Microbiology

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 сульфатредукции. 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.

Давно известно, что суспензия дрожжей, сбраживающая сахар, вовлекает добавленный к ней серный цвет в «вихрь биологических восстано влений» с образованием сероводорода. Однако лишь недавно выясни лось, что и некоторые бактерии способны расти в присутствии элементарной серы, используя ее в качестве акцептора водорода при анаэробном переносе электронов. Сера, восстанавливается при этом до сероводорода. Этот процесс можно назвать серным дыханием.

Метан образуется при анаэробном разложении органических веществ. Его запасы весьма значительны; примерные подсчеты показывают, что 1-1,5% углерода, поступающего в результате минерализации органиче ских веществ в виде С0₂ в атмосферу, сначала попадает туда в виде ме тана и лишь затем превращается под воздействием гидроксильных ра дикалов (ОН') в СО, а потом в С0₂. К экосистемам, в которых образуется метан, относятся большие площади, занятые тундрой и бо лотами (отсюда другое название метана-болотный газ); рисовые поля; осадки на дне прудов и озер; лиманы, марши и эстуарии; отстойники очистных сооружений и, наконец, желудки (рубцы) более чем 10⁹ жвачных животных. В анаэробных условиях органические вещества сна чала через ряд промежуточных этапов сбраживаются до ацетата, С0₂ и Н₂. Эти продукты метаболизма первичных и вторичных деструкторов используются метанобразующими (метаногенными) бактериями.

В различных местах, где образуется метан, происходит также образова ние уксусной кислоты. Подкисление среды в отстойниках водоочистных сооружений, вероятно, связано с деятельностью бактерий, превращаю-молекулярный   водород   в   уксусную   кислоту   согласно уравнению

4Н₂   +   2С0₂  ->  СН₃-СООН   +   2Н₂0; AG₀ =-111 кДж/моль (- 26,6 ккал/моль)

Мы уже неоднократно говорили о сукцинате (янтарной кислоте) как о продукте брожения, но не упоминали о том, что образование сукцина та может быть связано с окислительным фосфорилированием. Сукцинат является продуктом восстановления фумарата:

2[Н]   +   Фумарат  ->  Сукцинат

Функция фумарата не сводится к роли простого акцептора, взаимо действующего с NADH₂, который образуется при окислении гексоз. Для пары фумарат/сукцинат окислительно-восстановительный потен циалEq = - 30 мВ. Фумарат может акцептировать электроны, которые поставляются переносящими водород коферментами и уже прошли часть пути по дыхательной цепи; поэтому он делает возможным окис лительное фосфорилирование. Такого рода фосфорилирование с фума-ратом   в   качестве   конечного   акцептора   электронов   можно   отнести к «анаэробным дыхательным процессам» и говорить о фумаратном дыхании (рис. 9.8).

Смешанные популяции почвенных бактерий в анаэробных условиях вос станавливают ионы Fe(III) до Fe(II). Если в среде помимо Fe(III) при сутствуют также ионы нитрата и нитрита, то сначала восстанавливают ся они (до нитрита и N₂, денитрификация) и лишь после этого-ионы Fe(III). Предполагают, что перенос электронов на трехвалентное железо осуществляет нитратредуктаза А. Поскольку восстановление нитрата сопряжено с окислительным фосфорилированием, не исключено, что и восстановление Fe (III) может использоваться в процессе «анаэробного дыхания». Окислительно-восстановительный потенциал £₀', который для пары Fe^3 +/Fe^2 + равен + 770 мВ, делает такую реакцию термодинами чески возможной. Поскольку оксиды трехвалентного железа практиче ски нерастворимы в воде, они сначала должны быть переведены в рас­творимую форму, способную проникать внутрь бактериальных клеток. Это, вероятно, осуществляется с помощью сидерофоров. Неудивитель но, что в таких условиях наблюдается лишь медленный и незначи­тельный рост бактерий.

Большинство аэробных микроорганизмов окисляет органические пита тельные вещества в процессе дыхания до С0₂ и воды. Поскольку в мо лекуле СО ₂ достигается высшая степень окисления углерода, в этом случае говорят о полном окислении и отличают этот тип дыхания от не полных окислений, при которых в качестве продуктов обмена выделяют ся частично окисленные органические соединения.

Под «полным окислением» имеется в виду лишь то, что не происходит вы деления каких-либо органических веществ; но это вовсе не означает, что окис ляется весь поглощенный субстрат. В каждом случае значительная часть суб страта (40-70%) ассимилируется, т.е. превращается в вещества клеток.

Конечными продуктами «неполных окислений» могут быть уксусная, глюконовая, фумаровая, лимонная, молочная кислоты и ряд других со единений. Поскольку эти продукты сходны с теми, которые образуются при брожениях (пропионовая, масляная, янтарная, молочная кислоты и др.), а также в связи с тем, что при промышленных процессах броже ния необходимы специальные технические устройства (ферментеры), не­полные окисления называют также «окислительным брожением» или «аэробной ферментацией». Слова «брожение» и «ферментация» в этом случае отражают скорее технологический аспект.

Мы будем причислять к «неполным окислениям» также простое от щепление водорода от субстрата и использование микроорганизмов для катализа некоторых реакций, не имеющих для них какого-либо значе ния в обычных условиях. Ниже будут рассмотрены некоторые примеры таких окислений.

Всем уксуснокислым бактериям присуща способность к образованию кислот путем неполного окисления Сахаров или спиртов. Эти кислоты как промежуточные или как непригодные для использования конечные продукты обмена выделяются в среду. Уксуснокислые бактерии-это грам-отрицательные палочки с перитрихально (Acetobacter) или полярно (Acetomonas = Gluconobacter) расположенными жгутиками, обладающие некоторой подвижностью. Они сходны с псевдомонадами, но отличают ся от них высокой толерантностью к кислотам, слабой пептолитической активностью, малой подвижностью и отсутствием пигментов. В при родных условиях уксуснокислые бактерии поселяются обычно на расте ниях. В сахаристых выделениях растений вместе с уксуснокислыми бак териями обитают дрожжи.

Многие органические кислоты, в том числе и аминокислоты, получают в промышленных масштабах с помощью микроорганизмов, осущест вляющих неполные окисления. Преимущества использования грибов для получения лимонной, итаконовой, глюконовой, яблочной и других кислот выяснились уже в начале нашего столетия. Что касается бакте рий, то еще десять лет назад с их помощью получали только уксусную и глюконовую кислоты; однако теперь они играют большую роль и как продуценты аминокислот.

Для грибов характерен окислительный тип метаболизма. Это не озна чает, что грибы не способны к анаэробному расщеплению углеводов, т.е. не могут их сбраживать (ведь спиртовое брожение осуществляется как раз дрожжами!); однако в анаэробных условиях сколько-нибудь длительный рост грибов невозможен. Кроме того, основными продук тами брожения оказываются этанол или молочная кислота. Другие ор ганические кислоты образуются только в аэробных условиях.

В естественных местах обитания грибов, т. е. в почве, никогда не бы вает заметного накопления промежуточных продуктов их жизнедеятель ности. При недостатке питательных веществ грибы получают максимум энергии и образуют клеточные вещества за счет полного окисления и ассимиляции субстрата. Если в лабораторных условиях и в промыш ленной практике дело обстоит иначе и многочисленные продукты обме на выделяются в среду, то это следует объяснить избыточным снабже нием грибов углеводами и известной «дезорганизацией» их метаболиз ма, которой часто способствует исключение из среды некоторых микроэлементов.

Известно, что грибы обладают мощной гликолитической системой. В «узких местах» метаболических путей происходит накопление проме жуточных продуктов, которые прямо или после назначительных хими ческих изменений выделяются в среду. Дж. Фостер особо подчеркивал отклонения в обмене веществ, возникающие при избытке субстрата. В конечном счете большинство неполных окислений связано с наруше нием регуляции метаболизма.