Окисление молекулярного водорода

К водородным бактериям относятся прокариоты, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О₂, а все вещества клетки строить из углерода СО₂. Это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н₂ в аэробных условиях:

Н ₂ + 1/2 О₂ Н₂О

Помимо окисления, для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. Соотношение между потреблением растущей культурой водородных бактерий Н₂, О₂ и СО₂ и синтезом вещества клеток [СН₂О] соответствует следующему уравнению:

6 Н₂ + 2О₂ + СО₂ [СН₂О] + 5Н₂О

Из уравнения видно, что на пять молекул Н₂, окисленного в процессе дыхания, приходится одна молекула Н₂, затрачиваемого на синтез биомассы.

Водородные бактерии, окисляющие Н₂ в присутствии О₂, весьма гетерогенная с таксономической точки зрения группа. Она включает преимущественно грамотрицательные бактерии (протеобактерии), среди которых наиболее распространены представители рода Alcaligenes (A. eutrophus, A. paradoxus) и Pseudomonas (P. facilis, P. saccharophila, P. carboxidovorans, P. carboxidoflava и др.). Эти бактерии имеют сходную морфологию и являются неспорообразующими палочками размером 0,3–0,7 0,8–2,9 мкм. Среди грамотрицательных бактерий окислять водород в аэробных условиях способны также представители родов Aquaspirillum, Xanthobacter, Hydrogenobacter, Hydrogenophaga, Paracoccus, Derxia, Rhizobium, среди грамположительных – Nocardia, Mycobacterium, Bacillus, Rhodococcus. Окислять водород могут также архебактерии вида Aquifex pyrophilus.

Водородные бактерии – факультативные хемолитоавтотрофы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения. Ассимиляция СО₂ у большинства водородных бактерий происходит в цикле Кальвина. Исключение из этого правила составляют бактерии видов Hydrogenobacter thermophilus, Aquifex pyrophilus, которые ассимилируют СО₂ через восстановительный цикл трикарбоновых кислот. Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротрофные прокариоты. Метаболизм органических соединений у разных представителей этой группы осуществляется с помощью гликолитического, окислительного пентозофосфатного и Энтнера – Дудорова путей, а также цикла Кребса и глиоксилатного шунта.

Водородные бактерии способны потреблять аммиак, многие пред-ставители – мочевину, нитраты, нитриты, разные аминокислоты и азотистые основания. Некоторые штаммы способны к фиксации молекулярного азота.

Большинство водородных бактерий относится к облигатным аэробам. Однако среди них преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям О₂ в среде. Особенно чувствительны к О₂ водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Это объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу – ключевые ферменты метаболизма Н₂ и фиксации N₂.

Водородные бактерии, как правило, мезофилы с температурным оптимумом для роста 30 – 35 °С. Некоторые виды – термофилы, растущие при температуре 50 °С и даже 70 °С. Нейтрофилы с оптимальным рН для роста 6,5–7,5.

Окисление водорода связано с наличием гидрогеназ, которые в клетке могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. Большинство водородных бактерий содержит только одну форму фермента – мембраносвязанную. Однако есть виды, имеющие обе формы или только водорастворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу.

Оба типа гидрогеназ детально исследованы у бактерий вида Alcaligenes eutrophus. Мембраносвязанный фермент состоит из большой (67 кДа) и малой (35 кДа) субъединиц, связанных с мембраной через цитохром b-подобный якорный белок. Большая субъединица фермента содержит Ni-Fe-активный центр. Малая субъединица содержит несколько FeS-кластеров, через которые электроны, полученные при окислении водорода в Ni-Fe-активном центре, передаются на цитохром b и далее в дыхательную цепь. Водорастворимая гидрогеназа также относится к классу Ni-Fe-гидрогеназ. Она состоит из двух функциональных димерных частей – гидрогеназы и НАДН-оксидоредуктазы (диафоразы). Гидрогеназная часть высокогомологична мембраносвязанной гидрогеназе, диафоразный комплекс – НАДН:убихинон-редуктазе дыхательных цепей. Установлено, что гены, ответственные за синтез обеих гидрогеназ, локализованы в конъюгативной мегаплазмиде (450 т.п.н.) и это создает возможность их горизонтального переноса в микробных сообществах. Таким межвидовым переносом генов может частично объясняться широкое распространение способности окислять водород среди микроорганизмов.

Если водородные бактерии содержат обе формы гидрогеназ, то функции между ними четко разделены. Мембраносвязанная гидрогеназа, катализирующая реакцию поглощения Н₂, передает электроны в дыхательную цепь на уровне цитохрома b и, таким образом, имеет непосредственное отношение к энергетическим процессам. Водорастворимая гидрогеназа переносит электроны на молекулы НАД⁺, которые участвуют далее в различных биосинтетических реакциях. Показано, что у бактерий, обладающих гидрогеназами обоих типов, выход биомассы при окислении водорода выше, чем у микроорганизмов, содержащих только мембраносвязанный фермент.

Водородные бактерии, содержащие только мембраносвязанную гидрогеназу, восстанавливают НАД⁺ путем обратного транспорта электронов с затратой энергии.

Если же водородные бактерии содержат только водорастворимую гидрогеназу, то она выполняет обе функции: часть восстановительных эквивалентов с НАДН поступает в дыхательную цепь, другая расходуется по каналам конструктивного метаболизма.

Таким образом, из всех хемолитоавтотрофных прокариот только водородные бактерии с помощью растворимой гидрогеназы могут осуществлять непосредственное восстановление НАД⁺ окислением неорганического субстрата. У всех остальных групп НАДН образуется с использованием механизма обратного транспорта электронов.

Водородные бактерии играют незаменимую роль в природе, участвуя в круговороте водорода. Они также рассматриваются как перспективные объекты биотехнологии, поскольку способны на дешевых минеральных субстратах с высокой эффективностью образовывать биомассу, а также синтезировать органические кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты и др. Белки водородных бактерий полноценны по аминокислотному составу, легко усваиваются животными и могут использоваться в качестве кормовых белков. Представители рода Alcaligenes, кроме того, способны синтезировать из Н₂ и СО₂ и накапливать в клетках большие количества поли-β-гидроксибутирата – пластичного природного полимера.