І Бутанол î

Ацетон

Ацетальдегід ^ Етанол І

І Ацетат"

Рисунок 26.6 - Зброджування глюкози Clostridium butyricum і Clostridium acetobutyricum

Clostridium kluyveri здатна зброджувати суміш етанолу й ацетату до бутирату та молекулярного водню (рис. 26.7). Ацетат є додатковим

Рисунок 26.8 - Зброджування глутамату Clostridium tetanomorphum

акцептором водню, він утворюється у процесі бродіння. АТФ синтезується т

Рисунок 26.6 - Зброджування етанолу та ацетату Clostridium kluyveri

Зброджування глутамінової кислоти здійснюють бактерії Clostridium tetanomorphum. Це бродіння привернуло до себе увагу тим, що під час його дослідження була встановлена біохімічна функція вітаміну В₁₂. У процесі зброджування глутамату утворюються бутират, ацетат, аміак, СО₂ та молекулярний водень (рис. 26.8). Шлях катаболізму глутамату складається з ряду незвичних реакцій — утворення метиласпарагінової кислоти (за участю кофермента — похідного вітаміну В₁₂). На наступній стадії — утворення метилфумарату — відбувається дезамінування. Метилмалат розщеплюється на ацетат і піруват. Ацетат виділяється, а піруват перетворюється на СО₂ та бутират, як показано на рис. 26.6.

ільки в ацетаткіназній реакції.

Контрольні питання до теми Т26:

1. Який метаболічний процес називається бродінням? Які особливості притаманні бродінню?

2. Чому у процесі бродіння спостерігається слабкий ріст мікроорганізмів?

3. Яка максимальна кількість молекул АТФ може синтезуватись у процесі бродіння і за якими механізмами?

4. За яких умов у процесі бродіння може утворюватись додатковий АТФ в ацетаткіназній реакції?

5. Чим відрізняється бродильний тип метаболізму від метаболізму аеробних гетеротрофів ?

6. Які мікроорганізми можуть здійснювати спиртове бродіння?

7. Які особливості притаманні молочнокислому та пропіоновокислому бродінню?

Тема Т27. Перенесення електронів в анаеробних умовах (анаеробне дихання)

У результаті фосфорилювання, спряженого з перенесенням електронів у процесі дихання аеробних мікроорганізмів, утворюється набагато більше АТФ, ніж при субстратному фосфорлюванні, яке відбувається під час бродіння. Тому не дивно, що в процесі еволюції виник і зберігся такий тип метаболізму, у якому водень від органічного субстрату переноситься на "зв'язаний" кисень (нітрат, сульфат, карбонат ти ін.); ці сполуки відновлюються воднем субстрату. Здатність переносити електрони на такі сполуки дає бактеріям змогу окиснювати субстрати без участі молекулярного кисню і одержувати більше енергії, ніж це можливо у процесі бродіння.

Такі бактерії мають систему транспорту електронів, містять цитохроми. Одержання енергії фосфорилюванням, спряженим з перенесенням електронів на такі термінальні акцептори, як нітрат, сульфат тощо, називають анаеробним диханням. Залежно від природи

неорганічного акцептора водню розрізняють нітратне, сульфатне, карбонатне та інше дихання (рис. 27.1).

Рисунок 27.1. Процеси одержання енергії окиснювальним фосфорилюванням в аеробних та анаеробних умовах (аеробне та анаеробне дихання)

27.1 Денітрифікауія та відновлення нітрату

Мікроорганізми використовують нітрат:

1. для синтезу азотвмісних клітинних компонентів. Така асиміляційна нітратредукція може відбуватися як в аеробних, так і в анаеробних умовах;

2. для нітратного дихання (дисиміляційна нітратредукція), при цьому нітрат в анаеробних умовах є термінальним акцептором водню (електронів).

В обох цих випадках нітрат спочатку відновлюється до нітриту за допомогою нітратредуктази. У процесі асиміляційної нітратредукції утворений нітрит відновлюється до аміаку за допомогою нітритредуктази, на що витрачається шість електронів. Електрони надходять від НАД(Ф)Н (у грибів і бактерій) або фередоксину (у рослин і деяких бактерій). Аміак використовується для синтезу клітинних компонентів. Денітрифікуючі бактерії здатні відновлювати нітрат через нітрит до газоподібного закису азоту (К₂О) та азоту (N2). Цей процес денітрифікації виявлений тільки у факультативних аеробів. Деякі денітрифікатори можуть рости, використовуючи як термінальний акцептор водню не тільки нітрат, а й нітрит, а також іноді й закис азоту. Представниками денітрифікуючих бактерій є ґрунтові бактерії, наприклад, бацили, Рагасоссш denitrificans.

2. Утворення сірководню у процесі відновлення сульфату

Сульфатредукуючі (сульфатовідновлювальні) бактерії

характеризуються здатністю до перенесення водню на сульфат як тер­мінальний акцептор електронів і таким чином до відновлення сульфату до сульфіду. Цей процес називається сульфатним диханням, або дисиміляційною сульфатредукцією. Основним продуктом цього процесу є сірководень. Більша частина сірководню, який є в природі, утворюється завдяки життєдіяльності бактерій-сульфатредукторів.

Сульфатредукуючі бактерії — це фізіологічна група, для якої характерним є здатність до утворення сірководню з сульфату. Сульфатовідновлювальні бактерії, на відміну від нітратредукторів, є облігатними анаеробами. Донорами водню служать прості низькомолекулярні сполуки, які утворюються внаслідок анаеробного розкладання біомаси (в основному целюлози): лактат, ацетат, пропіонат, бутират, форміат, етанол, вищі жирні кислоти, молекулярний водень. За ступенем засвоєння органічних кислот розрізняють дві групи сульфатредукторів:

1. окиснюють донор не повністю та виділяють оцтову кислоту. Такими є представники спороутворювального роду Desulfotomaculum (наприклад, D. nigrificans) та неспороутворювального роду Desulfovibrio (D. vulgaris, D. desulfuricans). Ці бактерії не мають повного циклу трикарбонових кислот;

2. частина представників цієї групи може рости, використовуючи спирти, ацетат, вищі жирні кислоти або бензоат, тобто є хемоорганогетеротрофами, а інші здатні навіть до хемолітоавтотрофного росту у присутності водню та форміату. Деякі штами здатні синтезувати клітинні компоненти з ацетату, якщо донором водню служить Н₂, тобто є хемолітогетеротрофами. До них належать спороутворювальні (Desulfotomaculum acetoxidans) та неспороутворювальні палички (Desulfobacter), коки (Desulfococcus), сарцини (Desulfosarcina), нитчасті форми, які рухаються ковзанням (Desulfonema), та ін.

Деякі сульфатредуктори можуть рости у присутності Н₂ і сульфату як єдиних джерел енергії. Здатність же до відновлення сульфату за допомогою молекулярного водню і утворення при цьому великих кількостей сірководню, не пов'язаного з помітним ростом, є характерною для більшості сульфатредукторів.

Асиміляційна та дисиміляційна сульфатредукція. Майже всі бактерії, гриби та зелені рослини здатні використовувати як джерело сірки сульфат. Вони одержують із сульфату сульфід, необхідний для синтезу сірковмісних амінокислот, шляхом асиміляційної сульфатредукції (рис. 27.2). Сульфат двічі активується за рахунок АТФ з утворенням аденозин-5-фосфосульфату (АФС) та фосфоаденозин-5- фосфосульфату (ФАФС) (ферменти АТФ-сульфурилаза, АФС-кіназа). Лише цей двічі активований сульфат може відновлюватись спочатку до сульфіту (ФАФС-редуктаза), а потім до сульфіду (сульфітредуктаза).

Рисунок 27.2. Схема дисиміляційіюго та асиміляційного відновлення сульфату

Перший етап дисиміляційної сульфатредукції є аналогічним процесу асиміляції сульфату. Далі АФС відновлюється (фермент АФС редуктаза), причому відновлення може відбуватися двома шляхами:

1. за допомогою сульфітредуктази сульфат прямо (без утворення проміжних продуктів) відновлюється до сульфіду, на що витрачається шість електронів;

2. послідовне триетапне відновлення з утворенням проміжних продуктів таких, як тритіонат і тіосульфіт.

Бактерія Desufuromonas acetoxidans здатна використовувати елементарну сірку як акцептор водню у процесі анаеробного перенесення електронів. Сірка при цьому відновлюється до сірководню.

Ця виділена з морської води бактерія здатна повністю (до СО₂ та води) окиснювати етанол та ацетат.

Поширення та роль сульфатредукторів у природі. Сульфатредуктори зустрічаються в основному в сірководневому мулі, де органічні речовини піддаються анаеробному розкладанню. Основну масу сірководню, утворюваного в природі, слід вважати кінцевим продуктом сульфатного дихання. Більшість сіркових родовищ мають невулканічне походження. Це так звана біогенна сірка, яка утворилась шляхом відновлення сульфатів морської води за допомогою сульфатредукуючих бактерій.

3. Утворення метану у процесі відновлення карбонату

Метан утворюється в результаті анаеробного розкладання органічних речовин. Його запаси є досить значними. Розрахунки показують, що близько 1,5% вуглецю, який надходить в атмосферу у вигляді С0₂ в результаті мінералізації органічних речовин, спочатку потрапляє туди у вигляді метану і тільки потім під дією гідроксильних радикалів перетворюється на CO, а далі — на С0₂. До екосистем, у яких утворюється метан, належать тундри та болота (інша назва метану — болотний газ), рисові поля, осади на дні озер і ставків, лимани, відстійники очисних споруд, а також шлунки (рубці) жуйних тварин. В анаеробних умовах органічні речовини спочатку зброджуються до ацетату, С0₂ та Н₂- Ці продукти метаболізму використовуються метаноутворювальними (метаногенними) бактеріями.

За морфологією метаноутворювальні бактерії можна поділити на паличкоподібні (Methane bacterium), кокоподібні (Methanococcus), сарциноподібні(Меthanosarcina), спірилоподібні (Methanospirillum).

Метаногени відрізняються від інших бактерій не тільки типом метаболізму, а й за складом клітинних структур. У них немає типового пептидогліканового скелета, тому пеніцилін не пригнічує їх ріст. Цитоплазматична мембрана містить ліпіди, які складаються з ефірів гліцерину та ізопреноїдних вуглеводнів. Рибосоми за своєю величиною подібні до таких у еубактерій (70S), проте послідовність 16S рРНК зовсім інша, ніж у еубактерій. Механізм трансляції є нечутливим до дії антибіотиків, що пригнічують синтез білка в еубактерій. Метаногени відносять до окремого царства архебактерій.

Метаногени — строгі анаероби, кисень повітря їх вбиває. Тільки після розробки методу Хангейта з'явились можливість пересівати та виділяти ці бактерії. Більшість відомих метаногенів здатні використовувати Н₂ як донор водню, а деякі з них — також форміат, метанол, ацетат або метиламін. У ряді виноробних екосистем основним субстратом для утворення метану є ацетат.

Метаногени є останньою ланкою анаеробного харчового ланцюга (рис. 27.3). У цьому ланцюгу беруть участь також:

1. бактерії, які зброджують целюлозу до сукцинату, пропіонату, бутирату, лактату, ацетату, спиртів, СО₂ ти Н₂;

2. ацетогенні бактерії, які зброджують ці первинні продукти б]юдіння до ацетату, форміату, СО₂ та Н₂. Ці речовини служать субстратами для метаногенів.

Метаногени тісно взаємодіють із бактеріями, які виділяють водень. Вони здатні активувати водень і здійснювати його окиснення, спряжене з відновленням С0₂. Клітинні речовини можуть синтезуватися з С02 як єдиного джерела вуглецю тому спосіб існування цих бактерій можна розглядати як хемолітоавтотрофний Отже, для метаногешв С0₂ є джерелом вуглецю та термінальним акцептором електронів, а Н₂ є донором водню. Джерелом енергії є С0₂ та Н₂.

Рисунок 27.3-Анаеробний харчовий ланцюг

При цьому утворюється метан:

4Н₂ + С0₂ ^ СН₄ + 2Н₂0

Метаноутворення за аналогією з іншими видами дихання можна назвати карбонатним диханням.

У біохімічному перетворенні водню та вуглекислого газу на метан бере участь ряд коферментів і простетичних груп, які виявлені тільки у метаногенів. Автотрофна фіксація С0₂ у метаногенів (як і у сульфатредукторів та ацетогенних анаеробів) відбувається через синтез ацетил-КоА та піруват.

4. Утворення ацетату у процесі відновлення карбонату

У різних місцях, де утворюється метан, утворюється також оцтова кислота. Ацетогенні бактерії здатні перетворювати С0₂ та Н₂ на ацетат згідно з рівнянням

4Н₂ + 2С0₂ ^ СН₃-СООН + 2Н₂0.

Ацетогенні бактерії (Clostridium aceticum, Clostridium thermoaceticum, Acetobacterium woodii) слід розглядати як анаеробні хемолітоавтотрофні організми, здатні окиснювати водень і одержувати енергію шляхом анаеробного карбонатного дихання. Синтез клітинного матеріалу з С0₂ відбувається через ацетил-КоА та піруват (як у метаногенів).

4. Утворення сукцинату у процесі відновлення фумарату

Утворення сукцинату з фумарату може бути спряжене з окиснювальним фосфорилюванням. Фумаратне дихання (фосфорилю вання з фумаратом як термінальним акцептором електронів) дуже поширене у анаеробних хемоорганотрофних бактерій. Причому функція фумарату не зводиться до ролі простого акцептора, який взаємодіє з НАДН, що утворився у процесі окиснення гексоз. Для пари фумарат/сукцинат окисно-відновний потенціал становить -30 мВ (-0,03 В). Тому фумарат може акцептувати електрони, які постачаються коферментами-переносникнми водню і які вже пройшли частину шляху по дихальному ланцюгу. Це робить можливим окиснювальне фосфорилювання.

Фумаратне дихання є характерним, наприклад, для ентеробактерій. Так, добавлення фумарату в поживне середовище супроводжується прискоренням росту і підвищенням виходу біомаси. Це вказує на те, що фумарят робить можливою ефективну регенерацію АТФ. Можна вважати, що у більшості процесів бродіння, пов'язаних з утворенням сукциняту, відбувається фумаратне дихання, що приводить до додаткового утворення АТФ. До таких процесів належать утворення сукцинату у Escherichia coli та пропіонату у Prnpionihacterlum. Фумаратне дихання зустрічається не тільки у прокаріот. Воно є харак­терним для деяких нижчих тварин (наприклад, факультативно-анаеробних черв'яків).

6. Відновлення іонів Fe (III) до Fe (II)

Змішані популяції ґрунтових бактерій в анаеробних умовах відновлюють іони Fe (III) до Fe (ІІ). Якщо в середовищі, крім Fe (III), є також іони нітрату та нітриту, то спочатку відбувається процес денітрифікації (відновлення нітрату до нітриту та молекулярного азоту), і тільки після цього — відновлення іонів Fe (III). Передбачається, що перенесення електронів на Fe (III) здійснює нітратредуктаза. Оскільки відновлення нітрату спряжене з окиснювальним фосфорилюванням, то, очевидно, і відновлення Fe (III) може використовуватися в процесі анаеробного дихання. Окисно-відновний потенціал пари Fe³⁺/Fe²⁺ становить +770 мВ, тому така реакція є термодинамічно можливою. Враховуючи те, що оксиди тривалентного заліза є практично нерозчинними у воді, вони повинні бути спочатку переведені у розчинну форму, здатну проникати всередину бактеріальної клітини. Це здійснюється, очевидно, за допомогою сідерофорів.

Контрольні питання до теми Т27:

1. Чим відрізняється аеробне дихання від анаеробного?

2. Як відбувається асиміляційна нітратредукція?

3. Яка роль процесів денітрифікації у природі?

4. Як відбуваються процеси асиміляційної та дисиміляційної сульфат редукції?

5. Які особливості притаманні сульфат відновлювалним бактеріям?

6. Яка роль сульфатредукціїу природі?

7. Як відбувається анаеробна корозія заліза?

8. Охарактеризуйте метаногенні бактерії. Чому вони належать до архебактерій?

9. Які бактерії здатні здійснювати карбонатне дихання?

10. Як відбувається фіксація вуглекислого газу у метаногенних бактерій?

11. Які бактерії здатні здійснювати фумаратне дихання?

Тема Т28. Використання неорганічних донорів водню: аеробні хемолітотрофні бактерії

Багато груп ґрунтових і водних бактерій можуть використовувати як донори водню чи електронів неорганічні сполуки (іони амонію, нітриту, сульфіду, тіосульфату, сульфіту та двовалентного заліза), а також елементну сірку, молекулярний водень і СО, тобто здатні одержувати в результаті їх окиснення відновлювальні еквіваленти та енергію для синтетичних процесів. Одержання енергії, як правило, проходить у результаті дихання з 0₂ як термінальним акцептором водню. Такий спосіб існування з використанням неорганічного донори водню називають хемолітотрофним. Більшість бактерій з таким типом метаболізму використовують С0₂ як джерело вуглецю. Тому вони є хемолітоавтотрофами. Для деяких хемолітотрофних бактерій такий спосіб існування є облігатним, інші ж є факультативними хемолітотрофами, тобто здатні також і до хемоорганогетеротрофного росту.

Зворотний транспорт електронів у дихальному ланцюгу. Неорганічні субстрати (аміак, нітрит, сульфід та ін.) мають сильно позитивний окисно-відновний потенціал, у той же час окисно-відновний потенціал пари НАД/НАДН становить -320 мВ. Тому їх окиснення не може бути прямо пов'язане з утворенням НАДН (як при окисненні органічних субстратів) за термодинамічних причин. Водночас НАДН необхідний цим бактеріям для процесів конструктивного метаболізму. Разом з тим було показано, що електрони, які вивільняються у процесі окиснення неорганічних субстратів, надходять у дихальний ланцюг на рівні цитохромів с або о. Отже, утворення АТФ у хемолітотрофних бактерій може здійснюватись тільки на одному-єдиному етапі окиснення. Частина цієї енергії витрачається на перенесення електронів у зворотному напрямку дихального ланцюга (у бік утворення НАДН). Отже, у цих бактерій відновлення НАД відбувається в процесі зворотного транспорту електронів, на що витрачається енергія АТФ. Для аеробних хемолітоавтотрофів цей механізм є обов'язковим і необхідним для отримання відновлювальних еквівалентів, які використовуються потім у процесах біосинтезу.

Для хемолітотрофних бактерій характерним є низький рівень біомаси. Так, для синтезу 1 г клітинної біомаси аеробним хемолітоавтотрофам необхідно витратити 30—150 г первинного джерела енергії (аміаку, сульфіту), в той час, як хемоорганогетеротрофам — лише близько 1-2 г субстрату (глюкози, нафти та ін.). І зрозуміло чому. Адже хемолітоавтотрофи, з одного боку, одержують мало енергії, а з другого — здійснюють так зване "холосте окиснення", тобто окиснення субстратів без одночасного синтезу клітинних компонентів. Тому не дивно, що різні перетворення в ґрунті та воді здійснюються порівняно малою кількістю бактерій.

5. Окиснення аміаку та нітриту (нітрифікація)

Перетворення аміаку (амонію) на нітрат — нітрифікація — здійснюється нітрифікуючими бактеріями. Проте немає таких бактерій, які б перетворювали аміак безпосередньо на нітрат. В його окисненні завжди беруть участь дві групи бактерій: одні окиснюють аміак, утворюючи нітрит, інші окиснюють нітрит у нітрат.

Нітрифікатори—грамнегативні бактерії, які належать до родини КіїгоЬаС;егіасеае. Досі їх вважали облігатними хемолітоавтотрофами, оскільки вони не використовують органічні субстрати, які були добавлені в поживні середовища. Проте нині існує багато сумнівів щодо облігатності нітрифікаторів. Так, виявилося, що НіїгоЬасїег winogradskyi здатний використовувати ацетат для синтезу деяких клітинних речовин (білків, полі-в-оксибутирату). Роль процесів нітрифікації в ґрунті. У ґрунті, який інтенсивно аерується, іони амонію, що вивільнюються в результаті мінералізації азотвміснихречовин, швидко окиснюються. Перехід катіону () в аніон (К0₃) супроводжується підкисленням ґрунту і підвищенням розчинності мінералів (солей калію, кальцію, магнію та фосфорної кислоти). Тому в нітрифікаторах убачають важливий фактор підвищення родючості ґрунтів. Але нині ця думка змінилася. Виявилося, що іони амонію затримуються в ґрунті значно довше і краще нітрату, який легко вимивається. У зв'язку з цим з'явилася тенденція до обмеження нітрифікації в ґрунтах сільськогосподарських угідь. Вишукуються речовини, які здатні специфічно пригнічувати ріст нітрифікуючих бактерій і стати "стабілізаторами" ґрунтового азоту.

2. Окиснення відновлених сполук сірки

Здатність одержувати енергію в результаті окиснення відновлених сполук сірки притаманна грамнегативним бактеріям з полярно розміщеними джгутиками, які об'єднані в рід ТМоЬасШш. До цієї групи бактерій належать також представники родів Sulfolobus, Thiomicrospira.

Більшість тіобацил окиснює різні сполуки сірки, утворюючи як кінцевий продукт сульфат:

в + н₂0 + ГА0₂ -► БО* + 2ЬГ;

З₂0₃² + Н₂0 + 20₂ -► 2Щ + 2Н⁴.

Деякі сіркоокиснювальні бактерії є облігатними хемолітоавтотрофами, а деякі — здатні використовувати як джерело енергії та вуглецю, а також як донори електронів — органічні сполуки.

Ці бактерії є аеробами, проте ТМоЬасШш denitrificans може використовувати як термінальний акцептор електронів, крім кисню, також і нітрат. Отже, ця бактерія може здійснювати анаеробне нітратне дихання і денітрифікувати нітрат. Але вона не здатна до асиміляційного відновлення нітрату, тому як джерело азоту їй потрібен тільки аміак (солі амонію).

ТЬюЬасШш thiooxidans утворює великі кількості сірчаної кислоти і добре переносить низькі значення рН. Клітини не втрачають життєздатності навіть у 1 н. розчині сірчаної кислоти. Такі властивості цих бактерій використовуються в сільському господарстві з метою зниження лужності ґрунтів: у вапнисті ґрунти вносять елементну сірку, утворювана тіобацилами сірчана кислота переводить нерозчинний карбонат кальцію в більш розчинний сульфат кальцію, який вимивається з ґрунту.

У місцях, де в осадах стоячих вод і вод, які повільно течуть, утворюється сірководень, можна часто виявити на чорній поверхні мулу знебарвлені нитчасті сіркобактерії Beggiatoa, ТЫо^пх, ТМорІоса. Проте виділення чистих культур таких класичних сіркобактерій утруднене і не завжди вдається. Очевидно, для їх росту необхідні органічні речовини.

Сірководень як основа безсвітлової екосистеми. Для життя всіх вищих гетеротрофних організмів необхідна біомаса, яка утворюється за допомогою фотосинтезу (рослини). Проте існує виняток з цього правила. На великих морських глибинах, у місцях, де розходяться континенти, з морського дна б'ють гарячі джерела з температурою води близько 350 °С. У воді цих джерел розчинено багато різних мінеральних речовин, у тому числі й сірководень. Там, де гаряча вода стикається з холодною морською водою, що містить кисень, можуть рости бактерії, які оки- снюють сірку або сірководень. Вони є поживою для молюсків, ракоподібних, черв'яків. Отже, на великих морських глибинах, куди не проникає світло, у безпосередній близькості від гарячих джерел існує екосистема, в якій продукція біомаси ґрунтується не на фотосинтезі, а на хемолітоавтотрофії.

3. Окиснення двовалентного заліза

Залізобактерія ТМоЬасШш ferrooxidans окиснює двовалентне залізо до тривалентного:

4.¥е²^ + 4Н‘ +О_а-> 4Го^и' + 2ІІ_гО.

Ця бактерія дуже схожа на ТІпоЬасШш thiooxidans, життєздатна за рН до 2,5, але енергію може одержувати не тільки за рахунок окиснення відновлених сполук сірки, а й при окисненні заліза. Існує в кислих рудникових водах, що містять сульфіди різних металів, у тому числі й пірит (FeS₂).

Окиснювати залізо здатна також сіркоокиснювальна бактерія Sulfolobus а^осаИапш. До інших залізобактерій (крім сіркоокиснювальних) належать GaUюneUa ferruginea, Leptothrix ос^асеа, які можна зустріти в дренажних трубах і гірських ручаях серед шарів оксиду заліза.

Вилуговування (визолювання) металів із руд. Здатність деяких ацидофільних бактерій, які окиснюють сірку та залізо, перетворювати сульфіди та елементну сірку на водорозчинні сульфати важких металів використовується для вилуговування збіднених руд з метою одержання міді, цинку, нікелю, молібдену та урану. Найпростішим є спосіб пропускання води через товстий шар подрібненого каменю, який містить руду (наприклад, пірит FeS₂) з супутніми сульфідами різних металів, а потім збирання розчину, що містить сульфати. Після концентрування такого розчину з нього осаджують метали.

Розчинення сульфідів важких металів відбувається за одночасної дії багатьох процесів:

1. бактеріального окиснення відновлених сполук сірки чи елементної сірки до сірчаної кислоти

2. бактеріального окиснення двовалентного заліза до три­валентного

3. хімічного окиснення нерозчинних солей важких металів до розчинних сульфатів і сірки

Отже, бактерії постачають сірчану кислоту, а також регенерують Fe³⁺. Ці обидва компоненти витрачаються на визолювання руд. Такі перетворення здійснюють ТМоЬасШш ferrooxidans, ТМоЬасШш thiooxidans. Ці бактерії (їх певні штами) характеризуються надзвичайною стійкістю до досить високих концентрацій міді, кобальту, цинку та інших важких металів.

3. Окиснення молекулярного водню

Молекулярний водень утворюється внаслідок анаеробного розпаду органічних речовин (бродіння) в осадах водойм та анаеробних ділянках ґрунту. Значна частина цього водню окиснюється бактеріями, які співіснують разом з мікроорганізмами, що його виділяють. Окиснення Н₂ супроводжується відновленням сульфату до сульфіду, С0₂ — до метану. Майже у всіх групах бактерій, здатних синтезувати АТФ шляхом анаеробного дихання, є форми, які використовують водень як донор електронів.

Аеробні бактерії, які окиснюють водень. Бактерії, які в аеробних умовах окиснюють молекулярний водень з використанням кисню як термінального акцептора електронів, об'єднують у групу водєньокиснювальних (водневих) бактерій. Всі вони здатні як до автотрофної фіксації С0₂, так і до використання органічних субстратів. Водневі бактерії є факультативними хемолітоавтотрофами.

Водневі бактерії ростуть на простих поживних середовищах, які містять тільки неорганічні солі, у газовій атмосфері, що складається з 70% Н₂, 20 % 0₂ та 10 % С0₂ (за об'ємом).

З таксономічного погляду водневі бактерії — надзвичайно велика таксономічна група, яка містить більшість грамнегативних бактерій але є і грампозитивні.

Молекулярний водень залучається до метаболічних процесів за допомогою гідрогеназ, які можуть бути розчинними (містяться у цитоплазмі) або мембранозв'язаними.

Контрольні питання до теми Т28:

1. Які бактерії називаються хемолітотрофними і чому?

2. Для чого і як відбувається зворотний транспорт електронів у хемоліто- автотрофів?

3. У чому полягає суть процесу нітрифікації? Які бактерії беруть участь у нітрифікації?

4. Яка роль процесів нітрифікації у природі?

5. Які бактерії здатні окиснювати відновлені сполуки сірки? Які особливості метаболізму їм притаманні?

6. Як відбувається окиснення двовалентного заліза за участю мікроорга­нізмів?

7. Яка роль мікроорганізмів у визолюванні металів із руд?

8. Як відбувається окиснення молекулярного водню бактеріями в аеробних та анаеробних умовах?

Тема Т29. Фіксація молекулярного азоту

Тільки прокаріоти здатні до фіксації молекулярного азоту. Фіксація азоту може здійснюватися як вільно існуючими бактеріями, так і бактеріями, які перебувають у симбіозі з вищими рослинами (бульбочковими бактеріями). Вільно існуючі азот-фіксатори вносять 1-3 кг азоту на 1 га ґрунту на рік. У результаті зв'язування азоту бульбочковими бактеріями 1 га ґрунту збагачується 100-300 кг азоту на рік.

Бактерії, які спричиняють утворення бульбочок у бобових рослин (бульбочкові бактерії) належать до роду Rhizobium. За специфічністю щодо рослини-хазяїна розрізняють кілька видів бульбочкових бактерій: Rhizobium leguminosarum, Rhizobium meliloti, Rhizobium trifolii, Rhizobium lupini та ін. Зараження рослини відбувається тільки через молоді кореневі волоски (рисунок 29.1). Бактерії укорінюються на самому кінчику волоска і ростуть у формі інфекційної нитки до його основи. Потім такі нитки, одягнуті в целюлозну оболонку, проникають крізь тонкі стінки молодих клітин епідермісу в кору кореня і розростаються, утворюючи бульбочки. Бактерії в бульбочках досить швидко розмножуються і утворюють клітини неправильної форми — бактероїди. Молекулярний азот здатні фіксувати тільки бульбочки, які містять пігмент леггемоглобін. Це пігмент, схожий на гемоглобін; він має високу спорідненість з киснем. Можна вважати, що леггемоглобін полегшує дифузію кисню через клітину рослини до бактероїда.

В основі специфічності симбіозу Rhizobium з рослинами лежить взаємодія лектинів бобових рослин і полісахаридів ризобій. При такому симбіозі рослина забезпечує бактерії поживними речовинами (цукрами) і створює для них оптимальні умови.

У деяких небобових рослин також є кореневі бульбочки, здатні фіксувати азот. У цьому разі фіксація азоту основана на симбіозі з прокаріотами — актиноміцетами роду Franckia. Слід зазначити, що і ціанобактерії також можуть бути партнерами, що фіксують азот, у симбіозі з вищими рослинами.

А — корінь гороху а бульбочками; Б — бульбочки у розрізі; В — рослинна клітина, заповнена бактеріями, у розрізі; Г — бактероїди (бактерії у клітинах набувають незвичної форми); Д — вторгнення бактерій через кінчики кореневих волосків і ріст інфекційних ниток

Рисунок 29.1 - Симбіотична фіксація азоту в кореневих бульбочках бобових рослин

Здатність до фіксації азоту виявлена у багатьох бактерій (аноксигенних фототрофних, ціанобактерій, факультативних анаеробів, хемолітоавтотрофів, метилотрофів, сульфатредукторів, метаногенів).

Особливо активно фіксують азот види роду Azotobacter (близько 20 мг азоту на 1 г використаного цукру). Розрізняють кілька видів Azotobacter, поширених у різних місцях існування

Бактерії роду Azotobacter є грамнегативними, клітини відносно великі, строгі аероби, в певних умовах рухливі (рух за допомогою джгутиків), здатні окиснювати різні органічні сполуки. Утворення слизу та наявність темних пігментів надають колоніям характерного вигляду. За браку поживних речовин утворюють форми спокою — цисти.

Фіксація азоту вільно існуючими ціанобактеріями має велике значення на рисових полях. Вони зв'язують до 30—50 кг азоту на 1 га на рік. Взагалі здатність до фіксації азоту виявлена у 40 видів ціанобактерій.

Азотфіксація здійснюється ферментним комплексом - нітрогеназою. Нітрогеназа складається з двох компонентів: білка, до складу якого входять молібден, залізо та сірка, і білка, який містить залізо та сірку. Як сам фермент, так і процес азотфіксації є дуже чутливими до молекулярного кисню. Для фіксації азоту необхідні енергія та відновлювальні еквіваленти, які можуть бути одержані в процесі фотосинтезу, дихання чи бродіння.

У багатьох бактерій нітрогеназа утворюється тільки тоді, коли вона необхідна, тобто за відсутності джерела зв'язаного азоту. Іони амонію пригнічують синтез пітрогенази.

Контрольні питання до теми Т29:

1. Які мікроорганізми здатні до фіксації молекулярного азоту?

2. Охарактеризуйте бактерії роду HhizoЪium.

3. Чим визначається специфічність взаємовідносин бульбочкових бактерій з бобовими рослинами?

4. Назвіть бактерії — вільно існуючі азотфіксатори.

5. Охарактеризуйте представників роду AzotoЪacter.

6. Яку кількість азоту здатні зв'язувати бактерії-азотфіксатори?

7. Які мікроелементи необхідні для азотфіксації?

Тема Т30. Фототрофні бактерії та фотосинтез

Здатність використовувати світло як джерело енергії, необхідної для росту, притаманна двом групам бактерій, які принципово відрізняються одна від одної.

Перша група включає пурпурові та зелені бактери. Згідно з дев'ятим виданням Керівництва Бергі з систематики бактерій ці бактерії належать до класу Anoxyphotobacteria. Вони не можуть використовувати воду як донор водню (як це роблять зелені рослини), їм потрібні донори з більш високим ступенем відновлення (сірководень, водень або органічні сполуки). У зв'язку з цим фотосинтез у них проходить без виділення кисню (аноксиген-ний фотосинтез). Бактерії цієї групи — типові водні організми, які існують як у прісній, так і морській воді. їх червоне, оранжеве чи зелене забарвлення зумовлене наявністю хлорофі­лів і каротиноїдів.

Друга група включає ціанобактерії. Вони використовують воду як донор водню і виділяють кисень, тобто здійснюють оксигенний фотосинтез. Процес фотосинтезу у ціанобактерій не відрізняється від фотосинтезу у зелених рослин. Пігментна система ціанобактерій містить хлорофіл о, каротиноїди та фікобіліпротеїни.

Фотосинтез — перетворення світлішої енергії у біохімічно доступну енергію (АТФ) та відновлювальні еквіваленти [НАД(Ф)Н], а також зв'язаний з цим синтез клітинних компонентів.

Рівняння фотосинтезу у зелених рослин має вигляд С0₂ + 2Н₂0 —^—» <СІ 1₈0> 4 1 І_аО + 20.

Рівняння фотосинтезу у фототрофних бактерій має вигляд

со₂ + гн^—+ ІІ₂0 + 28.

Загальне рівняння фотосинтезу можна навести у вигляді

С0₂ + 2Н₂А—£!1-><СН_вО> + Н_гО + 2А.

Основою будь-якого фотосинтезу є один і той самий первинний процес, а різні типи фотосинтезу відрізняються один від одного тільки природою донора водню (вода, сірководень, органічні сполуки). Для того, щоб донором водню могла бути вода, необхідним є здійснення двох послідовних фотореакцій. При використанні донорів з більш негативним окисно-відновним потенціалом (сірководень) достатньо однієї фотореакції.

Контрольні питання до теми Т30:

1. Що таке фотосинтез?

2. Рівняння фотосинтезу у золених рослин.

3. Рівняння фотосинтезу у фототрофних бактерій.

Перелік посилань