Серное дыхание

Серное дыхание – процесс окисления в анаэробных условиях молекулярного водорода или органических веществ (ацетата, пропионата и этанола), при котором акцептором электронов является элементарная сера (S⁰) в результате чего происходит ее восстановление до сероводорода. Органические вещества при серном дыхании окисляются полностью до СО₂ и Н₂О.

Бактерии, осуществляющие серное дыхание, не способны восстанавливать сульфаты и не так широко распространены в природе, как сульфатвосстанавливающие бактерии. Лучше описаны из восстанавливающих серу грамотрицательные анаэробные бактерии вида Desulfuromonas acetoxidans, имеющие форму от палочковидных до овальных или слегка изогнутых, передвигающихся с помощью латерально расположенного жгутика. Они на агаризованных средах формируют розовые колонии. Бактерии D. acetoxidans содержат в качестве переносчиков электронтранспортной цепи цитохром с₇ с низким окислительно-восстановительным потенциалом, а также FeS-белок с четырьмя атомами Fe и четырьмя атомами S. Они обладают также ферментами цикла трикарбоновых кислот.

Бактерии D. acetoxidans обитают в бескислородных морских осадках и участвуют в круговороте серы в природе. Они способны осуществлять жизнедеятельность в тесной синтрофной ассоциации с фототрофными серными бактериями, которые окисляют на свету Н₂S до серы и фиксируют СО₂ (рис. 19). В такой синтрофной ассоциации происходит обмен донорами электронов и источниками углерода между двумя видами бактерий.

Рис. 19. Синтрофные взаимоотношения между D. acetoxidans

и бактериями рода Chlorobium

Карбонатное дыхание

Карбонатное дыхание – процесс анаэробного окисления молекулярного водорода, а также других неорганических и органических веществ с использованием в качестве конечного акцептора электронов молекул СО₂, в котором главным продуктом является метан (метаногенез). Бактерии, осуществляющие этот процесс, называются метаногенными.

Метаногенные бактерии объединены в одну группу на основании двух общих для всех ее представителей свойств: строгий анаэробиоз и способность образовывать метан.

В настоящее время известно около 50 видов метаногенных бактерий, которые объединены в 17 родов (Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, Methanosarcina и др.).

Среди метаногенных бактерий встречаются прямые, изогнутые или спиралевидные палочки разной длины. У некоторых видов обнаружена тенденция формировать нити или пакеты клеток. Клетки могут быть неподвижными или передвигающимися с помощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков. Обнаружены виды, образующие споры.

Метаногенные бактерии имеют необычный химический состав клеточных стенок. Они не содержат ни ацетилмурамовой кислоты, ни D-аминокислот. У этой группы прокариот описаны клеточные стенки трех типов:

• остоящие из пептидогликана особого химического строения, получившего название псевдомуреин;

• построенные из белковых глобул;

• клеточные стенки гетерополисахаридной природы.

Цитоплазматическая мембрана этих бактерий содержит липиды, представленные простыми эфирами глицерина и терпеноидных спиртов. Сложных эфиров, состоящих из глицерина и жирных кислот, у них не обнаружено.

Другой особенностью метаногенных бактерий является то, что механизм трансляции у них нечувствителен к антибиотикам, подавляющим синтез белка у эубактерий.

На основании этих, а также других отличительных признаков и в соответствии с современной классификацией метаногенные бактерии относят к архебактериям.

Большинство метаногенных бактерий имеет температурный оптимум для роста в области 35–40 °С, но есть виды, у которых он сдвинут в сторону более низких (20–25 °С) или высоких (65–70 °С) температур.

Источниками азота для метаногенных бактерий являются аммонийный азот или некоторые аминокислоты. Источниками серы могут служить сульфаты, сульфиды или серосодержащие аминокислоты.

В качестве источников углерода для биосинтетических целей метаногенные бактерии используют узкий круг соединений. Около половины изученных видов не нуждаются для роста в каких-либо органических соединениях. Они способны расти на синтетических средах, содержащих молекулярный водород и СО₂. При этом СО₂ служит не только для акцептирования электронов при окислении Н₂, но и единственным источником углерода. У таких автотрофных штаммов ассимиляция СО₂ происходит без участия фермента рибулозо-1,5-дифосфаткарбоксилазы – ключевого фермента цикла Кальвина. Представители этой группы бактерий ассимилируют молекулы СО₂ с помощью реакций нециклического восстановительного ацетил-КоА пути, получившего такое название, поскольку его ключевым метаболитом является ацетил-КоА.

В процессе восстановительного ацетил-КоА пути синтез ацетил-КоА осуществляется из двух молекул СО₂. Одна молекула СО₂ с помощью фермента СО-дегидрогеназы восстанавливается до карбонильной группы (СО), вторая молекула СО₂ – до метильной группы, связанной с тетрагидроптерином. При дальнейшем взаимодействии карбонильной группы и метильной группы образуется ацетильная группа, связанная с ферментом. При участии КоА эта ацетильная группа высвобождается в составе ацетил-КоА (ацетил-КоА-синтазная реакция). Затем в результате восстановительного карбоксилирования ацетил-КоА с помощью пируватсинтазы образуется пируват:

О

СН₃ – СО ~ SКоА

Х

[СО]

СН₃ – С

СО₂

СН₃ – Х

Пируват далее идет на синтез клеточных веществ.

Рассмотрим процесс карбонатного дыхания, т. е. как метаногенные бактерии получают энергию. Метаногенные бактерии в основном получают энергию за счет окисления молекулярного водорода в процессах, сопряженных с восстановлением СО₂:

4Н₂ + СО₂ СН₄ + 2Н₂О

Кроме Н₂ и СО₂, многие метаногенные бактерии могут использовать для получения энергии формиат, метанол, ацетат, а также метилированные амины:

4 НСООН СН4 + 3СО2 + 2Н2О, 4 СН3ОН 3СН4 + СО2 + 2Н2О, 4 СО + 2Н2О СН4 + 3СО2, С Н3СООН СН4 + СО2, 4 СН3NH3 + 2H2O 3CH4 + CO2 + 4NH4+

Механизм энергетических процессов у метаногенных бактерий полностью еще не изучен, но общие принципиальные его положения установлены. Показано, что получение энергии связано с функционированием электронтранспортной цепи, в которой обнаружены дегидрогеназы (или гидрогеназы), переносчики электронов и редуктазы.

Природа всех переносчиков электронов в дыхательной цепи у метаногенных бактерий пока не установлена, хотя показано, что все изученные метаногенные бактерии имеют необычные по структуре переносчики электронов, содержащие в качестве коферментов и простетических групп соединения, найденные только у представителей этой группы: фактор F₄₂₀ (производное 5-деазафлавина, назван по максимуму флуоресценции в окисленной форме при 420 нм), кофермент М (2-меркап-тоэтанолсульфат), тетрагидрометаноптерин, метанофуран, фактор F₄₃₀, фактор F_в, 5-гидроксибензимидазол-гидроксикобамид.

При участии фактора F₄₂₀, а также гидрогеназы осуществляется одновременный перенос двух электронов от Н₂ в реакции, катализируемые редуктазами. Редуктазы связаны с переносчиками дыхательной цепи. При этом образуется ряд промежуточных продуктов.Из рис. 20 видно, что восстановление СО₂ до СН₄ требует переноса 8 электронов (или 8 атомов водорода), что осуществляется с помощью нескольких редуктаз,

CО2 Х1 – СООН 2Н Х1 – СНО Х2 Х2 – СНО 2Н Н2 F420 Х2 = СН2 2Н НСНО Х2 – СН3 Ф1 СН3ОН 2Н КоМ – S – CH3 СН3СООН Ф1 СН3NH2 СН4 Рис. 20. Схема восстановления СО2 до СН4 метаногенными бактериями: Х1 – СООН – карбоксипроизводное; Х1 – СНО – формилпроизводное; Х2 = СН2 – метиленпроизводное; Х2 – СН3 – метилпроизводное; Ф1 –метилредуктазная система; КоM – S – CH3 – метилкофермент М (по М.В. Гусеву и Л.А. Минеевой, 2003)

т. е. процесс проходит ступенчато. Образующиеся при этом промежуточ-ные продукты остаются связанными с переносчиками в дыхательной цепи неизвестной природы. К настоящему времени идентифицирован только один переносчик – кофермент М (КоМ), участвующий на заключительной стадии образования метана. Этот переносчик присоединяет к себе метильную группу, образующуюся в результате ступенчатого восстановления СО₂. Затем с помощью соответствующей редуктазы происходит освобождение молекулы метана.

При восстановлении СО₂ до метана запасается энергия в форме электрохимического протонного потенциала. Фосфорилирование на субстратном уровне у метаногенных организмов отсутствует. Количество образуемой энергии непосредственно зависит от изменяющихся в природных условиях концентраций молекулярного водорода. При концентрации Н₂ равной 10⁵ паскаль (Па) – оптимальных условиях – количество свободной энергии, высвобождающейся в этом процессе, является достаточным для синтеза 1 моль АТФ/моль СН₄. Однако в природных местообитаниях метаногенов концентрация Н₂ несравнимо ниже (1–10 Па) и поэтому энергии образуется меньше. Такая выраженная зависимость выхода энергии от концентрации Н₂ связана с тем, что процесс метаногенеза характеризуется высоким потреблением водорода – 4 моль Н₂/моль СН₄.

Обычными местами обитания метаногенных бактерий является анаэробная зона водоемов, богатых органическими соединениями, иловые отложения озер и рек, болота, заболоченные почвы, осадочные слои морей и океанов. Метаногенные бактерии – типичные обитатели пищеварительного тракта животных и человека, важный компонент микробиоты рубца жвачных животных.

Метаногенные бактерии представляют значительный практический интерес как продуценты газообразного топлива – метана (биогаза). Они участвуют в разложении органических веществ в отстойниках сточных вод при биологической очистке, в переработке экскрементов животных вместе с отбросами, содержащими целлюлозу, в навозных ямах.

В процессе карбонатного дыхания может происходить также окисление молекулярного водорода с использованием в качестве акцептора электронов молекул СО₂, приводящее к образованию уксусной кислоты согласно общему уравнению:

4 Н₂ + 2СО₂ СН₃ – СООН + 2Н₂О

Бактерии, осуществляющие такое анаэробное дыхание, называются ацетогенными. Это строго анаэробные бактерии, которые составляют чрезвычайно гетерогенную в таксономическом отношении группу грамположительных микроорганизмов. Они входят в состав родов Clostridium, Acetobacterium, Peptostreptococcus, Butyrobacterium, Syntrophococcus, Sporomusa, Eubacterium. Они относятся к факультативным хемолитоавтотрофам. В присутствии органики способны переключаться на хемогетеротрофный метаболизм, сбраживая углеводы и другие субстраты с образованием уксусной кислоты.

Ацетогенные бактерии обнаруживаются в иле пресноводных и морских водоемов, а также в местах, где осуществляется метаногенез. Образуя большие количества уксусной кислоты, они подкисляют среду обитания.