1.2. Характеристика мікроорганізмів, що перетворюють сірку

Сіркобактерії, або тіобактерії – фенотипічна група бактерій та архей, що спеціалізуються на отриманні енергії за рахунок прийняття участі у сірчаному циклі, тобто окисленні або відновленні елементарої сірки та деяких її сполук до сульфідів та сульфатів з воднем або органічними сполуками. Вони включають представників кількох типів бактерій і багато неметоаногенних архей. Деякі сіркобактерії використовують процес анаеробного дихання для засвоювання сірки та деяких її сполук, виробляючи газ сірководень. Загальні сполуки сірки, які використовують ці бактерії як джерело енергії, – сірководень (H₂S), сірка, і тіосульфат (S₂O₃^2-). Найзагальніший кінцевий продукт окислення сірки – сульфат (SO₄^2-). Підкласом цих організмів є сульфатвідновлюючі мікроорганізми [6].

1.2.1. Еубактеріі, які кислюють молекули, які містять сірку.

Описано багато представників різних груп еубактерій, здатних окислювати відновлені сполуки сірки, наприклад, сірководень, тіосульфат, а також молекулярну сірку. Це фототрофи, що здійснюють безкисневий фотосинтез, деякі типові гетеротрофні бактерії родів Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter та інших і групи безбарвних серобактерий і тіонових бактерій. Окислення сірки та її відновлених з'єднань може служити джерелом клітинної енергії, електронів при фотосинтезі, використовуватися для детоксикації утворюється при диханні перекису водню [7].

Тіонові бактерії. Використання процесу окислення сірки та її неорганічних відновлених з'єднань для отримання клітинної енергії показано для групи тіонових бактерій, представлених родами Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron та ін.. Це одноклітинні організми різної морфології і розмірів; нерухомі або рухомі (рух здійснюється за допомогою полярно розташованих джгутиків); бесспоровие. Розмножуються розподілом або брунькуванням. Мають клітинну стінку грамнегативною типу. Для деяких представників роду Thiobacillus характерна розвинена система внутрішньо цитоплазматичних мембран.

Для тіонових бактерій показана здатність окислювати з отриманням енергії крім молекулярної сірки (S⁰) багато її мінеральні відновлені з'єднання: сульфід (S^2-), тіосульфат (S₂O₃^2-) сульфіт (SO₃^2-), трітіонат (S₃O₆^2-), тетратионат (S₄O₆^2-). Деякі тіонові бактерії можуть отримувати енергію за рахунок окислення тіоціанат (CNS^-), Диметилсульфіду (CH₃SCH₃), думетілдісульфіду (CH₃SSCH₃), а також сульфідів важких металів. Там, де в якості проміжного продукту окислення утворюється молекулярна сірка, вона відкладається поза клітини. Thiobacillus ferrooxidans отримує енергію, окислюючи також двовалентне залізо [8].

Повне ферментативне окислення тіонових бактеріями молекулярної сірки і різних її відновлених сполук призводить до утворення сульфату. Окислення сірководню до сульфату супроводжується втратою 8 електронів, що надходять у дихальний ланцюг, при цьому в якості проміжних продуктів утворюється молекулярна сірка і сульфіт:

H₂S →S₀ → SO₃^2-→ SO₄²

На етапі окислення сульфіту до сульфату, що протікає з утворенням аденілірованного проміжного з'єднання аденозінфосфосульфата (АФС), має місце субстратне фосфорилювання, що дозволяє запасати звільнену при цьому енергію в молекулах АТФ

SO₃² – + АМФ = АФС + 2e^–;

АФС + ФН = SO₄^{2 –} + АДФ;

Далі за допомогою аденілатціклази з АДФ синтезується АТФ:

2АДФ = АМФ + АТФ.

Основну ж кількість енергії тіонові бактерії отримують в результаті перенесення, яка утворюється при окисленні відновленої сірки електронів, що надходять у дихальний ланцюг на рівні цитохрому c.

Дихальнийй ланцюг тіонових бактерій містить всі типи переносників, характерних для аеробних хемогетеротрофів. У тіонових бактерій виявлені флавопротеїни, убіхінон, FeS-білки, цитохроми типу b, c, цитохромоксидази o, d, a + a3 [1].

У більшості випадків кінцевим акцептором електронів служить O₂, який не може бути замінений ніяким іншим акцептором. Зростання окремих штамів можливий у мікроаеробних умовах. Деякі тіонові бактерії є факультативними аеробами, вони можуть використовувати в якості кінцевого акцептора електронів не тільки O₂, а й нітрати, відновлюючи їх до N₂ або тільки до нітриту. В анаеробних умовах використання нітратів в якості кінцевого акцептора електронів індукує синтез Дисиміляційна нітратредуктази, що здійснює перенесення електронів дихального ланцюга на нітрати [9].

Деякі види відносяться до облігатних хемолітоавтотрофім, інші - можуть рости як хемолітоавтотрофно, так і хемоорганогетеротрофно, використовуючи в останньому випадку в якості джерела вуглецю і енергії ряд органічних сполук (кислоти, цукру, спирти, амінокислоти). Нарешті, описані тіонові бактерії, що ростуть хемолітогетеротрофно, використовують як джерело вуглецю тільки органічні сполуки, а енергію отримуючи за рахунок окислення відновлених сполук сірки.

Основним механізмом асиміляції CO₂ служить відновний пентозофосфатний цикл, виявлений у всіх тіонових бактерій. Допоміжну роль відіграють реакції карбоксилювання трьохвуглецеві сполук, в першу чергу фосфоенолпіровіноградной кислоти [10].

Оскільки у тіонових бактерій місце включення електронів в дихальний ланцюг знаходиться на рівні цитохрому c, у них функціонує система зворотного переносу електронів для забезпечення конструктивних процесів молекулами НАДxH₂.

У різних представників цієї групи, здатних рости, використовуючи органічні сполуки, виявлені активності ферментів гліколізу, окисного пентозофосфатного шляху, шляху Ентнера - Дудорова. Описано функціонування "замкнутого" і "розірваного" ЦТК, а у деяких тіобацілл - гліоксілатного шунта. [5]

Тіонові бактерії пристосовані до різних умов проживання. Thiobacillus thiooxidans і Т. ferrooxidans - яскраво виражені ацідофіли (оптимальний pH 2-4), Т. denitrificans і Т. thioparus, навпаки, розвиваються тільки в нейтральній і лужної середовищі (pH 7-10). Більшість тіобацілл відносяться до мезофілов з оптимальною температурою зростання приблизно 30°. Останнім часом описані термофільні штами, що ростуть при 60-70°С.

Безбарвні сіркобактерії дуже нагадують ціанобактерії, будучи як би їх непігментовані аналогами. Hа підставі морфологічних ознак діляться на дві групи: одна представлена одноклітинними формами (роди Achromatium, Macromonas тощо), в складі іншої об'єднані нитчасті організми (роди Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca). Одноклітинні безбарвні сіркобактерії - рухомі або нерухомі, що розрізняються розмірами форми. Нитчасті організми представлені також нерухомими або здатними до ковзаючого руху видами [3].

Єдиний загальний ознака групи - здатність відкладати сірку в періплазматичному просторі клітин. Питання про значення, яке має окислення відновлених сполуксірки для цієї групи бактерій, має довгу історію. С. Н. Виноградський, спостерігаючи в 1887-1889 рр.. в клітинах Beggiatoa при вирощуванні на середовищі з H₂S відкладення гранул сірки та їх подальше зникнення після вичерпання сірководню із середовища, прийшов до висновку, що енергія, що звільняється при окисленні H₂S до S⁰ і потім до SO₄^{2 -} c участю O₂, використовується цим організмом для асиміляції CO₂ . Таким чином, працюючи з Beggiatoa, С. Н. Виноградський сформулював положення про принципово новий спосіб існування організмів - хемолітоавтотрофіі. Однак пізніше з'ясувалося, що культури, з якими працював С. Н. Виноградський, були нечистими. І до цих пір більшість представників цієї групи не виділені у вигляді чистих культур, що ускладнює вивчення їх фізіології. Для деяких безбарвних сіркобактерій, в тому числі і для Beggiatoa, були отримані дані на користь того, що окислення H₂S може бути пов'язане з отриманням клітиною енергії [3].

У той же час показано, що важлива фізіологічна особливість безбарвних сіркобактерий - утворення ними значних кількостей перекису водню. Більше 80 - 90% спожитого клітинами в процесі дихання O₂ відновлюється лише до H₂O₂. Накопиченню в клітинах перекису водню сприяє низька каталазна активність, виявлена у цих організмів. Була виявлена певний зв'язок між окисленням H2S і кисневим метаболізмом безбарвних сіркобактерій. Виявилося, що окислення сполук сірки використовується цими організмами для видалення H₂O₂.

Відкладення молекулярної сірки є, таким чином, результатом окислення сульфідів середовища перекисом водню, що утворюється в клітині. Перекисний механізм окислення відновлених з'єднань сірки виключає можливість використання організмами енергії цього процесу [7].

Питання про здатність безбарвних сіркобактерий існувати автотрофно також поки не доведено: чисті культури можуть рости тільки в присутності органічних сполук; не виявлено типових для еубактерій механізмів автотрофної асиміляції CO₂. Все це змушує схилятися на користь того, що безбарвні сіркообактерії можуть існувати тільки хемогетеротрофно. У мікроаеробних умовах деякі штами Beggiatoa виявляють здатність до азотфіксації [5].

Поширення і роль в природі. Окиснення неорганічних відновлених сполук сірки за допомогою фототрофних і хемотрофних еубактерій є однією з ланок кругообігу сірки в природі. У першому випадку процес протікає в анаеробних умовах, у другому - в аеробних. Хемотрофи, окислюють сірку, мешкають в морських і прісних водах, що містять O₂, в аеробних шарах грунтів різного типу. Оскільки ця група об'єднує організми з різними фізіологічними властивостями, її представників можна виявити в кислих гарячих сірчаних джерелах, кислих шахтних водах, у водоймах з лужним середовищем і високою концентрацією NaCl [1].

Хемолітоавтотрофні сіркобактеріі виявлені на глибині 2600-6000м в місцях, де на поверхню дна океану з надр земної кори виходять гарячі джерела. Вода джерел, звана гідротермальної рідиною, має температуру до 350°, не містить зовсім O₂ і NO ^3- але збагачена H₂S, CO₂ і NH⁴⁺. H₂ дні океану гідротермальних рідина змішується з навколишнім морською водою, що має температуру 2°, яка, навпаки, не містить H₂S і характеризується досить високими рівнями O₂ і NO^3-. Ці області відрізняються також високим тиском н повною відсутністю світла [4].

Важливе наслідок відкриття симбіозів, компонентом яких є хемолітоавтотрофні бактерії, - існування екосистем, в яких первинними продуцентами служать не фотоавтотрофні, а хемолітоавтотрофні організми.

Окислення відновлених сполук сірки до сульфатів, здійснюване цими бактеріями, призводить до підкислення навколишнього середовища, що може мати позитивні і негативні наслідки. Підкислення грунту призводить до перекладу деяких з'єднань, наприклад фосфатів, в розчинну форму, що робить їх доступними для рослин. Окислення нерозчинних сульфідних мінералів, що супроводжується перекладом металів в розчинну форму, полегшує їх видобуток. Однак накопичення сірчаної кислоти в результаті діяльності цих бактерій може призводити до псування і руйнування різних споруд [5].