Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

NH₃ + O₂ + НАД-H₂ ® NH₂OH + H₂O + НАД⁺.

Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита:

NH₂OH + O₂ ® NO₂ ^– + H₂O + H⁺.

Электроны от NH₂OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома c и далее на терминальную оксидазу. Их транспорт сопровождается переносом 2 протонов через мембрану, приводящим к созданию протонного градиента и синтезу АТФ. Гидроксиламин в этой реакции, вероятно, остается связанным с ферментом.

Вторая фаза нитрификации сопровождается потерей 2 электронов. Окисление нитрита  до нитрата, катализируемое молибденсодержащим ферментом нитритоксидазой, локализовано на внутренней стороне ЦПМ и происходит следующим образом:

NO₂ ^– + H₂O ® NO₃ ^– + 2H⁺ + 2е^–.

Электроны поступают  на цитохром a₁ и через цитохром c на терминальную оксидазу aa₃ где акцептируются молекулярным кислородом (рис. 98, Б). При этом происходит перенос через мембрану 2H⁺. Поток электронов от NO₂^– на O₂ происходит с участием очень короткого отрезка дыхательной цепи. Так как E₀ пары NO₂^–/NO₃^– равен +420 мВ, восстановитель образуется в процессе энергозависимого обратного переноса электронов. Большая нагрузка на конечный участок дыхательной цепи объясняет высокое содержание цитохромов c и a у нитрифицирующих бактерий.

Многие хемоорганогетеротрофные  бактерии, принадлежащие к родам  Arthrobacter, Flavobacterium, Xanthomonas, Pseudomonas и др., способны окислять аммиак, гидроксиламин и другие восстановленные соединения азота до нитритов или нитратов. Процесс нитрификации этих организмов, однако, не приводит к получению ими энергии. Изучение природы этого процесса, получившего название гетеротрофной нитрификации, показало, что, возможно, он связан с разрушением образуемой бактериальными культурами перекиси водорода с помощью пероксидазы. Образующийся при этом активный кислород окисляет NH₃ до NO₂^–.

Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного  типа и в почвах, где они, как  правило, развиваются совместно  с бактериями, жизнедеятельность  которых приводит к образованию  исходного субстрата нитрификации — аммиака.

Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте  азота в природе, имеет как  положительные, так и отрицательные  стороны. Переведение азота из аммонийной формы в нитратную способствует обеднению почвы азотом, поскольку  нитраты легко вымываются из почвы. В то же время нитраты — хорошо используемый растениями источник азота. Связанное с нитрификацией подкисление  почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых  жизненно необходимых элементов, в  первую очередь фосфора и железа.

Водородные бактерии

К водородным бактериям  относят эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного  водорода с участием O₂, а все вещества клетки строить из углерода CO₂. Таким образом, водородные бактерии — это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении H₂ в аэробных условиях:

H₂ + 1/2O₂ ® H₂O.

Помимо окисления  для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. H₂ 5 молекул H₂, окисленного в процессе дыхания, приходится 1 молекула H₂, затрачиваемого на образование биомассы:

6H₂ + 2O₂ + CO₂ ® CH₂O + 5H₂O.

Молекулярный  водород — наиболее распространенный неорганический субстрат, используемый эубактериями для получения энергии  в процессе окисления. Число бактерий, растущих хемолитотрофно на основе использования H₂ в качестве источника энергии, намного больше организмов, использующих для этой цели другие неорганические субстраты (восстановленные соединения серы, азота, железа).

Способность к  энергетическому использованию H₂ может сочетаться с конструктивным метаболизмом облигатно гетеротрофного типа (например, у представителей родов Azotobacter или Acetobacter) или происходить в строго анаэробных условиях (сульфатвосстанавливающие бактерии), что не позволяет относить обладающие этими особенностями организмы к водородным бактериям. Таким образом, водородные бактерии представляют только часть эубактерии, способных использовать H₂ для получения энергии. Пути использования молекулярного водорода эубактериями суммированы в табл. 31. Водородные бактерии характеризуются способностью сочетать конструктивный метаболизм автотрофного типа (вариант 1) с получением энергии за счет окисления H₂ с участием молекулярного кислорода (вариант 3).

Таблица 31. Пути использования молекулярного  водорода эубактериями

Впервые водородные бактерии были описаны А. Ф. Лебедевым  и Г. Казерером (Н. Kaserer) в 1906 г., а в 1909 г. С. Орла-Йенсен выделил их в  самостоятельный род Hydrogenomonas.

Последующее изучение обнаружило сходство водородных бактерий с представителями разных родов  гетеротрофных бактерий: Pseudomonas, Alcaligenes, Nocardia и др. Стало ясно, что водородные бактерии — не таксономическая группа, а организмы, объединяемые на основании нескольких физиологических признаков. Род Hydrogenomonas был ликвидирован, и виды, входившие в его состав, распределены по другим таксономическим группам.

К водородным бактериям  относятся представители 20 родов, объединяющих грамположительные и грамотрицательные  формы разной морфологии, подвижные  и неподвижные, образующие споры  и бесспоровые, размножающиеся делением и почкованием. Молярное содержание ГЦ-оснований ДНК водородных бактерий находится в диапазоне от 48 до 72%.

За исключением  недавно описанных термофильных бактерий, выделенных в род Hydrogenobacter и характеризующихся облигатной хемолитоавтотрофией, все остальные водородные бактерии — факультативные формы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения, некоторые из них — и одноуглеродные соединения, более восстановленные, чем CO₂ (окись углерода, метанол, формиат и др.). Ассимиляция CO₂ происходит в восстановительном пентозофосфатном цикле. Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротрофные эубактерии. Метаболизирование органических соединений у разных представителей этой группы осуществляется с помощью гликолитического, окислительного пентозофосфатного и Энтнера — Дудорова путей, а также ЦТК. и глиоксилатного шунта.

Электронтранспортная  цепь водородных бактерий по составу  аналогична митохондриальной (см. рис. 94). Большинство из них относится к облигатным аэробам. Однако среди облигатных аэробов преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям O₂ в среде. Особенно чувствительны к O₂ водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Последнее объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу — ключевые ферменты метаболизма H₂ и фиксации N₂. Для некоторых водородных бактерий показана способность расти и в анаэробных условиях, используя в качестве конечного акцептора электронов вместо O₂ нитраты, нитриты или окислы железа. Примером факультативно аэробных водородных бактерий может служить Paracoccus denitrificans, у которого в аэробных условиях работает электронтранспортная цепь, аналогичная митохондриальной, а в отсутствие O₂ электроны с помощью соответствующих редуктаз переносятся на NO₃ ^– и NO₂ ^– , восстанавливая их до N₂ (рис. 98, В). Однако большая часть факультативно аэробных водородных бактерий способна к восстановлению нитратов только до нитритов.

Как известно, способность  к окислению H₂ связана с наличием гидрогеназ, катализирующих реакцию: H₂ ® 2H⁺ + 2e^–. Гидрогеназы обнаружены у многих представителей прокариотного мира. В клетке гидрогеназы могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. По этому признаку все изученные водородные бактерии могут быть разделены на 3 группы. Большинство содержит только одну форму фермента — связанную с мембранами. Есть виды, содержащие обе формы или только растворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу.

Гидрогеназы, имеющие  различную локализацию, вероятно, выполняют  в клетке разные функции. Связанный  с мембранами фермент не способен восстанавливать НАД⁺, передает электроны непосредственно в дыхательную цепь на уровне флаво-протеинов, хинонов или цитохрома b и, таким образом, имеет отношение только к энергетическим процессам. Растворимая гидрогеназа переносит электроны на молекулы НАД⁺, которые участвуют далее в различных биосинтетических реакциях.

Если водородные бактерии содержат обе формы гидрогеназы, функции между ними четко разделены. В случае отсутствия у водородных бактерий цитоплазматической гидрогеназы  возникает проблема получения восстановителя при хемолитоавтотрофном способе  их существования. Она решается с  помощью механизма обратного  переноса электронов на НАД⁺. При функционировании только цитоплазматической гидрогеназы она выполняет обе функции: часть восстановительных эквивалентов с НАД-H₂ поступает в дыхательную цепь, другая расходуется по каналам конструктивного метаболизма. Таким образом, из всех хемолитоавтотрофных эубактерий только водородные бактерии с помощью определенной формы гидрогеназы могут осуществлять непосредственное восстановление НАД⁺ окислением неорганического субстрата. В электронтранспортную цепь электроны, следовательно, могут поступать с НАД-H₂ или включаться на уровне переносчиков с более положительным окислительно-восстановительным потенциалом. С этим связан энергетический выход процесса: функционирование в дыхательной цепи 3 или 2 генераторов Dm_H⁺.

К образованию  молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами H₂ являются эубактерий. Также активно осуществляется и потребление H₂, важная роль в этом принадлежит водородным бактериям. Нахождение в природе и возможность размножения этих бактерий определяются рядом факторов; основные из них — наличие H₂ и аэробные условия.

В последнее  время водородные бактерии привлекают к себе внимание возможностью практического  использования: для получения кормового  белка, а также ряда органических соединений (кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты и др.).

Карбоксидобактерии

Карбоксидобактерии  — аэробные эубактерий, способные  расти, используя окись углерода (CO) в качестве единственного источника  углерода и энергии. Таким свойством  обладают некоторые представители  родов Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas⁶⁷.

⁶⁷ Способность окислять CO обнаружена у представителей прокариот, принадлежащих к эубактериям (пурпурные несерные бактерии, цианобактерии, клостридии) и архебактериям (метанобразующие бактерии). Однако в большинстве случаев этот процесс не поддерживает рост культур и механизм его неясен.

Карбоксидобактерии  могут расти автотрофно, ассимилируя CO₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле, а также использовать в качестве единственного источника углерода и энергии различные органические соединения. При выращивании на среде с CO₂ в качестве единственного источника углерода большинство Карбоксидобактерии энергию могут получать за счет окисления молекулярного водорода, при этом рост на среде с CO₂ + H₂ происходит активнее, чем на среде с CO. Это дало основание некоторым исследователям рассматривать Карбоксидобактерии как особую физиологическую подгруппу водородных бактерий. В то же время способность использовать в качестве субстрата дыхательный яд указывает на осуществление карбоксидобактериями нового типа хемолитотрофного метаболизма. Кроме того, обнаружение у них ферментов и факторов, отсутствующих у водородных бактерий, неспособность некоторых карбоксидобактерий окислять H₂ и ряд других признаков позволяют сделать вывод об определенной обособленности этой группы эубактерий.

Использование CO карбоксидобактериями происходит путем  его окисления в соответствии с уравнением:

CO + H₂O ® CO₂ + 2e ^– + 2H⁺.

Продукт реакции  используется далее по каналам автотрофного метаболизма. (Таким образом, при  выращивании карбоксидобактерий на среде с CO в качестве единственного  источника углерода и энергии  источником углерода служит не CO, а CO₂). Теоретически суммарное уравнение окисления CO и синтеза клеточной биомассы карбоксидобактерий может быть представлено в следующем виде:

7СО + 2,5O₂ + H₂O ® 6CO₂ + (CH₂O),