4. Перенесення електронів в анаеробних умовах (анаеробне дихання).

У результаті фосфорилювання, спряженого з перенесенням електронів у процесі дихання аеробних мікроорганізмів, утво­рюється набагато більше АТФ, ніж при субстратному фосфорилюванні, яке відбувається під час бродіння. Тому не дивно, що в процесі еволюції виник і зберігся такий тип метаболізму, у яко­му водень від органічного субстрату переноситься на "зв'язаний" кисень (нітрат, сульфат, карбонат та ін.); ці сполуки відновлю­ються воднем субстрату. Здатність переносити електрони на такі сполуки дає бактеріям змогу окиснювати субстрати без участі молекулярного кисню і одержувати більше енергії, ніж це мож­ливо у процесі бродіння.

Такі бактерії мають систему транспорту електронів, містять цитохроми. Одержання енергії фосфорилюванням, спряженим з перенесенням електронів на такі термінальні акцептори, як ніт­рат, сульфат тощо, називають анаеробним диханням. Залеж­но від природи неорганічного акцептора водню розрізняють ніт­ратне, сульфатне, карбонатне та інше дихання .

ДЕНІТРИФІКАЦІЯ ТА ВІДНОВЛЕННЯ НІТРАТУ

Мікроорганізми використовують нітрат:

1) для синтезу азотвмісних клітинних компонентів. Така асиміляційна нітратредукція може відбуватися як в аеробних, так і в анаеробних умовах;

2) для нітратного дихання (дисиміляцшна нітратредук­ція), при цьому нітрат в анаеробних умовах є термінальним акцеп­тором водню (електронів).

В обох цих випадках нітрат спочатку відновлюється до нітри­ту за допомогою нітратредуктази. У процесі асиміляційної нітратредукції утворений нітрит відновлюється до аміаку за допомогою нітритредуктази, на що витрачається шість електронів. Електрони надходять від НАД(Ф)Н (у грибів і бактерій) або фередоксину (у рослин і дея­ких бактерій). Аміак використовується для синтезу клітинних компонентів.

Денітрифікуючі бактерії здатні відновлювати нітрат через нітрит до газоподібного закису азоту (N₂O) та азоту (N₂). Цей процес денітрифікації виявлений тільки у факультативних аеробів. Деякі денітрифікатори можуть рости, використовую­чи як термінальний акцептор водню не тільки нітрат, а й ніт­рит, а також іноді й закис азоту. Представниками денітрифікуючих бактерій є ґрунтові бактерії, наприклад, бацили, Paracoccus denitrificans.

Збіднення ґрунту азотом внаслідок денітрифікації. Тимча­сові втрати азоту на обмежених ділянках ґрунту пов'язані з діяль­ністю денітрифікуючих бактерій. Активно цей процес відбува­ється, коли в ґрунті створюються анаеробні умови (наприклад, застійне перезволоження), особливо при застосуванні у цей пері­од органічних добрив і нітратів. Нітрит, який утворюється з ніт­рату у процесі денітрифікації, акумулюється в стічних водах, а також може потрапляти і в питну воду.

Значення денітрифікації у природі. Денітрифікація — єдиний біологічний процес, завдяки якому зв'язаний азот пере­творюється на вільний молекулярний азот. З глобальної точки зору цей процес має вирішальне значення для збереження жит­тя на земній суші. У ґрунтах і водоймах, які нормально аеруються, нітрат є кінцевим продуктом мінералізації. Завдяки своїй високій розчинності у воді і слабкому зв'язуванню ґрунтом нітрат-іони вимивались би з ґрунтів і накопичувались у морській воді. Це призвело б до того, що вміст молекулярного азоту в атмо­сфері почав би зменшуватися, і процеси росту рослин і продукції біомаси на суші кінець кінцем припинилися б.

УТВОРЕННЯ СІРКОВОДНЮ У ПРОЦЕСІ ВІДНОВЛЕННЯ СУЛЬФАТУ

Сульфатредукуючі (сульфатовідновлювальні) бактерії харак­теризуються здатністю до перенесення водню на сульфат як тер­мінальний акцептор електронів і таким чином до відновлення сульфату до сульфіду. Цей процес називається сульфатним диханняма ,або дисиміляційною сульфатредукцією. Основним продуктом цього процесу є сірководень. Більша час­тина сірководню, який є в природі, утворюється завдяки життє­діяльності бактерій-сульфатредукторів.

Характеристика сульфатовідновлювальних бактерій. Сульфатредукуючі бактерії — це фізіологічна група, для якої характерним є здатність до утворення сірководню з сульфату. Сульфатовідновлювальні бактерії, на відміну від нітратредукторів, є облігатними анаеробами. Донорами водню служать прості низькомолекулярні сполуки, які утворюються внаслідок анаеробного розкладання біомаси (в основному целюлози): лак­тат, ацетат, пропіонат, бутират, форміат, етанол, вищі жирні кислоти, молекулярний водень. За ступенем засвоєння органіч­них кислот розрізняють дві групи сульфатредукторів:1) окиснюють донор не повністю та виділяють оцтову кис­лоту. Такими є представники спороутворювального роду Desulfotomaculum (наприклад, D. nigrif leans) та неспороутворювального роду Desulfovibrio (D. vulgaris, D. desulfuricans). Ці бак­терії не мають повного циклу трикарбонових кислот;2) частина представників цієї групи може рости, викорис­товуючи спирти, ацетат, вищі жирні кислоти або бензоат, тобто є хемоорганогетеротрофами, а інші здатні навіть до хемолітоавтотрофного росту у присутності водню та форміату. Деякі штами здатні синтезувати клітинні компоненти з ацетату, якщо донором водню служить Н₂, тобто є хемолітогетеротрофами. До них належать спороутворювальні (Desulfotomaculum acetoxidans) та неспороутворювальні палички (Desulfobacter), коки (Desulfococcus), сарцини (Desulfosarcina), нитчасті форми, які рухаються ковзанням (Desulfonema), та ін.

Деякі сульфатредуктори можуть рости у присутності Н₂ і сульфату як єдиних джерел енергії. Здатність же до відновлен­ня сульфату за допомогою молекулярного водню і утворення при цьому великих кількостей сірководню, не пов'язаного з помітним ростом, є характерною для більшості сульфатредукторів.

Асиміляційна та дисиміляційна сульфатредукція. Май­же всі бактерії, гриби та зелені рослини здатні використовувати як джерело сірки сульфат. Вони одержують із сульфату суль­фід, необхідний для синтезу сірковмісних амінокислот, шляхом асиміляційної сульфатредукції. Сульфат двічі акти­вується за рахунок АТФ з утворенням аденозин-5-фосфосуль-фату (АФС) та фосфоаденозин-5-фосфосульфату (ФАФС) (ферменти АТФ-сульфурилаза, АФС-кіназа). Лише цей двічі активо­ваний сульфат може відновлюватись спочатку до сульфіту (ФАФС-редуктаза), а потім до сульфіду (сульфітредуктаза).

Перший етап дисиміляційної сульфатредукції є аналогіч­ним процесу асиміляції сульфату (утворення активованого аденозинфосфосульфату). Далі АФС відновлюється (фермент АФС-редуктаза), причому відновлення може відбуватися двома шля­хами: 1) за допомогою сульфітредуктази сульфат прямо (без утворення проміжних продуктів) відновлюється до сульфіду, на що витрачається шість електронів; 2) послідовне триетапне від­новлення з утворенням проміжних продуктів таких, як тритіонат і тіосульфіт.

Сіркове дихання. Бактерія Desulfuromonas acetoxidans здат­на використовувати елементарну сірку як акцептор водню у про­цесі анаеробного перенесення електронів. Сірка при цьому віднов­люється до сірководню. Ця виділена з морської води бактерія здат­на повністю (до СО₂ та води) окиснювати етанол та ацетат.

Поширення та роль сульфатредукторів у природі. Сульфатредуктори зустрічаються в основному в сірководневому мулі, де органічні речовини піддаються анаеробному розкладанню. Основну масу сірководню, утворюваного в природі, слід вважа­ти кінцевим продуктом сульфатного дихання. Більшість сірко­вих родовищ мають невулканічне походження. Це так звана біогенна сірка, яка утворилась шляхом відновлення сульфатів морської води за допомогою сульфатредукуючих бактерій.

Результатом життєдіяльності сульфатредукторів є так звана анаеробна корозія заліза (мікробна корозія). Відомо, що у вологому середовищі іонізація заліза може відбуватися і в анаеробних умовах:

4Fe + 8Н⁺ -> 4Fe²⁺ + 4Н₂ (окиснення заліза). (1)

Плівка з молекулярного водню захищає залізо від подаль­шого руйнування. Проте у присутності сульфатредукторів і за наявності у середовищі сульфатів відбувається катодна деполя­ризація, і залізо окислюється навіть у відсутності кисню:

4Н₂ + SO₄ ^z- -» H₂S + 2H₂O + 2ОН (відновлення сульфату); (2)

Fe^z+ + H₂S + 2ОН + 4Н₂О -» FeS + 3Fe(0H)_a + 6Н⁺ (утворення нерозчинного

сульфіду заліза).(3)

Зумовлене такою корозією пошкодження залізних труб є дуже збитковим.

Сульфатредуктори є відповідальними за високий вміст сірко­водню в глибинних шарах (понад 200 м) Чорного моря.

ВІДНОВЛЕННЯ ІОНІВ Fe (ІІІ) ДО Fe (II)

Змішані популяції ґрунтових бактерій в анаеробних умо­вах відновлюють іони Fe (III) до Fe (II). Якщо в середовищі, крім Fe (III), є також іони нітрату та нітриту, то спочатку відбуваєть­ся процес денітрифікації (відновлення нітрату до нітриту та молекулярного азоту), і тільки після цього — відновлення іонів Fe (III). Передбачається, що перенесення електронів на Fe (III) здійснює нітратредуктаза. Оскільки відновлення нітрату спря­жене з окиснювальним фосфорилюванням, то, очевидно, і від­новлення Fe (III) може використовуватися в процесі анаеробно­го дихання. Окисно-відновний потенціал пари Fe³⁺/Fe²⁺ стано­вить +770 мВ, тому така реакція є термодинамічно можливою. Враховуючи те, що оксиди тривалентного заліза є практично нерозчинними у воді, вони повинні бути спочатку переведені у розчинну форму, здатну проникати всередину бактеріальної клітини. Це здійснюється, очевидно, за допомогою сідерофорів.