5. Використання неорганічних донорів водню: аеробні хемолітотрофні бактерії

Багато груп ґрунтових і водних бактерій можуть викорис­товувати як донори водню чи електронів неорганічні сполуки (іони амонію, нітриту, сульфіду, тіосульфату, сульфіту та дво­валентного заліза), а також елементну сірку, молекулярний водень і CO, тобто здатні одержувати в результаті їх окиснення відновлювальні еквіваленти та енергію для синтетичних процесів. Одержання енергії, як правило, проходить у результаті дихан­ня з О_2, як термінальним акцептором водню. Такий спосіб існу­вання з використанням неорганічного донора водню називають хемолітотрофним. Більшість бактерій з таким типом мета­болізму використовують СО₂ як джерело вуглецю. Тому вони є хемолітоавтотрофами. Для деяких хемолітотрофних бак­терій такий спосіб існування є облігатним, інші ж є факульта­тивними хемолітотрофами, тобто здатні також і до хемооргано-гетеротрофного росту.

Зворотний транспорт електронів у дихальному ланцюгу. Неорганічні субстрати (аміак, нітрит, сульфід та ін.) мають сильно позитивний окисно-відновний потенціал (NH₄⁺/NH₂OH +899 мВ; NO ₃^-./NO ₂^-, +420 мВ; Fe^{3 +/} Fe²⁺ +770 мВ), у той же час окисно-відновний потенціал пари НАД/НАДН становить -320 мВ. Тому їх окис­нення не може бути прямо пов'язане з утворенням НАДН (як при окисненні органічних субстратів) за термодинамічних причин. Водночас НАДН необхідний цим бактеріям для процесів конст­руктивного метаболізму. Разом з тим було показано, що електро­ни, які вивільняються у процесі окиснення неорганічних субстра­тів, надходять у дихальний ланцюг на рівні цитохромів с або о. Отже, утворення АТФ у хемолітотрофних бактерій може здійс­нюватись тільки на одному-єдиному етапі окиснення. Частина цієї енергії витрачається на перенесення електронів у зворотно­му напрямку дихального ланцюга (у бік утворення НАДН). Отже, у цих бактерій відновлення НАД відбувається в процесі зворотного транспорту електронів, на що витрачається енергія АТФ. Для аеробних хемолітоавтотрофів цей механізм є обов'язковим і необхідним для отримання відновлювальних еквівалентів, які використовуються потім у процесах біосинтезу.

Для хемолітотрофних бактерій характерним є низький рівень біомаси. Так, для синтезу 1 г клітинної біомаси аеробним хемоліто-автотрофам необхідно витратити 30-150 г первинного джерела енергії (аміаку, сульфіту), в той час, як хемоорганогетеротрофам — лише близько 1-2 г субстрату (глюкози, нафти та ін.). І зрозуміло чому. Адже хемолітоавтотрофи, з одного боку, одержують мало енергії, а з другого — здійснюють так зване "холосте окиснення", тобто окиснення субстратів без одночасного синтезу клітинних компонентів. Тому не дивно, що різні перетворення в ґрунті та воді здійснюються порівняно малою кількістю бактерій.

ОКИСНЕННЯ АМІАКУ ТА НІТРИТУ (НІТРИФІКАЦІЯ)

Перетворення аміаку (амонію) на нітрат — нітрифікація — здійснюється нітрифікуючими бактеріями. Проте немає таких бак­терій, які б перетворювали аміак безпосередньо на нітрат. В його окисненні завжди беруть участь дві групи бактерій: одні окиснюють аміак, утворюючи нітрит, інші окиснюють нітрит у нітрат.

Нітрифікатори — грамнегативні бактерії, які належать до роди­ни Nitrobacteriaceae. Досі їх вважали облігатними хемолітоавтотрофами, оскільки вони не використовують органічні субстрати, які були добавлені в поживні середовища. Проте нині існує багато сум­нівів щодо облігатності нітрифікаторів. Так, виявилося, що Nitro barter winogradskyi здатний використовувати ацетат для синтезу деяких клітинних речовин (білків, полі-в-оксибутирату).

Роль процесів нітрифікації в ґрунті. У ґрунті, який інтен­сивно аерується, іони амонію, що вивільнюються в результаті мінералізації азотвмісних речовин, швидко окиснюються. Пере­хід катіону NH⁺ ₄ в аніон NO^-₃ супроводжується підкисленням ґрунту і підвищенням розчинності мінералів (солей калію, каль­цію, магнію та фосфорної кислоти). Тому в нітрифікаторах уба­чають важливий фактор підвищення родючості ґрунтів. Але нині ця думка змінилася. Виявилося, що іони амонію затримуються в ґрунті значно довше і краще нітрату, який легко вимиваєть­ся. У зв'язку з цим з'явилася тенденція до обмеження нітрифі­кації в ґрунтах сільськогосподарських угідь. Вишукуються речо­вини, які здатні специфічно пригнічувати ріст нітрифікуючих бактерій і стати "стабілізаторами" ґрунтового азоту.

Слід враховувати, що ріст і метаболізм автотрофних нітрифікаторів проходить нормально лише за рН 7-8. Діапазон рН, в якому від­бувається повна нітрифікація від аміаку до нітрату, є дуже вузьким, оскільки і аміак (за високих значень рН), і азотна кислота (за низь­ких значень рН) спричиняють токсичний вплив на Nitrobacter.

Нітрифікуючі бактерії опосередковано беруть участь у руйну­ванні різних споруд, для яких будівельним матеріалом є вапно та цемент. Це пов'язано з тим, що нітрифікатори окиснюють аміак, який є в атмосфері та екскрементах тварин, до азотної кислоти.

ОКИСНЕННЯ ВІДНОВЛЕНИХ СПОЛУК СІРКИ

Здатність одержувати енергію в результаті окиснення від­новлених сполук сірки притаманна грамнегативним бактеріям з полярно розміщеними джгутиками, які об'єднані в рід Thiobacillus. До цієї групи бактерій належать також представники родів Sulfolobus, Thiomicrospira (таблиця).

Більшість тіобацил окиснює різні сполуки сірки, утворю­ючи як кінцевий продукт сульфат:

S^2- + 2О₂ -> SO^2-_4.

S + Н₂О + 1,5O₂ -> SO^2-₄ + 2Н⁺;

S₂O₃^2- + H₂O + 2O₂ -> 2SO^2-₄ + 2H⁺.

Деякі сіркоокиснювальні бактерії є облігатними хемолітоавтотрофами, а деякі — здатні використовувати як джерело енергії та вуглецю, а також як донори електронів — органічні спо­луки. Ці бактерії є аеробами, проте Thiobacillus denitrif leans може використовувати як термінальний акцептор електронів, крім кисню, також і нітрат. Отже, ця бактерія може здійснюва­ти анаеробне нітратне дихання і денітрифікувати нітрат. Але вона не здатна до асиміляційного відновлення нітрату, тому як дже­рело азоту їй потрібен тільки аміак (солі амонію).Thiobacillus thiooxidans утворює великі кількості сірчаної кислоти і добре переносить низькі значення рН. Клітини не втра­чають життєздатності навіть у 1 н. розчині сірчаної кислоти. Такі властивості цих бактерій використовуються в сільському господарстві з метою зниження лужності ґрунтів: у вапнисті ґрунти вносять елементну сірку, утворювана тіобацилами сір­чана кислота переводить нерозчинний карбонат кальцію в більш розчинний сульфат кальцію, який вимивається з ґрунту.

У місцях, де в осадах стоячих вод і вод, які повільно течуть, утворюється сірководень, можна часто виявити на чорній поверхні мулу знебарвлені нитчасті сіркобактерії Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca. Проте виділення чистих культур таких класичних сіркобактерій утруднене і не завжди вдається. Очевидно, для їх росту необхідні органічні речовини.

Сірководень як основа безсвітлової екосистеми. Для жит­тя всіх вищих гетеротрофних організмів необхідна біомаса, яка утворюється за допомогою фотосинтезу (рослини). Проте існує виняток з цього правила. На великих морських глибинах, у міс­цях, де розходяться континенти, з морського дна б'ють гарячі джерела з температурою води близько 350 °С. У воді цих дже­рел розчинено багато різних мінеральних речовин, у тому числі й сірководень. Там, де гаряча вода стикається з холодною мор­ською водою, що містить кисень, можуть рости бактерії, які окиснюють сірку або сірководень. Вони є поживою для молюсків, ракоподібних, черв'яків. Отже, на великих морських глибинах, куди не проникає світло, у безпосередній близькості від гаря­чих джерел існує екосистема, в якій продукція біомаси ґрунту­ється не на фотосинтезі, а на хемолітоавтотрофії.