33. Карбоксидобактерии и метилотрофные бактерии

Карбоксидобактерии – это аэробные эубактерии, способные расти, используя окись углерода (CO) в качестве единственного источника углерода и энергии, обладающие специфической ферментной системой окисления (CO) – оксидазой, широко распространены в природе и являются мощным агентом удаления (CO) из атмосферы.

Карбоксидобактерии рассматриваются как особая физиологическая подгруппа водородных бактерий. Использование ими дыхательного яда (CO) как источника энергии указывает на осуществление нового типа хемолитотрофного метаболизма. Окисление ими угарного газа (CO) происходит следующим образом:

Очевидно, что для окисления (CO) до (CO2) используется кислород, входящий в состав воды, а оставшиеся электроны и ионы водорода при смещении реакции вправо образуют молекулы водорода.

Как известно, источниками угарного газа является промышленность, автотранспорт, вулканическая деятельность, биологические процессы. Этот газ является смертельным отравляющим веществом для многих живых организмов. Используя карбоксидобактерии, можно очищать атмосферу от (CO), и, самое главное, синтезировать экологически чистое топливо будущего – водород.

Особое внимание следует уделить бактерии carboxydothermus hydrogenoformans. Впервые она была обнаружена в 1991 году российскими учеными в жерле вулкана Тятя на острове Кунашир, а также в термоисточниках Долины гейзеров и гидротермах вулкана Карымский.

Эти микроорганизмы живут при нормальном давлении и температуре около 300 градусов по Цельсию в условиях полного отсутствия кислорода, перерабатывая угарный газ и воду в углекислый газ и чистый водород. В процессе проведения реакции окисления выделяется также тепловая энергия. Она составляет 20 кДж на один моль выделившегося водорода.

Карбоксидобактерии, а в особенности carboxydothermus hydrogenoformans, могут сыграть значительную роль в развитии водородной энергетики, и, конечно же, в очистке воздуха от содержащего в нем вредного оксида углерода (CO).

Отличительным свойством метилотрофных бактерий является способность ассимилировать углерод из одноуглеродных соединений, содержащих метильную группу (СН3-), а также соединений, содержащих две или более метальные группы, не связанные непосредственно друг с другом (например, диметилового эфира СН3-О-СН3). В природе из соединений этого класса наиболее широко распространен газ метан (CH4), который встречается в залежах угля и нефти и в больших количествах синтезируется метан-образующими бактериями в анаэробных условиях. При распаде пектинов и других природных органических веществ, содержащих метиловые эфиры, образуется метанол, который также является субстратом для метилотрофных бактерий. В тканях растений и животных содержатся другие субстраты метилотрофных бактерий - метиламины [CH3NH2) (CH3)2NH, (CH3)3N] и их оксиды..

Ассимиляция этих восстановленных соединений, содержащих метильную группу, почти всегда сопряжена с дыханием и осуществляется строгими аэробами. Единственное исключение из этого правила составляет использование метанола метанобразующими и пурпурными бактериями в анаэробных условиях. Окислять, метан способны только прокариоты. Метилойый спирт, может служить субстратом и для некоторых дрожжей.

Поскольку пищевые потребности хемоавтотрофов и метилотрофов весьма просты, их когда-то считали "примитивными" организмами, относящимися, возможно, к самым ранним формам жизни на Земле. Позднее представление об их месте в эволюции живых организмов изменилось. Биохимический аппарат данных бактерий оказался таким же сложным, как и у большинства хемогетеротрофных бактерий. Самые первые живые организмы на Земле возникли в анаэробных условиях, когда первобытный океан в изобилии содержал образованные ранее органические вещества. Богатая кислородом биосфера возникла гораздо позднее около 2 млрд. лет назад. Этот важнейший геохимический переворот объясняется фотосинтезом. При таком характере эволюции аэробные хемоавтртрофы и метилотрофы могли появиться на Земле только после того, как развился сам фотосинтез. Предположительно, хемоавтотрофы и метилотрофы возникли из прокариотических предков, которые осуществляли фотосинтез, но утратили аппарат фотосинтеза, а их цепи переноса электронов, функционировавшие при фотосинтезе, стали выполнять новую функцию. Некоторые представители этих двух основных групп прокариот, фотосинтезирующей и нефотосинтезирующей, обладают весьма интересными свойствами. Сюда относятся наличие нескольких сложных, характерных для них типов систем внутренних мембран; отсутствие функционирующего цикла трикарбоновых кислот; наличие цикла Кальвина или его аналога, пентозофосфатного цикла; локализация в карбоксисомах ключевого фермента цикла Кальвина (рибулозодифосфаткарбоксилазы).

По способности утилизировать углерод метилотрофы подразделяются на две основные подгруппы микроорганизмов - на облигатных и факультативных метилотрофов. Облигатные метилотрофы способны расти на метане; из других субстратов их рост могут поддерживать лишь диметиловый эфир и метанол. Факультативные метилотрофы способны расти на метаноле и метиламинах, но не на метане. Часто они растут также на муравьиной кислоте и на небольшом числе простых С2- и С4- соединений.