Microbiology

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.

Систематическое положение метанобразуюших бактерий. По морфо логии эти бактерии можно подразделить на палочковидные (Methanobacterium), кокковидные (Methanococcus), сарциноподобные(Methanosarcina) и спирилловидные (Methanospirillum) (табл. 9.2).

Метанобразующие бактерии составляют обособленную группу ми кроорганизмов. Они отличаются от других бактерий не только типом метаболизма, но и некоторыми признаками, касающимися состава кле точных  структур.  У  них  нет  типичного  пептидогликанового  остова:

Methanococcus обладает лишь белковой стенкой; у Methanospirillum имеется полипептидный чехол; клеточная стенка Methanosarcina barkeri построена из полисахарида, в состав которого входят уроновые кис лоты, нейтральные сахара и аминосахара. Пенициллин не подавляет ро ста метанобразующих бактерий.

Цитоплазматическая мембрана содержит липиды, состоящие из эфи-ров глицерола и изопреноидных углеводородов. Рибосомы по своей величине сходны с рибосомами эубактерий (70S), однако после довательность оснований в рибосомных РНК, особенно в 16S-pPHK, су щественно иная, чем у эубактерий. В отношении последовательности 16S-pPHK метанобразующие бактерии значительно сильнее отличают ся, например, от Е. coli, чем цианобактерии. Кроме того, механизм трансляции нечувствителен к антибиотикам, подавляющим синтез белка у эубактерий. На основании этих, а также ряда других отличительных признаков метанобразующие бактерии относят к архебактериям.

Физиология. Метанобразующие бактерии-строгие анаэробы: кисло род воздуха убивает их. У них нет ни каталазы, ни супероксиддисму-тазы. Именно из-за высокой чувствительности этих бактерий к кислоро ду наши сведения об их физиологии, биохимии и экологии пока сравнительно скудны. Только после разработки специальных методов (например, метода Хангейта) появилась возможность пересевать и выде лять метанобразующие бактерии без доступа кислорода.

Большинство до сих пор выделенных видов в чистой культуре спо собно использовать в качестве донора водорода Н₂, а некоторые из них-также формиат, метанол, ацетат или метиламин. В ряде анаэ робных экосистем основным субстратом для образования метана слу жит ацетат. Таким образом, круг субстратов очень узок.

Метанобразующие бактерии составляют последнее звено анаэробной пищевой цепи , в начале которой находятся полисахариды (цел люлоза, крахмал), белки и жиры. В этой цепи участвуют также 1) бакте рии, сбраживающие целлюлозу до сукцината, пропионата, бутирата, лактата, ацетата, спиртов, С0₂ и Н₂; 2) ацетогенные бактерии, сбражи вающие эти первичные продукты брожения до ацетата, формиата, С0₂и Н₂ (эти вещества в свою очередь служат субстратами для ме танобразующих бактерий).

Метанобразующие бактерии, очевидно, находятся в тесном взаимо действии с бактериями, выделяющими водород (рис. 9.6). В микросреде обитания таких бактерий газообразный водород в свободном состоянии практически не встречается. Водород, выделяемый бактериями и раство ренный в среде, сразу же поглощается метанобразующими видами. Из вестно, что высокое парциальное давление Н₂ подавляет метаболизм и рост многих бактерий, образующих водород. Это означает, что не только метаногенные бактерии зависят от продуцентов Н₂, но и те в свою очередь зависят от поглощающих Н₂метанообразователей. Та ким образом, имеет место ассоциация типа мутуалистического сим биоза.

Метанобразующие бактерии способны активировать водород и осу ществлять его окисление, сопряженное с восстановлением С0₂. По скольку клеточные вещества ряда видов могут синтезироваться из С0₂ как единственного источника углерода, можно рассматривать способ су ществования этих бактерий как хемоавтотрофный. Для получения энер гии С0₂ используется в качестве акцептора водорода, что ведет к обра зованию метана:

 Таким образом, метанообразование можно по аналогии с другими видами дыхания называть карбонатным дыханием. Поэтому метан образующие виды характеризуют как анаэробные автотрофные бактерии, окисляющие водород:

4Н₂   +  С0₂  -» СН₄  +  2Н₂0;

AG₀ = - 131 кДж/моль    ( - 31,3 ккал/моль)

Некоторые метанобразующие бактерии могут превращать в метан и окись углерода. При этом в качестве промежуточных продуктов обра зуются СО₂ и Н₂:

4С0  + 4Н₂0--------- ►4С0₂+4Н₂

С0₂ + 4Н₂    -------- *    СН₄ + 2Н₂0

4С0  + 2Н₂0--------- ►   СН₄+ЗС0₂

Биохимия образования метана и получения энергии. В биохимическом превращении Н₂ и С0₂ в метан или ацетата в метан и С0₂ участвует ряд коферментов и простетических групп, которые до сих пор были найдены только у метанобразующих бактерий: производное деазарибо-флавина F₄₂₀, метаноптерин, метанофуран, никельтетрапиррольный фактор F₄₃₀ и кофермент М (меркаптоэтансульфонат). 

Пока мало что известно о ферментах, участвующих в отдельных реак циях. Вопрос о регенерации АТР тоже окончательно еще не выяснен. С точки зрения термодинамики только последняя реакция, приводящая к образованию метана, может сопровождаться синтезом АТР. Экспери менты на Methanosarcina barkeri-бактерии, способной также осущест влять реакцию СН₃ОН + Н₂ -» СН₄ + Н₂0,-дали следующие резуль таты. Добавление обоих субстратов к бактериальной суспензии приводило к выведению протонов, образованию АТР и синтезу метана. При участии метилтрансферазы метанол может прямо превращаться в метилкофермент М, при восстановлении которого образуется метан:

СН₃-S-СоМ   +   Н₂  - СН₄   +  HS   =  СоМ

Восстанавливающий фермент - метил-СоМ-метилредуктаза-предста вляет собой мультиферментный комплекс, который содержит, в частно сти, белковые факторы F₄₂₀, F₄₃₀ и гидрогеназу. Вероятно, реакция всегда сопровождается выведением из клетки протонов, и создающийся в результате этого протонный потенциал доставляет энергию для реге нерации АТР. Из этих результатов можно заключить, что вообще метанобразующие бактерии синтезируют АТР не путем фосфорилиро-вания на уровне субстрата, а путем окислительного фосфорилирования в анаэробных условиях («анаэробное дыхание»).

Биохимия ассимиляции С0₂. Автотрофная фиксация С0₂ у метан-образующих бактерий [так же как и у сульфатредуцирующих и ацетогенных анаэробов, использующих водород] происходит без участия реакций рибулозобисфосфатного цикла. Путь синтеза кле точных веществ из С0₂ идет через синтез ацетил-СоА и пирувата. Этапы этого пути были установлены с помощью радиоактивных соеди нений, а также в результате исследования ферментов Methanobacterium thermoautotrophicum. Механизмы этих превращений в настоящее время интенсивно изучаются.

СО ₂ восстанавливается до метанола (в связанной форме). Вторая моле кула С0₂ восстанавливается с помощью СО-дегидрогеназы до СО. Вос становительные эквиваленты генерируются путем активации Н₂гидро-геназами и переносятся ферментами, реагирующими с фактором F₄₂₀ или с NADP. Карбонилирование метил-Х ведет к образованию аце-тил-Х, а в результате восстановительного карбоксилирования ацетил-СоА с помощью пируватсинтазы получается пируват, из которого из вестными путями синтезируются клеточные вещества.

Практическое значение метанобразующих бактерий. Отстойники, в ко торых происходит анаэробный распад органических веществ сточных вод населенных пунктов, относятся к обычному оснащению комму­нальных водоочистных сооружений. В индустриальных странах гниение ила служит в первую очередь стабилизации первичного ила, а также ак тивного ила, образующегося при аэробной очистке сточных вод. Метан, выделяющийся при гниении ила, частично используется определенными микроорганизмами, а частично его применяют в качестве топлива. В сельском хозяйстве применяют биогаз-ферментеры, а также ямы для навоза, чтобы сбраживать (с получением метана) экскременты жи вотных вместе с отбросами, содержащими целлюлозу. Метод образова ния биогаза, основной частью которого является метан, обладает двумя важными преимуществами: во-первых, сохраняется содержащийся в эк скрементах азот, а также те ценные качества удобрения, которыми обладает сероводородный ил; во-вторых, происходит образование био газа (в основном метана), который может быть использован в качестве источника энергии как в сельскохозяйственном производстве, так и в домашнем хозяйстве.