдегид формиат

Процесс осуществляется облигатными метилатрофами: Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylovorus, Methilovibrio и др. Они характеризуются рядом особенностей строения, спецификой биохимии и физиологии. Живут метилотрофы на границе раздела аэробной и анаэробной зон в донных осадках, заболоченных почвах. Окисление метана до СО₂ включает четыре этапа. Первая реакция катализируется метан – монооксигеназой (гидроксилазой), требует участия молекулярного кислорода для активации СН₄ и расщепления стабильной С–Н связи. Метан-монооксигеназа содержит медь и способна гидроксилировать разнообразные другие соединения. В первой реакции гидроксилирования участвует NADH или восстановленный цитохром с. Второй этап – окисление метанола. Акцептором электронов в метанолдегидрогеназной реакции служит особый хинон, который может использоваться для окисления спиртовых групп других соединений. Метанолдегидрогеназа локализована в периплазматическом пространстве. Формальдегид-дегидрогеназа и формиат-дегидрогеназа представляют собой NAD⁺ - зависимые ферменты. NAD в этих реакциях восстанавливается, отдавая электроны в дыхательную цепь на уровень хинона. Формальдегид связывается с глутатионом, входящим в активный центр формальдегид-дегидрогеназы и в виде S-гидрометилглутатиона окисляется до S-формилглутатиона, который далее гидролизуется с высвобождением формиата. Формиат окисляет до СО₂ формиатдегидрогеназа: