2.2.4. Неполное окисление органических веществ микроорганизмами

Большинство аэробных микроорганизмов окисляет органические вещества в процессе дыхания до СО₂ и воды. Поскольку в молекуле СО₂ достигается высшая степень окисления углерода, то говорят о полном окислении органических веществ. Однако некоторые бактерии и грибы даже простые органические субстраты окисляют лишь частично и выделяют в среду продукты неполного окисления – органические кислоты и другие соединения. Такого рода кислотообразование приводит к снижению рН среды, препятствуя росту других бактерий. Процесс неполного аэробного окисления называют также «аэробным, или окислительным брожением», потому что в нем образуются продукты, сходные с получаемыми при брожениях. При неполном окислении могут образовываться уксусная, глюконовая, фумаровая, лимонная и другие органические кислоты, оксокислоты, кетоны и даже аминокислоты, поэтому оно имеет большое значение для промышленного получения этих веществ.

Неполное окисление органических веществ осуществляют облигатно аэробные микроорганизмы. Они могут рассматриваться как специализированная группа микроорганизмов, быстро растущих за счет частичного окисления того или иного органического субстрата, который временно накапливается в среде их обитания в большом количестве. Таким субстратом может быть, например, этанол, образующийся в результате быстрого сбраживания растительных соков (сахаристых выделений растений) кислотоустойчивыми дрожжами. Обитающие совместно с ними уксуснокислые бактерии окисляют этанол до уксусной кислоты. При высокой концентрации этанола и образующейся из него уксусной кислоты другие микроорганизмы могут лишь сохранять жизнеспособность (если они кислото- и спиртоустойчивые), но не расти, т. е. создаются элективные условия для приспособленных к этой экстремальной среде микроорганизмов и предотвращается конкуренция за субстраты со стороны других микроорганизмов.

Уксуснокислые бактерии – облигатно аэробные грамотрицательные бесспоровые палочки с перитрихиально (род Acetobacter) или полярно (род Gluconobacter) расположенными жгутиками. Они сходны с псевдомонадами, но отличаются от них высокой устойчивость к кислотам, слабой пептолитической активностью и отсутствием пигментов. В природных условиях уксуснокислые бактерии поселяются обычно на растениях. В сахаристых выделениях растений вместе с уксуснокислыми бактериями обитают дрожжи.

Уксуснокислые бактерии осуществляют уксуснокислое брожение, окисляя первичные спирты, такие как этанол до ацетата в два этапа:

алкогольде-

гидрогеназа

С Н₃ – СН₂ОН + НАД⁺ СН₃ – СНО + НАДН

С Н₃ – СНО + НАД⁺ + Н₂О СН₃ – СООН + НАДН

Вторичные спирты окисляются до кетонов:

СН₃ – СНОН – СН₃ СН₃ – СО + СН₃

Многоатомные спирты, являющиеся производными сахаров, окисляются этими бактериями в альдозы и кетозы, например: сорбит → сорбоза; глицерин → диоксиацетон. Альдозы и кетозы могут далее окисляться в соответствующие кислоты.

Круг окисляемых соединений различен для разных представителей, входящих в эту группу. Однако, наиболее характерна способность этих бактерий окислять этиловый спирт в уксусную кислоту, давшая название всей группе в целом.

Дальнейшая судьба полученных в результате неполного окисления продуктов различна. Некоторые уксуснокислые бактерии не способны к дальнейшим превращениям образовавшихся соединений. Эти бактерии объединены в род Gluconobacter (единственный вид – G. oxydans). Они окисляют глюкозу до глюконовой кислоты, этанол до ацетата. Далее эти продукты не могут окисляться из-за отсутствия «замкнутого» цикла трикарбоновых кислот (не синтезируется сукцинатдегидрогеназа).

Вторую группу составляют бактерии, способные к полному окислению органических субстратов до СО₂ и Н₂О. Образовавшийся ацетат представляет собой промежуточный этап, и после исчерпания из среды исходного субстрата бактерии начинают медленно окислять ацетат, включая его в механизм конечного окисления – ЦТК. Бактерии этой группы объединены в род Acetobacter, типичным представителем которого является вид A. peroxydans.

Молекулы АТФ у уксуснокислых бактерий образуются в процессе электронтранспортного (мембранного) фосфорилирования, т. е. электроны от окисляемых субстратов поступают в дыхательную цепь и далее через систему переносчиков передаются на О₂, служащий конечным акцептором электронов. Электронный транспорт приводит к генерированию электрохимического трансмембранного градиента ионов водорода (∆µ_Н⁺), который затем может быть использован для синтеза АТФ с помощью АТФ-синтазной реакции.

Место включения электронов в дыхательную цепь определяется ферментом, катализирующим соответствующую окислительную реакцию. Если окисление катализируется НАД-зависимой дегидрогеназой (НАДН-дегидрогеназой), электроны (водород) предаются на НАД⁺ и с него на переносчики, локализованные на мембране, что приводит к сопряжению электронного транспорта с тремя трансмембранными перемещениями протонов и, соответственно, синтезу 3 молекул АТФ. У некоторых представителей родов Acetobacter и Gluconobacter обнаружены дегидрогеназы, содержащие в качестве простетической группы соединение из группы хинонов, способные принимать и отдавать 2 атома водорода. Хинонсодержащие дегидрогеназы локализованы на внешней стороне цитоплазматической мембраны, где и происходит окисление этанола и других соединений. Электроны поступают в дыхательную цепь на уровне цитохромов, а протоны выделяются в периплазматическое пространство.

Уксуснокислые бактерии вида Acetobacter aceti применяются в микробиологической промышленности для получения столового уксуса. Еще один биотехнологический процесс, осуществляемый с использованием уксуснокислых бактерий, – это окисление D-сорбитола в L-сорбозу, из которой далее путем химического окисления получают L-аскорбиновую кислоту. D-сорбитол образуют некоторые бактерии, восстанавливающие глюкозу при ее избытке в среде, и поэтому они используются для получения D-сорбитола в качестве исходного субстрата для производства аскорбиновой кислоты.

Показано, что некоторые представители рода Bacillus при росте в условиях избытка углеводов также осуществляют неполное окисление глюкозы с образованием ацетата, пирувата, ацетоина и бутандиола – продуктов, характерных для анаэробного брожения. Как и в случае уксуснокислых бактерий, при росте в условиях избытка углеводов за счет неполного окисления у бацилл работает «незамкнутый» цикл трикарбоновых кислот. В условиях дефицита питательных веществ, таких как фосфор или азот, клетки бактерий рода Bacillus переходят в стадию споруляции и используют продукты неполного окисления в качестве источника энергии, окисляя их до СО₂.

Многие органические кислоты получают в промышленных масштабах с помощью грибов, осуществляющих неполное окисление.

В естественных местах обитания грибов, т. е. в почве, никогда не бывает заметного накопления промежуточных продуктов их жизнедеятельности. При недостатке питательных веществ, грибы получают максимум энергии и образуют клеточные вещества за счет полного окисления и ассимиляции субстрата. При избыточном снабжении грибов углеводами и отклонении в обмене веществ (часто этому способствует исключение из среды некоторых микроэлементов) происходит неполное окисление и промежуточные продукты прямо или после незначительных химических изменений выделяются в среду:

подвергаются полному

окислению

У глевод Промежуточные непосредственно

продукты выделяются

изменяются и

выделяются

Молочную кислоту синтезируют главным образом представители порядка Mucorales (Rhizopus nodosus, R. oryzae, R. arrhizus, R. nigricans) и другие фикомицеты (Allomyces, Saprolegnia, Blastocladiella). Однако у грибов она никогда не бывает единственным продуктом, как например, у гомоферментативных молочнокислых бактерий. Наряду с молочной кислотой грибы образуют в небольших количествах фумаровую, янтарную, яблочную, муравьиную и уксусную кислоты, а также этанол. Для получения максимального выхода молочной кислоты необходимо присутствие О₂. Поскольку грибы не нуждаются в сложных питательных средах и в качестве источника азота могут использовать мочевину, получать молочную кислоту в особо чистом виде с помощью грибов проще, чем использовать молочнокислое брожение, осуществляемое лактобациллами.

Способность к синтезу фумаровой кислоты характерна для многих родов Mucorales (Mucor, Circinella, Cunninghamella, Rhizopus).

Глюконовую кислоту образуют многие аспергиллы и пенициллы. Это продукт ферментативного окисления глюкозы глюкозооксидазой, выделяемой грибами в питательную среду.

Щавелевую кислоту выделяют многие грибы. Ее образованию способствует щелочная реакция среды.

Продуцентом лимонной кислоты являются, в первую очередь, грибы вида Aspergillus niger. Этот гриб превосходно растет на средах с начальными значениями рН от 2,5 до 3,5 и выделяет при этом большие количества лимонной кислоты. С повышением рН появляется сначала глюконовая кислота, а затем щавелевая. Низкое начальное значение рН имеет то преимущество, что позволяет не опасаться бактериального загрязнения. Поэтому промышленное производство лимонной кислоты до сих пор часто ведется без соблюдения стерильности, поверхностным способом в кюветах, хотя все более широко применяют глубинный метод.

Итаконовую кислоту образуют лишь немногие штаммы Aspergillus itaconicus и A. terreus. Этот процесс также происходит при рН среды около 2,0.