1.2.3. Еубактерії, які відновлюють сульфати.

Всі розібрані вище групи еубактерій, здатні рости хемолітоавтотрофно, відносяться до облігатних або факультативних аеробам. У відсутність O₂ факультативні аероби отримують енергію в процесі анаеробного дихання, використовуючи як кінцевих акцепторів електронів деякі окислені сполуки, наприклад, нітрати, фумарат та ін. Група сульфат відновних еубактерій, що налічує понад 40 видів, пристосувалася отримувати енергію окисленням в анаеробних умовах H₂, використовуючи в якості кінцевого акцептора електронів сульфат [5].

До сульфат відновних еубактерій відносяться організми з різними морфологічними, фізіологічними, біохімічними ознаками. Серед них є одноклітинні і нитчасті форми, нерухомі або пересуваються за допомогою джгутиків, а тріхомні - ковзанням. Більшість мають клітинну стінку грамнегативною типу. Представники роду Desulfotomaculum характеризуються здатністю утворювати ендоспори. H₂ гетерогенність групи вказує великий діапазон значень молярних ГЦ-основ ДНК (37-67%) [4].

Усі сульфат відновні бактерії - облігатні анаероби. Багато хто з них відносяться до категорії строгих анаеробів, для росту яких потрібно не тільки відсутність O₂, а й низький окислювально-відновний потенціал середовища. У той же час деякі штами проявляють стійкість до O₂ і виживають при різній тривалості аерорування середовища.

Число органічних субстратів, що використовуються як джерело вуглецю й енергії в процесі відновлення сульфату, досить велика: цукру, спирти, органічні кислоти (у тому числі жирні кислоти, що містять до 18 вуглецевих атомів), амінокислоти, деякі ароматичні сполуки. Основним неорганічним джерелом енергії служить H₂. Деякі види можуть окислювати CO в процесі сульфатредукціі, здійснюючи такі реакції:

4CO + 4H₂O → 4CO₂ + 4H₂, DG₀ = — 80 кДж/моль CO;

4H₂ + SO₄^2– + 2H⁺ → H₂S + 4H₂O, DG₀ = — 152 кДж/моль SO₄^2–.

Для біосинтетичних процесів при цьому використовуються ацетат і CO₂. Зроблені протягом тривалого часу спроби показати здатність сульфат відновних еубактерій рости автотрофно в умовах окислення H₂, поєднаного з відновленням SO₄^2-, дали позитивні результати. Хемолітоавтотрофне зростання виявлений у представників родів Desulfotomaculum, Desulfobacterium, Desulfobacter, Desulfosarcina, Desulfonema. У багатьох представників групи виявлена здатність у фіксації N₂ [3].

Асиміляція CO₂ у різних видів здійснюється за ацетил-КоА-шляху або відновного ЦТК.[10].

Щодо метаболізму органічних сполук сульфатвідновні еубактерій ділять на 2 групи. К. Першої відносять види, що окислюють субстрати до ацетату і CO2. Другу групу становлять організми, повністю окислюють органічні речовини до CO2. У першому випадку окислювання субстратів завершується утворенням ацетил-КоА, який далі організмами не може окислюватися і перетвориться в ацетілфосфат за участю фосфотрансферази. З ацетілфосфата в реакції, що каталізується ацетаткіназой, виникає ацетат. Перетворення ацетілфосфата в ацетат супроводжується субстратним фосфорилюванням. При повному окисленні органічних сполук "доля" ацетил-КоА різна: він може окислюватися через "замкнутий" ЦТК або ж за принципово новим механізмом. У цьому випадку відбувається розщеплення С-С-зв'язку ацетил-КоА, що приводить в кінцевому підсумку до утворення двох молекул CO2. В якості проміжних метаболітів ідентифіковані пов'язані CO, метанол, форміат. Виявлена висока активність CO-дегідрогенази. Все це нагадує ацетил-КоА-шлях асиміляції CO₂, описаний у ацетогенних і ряду сульфатвідновних еубактерій, але функціонує в зворотному напрямку [15]

Сульфатвідновні еубактерій можуть отримувати енергію для росту різними способами. Деякі види ростуть на середовищах з органічними субстратами без сульфатів. У цьому випадку єдиним джерелом енергії служить процес бродіння. Склад продуктів бродіння досить різноманітний. Так, піруват зброджується з утворенням ацетату, малат - сукцинату, пропіонату, ацетату. Цукролітичні сульфатвідновні еубактерій зброджують цукру до ацетату, етанолу, лактату. У всіх випадках утворюються також CO₂ і H₂.

Специфічним способом отримання енергії, що послужило підставою для виділення ряду еубактерій в окрему фізіологічну групу, є сульфатне дихання. Крім SO42-кінцевими акцепторами електронів можуть служити і інші сполуки сірки (тіосульфат, сульфіт, молекулярна сірка). В останні роки виявлено здатність ряду сульфатвідновні еубактерій до відновлення в енергетичному процесі нітратів і нітритів до амонію, селената до селеніту (SeO₄^2- → SeO₃^2-), фумарату до сукцинату, а також CO₂. В останньому випадку це призводить до синтезу ацетату [1].

Таким чином, основні способи існування сульфатредукуючих еубактерій включають хемоорганотрофію (джерела енергії - бродіння або окислення органічних субстратів в процесі сульфатного дихання) або хемолітотрофами (джерело енергії - анаеробне окислення H2 з акцептування електронів на SO₄^2-) в поєднанні з конструктивним метаболізмом гетеротрофного або автотрофного типу.

Процес отримання енергії в результаті сульфатного дихання складається з трьох етапів: відрив електронів від енергетичного субстрату; перенесення їх по дихального ланцюга; приєднання до речовин, що функціонує в якості кінцевих акцепторів електронів [14].

У сульфатвідновних еубактерій етап відриву електронів від енергетичних субстратів каталізують різні субстратні дегідрогенази (лактат-, піруват-, етанолдегідрогенази) і гидрогеназой. Активні гидрогенази, локалізовані в цитоплазмі, або пов'язані з мембранами, виявлені у багатьох представників цієї групи.

За допомогою цих ферментів електрони передаються в дихальний ланцюг. Як компоненти електронтранспортной ланцюга ідентифіковані FeS-білки (ферредоксина, рубредоксін), флаводоксін, менахінон, цитохроми типу b, c. Особливістю дихального ланцюга багатьох сульфатвідновних еубактерій є високий вміст низькопотенційного цитохрому c₃ (E0=300 мВ), якому приписують участь в акцептування електронів з гидрогеназою. Всі перераховані вище з'єднання, ймовірно, беруть участь у перенесенні електронів на SO₄^2-, але точна їх послідовність і локалізація на мембрані не встановлені. Отримано дані, які вказують на те, що окислення H₂ відбувається на зовнішній стороні мембрани, а реакція відновлення SO₄^2-- на внутрішній. З цього випливає, що окислення H₂, поєднується з відновленням SO₄^2-, пов'язане з трансмембранним окислювально-відновним процесом. Перенесення електронів по дихальному ланцюгу супроводжується генеруванням DmH +. На це вказує чутливість процесу до речовин, що підвищують проникність мембрани для протонів і роблять, таким чином, неможливе утворення протонного градієнта, а також до інгібіторів протонної мембранозв’язанної АТФ-синтази [8].

Останній етап, що полягає в акцептування сульфатом електронів за допомогою серії редуктаз, являє собою власне дисиміляційна сульфат редукція [3].

Відомо відновлення сульфату до сульфіду, що входить до складу сірковмісних амінокислот (цистин, цистеїн, метіонін), в конструктивному метаболізмі більшості еубактерій. Воно має місце завжди при вирощуванні бактерій на середовищі, де джерелом сірки служать сульфати. Активність процесу обмежена потребами клітини в сірковмісних компонентах, а вони невеликі. Асиміляція сульфату починається з його активації за допомогою АТФ у реакції, що каталізується АТФ-залежної сульфурілазой:

SO₄^2– + 2H⁺ + АТФ →АФС + ФФ,

де АФС — аденозинфосфосульфат, а ФФ — пірофосфат.

У багатьох бактерій аденозінфосфосульфат піддається ще одному фосфорилювання за участю АТФ, в результаті якого утворюється фосфоаденозінфосфосульфат. Потім аденозінфосфосульфат (або його фосфорильованій похідне) відновлюється з утворенням сульфіту в реакції, що каталізується відповідної редуктазою:

АФС + 2е ^– → АМФ + SO₃^{2 –} .

Подальше відновлення сульфіту до сульфіду здійснюється за допомогою асиміляційної сульфітредуктази, що каталізує перенесення 6 електронів на сульфіт без утворення будь-яких вільних проміжних сполук:

SO₃^{2 –} + 6e^– + 6H⁺ → S^2– + 3H²O.

Основні відмінності дисиміляційної сульфатредукціі від асиміляційної зводяться до наступного:

дисиміляційне відновлення сульфату притаманне тільки вузькому колу високоспеціалізованих еубактерій: активність процесу дисиміляційна сульфатредукція набагато вище, ніж асиміляційної, наслідком чого є накопичення в середовищі великих кількостей H₂S, нарешті, різні механізми обох процесів [14].

До стадії утворення аденозінфосфосульфата і його подальшого відновлення до сульфіту обидва процеси йдуть однаково. Механізм відновлення SO₃^{2 -} до H²S при дисиміляційної сульфатредукціі до кінця не з'ясований. Обговорюються два шляхи [4].

Відповідно до першого з них відновлення сульфіту до сульфіду (як і при асиміляційної відновленні сульфату) каталізується одним ферментом. Більш вірогідний другий шлях, за яким цей процес протікає триступеневої за участю сульфіт-, трітіонат-і тіосульфатредуктази і супроводжується утворенням трітіоната (S₃O₆^2-) і тіосульфату (S₂O₃^2-) в якості вільних проміжних продуктів:

3SO₃^2– + 2e– → S₃O₆^{2 –} ; (1)

3S₃O₆^2– + 2e– → S₂O₃^2– + SO₃^{2 –} ; (2)

3S₂O₃^2– + 2e^– → S₂^– + SO₃^2–; (3)

При цьому в реакціях 2 і 3 регенерується сульфіт, який є субстратом реакції 1.

Не виключено, що у різних представників групи відновлення сульфіту до сульфіду відбувається по одно-або триступінчаті шляху.

У сульфатвіднових еубактерій виявлено 3 типи сульфітредуктаз, що беруть участь в дисиміляційна процесах. Всі вони містять подібні простетичні групи, що мають гемоподібну структуру і названі сіркогемом. Простетичні групи в білковому комплексі перебувають у різному оточенні, що й призводить до відмінностей в спектральних властивостях сульфітредуктаз. Подібні простетические групи не знайдені в ферментах будь-якого іншого типу [8].

Як можна бачити з розібраного вище процесу, окислення H₂, поєднане з відновленням SO₄^{2 -} до H₂S, відбувається з споживанням корисної енергії. (Останній має місце при активації сульфату.) Тому для загального позитивного енергетичного балансу необхідно, щоб перенесення електронів супроводжувався функціонуванням не менше 2 генераторів DmH⁺. При використанні як енергетичних субстратів органічних сполук у присутності сульфату частина АТФ може синтезуватися в реакціях субстратного фосфорилювання, вносячи певний вклад в загальний енергетичний метаболізм цих бактерій.

Сульфатвідновні еубактерії широко поширені в анаеробних зонах водойм різного типу, грунтах і травному тракті тварин. Часто вони розвиваються разом з пурпуровими і зеленими сіркобактеріями, які використовують в якості донора електронів виникає при сульфатредукціі сірководень.

Сульфатвідновним еубактеріям належить провідна роль в утворенні сірководню в природі, в відкладення сульфідних мінералів. Накопичення в середовищі H₂S часто призводить до негативних наслідків: у водоймах - до загибелі риби, в грунтах - до пошкодження рослин. З активністю сульфат відновних еубактерій пов'язана також корозія в анаеробних умовах різного металевого обладнання.