Сульфатное дыхание, или диссимиляционная сульфатредукция

Это процесс окисления в анаэробных условиях субстрата (органических соединений или молекулярного водорода), при котором в качестве конечного акцептора электронов выступает сульфат ( ), в результате чего происходит его восстановление до H₂S. Бактерии, осуществляющие этот процесс, получили название сульфатвосстанавливающих или сульфатредуцирующих.

Сульфатвосстанавливающие бактерии – строгие анаэробы. Они разнообразны по морфологическим, физиологическим и биохимическим признакам. В настоящее время в состав группы сульфатвосстанавливающих бактерий входит более 40 видов. Все сульфатвосстанавливающие бактерии, за исключением представителей двух родов (Desulfotomaculum и Desulfosarcina), имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Среди них есть и одноклеточные, и нитчатые формы. К одноклеточным бактериям относятся представители родов Desulfovibrio (слегка изогнутые, не образующие эндоспор палочки с полярно расположенным жгутиком) и Desulfotomaculum (спорообразующие палочки с перитрихиально расположенными жгутиками). Нитчатые формы, для которых характерен скользящий тип движения, представлены бактериями рода Desulfonema.

В качестве источника углерода и энергии сульфатвосстанавливающие бактерии используют, главным образом, органические кислоты, в первую очередь пируват и лактат. Некоторые виды могут потреблять также сукцинат, фумарат, малат. Обнаружена способность использовать жирные кислоты, содержащие от 1 до 12–18 атомов углерода, такие как формиат, ацетат, пропионат, бутират. Отдельные сульфатвосстанавливающие бактерии могут использовать спирты (этанол, пропанол, бутанол), некоторые сахара, циклические и С₁-соединения, холин.

У видов Desulfonema limicola и Desulfosarcina variabilis обнаружена способность к хемолитоавтотрофии. Причем эти бактерии используют в качестве источника углерода – СО₂, в качестве источника энергии – молекулярный водород, а в качестве конечного акцептора электронов – .

Сульфатвосстанавливающие бактерии могут получать энергию для роста разными способами. Некоторые виды растут на средах с органическими субстратами без сульфатов. В этом случае единственным источником энергии служит процесс брожения, при котором АТФ синтезируется в реакциях субстратного фосфорилирования. Основными субстратами являются пируват, лактат, этанол, при сбраживании которых выделяется молекулярный водород. Однако специфическим способом получения энергии, послужившим основанием для выделения ряда прокариот в отдельную физиологическую группу – группу сульфатвосстанавливающих бактерий, является сульфатное дыхание.

Получение энергии в результате сульфатного дыхания, как и при любом типе дыхания, состоит из трех этапов:

• отрыва электронов от энергетического субстрата;

• переноса их по дыхательной цепи;

• присоединения их к веществам, функционирующим в качестве конечных акцепторов электронов.

Этап отрыва электронов от энергетических субстратов катализируют различные субстратные ферменты (лактат-, пируват-, этанолдегидрогеназы) и гидрогеназы. С их помощью электроны передаются сразу в дыхательную цепь. Сульфатвосстанавливающие бактерии содержат ферменты реакций цикла Кребса, но этот цикл «разорван» и функционирует только в условиях конструктивного метаболизма.

В качестве компонентов дыхательной цепи у сульфатвосстанавающих бактерий идентифицированы флавопротеины, FeS-белки (ферредоксин, рубредоксин), хиноны (типа менахинона), цитохромы b и с. Особенностью дыхательной цепи многих сульфатвосстанавливающих бактерий является высокое содержание цитохрома с₃. Точная локализация компонентов, их последовательность в дыхательной цепи пока достоверно не установлены. Однако установлено, что окисление, в частности Н₂, происходит на наружной стороне мембраны, а реакции восстановления – на внутренней. Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается возникновением электрохимического протонного градиента с последующим генерированием энергии в молекулах АТФ.

Последний этап, заключающийся в акцептировании сульфатом электронов с помощью нескольких редуктаз, называется собственно диссимиляционной сульфатредукцией.

У некоторых микроорганизмов, использующих в качестве источника серы сульфаты, происходит ассимиляционная сульфатредукция. При этом происходит восстановление сульфата до сульфида, который затем идет на синтез серосодержащих аминокислот (цистин, цистеин, метионин). Основные отличия диссимиляционной сульфатредукции от ассимиляционной сводятся к следующему:

• диссимиляционное восстановление сульфата присуще только узкому кругу высокоспециализированных прокариотических организмов;

• активность процессов диссимиляционной сульфатредукции намного выше, чем ассимиляционной, следствием чего является накопление в среде больших количеств H₂S;

• механизмы обоих процессов различны.

Рассмотрим химизм диссимиляционной сульфатредукции.

Восстановление сульфата начинается с его активирования с участием АТФ в реакции, катализируемой АТФ-зависимой сульфурилазой:

+ AТФ + 2Н⁺ АФС + ФФ

В результате этой реакции образуется аденозинфосфосульфат (АФС) и пирофосфат (ФФ), последний расщепляется пирофосфатазой. Аденозинфосфосульфат с помощью аденозинфосфосульфатредуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием АМФ (аденозинмонофосфата):

А ФС + 2е^– АМФ +

Восстановление сульфита ( ) до сульфида (S^2-) отличается у разных видов бактерий:

• в первом случае сульфит с помощью сульфитредуктазы прямо восстанавливается до сульфида:

+ 6е^– + 6H⁺ S^2- + 3H₂O

• в случае второго механизма происходит последовательное трехступенчатое восстановление сульфита с образованием промежуточных продуктов, таких как тритионат и тиосульфат, при участии сульфит-, тритионат- и тиосульфатредуктазы:

+ 2е^– →

+ 2е^– → +

+ 2 е^– → S^2- +

Сульфатвосстанавливающие бактерии распространены в анаэробных зонах водоемов разного типа, почвах и пищеварительном тракте животных. Наиболее интенсивно восстановление сульфатов происходит в соленых озерах и морских лиманах, где почти нет циркуляции воды и содержится много сульфатов, вызывая замор рыбы.

Являясь основными продуцентами сероводорода, сульфатвосстанавливающие бактерии могут приносить вред, вызывая коррозию металлических труб и других подводных и подземных сооружений:

4Fe²⁺ + H₂S + 2OH^– + 4H₂O → FeS + 3Fe(OH)₂ + 6H⁺.