38. Процессы трансформации углеродсодержащих веществ.

Ответ. Углерод – основной строительный элемент, входящий в состав всех органических соединений. Процессы трансформации углеродосодержащих веществ объединяют в единый цикл все живые организмы планеты. В цикле трансформации углеродсодержащих веществ можно выделить два основных звена. Первым звеном является фиксация углекислого газа атмосферы и восстановление его до органических соединений в процессах хемосинтеза и фотосинтеза. Главенствующая роль в образовании органических соединений в процессе фотосинтеза принадлежит растениям, хотя сине-зеленые водоросли и фотосинтезирующие бактерии тоже вносят свой вклад в образование органических веществ. Образовавшиеся органические вещества подвергаются сложнейшей переработке в организмах животных, растений и прокариот, после отмирания которых органический опад поступает в почву. Второе, заключительное звено цикла углерода представлено разнообразными процессами минерализации органических соединений, осуществляемыми различными физиологическими группами микроорганизмов. В результате этих процессов происходит возврат углекислого газа в атмосферу, что и определяет содержание этого газа в ней на одном, хотя и минимальном уровне (0,33%). Наиболее легко и быстро из веществ растительного опада разлагаются растворимые в воде соединения и прежде всего моно- и дисахариды. В аэробных условиях они окисляются в процессе дыхания микроорганизмов до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживаются с образованием органических кислот, спиртов и газов. Разложение целлюлозы играет первенствующую роль в круговороте углерода, так как именно этот процесс обеспечивает возврат основной массы СО2 в атмосферу. С разложением целлюлозы в почве связано образование гумусовых веществ и формирование почвенной структуры. Разложение целлюлозы происходит путем ферментативного гидролизов несколько стадий. Первоначально под действием фермента целлюлазы нерастворимая в воде целлюлоза превращается в целлобиозу. Далее целлобиоза ферментом В-гликозидазой расщепляется до глюкозы: . Глюкоза в аэробных условиях окисляется до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживается с образованием органических кислот (уксусная, янтарная, масляная, молочная, муравьиная), этилового спирта и газов (углекислого и водорода). Состав конечных продуктов определяется видом микроорганизма, ведущего процесс брожения. Бактерии, разрушающие целлюлозу, населяют пищеварительный тракт травоядных животных. Так, в рубце жвачных животных активное участие в разложении целлюлозы принимают бактерии Ruminococcus flavefaciens и Cl. cellobioparum. В природе гемицеллюлоза по количеству занимает второе место после целлюлозы. Она входит в состав межклеточного вещества растительных тканей и является опорным компонентом древесины. В древесине лиственных пород гемицеллюлоза составляет до 25%, в древесине хвойных – 12%. Гемицеллюлозу способны синтезировать и некоторые низшие организмы. У дрожжей и грибов гемицеллюлоза входит в состав внеклеточных полисахаридов. В природе в разложении гемицеллюлоз принимают участие многие микроорганизмы, синтезирующие ферменты ксиланазы. Ксиланазы обнаружены у дрожжей (Trichosporon), грибов (Aspergillus, Rhizopus, Fomes, Polyporus и др.), у большинства целлюлозоразрушающих бактерий (Clostrridium, Cytophaga, Sporocytophaga, Vibrio, Bacillus). Ферменты ксиланазы катализируют расщепление полисахаридной молекулы гемицеллюлозы до сахаров, которые окисляются или сбраживаются до конечных продуктов. Гемицеллюлозы разных растительных организмов в значительной мере различаются по своему химическому составу, а поэтому разложение их в почве протекает с различной скоростью и во многом зависит от условий окружающей среды (температуры, влажности, рН, аэрации и т.д.). Крахмал – главное запасное вещество растений. Состоит из двух глюканов – амилазы и амилопектина. Известно 3 типа ферментативных реакций распада глюканов. Это реакции фосфоролиза, гидролиза, трансгликозилирования. Ферменты фосфорилазы освобождают из глюканов глюкозо-1-фосфат, реакции могут проходить в местах свободных концов цепей амилазы. Экзоферменты амилазы расжижают крахмал, образуя мальтозу, остатки глюкозы, расщепляют декстрины. Трансгликозилазы действуют на крахмал, образуя кольцевые структуры из 6–8 остатков глюкозы. Лигнин по количеству в природе занимает третье место после целлюлозы и гемицеллюлозы. Он синтезируется только высшими растениями и является основным компонентом вторичных слоев клеточной оболочки. В молодых травянистых растениях содержание лигнина относительно невысокое и составляет всего 3–6%. По мере старения растений содержание его существенно возрастает. Особенно много лигнина находится в древесине лиственных (20–30%) и хвойных (50%) пород. Лигнин, заполняя пространство между волокнами целлюлозы, вызывает одревеснение клеточных стенок и придает им особую прочность. Деструкторы лигнина синтезируют внеклеточные ферменты – полифенолоксидазы, катализирующие деполимеризацию молекул лигнина на простые ароматические вещества, такие, как ванилин, ванилиновая кислота или другие ароматические соединения. Разложение лигнина в почве происходит очень медленно, что приводит к накоплению лигнина и продуктов его разложения, которые служат основой для образования гумусовых веществ. Пектин является основным компонентом срединных пластинок, соединяющих растительные клетки в ткани и придающих им плотность. Особенно большое количество пектинов содержится в плодах растений. Например, в антоновских яблоках пектины составляют до 30%. С химической точки зрения пектины представляют собой неразветвленные полимеры галактуроновой кислоты. В растительных тканях имеются три типа пектиновых веществ: протопектин – нерастворимое в воде соединение, пектин – растворимый в воде полимер галактуроновой кислоты, содержащий метилэфирные связи, и пектиновая кислота - растворимый в воде полимер галактуроновой кислоты, лишенный метилэфирных связей. На три вышеперечисленные формы пектинов действуют три группы экзоферментов, выделяемых микроорганизмами. Пектинэстеразы гидролизуют метилэфирные связи в молекуле пектина, в результате чего образуются пектиновые кислоты и метиловый спирт. Полигалактуроназы разрушают полимерную молекулу пектина или пектиновой кислоты на отдельные молекулы D-галактуроновой кислоты и целый ряд других соединений. C46H68O40 + 10H2O = 4CHO(CHOH)4 + C6H12O6 + C5H10O5 + C5H10O5+ 2CH3OH + 2CH 3COOH. Мономерные сахара в аэробных условиях окисляются микроорганизмами до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживаются по типу маслянокислого брожения. Конечными продуктами брожения являются масляная, уксусная кислоты и углекислый газ и водород. В природе в процессе разложения пектиновых веществ принимают участие многие микроорганизмы – различные бактерии, плесневые и дрожжевые грибы. В аэробных условиях пектины разрушаются главным образом грибами родов Cladosporium, Herbarum, Alternaria, Rhodotorula, а также спорообразующими бактериями рода Bacillus (Вас. polymyxa, Вас. macerans), в анаэробных условиях – бактериями рода Clostridium. В углеводородах биогенного и абиогенного происхождения концентрируется значительная часть углерода, а поэтому процессы трансформации углеводородов имеют принципиальное значение в круговороте этого важнейшего элемента. Несмотря на высокую химическую устойчивость углеводородов все они, даже такие сложные, как нефть, каучук, парафин и др., могут быть использованы и трансформированы в процессах метаболизма определенными группами микроорганизмов. Под действием индуцибельных ферментов – оксигеназ в ароматическое кольцо включаются один или два атома кислорода, что приводит к образованию гидроксильных групп при одном или двух атомах углерода. Между этими двумя гидроксилированными атомами углерода и происходит обычно разрыв ароматического кольца (орторасщепление). Иногда разрыв ароматического кольца осуществляется между гидроксилированным атомом углерода и соседним с ним негидроксилированным (метарасщепление). Конечными продуктами при полном окислении ароматических углеводородов являются углекислый газ и вода. Промежуточными продуктами этого процесса нередко обнаруживаются спирты, органические кислоты, эфиры и другие соединения. Способностью разлагать ароматические углеводороды обладают многие микроорганизмы – некоторые аэробные бактерии родов Pseudomonas и Arthrobacter, нокардии (Nocardia corallina), а также грибы и дрожжи. Алифатические углеводороды, особенно соединения с длинной углеродной цепью, содержащие до 16–34 атомов углерода, значительно легче разлагаются микроорганизмами. Процесс разложения алифатических углеводородов начинается с окисления концевого атома углерода при участии ферментов оксигеназ и далее протекает по типу окисления жирных кислот. При недостатке кислорода разложение алифатических углеводородов сопровождается накоплением промежуточных продуктов – жирных кислот, начиная с пропионовой кислоты. Разложение алифатических углеводородов в природе осуществляется многими микроорганизмами. Особо активно этот процесс ведут коринебактерии (род Corynebacterium), нокардии, псевдомонады и дрожжи родов Candida, Debaryomyces, Schwanniomyces. В круговороте углерода микробиологической трансформации подвергаются и газооброзные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан). Микроорганизмы, потребляющие газообразные углеводороды в качестве источника углерода, получили название метилотрофов.Последние научные достижения подтвердили экологические аспекты деятельности метилотрофов.