Органические вещества

Минеральные соли		Источники
микроэлементы		азота

Рис. 60. Схема метаболизма бактерий

АНАБОЛИЗМ

КАТАБОЛИЗМ

Мономеры (строительные белки)

Аминокислоты

Сахара

Нуклеотиды

Рис. 61. Катаболизм и анаболизм клеток

Полимеры ( макромолекулы ) Белка

Полисахариды Полииуклеотнды

©

фруктозо-1,6-бифосфатный путь Пентаэофосфатный путь

§2-кето-3-пе»кси-6-фосфогл»оконатиый путь Цикл трикарбоноаых кислот Дыхательная цепь V (б^ Фосфорилироеание на уровне субстрата

([. Д /5ч Окислительное фосфорилироеание I HjOl в дыхательной цепи

—' (в) Синтез мономеров

Синтез полимеров

для которых имеются соответствующие транспортные системы. Вещества могут проникать в клетку при пассивной диффузии. Таким путем в клетку в небольшом количестве проникают чуже­родные вещества. Сахара, аминокислоты и другие метаболиты таким путем в клетку не проникают. При облегченной диффузии вещество транспортируется в клетку при условии, что его кон­центрация в клетке меньше, чем в окружающей среде. Этот про­цесс осуществляется субстрат-специфическими пермеазами и не требует затрат энергии. Активный транспорт требует затрат энер­гии в виде АТФ и вещество может накапливаться в клетке про­тив градиента концентрации. При транслокации группы перено­симая молекула в процессе транспорта видоизменяется, например фосфорилируется.

Существует принцип биохимического единства жизни на Зем­ле, который заключается в универсальности ряда процессов и явлений. Так, универсален генетический код (ДНК, РНК), «стро­ительные блоки». Например, белки состоят из аминокислот, нук­леиновые кислоты — из пуриновых и пиримидиновых оснований,

|глкжтл|

Н₂(>

Пенто>офосфатный путь

Глюкозо-6-фосфот~|

(АТР)-^

Гексокинта

2- Kemo-J-detoKL'M-6- фосфоглюконатный путь

Г Глюкто-6-фосфаташ

|| Глюкаюфосфтп-ишчерта

Гекстобифосфаташ

н,о

Фруктозо-1,6-бнфосфат

^АТР

6-фосфофруктокинта

(ADP)

Фруктоюбифосфаашлкикигш

Триопофосфшп-томерта

Глниеральдегид-З-фосфат

/ лицеральдсгидфосфат- дегидрогенит

Фосфоглицераткина ш

ГЙАОЙ^) (NAD>\|

Баланс:

Глюкоза 2 Пируват + 2АТР + 2 NADH;

Рис. 62. Фруктозо-/,6-бифосфатный путь расщепления глюкозы (гли­колиз)

полисахариды — из моиосахаров. Основной источник энергии (АТФ), пути расщепления Сахаров и дыхательная цепь едины. На фоне этого единства у микроорганизмов прослеживается много-

HjO

C.H3-CO-SC0A I СоА

CH₂-COOH НО-С-СООН CHj-COOH Цитрат

СО-СООН _

CHj-COOH

Оксалоацетат

®l/—- (tfADF£) / (TTAED

н₂о

1. ²

с-соон

сн-соон

ццс-Аконитат

Н₂0

-сн-соон

I

сн₂-соон

L -Малат

V.®

®

®

н,о-

CHj-COOH

ОН,-СООН—СН-СООН I

CH.-COOH I ²

©

нс-соон

II

ноос-сн

Фу марат

СН₂-СООН

сн₂-соон

Сукиинат

V

сно-соон

-> ' но-сн-соон

Изоцитрат

(NAD(P)H

©

сн₂-соон сн-соон

I

CO-COOH Оксалосукцинат

I ¹

сн₂

I

СоА У\

СоА (ADP)

CO~SCoA > Сукцинил-СоА

сн₂-соон

¹

®

со^⁴

I

CO-COOH 2-Оксоглутарат

СоА

(со^

Рис. 63. Цикл трикарбоновых кислот

образие в процессах катаболизма и анаболизма, что выражается в различии источников энергии, источников углерода и восста­новителя (водорода и электронов).

Наружная сторона

простая диффузия

Внутренняя сторона

ФЕП

Фермент! Пируват

Рис. 64. Транспорт веществ в клетку

облегчённая диффузия

активный транспорт

транслокация группы

По типам питания организмы могут быть разными. Главное — это источник энергии, донор водорода (электронов) и источник углерода для построения органического вещества:

1. источник энергии: а) фототрофы — источник энергии свет, б) хемотрофы — источник энергии химические вещества (органические или неорганические);

2. донор водорода (электронов): а) органотрофы используют органические вещества; б)литотрофы используют неорга­нические вещества — Н₂0, Н₂, NH₃, H₂S, S, СО, Fe²⁺;

3. источник углерода: а) автотрофы используют С0₂, б) гете- ротрофы используют органические вещества.

При обозначении организма иногда используют только две, но чаще все три характеристики.

Примеры:

• фотолитоавтотрофы — растения, цианобактерии, пурпур­ные и зеленые бактерии;

• хемолитоавтотрофы — нитрификаторы, водородные бакте­рии, метаногенные бактерии;

• хемоорганогетеротрофы — большинство бактерий, грибы, животные, человек.

Встречаются микроорганизмы, способные переходить от од­ного типа питания к другому, например, от фотоавтотрофии к хемогетеротрофии. Такие организмы называют миксотрофами. К ним можно отнести водоросли, например зеленую водоросль Chlorella vulgaris, которая может расти на свету за счет фотосин­теза, а при отсутствии света — за счет органических веществ.

Процессы катаболизма создают в клетке вещества с макроэр- гическими связями. Наиболее общее соединение такого типа — аденозинтрифосфат (АТФ), который образуется в результате ре­акций фосфорилирования. У микроорганизмов различают три типа фосфорилирования: 1) субстратное; 2) фотофосфорилиро- вание; 3) окислительное фосфорилирование. Появление этих ти­пов реакций связано с ходом эволюции жизни на Земле. Если у высших организмов — растений и животных — преобладает один из типов энергетического метаболизма, то у более древних орга­низмов прокариот имеются все указанные типы.

Наиболее примитивным способом получения энергии яв­ляются процессы субстратного фосфорилирования (фосфори­лирования субстрата) — брожения, за счет которых существует несколько групп прокариот, широко представленных в почве. Бро­жение — это окислительно-восстановительные процессы превра­щения органических соединений, сопровождающиеся выходом энергии. Брожение протекает без участия молекулярного кисло­рода в анаэробных условиях, т.е. это окисление анаэробного типа. Электрон в окисляемых органических веществах переносится с одной части на другую часть органической молекулы, выступаю­щей в роли его акцептора. Высвобождаемая на окислительном этапе процесса энергия запасается в молекулах АТФ. В среде накапливаются низкомолекулярные окисленные и восстановлен­ные продукты — результат расщепления исходных молекул сбра­живаемого субстрата. Брожению подвергаются углеводы, спир­ты, органические кислоты, аминокислоты, пурины и пиримидины. Продуктами брожения являются органические кислоты, спирты, ацетон, а также С0₂ и Н₂. Обычно накапливается несколько про­дуктов, но по главному из них различают брожения: спиртовое, молочнокислое, маслянокислое и др. (рис. 65).

Следующим типом получения энергии вначале был также ана­эробный процесс возникновения жизни за счет света— фото- фосфорилирование. В настоящий период существования жизни на нашей планете у микроорганизмов есть несколько типов фо­тосинтеза. Фотосинтезирующие прокариотные организмы пред­ставлены пурпурными и зелеными бактериями, а также большой группой широко распространенных в почвах цианобактерий, почвенные фотосинтезирующие эукариоты — водорослями. Осо­бый тип фотофосфорилирования на мембране обнаружен у га- лобактерий — представителей архебактерий, обладающих красным пигментом родопсином, заменяющим хлорофилл. У эукариот и цианобактерий фотофосфорилирование сопровождается выделением

[ Пропионоеыв бактерии j

Группа кишечной палочт

Оксапоацетат

Ын]

Ацетил - СоА + АТР^/

| нсоон

Ацетил - СоА + |н₂| | СО; |

ATP—f

Сукцииат |

| СО; | Ацетоацвтил —СоА ATP-j-t"!

| Ацетат | | Этаиоп |

V

СО, | ; 1

j Ацетоии ¹

-ссь4

Пропмонат

| Бутандиоп

Рис. 65. Типы брожений и их возбудители

кислорода, у остальных прокариот фотосинтез бескислородный (без выделения свободного кислорода).

Появление в атмосфере Земли кислорода в результате фото­синтеза привело к возникновению нового типа энергетического метаболизма, основанного на акцептировании электрона кисло­родом. Это так называемое окислительное фосфорилирование, в котором различают дыхание (перенос электрона на молекуляр­ный кислород) и анаэробное дыхание (перенос на неорганиче­ские акцепторы — сульфаты, нитраты, карбонаты) (рис. 66).

Анаболические процессы, или конструктивный (строительный) метаболизм, связаны количественно главным образом с источ­никами углерода и азота, которые могут быть в органической и неорганической форме. Соотношение С : N в биомассе бактерий составляет 5:1, а в среде оптимальное соотношение должно быть 25:1, так как 1/5 часть углерода включается в вещества клеток, а 4/5 расходуется на энергетические нужды (это усредненные весьма ориентировочные расчеты). Источниками углерода служат С0₂ и(или) органические соединения. В качестве источников азота выступают белки, пептиды, аминокислоты, нитраты, аммоний­ные соединения и молекулярный азот. Кислород поступает в орга­ническое вещество главным образом из С0₂, а водород — из воды.

Рис. 66. Аэробное и анаэробное дыхание

Кроме источников основных элементов — органогенов, золь­ных элементов и микроэлементов многие микроорганизмы нуж­даются в специфических веществах, которые лимитируют рост и поэтому называются факторами роста. Такими факторами у мик­роорганизмов могут быть витамины, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания. Независимые от органических фак­торов роста микроорганизмы называют прототрофами, а нужда­ющиеся в каком-либо ростовом факторе — ауксотрофами.

Специфические потребности микроорганизмов в источниках питания, факторах роста или микроэлементах делают их объек­тами, удобными для использования в качестве биологических индикаторов, например при определении потребности почвы в удобрениях, количественном анализе содержания витаминов или микроэлементов в почве. Впервые на свойства микроорганиз­мов как химических реактивов обратил внимание академик B.J1. Омелянский. В 1906 г. он написал статью «О применении бактериологического метода при химическом исследовании», в которой отметил две особенности микроорганизмов как биоло­гических индикаторов: их специфичность и исключительную чувствительность.

Некоторые продукты метаболизма и особенно вторичные ме­таболиты являются ценными веществами. Это аминокислоты, лимонная кислота и другие органические кислоты, различные сахара, ферменты, витамины, антибиотики, которые составили целую эпоху в развитии микробиологии, в том числе и почвен­ной микробиологии. Микроорганизмы способны к «сверхсинте­зу» некоторых веществ, которые образуются ими в избытке, вы­деляются в среду или аккумулируются в клетке. На этом свойстве основано промышленное использование микробов для получе­ния разных целевых продуктов. Почва в таком случае выступает как неистощимый источник микроорганизмов, образующих раз­нообразные ценные вещества и в первую очередь антибиотики, витамины, стимуляторы роста растений.

Все процессы катаболизма и анаболизма протекают не само­произвольно, а катализируются особыми ферментами. Клетка обладает способностью управлять скоростями отдельных реак­ций и тормозить или ускорять весь метаболический путь за счет наличия регуляторных механизмов.

Процессы анаболизма регулируются в клетке механизмом, который называется репрессией конечного продукта. Сигнал к прекращению синтеза белковых молекул в большинстве случаев поступает от конечных продуктов процесса. Он проявляется в том, что в цепи одного из метаболических путей есть фермент, имеющий регуляторный центр, который может связываться с конечным продуктом данного пути биосинтеза и изменять ак­тивность фермента (аллостерический фермент) (рис. 67).

Процессы катаболизма регулируются при помощи механизма катаболитной репрессии. Если в среде для роста имеется два суб­страта, то бактерии в первую очередь используют тот из них, который обеспечивает более быстрый рост, а второй по­требляют только по исчерпа­нии первого — явление диа- уксии. В этом случае синтез ферментов для использования второго субстрата репрессиру­ется первым катаболитом.

Ферменты делят на кон­ститутивные, т.е. всегда син­тезируемые организмом неза­висимо от условий его роста, и индуцибельные, которые синтезируются клеткой только в присутствии соответствую­щего субстрата. В этом одна из

особенностей ферментных СИС- (отрицательный) ческий тем микроорганизмов. Другая фермент

особенность- образование _Рис_ ₆₇ Дллостерические ферменты экзоцеллюлярных (внеклеточ­ных) ферментов, которые расщепляют сложные молекулы суб­страта во внешней среде (целлюлоза, белки, лигнин, хитин, ли- пиды, пектин). При этом клетка может синтезировать много фер­мента и поддерживать высокую активность процесса превращения экзогенного субстрата. Результатом является переработка боль­ших количеств разнообразных веществ микроорганизмами при малой их биомассе.

Ферменты характеризуются специфичностью действия и спе­цифичностью субстрата. Последнее свойство используется при построении названий ферментов: к названию специфического для субстрата фермента прибавляется окончание «аза». Напри­мер, пектиназа, целлюлаза, липаза, фосфатаза, протеаза (от сло­ва протеин — белок), амилаза (от слова амилоза — крахмал) и др.

0

. ФЕРМЕНТ + ПРОДУКТ

Фермент Фермент- субстратный комплекс

Эффектор Аллостери-

Одним из важнейших факторов деятельности микроорганиз­мов в почве, который оказывает существенное влияние на ход и интенсивность всех процессов, является формирование природ­ных группировок, в которых все члены работают согласованно и взаимозависимо. Это синтрофные ассоциации и метабиотиче- ские цепи. При синтрофном росте ассоциация быстрее и полнее

усваивает субстрат, чем в отдельности каждая популяция, входя­щая в ее состав. В метабиотических цепях каждый последующий организм усваивает тот субстрат, который является конечным продуктом деятельности предшественника. В результате микро­организмы оказываются способными утилизировать бесконечное множество различных соединений — природных и создаваемых человеком (ксенобиотиков). Наиболее стойкие природные соеди­нения — лигнин и гумус — тоже подвергаются микробной дегра­дации, хотя и медленнее, чем другие органические вещества. Неприродные синтезированные химиками органические соеди­нения не всегда разлагаются микроорганизмами (многие поли­меры и пестициды). Они опасны тем, что могут накапливаться в почве в угрожающих количествах.

Совокупность микроорганизмов, способных осуществлять одну и ту же общую физиологическую функцию в цепи превращения веществ, в микробиологии принято называть физиологической группой. Примерами могут служить физиологические группы микроорганизмов, участвующих в превращениях азота (нитри- фикаторы, аммонификаторы, денитрификаторы, азотфиксаторы) или серы (серные, тионовые, сульфатредуцирующие). Такое разде­ление микроорганизмов на физиологические группы закрепилось в почвенной микробиологии благодаря широкому внедрению прин­ципа элективное™ С.Н. Виноградского: в специфических изби­рательных условиях может работать только определенный мик­роорганизм или группа организмов с четко обособленной функцией. В последнее десятилетие было получено много дока­зательств смены функций у одного и того же вида микроорганиз­ма в зависимости от условий. Например, типичный азотфикси- рующий микроорганизм при наличии нитратов, органического вещества и в анаэробных условиях осуществляет денитрифика- цию и не фиксирует, а выделяет N₂. При использовании белка он становится аммонификатором. Следовательно, понятие фи­зиологической группы нельзя считать строго ограниченным оп­ределенным набором видов. Это подвижная группировка микро­организмов, проявляющих в данный момент определенную функциональную активность при заданных условиях среды. Пра­вильнее говорить не о физиологических группах, а о физиологи­ческих функциях микроорганизмов, которые могут проявляться по-разному в зависимости от условий, хотя есть и узкоспециали­зированные группы микробов, например, метаногены, автотроф- ные нитрификаторы, сульфатредукторы.

ЦИКЛ УГЛЕРОДА

Цикл углерода в почве — важный геохимический цикл, обес­печивающий стабильность углерод-кислородной системы Земли.

С круговоротом углерода связаны важнейшие процессы — фотосинтез и судьба почвенного органического вещества. От ди­намики этих процессов зависит состояние наземного покрова и атмосферы.

В круговороте углерода и кислорода наиболее четкое выраже­ние находит взаимозависимость и связь всех живых существ на Земле. Благодаря участию в этом цикле микроорганизмов почвы как деструктивного звена происходит замыкание круговорота и совершается циклическое превращение веществ и энергии в био­сфере. В этом главнейшая функция почвенных микроорганизмов.

С А

Рис. 68. Цикл углерода и кислорода

В цикле углерода можно выделить два звена, имеющих плане­тарные масштабы и связанных с выделением и поглощением кислорода: 1) связывание С0₂ в процессе фотосинтеза и генера­ция кислорода; 2) минерализация органических веществ с выде­лением С0₂ и затратой кислорода. Первый процесс совершается в основном растениями, второй — микроорганизмами (рис. 68).

Углерод в составе биосферы представлен разнообразными формами — от простейших одноуглеродных соединений до слож­нейших молекул лигнина. Рассмотрим разные механизмы синте­за углеродных соединений с участием микроорганизмов почвы и разложения органических веществ в ряду от наиболее простых к сложным и стабильным формам углеродных соединений.

Процессы связывания (фиксации) С0₂

Из углекислоты создается вся первичная органическая про­дукция. Содержание С0₂в атмосфере около 0,03%, в почвенном воздухе — на порядок больше. Биологическое связывание С0₂ происходит в процессах фотосинтеза, хемосинтеза и гетеротроф­ной фиксации. Фотосинтез в основном происходит в наземном слое биосферы, два последних процесса — преимущественно в почве.

Фотосинтез. Фиксация С0₂ в фотосинтезе происходит за счет световой энергии:

С0₂ + Н₂0 + hv -> (СН₂0) + 0₂,

где hv — световая энергия (рис. 69, 70).

На этот процесс в биосфере расходуется 0,1% энергии Солнца, попадающей на Землю. Запасенная в продуктах фотосинтеза энер­гия служит важным энергетическим источником для ряда процес­сов, происходящих на Земле. В результате фотосинтеза ежегодно создается 180 млрд т органического вещества, из них 120 млрдт на суше и 60 млрд т в океане и выделяется приблизительно 100 млрд т свободного 0₂. Фотосинтез осуществляется высшими растения­ми, водорослями и некоторыми бактериями. Первичную продук­цию суши определил и точно рассчитал в 1864 г. немецкий химик Ю. Либих. В своих расчетах он основывался на продуктивности луга, находившегося около его лаборатории. В дальнейшем (1964— 1974 гг.) проводились исследования по Международной биологи­ческой программе. Исследователи определяли продуктивность в самых различных уголках земли: поднимались в горы, с вертоле­тов высаживались в недоступные районы тропических лесов и болот. Получили много ценных сведений о продуктивности раз­личных экосистем, но в то же время установили, что цифры, рас­считанные Ю. Либихом, являются совершенно точными.

В фотосинтезе участвуют пигменты, содержащиеся в хлоро- пластах (у растений и водорослей) или в мембранных структурах бактерий — хлоросомах, тилакоидах, фикобилисомах.

Свет

Ш

би •eh

\

Фотособирающая антенна

Реакционный центр

m

КИСЛОРОДНЫЙ ФОТОСИНТЕЗ растения; Водоросли; цианобактерии

ДОНОРЫ

СО,

н_г

орг. в-ва

ОРГАНИЧЕСКОЕ /\ -- ВЕЩЕСТВО < ~ „

БЕСКИСЛОРОДНЫЙ ФОТОСИНТЕЗ пурпурные серные и несерные бактерии ; зеленые бактерии

I

ЭЛЕ КТРОНА

H₂S '

Рис. 69. Схема фотосинтеза у растений, водорослей и бактерий

|Н]

|Н|

СОЛНЦЕ

л

и другие органические соединении

ЭНЕРГИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

с,,н₁₂о₆

СО,

ЭНТРОПИЯ

БИОХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ И ТЕПЛО

н₂о

Н_г<) -

J.

Оргаиотрофиые аэро5но дышащие организмы

Фототрофиые организмы, выделяющие 0₂

Рис. 70. Фотосинтез и деструкция органических веществ

В основе фотосинтеза лежат окислительно-восстановительные процессы, в которых электроны переносятся от донора-восста­новителя к акцептору. Восстановителем в растительном фото­синтезе выступает молекула воды, акцептором — С0₂. При этом

образуется органическое вещество и выделяется кислород. У бак­терий донорами электрона могут быть сероводород, сера, водо­род, органические соединения. Кислород в этом процессе не выделяется (бескислородный фотосинтез) (рис. 69).

Фиксация С0₂у автотрофных организмов происходит за счет универсального механизма, известного как цикл Кальвина, или рибулозобифосфатный цикл. У зеленых бактерий имеется цикли­ческий механизм фиксации С0₂, отличный от цикла Кальвина. В его основе лежат реакции восстановительного карбоксилирова- ния органических кислот, получившие название цикла Арнона.

Фототрофные прокариоты составляют группу микроорганиз­мов с разным отношением к кислороду — от строгих анаэробов до аэробов, у которых кислород образуется внутриклеточно. Есть факультативные анаэробы, аэротолерантные формы и микро- аэрофилы.

Из фототрофных прокариот в почвах обитают цианобакте- рии, галобактерии (на солончаках) и пурпурные несерные бак­терии в болотах и на рисовых полях. Некоторые фототрофные прокариоты развиваются на мхах, папоротниках, высших рас­тениях, они также вступают в более тесные ассоциации с други­ми организмами, например цианобактерии с грибами образуют некоторые лишайники.

Хемосинтез. Фиксация С0₂ в хемосинтезе происходит за счет энергии окисления внешнего неорганического донора электро­на. Этот процесс впервые был описан С.Н. Виноградским в кон­це прошлого века и назван аноргоксидацией. Хемоавтотрофы известны только среди бактерий (прокариот). К хемосинтезиру- ющим организмам относятся нитрификаторы, серобактерии, железобактерии, водородные бактерии, карбоксидобактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH₃, NO²", H₂S, S, Fe²⁺, H₂, CO. Некоторые виды — облигатные хемолитоавтотрофы, другие — факультативные. К последним от­носятся карбоксидобактерии и водородные бактерии. В отсут­ствие органических веществ они используют энергию окисления водорода или окиси углерода для фиксации С0₂, а при наличии органических соединений переходят на гетеротрофный тип пи­тания, т.е. они являются миксотрофами.

Гетеротрофная фиксация С0₂. Помимо фото- и хемосинтеза, где углекислота служит единственным источником углерода, она может ассимилироваться гетеротрофно, путем присоединения к готовым углеродным цепям. К гетеротрофному связыванию уг­лекислоты способны и такие фотоавтотрофы как высшие расте­ния, а также животные. Акцепторами С0₂ могут быть различные органические кислоты, чаще всего, пировиноградная (реакция Вуда-Веркмана):

СНзОСООН + С0₂ СООНСН₂СОСООН,

хотя всего известно до 10-12 способов включения С0₂ при гете­ротрофной фиксации.

До 3-10% углерода биомассы гетеротрофных организмов мо­жет быть построено из С0₂, как это было показано в опытах при использовании меченой ^|4С0₂.

Другие пути превращения одноуглеродных соединений

Образование метана биологическим путем из С0₂ и других одноуглеродных источников — метановое брожение — происхо­дит в болотах, торфяниках, иловых отложениях озер, метантен- ках, рубце жвачных животных, кишечном тракте человека. В по­чве этот процесс протекает там, где возникают анаэробные условия, и образуется водород в первичных процессах анаэроб­ного превращения органических веществ.

Метанобразующие бактерии (метаногены) — вторичные ана­эробы, так как они перерабатывают продукты, поступающие от других анаэробов. Метан образуется за счет восстановления С0₂ водородом по следующей схеме:

С0₂ + 4Н₂ = СН₄ + 2Н₂0.

Восстановлению могут подвергаться также СО, муравьиная кислота и метанол.

В газовой атмосфере торфяников метан часто превышает 30%. Группа метанобразующих бактерий гетерогенна. Среди них есть кокковидные, палочковидные, сарциноподобные организмы и спириллы. Все метаногенные бактерии относятся к архебакте- риям, их родовые названия начинаются со слова methan (Methano- coccus, Methanosarcina, Methanobacterium, Methanospirillum). Мета­нобразующие бактерии строгие анаэробы. Кислород убивает их, с чем сопряжены большие трудности при работе с ними в лабора­тории. Необходимо применять специальные методы, которые были разработаны в последние 20 лет, и было проведено подробное их изучение. В ряде анаэробных экосистем основным субстратом для образования метана служит ацетат. Метанобразующие бактерии составляют последнее звено анаэробной пищевой цепи, в начале которой находятся полисахариды (целлюлоза, крахмал, хитин), липиды, белки. В этой цепи участвуют: 1) бактерии, сбраживаю­щие целлюлозу до сукцината, пропионата, бутирата, лактата, аце­тата, спиртов, С0₂ и Н₂; 2) ацетогенные бактерии, сбраживающие эти первичные продукты до ацетата, формиата, С0₂ и Н₂ (рис. 71).

Рис. 71. Аэробное и анаэробное разложение растительной биомассы

Метанобразующие бактерии находятся в симбиотических (му- туалистических) взаимоотношениях с бактериями, образующи­ми газообразный водород. Первые не могут развиваться без во­дорода, а вторые сами себя отравляют избытком образуемого ими водорода. При совместном развитии этих двух групп бактерий свободный водород практически не обнаруживается, так как он моментально используется метанотрофами.

Метанобразующие бактерии активируют водород и осущест­вляют его окисление, сопряженное с восстановлением С0₂. Кле­точное вещество они также строят из С0₂, т.е. являются хемоав- тотрофами. Они осуществляют карбонатное дыхание (в качестве источника С0₂ используют СаС0₃). Ферменты метанобразующих бактерий отличаются большой специфичностью. Образование метана может происходить из ацетата или С0₂

Автотрофная фиксация С0₂ у метанобразующих бактерий про­исходит без участия рибулозобифосфатного цикла.

В последнее десятилетие выделение метана в атмосферу уве­личивается на 1% в год, что связано с воздействием на природу антропогенного фактора (утечки при газодобыче, рисовые поля, скот). Однако в атмосфере он фотохимическим путем довольно быстро окисляется до С0₂. В ряде случаев почвы могут погло­щать метан. Вопрос о том, что же почвы земного шара больше выделяют или поглощают метан, остается открытым.

Бытовые органические отбросы в южных странах использу­ются для получения метана в специальных метантенках (биогаз), который используется в домашнем хозяйстве. Метантенки быва­ют на один или несколько домов. В северных странах при прове­дении микробиологического процесса почти весь метан прихо­дится использовать для подогрева метантенка.

Метан, помимо биологического пути, образуется и в результа­те геохимических процессов. Он составляет основную часть при­родных углеводородных газов.

Окисление метана (метанотрофы) — биологический процесс, активно протекающий в районах метаногенеза — в местах газовых и нефтяных месторождений, в переувлажненных почвах, в поверх­ностной пленке болот. Метанокисляющие бактерии перехватыва­ют метан, который образуется в анаэробной зоне, и окисляют его до С0₂ через метанол, формальдегид и муравьиную кислоту:

СН₄ СН₃ОН -> СНОН -> НСООН С0₂.

Этот путь диссимиляции (катаболизма) осуществляется с уча­стием ферментов цепи переноса электронов. Ассимиляция угле­рода метана происходит на уровне формальдегида несколькими путями, отличными от автотрофной фиксации С0₂ в цикле Каль­вина. Микроорганизмы, окисляющие метан, получили название метанотрофов. Среди них есть облигатные формы, использую­щие в качестве углеродного источника питания метан или его производные (метанол и метиламины) и факультативные мети- лотрофы, ассимилирующие как одноуглеродные соединения (ме­танол, формальдегид, метиламин, но не метан), так и другие органические вещества. Облигатные метанотрофы — группа ме- танокисляющих бактерий семейства Methylomonadaceae, которые относят к родам Methylomonas, Methylobacillus, Methylococcus, Methylosinus и др. Хотя формально их следует считать гетеротро- фами (метан — органическое вещество), но по многим морфоло­гическим и физиологическим признакам они близки к таким литоавтотрофам, как нитрифицирующие бактерии семейства Nitrobacteriaceae. Процесс окисления метана сопровождается у них окислением аммиака до нитритов, они имеют хорошо разви­тую систему внутриклеточных цитоплазматических мембран, пути метаболизма метанокисляющих бактерий сходны с таковыми ав- тотрофных нитратных бактерий.

Среди факультативных метилотрофов известны не только про­кариоты, но и представители дрожжей.

Метанокисляющие бактерии, вовлекая в биологический кру­говорот одноуглеродные соединения группы метана, вносят зна­чительный вклад в глобальный цикл углерода, замыкая трофи­ческие цепи в специфических нишах биосферы. Они представляют интерес и в практическом отношении как продуценты белка из дешевого сырья, а также как средство борьбы с метаном в уголь­ных шахтах для предотвращения взрывов.

Окисление окиси углерода микроорганизмами — процесс, под­держивающий природное равновесие этого газа в биосфере; СО образуется техногенным путем в результате неполного сгорания разных видов топлива. Существуют и природные источники угар­ного газа — извержения вулканов и биохимические реакции, при­водящие к образованию СО при распаде порфиринов, флавано- идов, серина и некоторых других органических веществ. Оксид углерода связывают животные, растения и микроорганизмы. Это обусловлено его взаимодействием с гемоглобином, цитохромок- сидазой и рядом других ферментов. В результате происходит на­рушение функций организмов, для большинства из которых ок­сид углерода даже в небольшой концентрации очень токсичен. Повышение его содержания в помещении может привести к ги­бели человека и животных (отравление угарным газом). Чувстви­тельность к СО проявляют и многие микроорганизмы, однако некоторые используют его в качестве источника энергии и угле­рода для построения своего тела. Большинство этих микроорга­низмов помимо СО окисляют молекулярный водород.

Бактерии, использующие СО в аэробных условиях, называют­ся карбоксидобактериями, или карбокситрофами.

Удаление окиси углерода из атмосферы происходит в резуль­тате ее окисления кислородом воздуха и окисления почвенными микроорганизмами. Ежегодно почва поглощает 4 х 10¹⁴ г СО, что лишь немногим меньше, чем образуется при сгорании топлива. Таким образом, именно почва поддерживает равновесное состоя­ние окиси углерода в атмосфере.

В окислении окиси углерода участвуют микроорганизмы груп­пы карбоксидобактерий, которые не обладают морфофизиоло- гическим единством и относятся к разным родовым и видовым таксонам (Alcaligenes, Acinetobacter, Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas, Arthrobacter, Bacillus, Streptomyces, Hydrogenophaga, Seliberia). Карбоксидобактерии — автотрофы. Образующаяся в результате окисления СО углекислота фиксируется в процессах анаболизма автотрофно через цикл Кальвина, а не метилотроф- но. Но автотрофия карбоксидобактерий не облигатная. Они спо­собны и к органотрофному росту. Однако высокие концентра­ции органических веществ подавляют их развитие, на основании чего их относят к олиготрофной группировке почв. Помимо кар­боксидобактерий СО окисляют неспецифические микроорганиз­мы в процессах кометаболизма. Возможно, по масштабам этот процесс значительно превышает окисление СО карбоксил оба к- териями.