Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

Разложение целлюлозы  в аэробных условиях приводит к последующему метаболизированию глюкозы в  системе катаболических процессов (гликолиз ® ЦТК) с поступлением водорода (электронов) в дыхательную цепь и переносу их на O₂.

Бактериям, использующим целлюлозу, принадлежит огромная роль в природе, так как именно им мы обязаны разложением клетчатки, составляющей основную массу всех синтезируемых  природных соединений.

Денитрифицирующие бактерии

У многих эубактерии конечным акцептором электронов дыхательной  цепи, наиболее часто заменяющим молекулярный кислород, служит нитрат. Он может восстанавливаться  до нитрита, накапливающегося в среде, или молекулярного азота, удаляющегося в атмосферу. Процесс восстановления нитрата до нитрита в системе  энергетического метаболизма, получивший название нитратного дыхания, широко распространен среди эубактерии и обнаружен у представителей более 70 родов.

Гораздо уже  круг организмов, способных восстанавливать  нитраты или нитриты до N₂. H₂ этом пути в качестве промежуточных продуктов идентифицированы окись (NO) и закись (N₂O) азота:

NO₃^– ® NO₂^– ® NO ® N₂O ® N₂.

Как и молекулярный азот, NO и N₂O — газообразные продукты.

Процесс восстановления NO₃ ^– или N₂O до какой-либо из газообразных форм азота получил название денитрификации. К денитрификации способны только прокариоты. Значение процесса — генерирование АТФ в анаэробных условиях, используя для акцептирования электронов, поступающих в дыхательную цепь, восстановление NO₃ ^– или NO₂ ^– . Наиболее распространенные формы денитрификации — восстановление NO₃ ^– или NO₂ ^– до N₂. Встречаются также штаммы, осуществляющие отдельные этапы процесса: NO₃ ^– ® N₂O, N₂O или NO ® N₂. "Полная" или "усеченная" денитрификация обнаружена у эубактерии, принадлежащих ко всем основным физиологическим группам: фототрофам и хемолитотрофам, грамположительным и грамотрицательным факультативным анаэробам. В наибольшей степени способность к денитрификации распространена у бактерий из родов Bacillus и Pseudomonas.

Свойство восстанавливать  нитрат представляется менее необычным, если вспомнить, что бактерии, использующие в качестве источника азота нитраты (а таких много), должны иметь ферментную систему для его восстановления, так как в конструктивном метаболизме  азот участвует только в восстановленной  форме. Таким образом, восстановление нитрата в системе реакций  конструктивного метаболизма, получившее название ассимиляционной нитратредукции (NO₃^– ® NH₃), очевидно. Оно имеет место всегда при выращивании на среде с нитратами в качестве единственного источника азота.

Способность к  ассимиляционной нитратредукции необязательно  облигатно связана со способностью к денитрификации. Например, Pseudomonas aeruginosa обладает обеими метаболическими активностями; у Rhodopseudomonas sphaeroides обнаружена способность к денитрификации, но не к ассимиляции нитрата; наконец, многие эубактерии могут ассимилировать нитрат, но не могут осуществлять денитрификацию. Оба процесса восстановления нитрата различаются по ряду признаков (табл. 32). Информация об ассимиляционной нитратредукции и денитрификации закодирована в разных генах.

Таблица 32. Различия между ассимиляционной  нитратредукцией и денитрификацией

Большинство денитрификаторов — хемоорганотрофы. Использование  в качестве конечного акцептора  электронов нитратов позволяет им окислять органические субстраты полностью (до CO₂ и H₂O) по обычным катаболическим путям. Переходящий на переносчики водород поступает в дыхательную цепь.

Изменение свободной  энергии при окислении 1 молекулы глюкозы молекулярным кислородом (DG₀' = – 2870 кДж/моль) того же порядка, что и окисление этого же субстрата в анаэробных условиях нитратом, восстанавливающимся до нитрита (DG₀' = — 1770 кДж/моль) или молекулярного азота (DG₀' = — 2700 кДж/моль). Таким образом, энергетические возможности процесса окисления глюкозы с участием нитрата сопоставимы с энергетическими возможностями процесса аэробного дыхания. Запасание клеткой полезной энергии при денитрификации зависит от организации электронного транспорта, свойств и локализации соответствующих редуктаз. Электронтранспортные цепи денитрификаторов в анаэробных условиях содержат все основные типы связанных с мембранами переносчиков: флавопротеины, хиноны (убихинон, менахинон или нафтохинон), цитохромы типа b, c. Цитохромоксидазы в этих условиях не синтезируются.

Полный процесс  денитрификации состоит из 4 восстановительных  этапов, каждый из которых катализируется специфической мембрансвязанной редуктазой. Нитратредуктазы всех денитрификаторов структурно сходны между собой (содержат Мо-FeS-белки) и катализируют восстановление нитрата до нитрита в соответствии с уравнением:

NO₃^– + 2e ^– + 2H⁺ ® NO₂^– + H₂O.

С дыхательной  цепью нитратредуктазы сопряжены  на уровне цитохрома b (см. рис. 98, Б).

Нитритредуктазы (1) и, вероятно, редуктазы окиси (2) и  закиси (3) азота акцептируют электроны  на уровне цитохрома с, осуществляя следующие реакции:

NO₂ ^– + e^– + H⁺ ® NO + OH^–; (1)

2NO + 2e ^– + 2H⁺ ® N₂O + H₂O; (2)

N₂O + 2e^– + 2H⁺ ® N₂ + H₂O. (3)

В дыхательной  цепи денитрификаторов при переносе электронов на нитрат функционируют 2 генератора Dm_H⁺ (вместо 3 при переносе электронов на O₂). Процесс восстановления нитрата до нитрита локализован на внутренней стороне ЦПМ. По другим данным, ферментный комплекс имеет трансмембранную ориентацию в результате чего поглощенные из цитоплазмы протоны переносятся на противоположную сторону, где участвуют в нитратредуктазной реакции. В любом из вариантов это приводит к созданию трансмембранного протонного градиента нужного направления (см. рис. 25). Таким образом, при денитрификации перенос 2 электронов сопряжен с трансмембранным переносом 4 протонов, т. е. энергетический выход составляет примерно 70% сравнительно с аэробным дыханием.

Все денитрифицирующие  бактерии — факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрификацию только в отсутствие O₂, поэтому, вероятно, их приспособление к анаэробным условиям — вторичного происхождения. Способность к денитрификации развилась после сформирования механизмов использования Од как конечного акцептора электронов. Первым шагом на пути вторичного приспособления к анаэробным условиям явилось развитие нитратного дыхания. Следующий шаг — совершенствование способности использовать нитраты для акцептирования электронов дыхательной цепи — привел к возникновению денитрификации.

Денитрифицирующие бактерии — обитатели пресных  и морских водоемов, почв разного  типа, в связи с чем денитрификация широко распространена в природе. Этот процесс служит источником атмосферного азота, являясь необходимым звеном в круговороте азота в природе. В то же время денитрификация имеет  отрицательное значение, так как  приводит к обеднению почв азотом. Потери азотных удобрений в почвах в результате денитрификации могут  составлять от 5 до 80%. Один из способов борьбы с денитрификацией — рыхление почвы, создающее в ней аэробные условия, что заставляет денитрифицирующие  бактерии перестраивать электронтранспортные системы, осуществляя перенос электронов на O₂, а не на нитраты.  

М.В.Гусев, Л.А.Минеева  © 1992-2001 
Кафедра клеточной физиологии и иммунологии биологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова © 2000-2001

Страница обновлена 09.09.01  
Оформление: А.В.Киташов  
 
 

Роль  микроорганизмов  в круговороте  веществ. Круговорот углерода. Роль бактерий в обмене углерода.

Круговорот  веществ — совокупность превращений химических элементов, из которых построены живые организмы. Основные факторы, определяющие доминирующую роль микробов в круговороте веществ, — широкое распространение микроорганизмов (например, слой плодородной почвы толщиной 15 см может содержать до 5 т микробной биомассы на гектар) и их необычайная метаболическая гибкость при высокой скорости обмена. Большое значение имеет узкая специализация отдельных групп микроорганизмов в отношении утилизируемых веществ. Поэтому некоторые этапы круговорота веществ могут осуществляться исключительно прокариотами. В природе все организмы разделяют на три группы. Продуценты — зелёные растения и микроорганизмы, синтезирующие органические вещества, используя энергию солнца, углекислый газ и воду. Потребители (консументы) — животные, расходующие значительную часть первичной биомассы на построение своего тела.

Деструкторы — бактерии (в том числе актиномицеты) и грибы, разлагающие погибшие животные и растения; при этом органические вещества превращаются в неорганические, то есть происходит минерализация.

Круговорот  углерода. Роль бактерий в обмене углерода.

Взаимосвязь живых  организмов на Земле особенно ярко выражена в круговороте углерода. Атмосферный воздух содержит около 0,03% С0₂, но продуктивность зеленых растений настолько велика, что весь запас углекислоты в атмосфере (2600-10⁹ т С02) был бы истрачен за 20 лет — срок, ничтожно короткий в масштабах эволюции. Фотосинтез бы прекратился, если бы микроорганизмы, растения и животные не обеспечивали возвращение С0₂ в атмосферу в результате непрерывной минерализации органических веществ. Циклические превращения углерода и кислорода реализуются главным образом через два разнонаправленных процесса: кислородный фотосинтез и дыхание (либо горение в небиологических реакциях).

• При кислородном  фотосинтезе аэробные цианобактерии и зелёные растения основную часть окисленной формы углерода (СО₂) переводят в восстановленное состояние, характерное для органических соединений (например, глюкозу), а восстановленную форму кислорода (Н20) окисляют до 0₂. Хотя анаэробные пурпурные и зелёные бактерии могут восстанавливать С0₂ до органических веществ, окисляя отличные от воды соединения (NH₃, NO₂, Н₂, Fe²⁺, восстановленные соединения серы), вклад этих процессов в общую фиксацию СО, незначителен. В результате фотосинтетической фиксации С02 образуются сахара и другие соединения. Основная масса фиксированного углерода растений откладывается в виде полимерных углеводов (крахмал, целлюлоза). Поэтому сахара играют ведущую роль в питании всех живых организмов, нуждающихся в органической пище (организмы-гетеротрофы), и служат предпочтительными питательными веществами для большинства гетеротрофных микроорганизмов.

• В присутствии  кислорода полное окисление органических веществ до CO., осуществляют многие аэробные (псевдомонады, бациллы) и факультативно анаэробные (актиномицеты) бактерии, грибы, а также животные. В качестве примеров неполного окисления можно привести окисление Сахаров уксуснокислыми бактериями (Acetobacter, Gluconobacter) с образованием ацетата, образование лактата грибами порядка Mucorales (Rhizopus oryzae, R. nigricans и др.), образование глюконовой кислоты аспергиллами и пенициллами.

• В анаэробных условиях органические соединения расщепляются путём брожения (дрожжи, молочнокислые бактерии, пропионовокислые бактерии, бактерии семейства Entembacteriaceae), либо окисляются в процессе анаэробного дыхания при наличии акцепторов водорода. В роли акцепторов водорода выступают нитраты, сульфаты, карбонаты, фумараты, Fe³⁺: соответственно выделяют денитрифицирующие, сульфатредупирующие, метанобразующие бактериями. Метанобразующие бактерии (Methanobacterium, Melhanococcus, Methanosarcina) — строгие анаэробы, составляющие последнее звено анаэробной пищевой цепи. Выделяемый ими метан в аэробных условиях может окислятся до С02 метилотрофными бактериями (Methylomonas, Methytosinus, Melhylococcus).

• Углерод извлекается из круговорота различными путями. Ионы карбоната, содержащиеся в морской воде, соединяются с растворёнными в ней ионами Са²⁺ и осаждаются в виде СаС0₃ (карбонат кальция). Последний также образуется биологическим путём в известковых структурах простейших, кораллов и моллюсков, откладываясь в качестве известняковых горных пород. Отложение неминерализованных органических остатков в условиях высокой влажности и недостатка кислорода приводит к накоплению гумуса, образованию торфа и каменного угля. Ещё один вид изъятия органического углерода из круговорота — отложения нефти, и газа (метана).

• Деятельности человека неуклонно сдвигает баланс углерода в сторону образования С0₂. С одной стороны, это связано с интенсивным сжиганием нефти, угля и природного газа, а с другой — с уменьшением фотосинтетической фиксации углерода за счёт уничтожения лесных массивов, деградации почвы и загрязнения океана.  
 
 
 
 

Уксуснокислое брожение — это окисление бактериями этилового спирта в уксусную кислоту:

СН3СН2ОН + О2=СН3СООН + Н2О.

Такое брожение было известно еще в глубокой древности. В оставленном на воздухе сосуде с виноградным вином или пивом  через день-два на поверхности  напитков появлялась сероватая пленка, они мутнели и прокисали.