Физиология и биохимия микроорганизмов. Учебное пособие для студентов специальности 06.01.03 – «Биология» высших учебных заведений

Десульфатирующие бактерии осуществляют полную минерализацию органических веществ в составе трех больших групп: гетеротрофов,

водородобразующих ацетогенных бактерий и сульфатвосстанавливающих.

Десульфатирующие бактерии вызывают коррозию металлов, которая происходит при нейтральных значениях рН, в анаэробных условиях. Продукты коррозии металлов включают сульфиды металлов.

Водородная пленка, образующаяся на железе при его поляризации в воде,

служит защитным слоем для металлов. Медленное окисление пленки молекулярным кислородом происходит в аэробных условиях.

В анаэробных условиях в присутствии SO42- сульфатредуцирующие бактерии могут активно поглощать водород и вызывать катодную деполяризацию. Сероводород может соединиться с железом и вызвать порчу металлических труб и других металлических конструкций, включая нефтяные буры.

H2 S ингибирует рост риса, губит рыбу, является источником образования и выделения в атмосферу вредного сульфата.

Десульфатирующие бактерии имеют важное значение для очистки сточных вод в метантенках.

Метаногенез

Метаногенез осуществляют архебактерии – метаногенные бактерии,

единственные, выделяющие метан как главный продукт метаболизма. Метан образуется при восстановлении углекислого газа.

Описано 14 родов метаногенных бактерий. Эти бактерии широко распространены, они обитают в осадках водоемов, в желудке жвачных животных, в пресных и соленых водах, в горячих источниках, стволах деревьев,

геотермальных источниках, на морских глубинах.

31

Большинство метаногенов может использовать смесь водорода и углекислоты – 1 группа, соли уксусной кислоты- 2 группа, одноуглеродные соединения тиламины – 3 группа.

Эти вещества представляют собой конечные продукты жизнедеятельности других бактерий, с которыми метаногенные бактерии живут в тесном сообществе.

Различают три фазы процесса: гидролиз полимеров, кислотогенез,

собственно метаногенез. На 1 фазе деятельности литических микроорганизмов образуются моносахариды, олигосахариды, пептиды, аминокислоты, азотистые основания, жирные кислоты, спирты, метанол.

Они подвергаются действию водородобразующих бактерий. К ним относятся бактерии брожения и облигатные синтрофные бактерии,

использующие продукты брожения с образованием водорода и ацетата.

На 3 фазе процесса функционируют метаногенные бактерии. Метаногены превращают ацетат, углекислый газ и водород в метан.

В природе метаногенные бактерии завершают анаэробное разложение мертвых растений и животных. Его могут завершать и десульфатирующие бактерии, но их жизнедеятельность бывает ограничена недостатком сульфатов.

Метаногены никогда не ограничены своим акцептором, так как углекислый газ присутствует в больших количествах в бескислородных местах,

где разлагаются органические вещества.

Для превращения маленьких молекул в метан природа изобрела особые коферменты. Ведущая роль принадлежит коферменту М, он преносит метильные группы. Данный кофермент обнаружен у всех метаногенных бактерий, у других архебактерий отсутствует.

Метаногенные бактерии содержат 4 никельсодержащих фермента. В

мембранной и растворимой фракции клеток метаногенных бактерий обнаружен витамин В12, он участвует в восстановлении метил-СоМ до метана.

32

Многие кофакторы и ферменты чувствительны к кислороду и другим акцепторам электронов. Углекислый газ вначале связывается с неизвестным фактором и образуется производное с карбоксильной группой. После этой ступени следует 4 последовательных ступеней метаногенеза.

Таким образом, при изучении метаногенных бактерий оказалось, что кроме НАД и ФАД в природе есть и другие коэнзимы, которые вовлекаются в реакции электронного транспорта.

У метаногенов обнаружены менахиноны и хиноны у Methanosarcina

обнаружили цитохромы. Электроны от донора с отрицательным потенциалом используются на восстановительных этапах образования СН4.

Вместо этого они вначале восстанавливают фумарат до сукцината,

выделяя при этом энергию. Сукцинат далее может функционировать при выполнении последней ступени метаногенеза – восстановления метанола в метан с одновременной регенерацией фумарата. Реакция энергетически выполнима.

У Methanosarcina thermoautotrophicum выделена растворимая кислородчувствительная фумаратредуктаза, она не содержит флавинов, но содержит кофактор, напоминающий тетрагидрометаноптерин. При использовании ацетата и метанола их метильные группы переносятся на СоМ.

СН3-М служит центральным метаноболитом в образовании метана из формиата, метанола, метиламинов и ацетата.

У Methanosarcina barkeri в процессе метаногенеза на метаноле создается трасмембранный градиент Na+. Выход из клеток Na+ ингибируют протонофоры и амилорид, что позволяет предположить, что генерация трансмембранного градиента Na+обеспечивается трансмембранным градиентом Н+ за счет функционирования Na+/Н+- антипорта.

Жизнь метаногенных бактерий характеризуется не только своеобразным энергетическим обменом, но и своеобразным пластическим обменом.

33

Большинство из данных бактерий – это автотрофные микроорганизмы,

используя СО2, они фиксируют его в цикле Кальвина.

Цикл Кальвина характерен для многих фототрофов и хемотрофов. У

данных микроорганизмов действует цикл трикарбоновых кислот. Ацетил-СоА образуется из двух молекул углекислого газа по пути конденсации С1 + С1

соединений, причем одно С1 – это СН3 – СоМ, а другое – СО2. Это путь

«активированной уксусной кислоты».

Процесс образования ацетил-СоА не является циклическим и происходит при участии уникальных коферментов: метанопротеина, корриноида, фактора восстановления СО2 и СО – дегидрогеназы.

В пути имеет место уникальное восстановление СО и уникальное карбоксилирование СН3 –Х. При восстановлении ацетил-СоА образуется пировиноградная кислота, оксацалацетат, оба соединения являются предшественниками углеводов и аминокислот.

Следовательно, метанотрофы образуют метан и клеточный углерод, при этом используют СН3 – СоМ.

В атмосфере около 5 млрд т. метана. Главный источник метана – жвачные животные, которые отрыгивают СН4, образованный живущими в них бактериями.

СН4 – осадки, богатые органическими веществами, рисовые поля. Метан,

как и углекислый газ увеличивает эффект зеленого дома, так как поглощает инфракрасные тепловые лучи.

В некоторых частях океанов, озер и прудов метан может быть причиной удаления кислорода.

С другой стороны, контролируемый метаногенез используется для обеспечения горючим природным газом населения, животноводческих ферм,

теплиц, удаления отходов.

34

Анаэробное разложение органических веществ, завершаемое метаногенами, происходит в водоочистительных сооружениях населенных пунктов.

Брожению подвергают органические отходы при одновременной очистке окружающей среды от них и кроме топлива получают еще калийные,

фосфорные и азотные удобрения для растений.

ВЯпонии сельскохозяйственные, промышленные и бытовые отходы составляют 2х108 т/год.

Впроцессе использования этих отходов при проведении мезофильного метанового брожения получают до 45х106 м3 метана.

При метаногенезе на планету может вернуться примерно 80% энергии.

Метаногенные бактерии приспособлены к фенольным соединениям, что дает возможность применять анаэробное разложение при очитке загрязненных промышленных сточных вод (табл.4).

Таблица 4. Влияние анаэробных микробных процессов на окружающую среду.

Фотометаболизм

Фототрофный тип жизни основан на непосредственном улавливании солнечной энергии специальными пигментами и построения органических веществ из СО2 и Н2О.

Большая часть живущих на планете существ осуществляют фотосинтез и все остальные существа зависят от фотосинтеза, который служит источником всех видов пищи и кислорода. Энергия кванта улавливается специальными пигментами: хлорофиллами и бактериохлорофиллами.

Адсорбция кванта света вызывает разделение положительного и отрицательного заряда в реакционном центре, который содержит пигменты в особом состоянии. Реакционный центр остается с положительным зарядом, а

свободный электрон, получив много энергии от поглощения фотона, способен к восстановлению акцептора.

Способность поддерживать разделение зарядов является одной из главных особенностей фотосинтетической системы. Разделение зарядов поддерживается за счет того, что вблизи реакционного центра располагаются

36

молекулы, составляющие электронно-транспортную цепь.

За счет энергии возбужденного электрона, которую он постепенно теряет,

происходит выброс протонов водорода через мембрану. Образование трансмембранного электрохимического потенциала протонов используется клеткой для синтеза АТФ из АДФ. Светозависимый синтез АТФ называется

фотофосфорилированием.

Вышеописанный процесс относится к циклическому фотофосфорилированию, его принцип напоминает окислительное фотофосфорилирование.

Основное различие между ними состоит в том, что при окислительном фотофосфорилировании электроны уходят из системы на внешний акцептор, а

при циклическом – внешний акцептор отсутствует.

Для синтеза органического вещества из углекислого газа и воды в процессе фотосинтеза необходим не только АТФ, но НАДФН+ и Н+. НАДФН+

образуется в процессе нециклического фосфорилирования, он так называется потому, что перенос электронов от внешнего донора на хлорофилл также сопровождается образованием АТФ.

Оксигенный и аноксигенный фотосинтез

Его осуществляют высшие зеленые растения, цианобактерии и группа

Prochlorophita. Участвуют две фотосистемы: ФС1 и ФС11. Источником кислорода служит вода, окисляемая ФС 11.

Особенности аноксигенного фотосинтеза

Свет в качестве первичного источника энергии используют следующие группы бактерий: зеленые и пурпурные серные бактерии, пурпурные несерные бактерии, цианобактерии и небольшая группа прохлорофит, зеленые несерные бактерии. Вода не используется, кислород не выделяется.

В аноксигенном фотосинтезе участвуют особые пигменты. Главный фотосинтетический пигментбактериохлорофилл, в основном это

37

бактериохлорофилл а, в некоторых случаях – бактериохлорофилл в,

каратиноиды у бактерий тоже особые: ациклические метоксикаратиноиды,

арилкаратиноиды. У всех перечисленных бактерий участвуют несколько цитохромов. Пластохинона у них нет, его функцию выполняют убихиноны.

У бактерий место имеет циклический путь переноса электронов,

сопряженный с генерацией АТФ, но способ образования восстановителей не совсем ясен.

Существуют данные, что у бактерий тоже функционируют нециклическое фосфорилирование, при этом донором водорода являются серосоединения H2S,

Na2, S2O3, молекулярный водород.

Так как все экзогенные восстановительные пары имеют более высокий редокс-потенциал, чем НАДФ, то восстановление НАДФ требует энергии, и

реакция идет либо за счет солнечной энергии или за счет протонного градиента,

образованного при циклическом переносе электронов.

Зеленые серные бактерии используют лучистую энергию для переноса атома водорода от H2S к НАДФ. Электроны от H2S обладают очень высоким отрицательным редокс-потенциалом и способны к восстановлению НАД до НАДФ при поглощении одного кванта света единственной фотосистемой,

имеющейся у этих бактерий.

Оксигенный фотосинтез бактерий

Цианобактерии выделяют О2, но тилакоидные мембраны у них находятся не в хлоропластах, а распределены по всей цитоплазме, особенно на периферии. У цианобактерий тоже две ФС.

Фотосинтетические пигменты отличаются от растительных. Они содержат единственный хлорофилл а и в качестве вспомогательного пигмента фикобилины (фикоэритрин и фикоцианин), они локализованы в фикобилисомах.

38

Последние связаны с фотосистемой 11, ФС1 не используют энергии света, поглощенной фикобилинами. ФС1 при освещении окисляет цитохром и восстанавливает НАДФ+. Функционирование ФС11 приводит к образованию кислорода и восстановлению цитохромов.

В реакциях фотосинтеза у цианобактерий участвуют ферредоксины,

НАДФ-ферредоксин оксидоредуктаза, пластоцианин, связанный с мембраной цитохромом с554 и цитохром f, растворимый цитохромом с549 с низким потенциалом, также с550.

Ассимиляция углекислого газа бактериями

Пурпурные серные бактерии фиксируют углекислый газ в цикле Кальвина. У зеленых бактерий не обнаружено ключевых ферментов цикла Кальвина – фосфорибулокиназы и рибулозобифосфаткарбоксилазы. Пурпурные несерные и зеленые бактерии осуществляют карбоксилирование ацетил-СоА и сукцинил-СоА с образованием пирувата и альфа-кетоглутарата. Обе реакциипроисходят при участии восстановленного ферредоксина.

Установлено, что зеленые бактерии рода Chlorobium содержат большую часть ферментов ЦТК и что у них функционирует особый циклический путь ассимиляции углекислого газа, который называют восстановительным циклом карбоновых кислот или циклом Арнона.

Цикл может действовать в двух вариантах: удлиненный и укороченный варианты. В удлиненном цикле синтезируется оксалацетат, так как регенированный ацетат вновь включается в цикл, при укороченном цикле синтезируется ацетат, а оксалацетат снова входит в цикл.

Фотосинтез пурпурных и зеленых фототрофных бактерий происходит в анаэробных условиях, а в аэробных условиях в темноте многие из них могут дышать.

39

Бактерии способны выбирать наиболее энергетически выгодный тип метаболизма, реагируя при этом на парциальное давление кислорода и интенсивность освещения.

В темноте увеличивается синтез компонентов ЭТЦ. Вместе с тем освещение в бескислородных условиях индуцирует синтез фотосинтетических мембран и пигментов.

Главным фактором при этом выступает кислород. Если его содержание выше определенного уровня, то фотосинтетических мембран и пигментов не происходит.

Состав пигментов определяется интенсивностью освещения. Например,

при низкой интенсивности света у представителей рода родопсевдомонад синтезируется бактериохлорофилл и каратиноиды.

При высокой интенсивности содержание этих пигментов снижается. Свет полностью ингибирует дыхание у Rhodospirillum rubrum и частично у других представителей этого рода.

В присутствии ингибиторов переноса электронов в реакциях фотосинтеза не происходит. Регенерация энергии в клетке поддерживается на постоянном уровне в результате совместной регуляции процессов дыхания и фотосинтеза.

Цианобактерии отличаются высокими адаптивными свойствами. Синтез фикоэритрина и фикоцианина у цианобактерий регулируется длиной волны освещаемого света. Синтез фикоцианина усиливается при освещении красным светом, фикоэритрина – зеленым.

Поэтому цианобактерии могут приспосабливаться к определенной интенсивности освещения. Синтез фикоцианина снижается при дефиците по азоту. Содержание фикоцианина снижается и при снижении содержания углекислого газа.

40