Физиологическую
группу бактерий, восстанавливающих сульфат (их называют также
десульфатирующими, сульфатредуцирующими или сульфидобразующими), отличает
способность к переносу водорода с субстрата на сульфат как конечный акцептор
электронов и, таким образом, к восстановлению сульфата до сульфида. В этом
процессе происходит перенос электронов, и в нем участвует цитохром с. Энергия
запасается благодаря фосфорилированию в электрон-транспортной цепи в анаэробных условиях:
Поскольку
такое восстановление сульфата обладает формальным сходством с дыханием, при
котором акцептором водорода служит кислород, принято говорить о сульфатном
дыхании, или о диссимиляционной сульфатредукци. Главным
продуктом такого процесса является сероводород:
8[Н]
+ SO*" -» H2S
+ 2Н20 + 20Н-
Большая часть
сероводорода, образующегося в природе, возникает благодаря этой реакции.
Сульфатредуцирующие бактерии являются, в отличие от нитратредуцирующих,
облигатными анаэробами, т.е. нуждаются в строго анаэробных условиях.
Систематика. Сульфатредуцирующие
бактерии - это физиологическая группа, для которой характерна способность к
образованию сероводорода из сульфата (табл. 9.1). Донорами водорода служат
простые низкомолекулярные соединения, образующиеся при анаэробном разложении
биомассы, главным образом целлюлозы: лактат, ацетат, пропионат, бутират,
формиат, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный водород.
По степени усвоения органических кислот различают две группы сульфатредуцирующих
бактерий:
- Бактерии, относящиеся к первой группе, окисляют
донор водорода не полностью и выделяют уксусную кислоту. Таковы виды спорообразующего рода Desulfotomaculum (D.nigrificans, D.orientisи D.ruminis) и неспорообразующего рода Desulfovibrio (D.vulgaris, D.desulfuricans, D. gigas, D.thermophilus и
другие).
- Вторая группа включает роды и виды, часть
которых может расти, используя спирты, ацетат, высшие жирные кислоты или
бензоат, а другие способны даже к хемоавтотрофному росту в присутствии водорода и формиата. К этой группе относятся спорообразователи (Desulfotomaculum Acetoxidans), а также неспорообразующие палочки (Desulfobacter), кокки (Desulfococcus), сарцины (Desulfosarcina), нитевидные формы, передвигающиеся путем скольжения (Desulfonema), и
некоторые другие бактерии.
Восстановление
сульфата. Почти все бактерии, грибы и зеленые растения способны
использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид,
необходимый для синтеза серосодержащих аминокислот, путем «ассимиляционной
сульфатредукции». Первая реакция на этом пути является общей как для
диссимиляционного, так и для ассимиляционного восстановления сульфата. Далее
при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление
активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция
активации. Восстановление сульфата в клетке начинается с его активации, на которую непосредственно затрачивается энергия АТР (рис. 9.3); с помощью АТР-сульфурилазы
(сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТР обменивается на сульфат:
ATP + S04
^ Аденозин-5:фосфосульфат + PPj
Дифосфат
(пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом активации является
аденозин-5-фосфосульфат (АФС). Последующие реакции могут быть различными. На
пути ассимиляционного восстановления сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТР
фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата
(ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливается сначала до
сульфита, а затем до сульфида. При диссимиляционной сульфатредукции АФС с
помощью АФС-редуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается
образованием AMP.
Восстановление
сульфита до сульфида происходит, видимо, у разных бактерий по-разному.
С помощью сульфитредуктазы сульфит прямо восстанавливается до сульфида (на что
затрачивается 6 электронов) без образования промежуточных продуктов. В такого
рода восстановлении как и в ассимиляционной сульфитредукции - участвуют,
по-видимому, железопорфириновые соединения (десульфовиридин,
десульфорубидин). Второй механизм состоит в последовательном трехступенчатом
восстановлении сульфита с образованием промежуточных продуктов, таких как
тритионат и тиосульфат (рис. 9.3). Предполагается, что электроны для
восстановления сульфита доставляются цитохромами (у одних бактерий - цитохромом b, у
других - цитохромом с).
Фосфорилирование,
сопряженное с переносом электронов. Предположение о такого рода
фосфорилировании у сульфатредуцирующих бактерий основано на данных о наличии
цитохромов и железосерных белков в плазматических мембранах, а также о высоком
выходе энергии. Цитохром с3обладает, по сравнению с другими
цитохромами, весьма низким окислительно-восстановительным потенциалом (Јj = -
205 мВ) и находится на внешней поверхности мембраны или в периплазматическом
пространстве.
У хорошо
изученных видов сульфатредуцирующих бактерий была обнаружена конститутивная
гидрогеназа (Н2 : цитохром-с3-оксидоредуктаза), с
помощью которой Н2 может как поглощаться и активироваться, так
и выделяться в окружающую среду. Некоторые сульфатредуцирующие бактерии растут
в присутствии Н2 и сульфата как единственных источников
энергии. Способность к восстановлению сульфата с помощью Н2 и к
образованию больших количеств сероводорода, не связанному с заметным ростом,
вероятно, характерна для большинства сульфатредуцирующих бактерий.
Перенос
электронов с Н2 как донора, сопровождающийся восстановлением 1
моля сульфата до 1 моля сульфида, вероятно, сопряжено с регенерацией 3 молей
АТР, из которых, однако, 2 моля расходуются на активацию сульфата.
Окисление
органических субстратов. Классические сульфатредуцирующие бактерии,
которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют
органические субстраты не до Н2O и СO2, а до уксусной
кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако
недавно было выделено несколько видов, способных окислять ацетат, высшие
жирные кислоты и бензоат.
Ассимиляция
органических субстратов. Энергия, получаемая сульфатредуцирующими
бактериями в результате окислительного фосфорилирования, делает возможной
ассимиляцию органических веществ (органических кислот, аминокислот и т.п.).
Некоторые штаммы способны синтезировать клеточные компоненты из ацетата и СO2,
если донором водорода служит Н2. Организмы, ассимилирующие
органические вещества в процессе окисления неорганического донора электронов,
можно называть хемолитогетеротрофами. Фиксация СO2 в
цикле Кальвина у данной группы микроорганизмов не обнаружена.
Брожение
без сульфата. Некоторые сульфатредуцирующие бактерии обладают
способностью расщеплять лактат или пируват в отсутствие сульфата. Вместо
окисления пирувата 4СН3-СО-СООН + H2S04 -►
4СН3-СООН + 4С02
+ H2S
они
осуществляют брожение с выделением Н2:
СН3--СО-СООН
+ Н20 - СН3-СООН
+ С02 + Н2
Таким
образом, сульфатредуцирующие бактерии можно отнести к микроорганизмам,
осуществляющим брожение.
Получение
накопительных культур и выделение. Для выделения сульфатредуцирующих
бактерий необходимо использовать питательную среду, содержащую подходящий донор
водорода, пригодный для ассимиляции углеродный субстрат, минеральные вещества
и сульфат; необходимо поддерживать анаэробные условия и достаточно низкий
окислительно-восстановительный потенциал (£0' = - 200 мВ) (рис.9.4).
Распространение и роль сульфатредуцирующих бактерий в природе. Сульфатредуцирующие
бактерии встречаются главным образом в сероводородном иле, где органические
вещества подвергаются анаэробному разложению. Эти бактерии, по-видимому,
специально приспособлены к использованию продуктов неполного
разложения углеводов - таких веществ, как жирные кислоты, гидроксикислоты,
спирты и водород. Основную массу образующегося в природе сероводорода следует
считать конечным продуктом сульфатного дыхания. Загрязненные воды содержат от
104 до 106 сульфатредуцирующих бактерий на 1
мл, а сероводородный ил - до 107.
Большинство
разрабатываемых месторождений серы (например, в Техасе,
Луизиане и Мексике) имеет невулканическое происхождение; это отложения
биогенной серы прошлых геологических эпох. Путем восстановления сульфатов
морской воды за счет органических отходов (сточных вод) с помощью
сульфатредуцирующих бактерий можно получать сероводород, а следовательно, и
серу.
Большое
экономическое значение имеет косвенный результат жизнедеятельности сульфатредуцирующих
бактерий (например, Desulfovibrio) - анаэробная коррозия
железа. Во влажной среде ионизация желе за может происходить и в
анаэробных условиях:
(1) Окисление
железа:
4Fe
+ 8Н+ - 4Fe2+ +
4Н2
Обычно
образующаяся при этом пленка из молекулярного водорода предохраняет железо от
дальнейшего разрушения. Однако в присутствии сульфатредуцирующих бактерий и
при наличии в среде сульфатов происходит катодная деполяризация, и тогда железо
окисляется даже в отсутствие кислорода;
(2) Восстановление
сульфата:
4Н2
+ SO*- -» H2S
+ 2Н20 + 20Н-
(3) Образование
сульфида железа (выпадающего в осадок):
4Fe2+
+ H2S + 20Н"
+ 4Н20 -» FeS + 3Fe(OH)2
+ 6Н+
Суммарная
реакция (1-3):
4Fe
+ БОГ + 2Н20
+ 2Н+ -» FeS +
3Fe(OH)2
Обусловленное
такой коррозией повреждение железных труб весьма убыточно.
Способность
сульфатредуцирующих бактерий использовать органические кислоты, спирты и даже
молекулярный водород, образующийся при поляризации железа, в качестве доноров
водорода лежит в основе способа получения накопительных
культур этих бактерий (рис. 9.4).
Сульфатредуцирующие
бактерии считают ответственными за высокое содержание сероводорода в глубинных
слоях Черного моря (глубже 200
м). В Венеции гондолы красят обычно в черный цвет;
по-видимому, это защитная мера, связанная с тем, что красители, содержащие тяжелые металлы, изменяют под влиянием H2S свой первоначальный цвет.
|