загрузка...
 
Хемолитотрофные бактерии
Повернутись до змісту

Хемолитотрофные бактерии

Хемолитотрофия - способ существования, обнаруженный только у прокариот, при котором источником энергии служат реакции окисления неорганических соединений. Впервые данная группа бактерий была открыта русским микробиологом С. Н. Виноградским.

Хемолитотрофы могут существовать как в аэробных, так и анаэробных условиях и использовать довольно широкий круг неорганических соединений в качестве источников энергии. На основании специфичности хемолитотрофов в отношении субстратов их можно разделить на пять основных групп (табл. 11):

нитрифицирующие бактерии окисляют восстановленные неорганические соединения азота;

 бактерии, окисляющие серу, используют в качестве источника энергии Н2Б, молекулярную серу (Б0) или ее частично восстановленные окислы;

железобактерии окисляют восстановленное железо или марганец;

водородные бактерии используют в качестве источника энергии молекулярный водород;

у карбоксидобактерий единственный источник углерода и энергии - СО2.

К хемолитотрофным можно отнести сульфатвосстаналивающие и ме- танобразующие бактерии. Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию окислением в анаэробных условиях молекулярного водорода, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат (БО 4-). Метаногенные бактерии используют С02 в качестве конечного акцептора электронов при окислении молекулярного водорода. Эти группы бактерий рассмотрены в гл. 6.

Таблица 11

Группы хемолитотрофных прокариот

Группа прокариот

Характеристика энергетического процесса

Способность к автотрофии

донор

электронов

акцептор

электронов

конечные

продукты

Нитрифицирующие бактерии

КН + N0-

N0-

N03”

+

Железобактерии

Бе2+

Бе3+

+

Бактерии, окисляющие серу

н2б, б0,

Б02-, Б2032-, 8з062-, Б402-

Б06-

+

N02

Б04-, N03 ,N2

Водородные бактерии

Н2

Нб0

+

N0;, N02

Н20, N03, N2

Карбоксидобакте-

рии

С0

С02

+

Сульфатвосста-

навливающие

бактерии

Нб

Б04-

Н2Б

+ (у отдельных видов)

Метаногенные

бактерии

Нб

С0б

СН4

± (у большинства видов)

 

Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиак, азотистая кислота). Они входят в семейство МИгоЬа^епасеае, которое состоит из восьми родов.

В природе процесс нитрификации проходит в две фазы, за каждую из них ответственны свои возбудители. Первую фазу - окисление солей аммония до солей азотистой кислоты - осуществляют представители родов МЫтоъотопаъ, МЫтоъососст, NЫго8ооЬт, NЫго8о$р1га и МЫтоъотЬгш.

Ж; + 1,5 О2 -? N0; + Н2О + 2Н+

Вторую фазу - окисление нитритов в нитраты - осуществляют бактерии из родов МЫтоЬаает, МЫгозрта, МЫтососст.

N0^ + 1/2 02 -? N0;

Нитрифицирующие бактерии - грамотрицательные микроорганизмы, различающиеся формой и размером клеток. В эту группу входят бактерии с палочковидной, сферической, спиралевидной, грушевидной формой клеток. Все нитрифицирующие бактерии, кроме представителей рода Nitrobacter, размножаются бинарным делением. Бактерии, принадлежащие к роду Nitrobacter, размножаются почкованием. Среди нитрифицирующих бактерий есть подвижные (с полярным или перитрихиальным жгутикованием) и неподвижные формы.

Все нитрифицирующие бактерии - облигатные аэробы; большинство - облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофных прокариот. Ассимиляция СО2 осуществляется в цикле Кальвина.

Оптимальные условия для роста нитрифицирующих бактерий - температура 25-30 °С при рН 7,5-8,0.

Процесс нитрификации происходит в цитоплазматической мембране. Ему предшествует поглощение амиака и перенос его через цитоплазматическую мембрану с помощью медьсодержащей транслоказы.

Окисление аммиака в нитрит осуществляется в несколько этапов. На первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью моноок- сигеназы. Этот фермент катализирует присоединение к молекуле аммиака одного атома кислорода; второй атом кислорода взаимодействует с НАД • Н2, что приводит к образованию Н2О:

NH3 + O2 + НАД • H2-> NH2OH + H2O + НАД+

Этот этап окисления является эндергоническим, так как здесь происходит потребление энергии.

Далее гидроксиламин с помощью гидроксиламиноксидоредуктазы окисляется до нитрита:

NH2OH + O2 -? NO- + H2O + H+

В качестве промежуточного продукта предполагается образование нитроксила:

NH2OH -> HNO + 2е”+ 2H+

Электроны от NH2OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу и на конечный акцептор - молекулярный кислород.

Транспорт электронов по электронтранспортной цепи, расположенной в цитоплазматической мембране, сопровождается переносом двух протонов через мембрану. Это приводит к созданию протонного градиента и в конечном итоге к синтезу молекул АТФ (в этом процессе участвует фермент АТФ-синтаза).

Вторая фаза нитрификации - окисление нитрита до нитрата - катализируется молибденсодержащей нитритоксидазой. Это происходит по следующему уравнению:

N0; + н20 -> N0; + 2Н+ + 26-

Электроны поступают на цитохром а и через цитохром с на терминальную оксидазу аа3, где акцептируются молекулярным кислородом. При этом происходит перенос через мембрану двух протонов, что приводит к синтезу АТФ. Схематически вторую фазу нитрификации можно представить следующим образом:

Внешняя сторона    Внутренняя    сторона

Цитоплазматическая мембрана

 

Таким образом, суммарно процесс окисления аммиака можно представить в следующем виде:

КНз -? адОН -? [ЯШ] -? N0; “? Ш-

Энергетически выгодными являются только стадии окисления гидро- ксиламина в нитрит и нитрита в нитрат, так как в результате происходит образование молекул АТФ.

Каким же образом у нитрифицирующих бактерий происходит образование восстановителя НАД • Н2, который необходим для ассимиляции СО2 в цикле Кальвина?

Поскольку субстраты (аммиак, нитриты), которые окисляют нитрифицирующие бактерии, обладают сильно положительным окислительновосстановительным потенциалом, который для пары КН + / NH20H составляет +899 мВ, для пары N02 / N0;: - +420 мВ, а окислительновосстановительный потенциал НАД / НАД • Н2 имеет отрицательную величину -320 мВ, то окисление КН + или N02 по термодинамическим причинам не может быть прямо связано с восстановлением НАД. Образование НАД • Н2 в таком случае происходит за счет функционирования обратного транспорта электронов, который имеется у нитрифицирующих
бактерий наряду с прямым транспортом по дыхательной цепи. Обратный транспорт электронов сопровождается затратой энергии.

Схематически перенос электронов у нитрифицирующих бактерий можно представить следующим образом:

С

 Неорганические доноры _     N0^, №

 

Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа (озера, моря, океаны) и в почвах, где они, как правило, развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного субстрата нитрификации - аммиака.

Процесс нитрификации, являясь важным звеном в круговороте азота в природе, имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Переведение азота из аммонийной формы в нитратную способствует обеднению почвы азотом, так как нитраты как весьма растворимые соединения легко вымываются из почвы. В то же время известно, что нитраты - это хорошо используемый растениями источник азота. Кроме того, связанное с нитрификацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых жизненно необходимых элементов, в первую очередь фосфора и железа.

Нитрифицирующие бактерии косвенно участвуют в разрушении разного рода сооружений, для которых строительным материалом служат известь и цемент (т. е. различных зданий, автострад и т. д.). Это связано с тем, что нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, присутствующий в атмосфере или выделяющийся из фекалий животных, до азотной кислоты.

Бактерии, окисляющие соединения серы

Способность окислять восстановленные соединения серы обнаружена у многих прокариот. Это фототрофы, осуществляющие бескислородный фотосинтез, некоторые типичные гетеротрофные бактерии родов Bacillus, Pseudomonas и др. В эту группу входят и хемолитотрофные бактерии такие как тионовые бактерии и бесцветные серобактерии.

Тионовые бактерии квалифицированы в четыре рода: Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus. Это одноклеточные организмы разной морфологии (палочковидные, близкие к сферическим, вибриоид- ные, спиралевидные) и размеров (от 0,2-0,3 до 3-4 мкм), неподвижные или подвижные (жгутикование полярное), бесспоровые. Размножаются бинарным делением или почкованием. Все известные тионовые бактерии, за исключением представителей рода Sulfolobus, имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Клеточная стенка бактерий рода Sul- folobus не содержит муреина, а построена из белково-липидного комплекса и поэтому их в настоящее время относят к архебактериям.

Тионовые бактерии способны окислять с получением энергии, помимо молекулярной серы, многие ее восстановленные соединения: сероводород (H2S), тиосульфат (S2O 2-), сульфит (SO 2-), тритионат (S3O 2-), тет- ратионат (S4O ), тиоцианат (CNS-), диметилсульфид (CH3SCH3), диме- тилдисульфид (CH3SSCH3), а также сульфиды тяжелых металлов. Там, где в качестве промежуточного продукта образуется S0, она всегда откладывается вне клетки.

Полное ферментативное окисление тионовыми бактериями молекулярной серы и различных ее восстановительных соединений приводит к образованию сульфата (SO2-).

Рассмотрим как происходит окисление сероводорода и молекулярной серы.

Окисление H2S до сульфата сопровождается потерей восьми электронов, поступающих в дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит:

H2S —? S0 —? SO2-—? SOf

Перенос электронов сопровождается переносом протонов. Возникает электрохимический градиент, разрядка которого с помощью АТФ-син- тазы приводит к синтезу АТФ.

Согласно другой точке зрения, в качестве первого продукта ферментативного окисления H2S образуется связанный с мембраной сульфид- сульфгидрильный комплекс [RSS-], окисляющийся далее через сульфит до сульфата. Молекулярная сера в этом случае не является прямым продуктом окисления Н2Б. В этом случае окисление Н2Б до БО 4 может быть представлено следующим образом.

Н2Б —? [ЯББ-] —? БО2-—? Б04- Если же происходит окисление молекулярной серы, то предполагают такие превращения.

Б0 —- [ЯББ-] —? 8032-—- Б04- На этапе окисления сульфита до сульфата образуется промежуточное соединение аденозинфосфосульфат (АФС):

Б02- + АМФ —?АФС + 2е",

которое в результате субстратного фосфорилирования превращается в сульфат. При этом также образуется молекула аденозиндифосфата (АДФ), в которой запасается высвобождающаяся энергия:

АФС + Фн —- Б02- + АДФ Далее с помощью аденилаткиназы из АДФ синтезируется АТФ. Основное же количество энергии тионовые бактерии получают в результате переноса образующихся при окислении восстановленной серы электронов, поступающих в дыхательную цепь, вероятнее всего, на уровне цитохрома с.

В большинстве случаев конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород, т. е. они являются аэробами и энергия у них образуется в процессе аэробного дыхания. Некоторые тионовые бактерии являются факультативными анаэробами; они могут использовать в качестве конечного акцептора электронов не только О2, но и нитраты, восстанавливая их до N2. Описаны тиобациллы, которые способны расти в анаэробных условиях на средах, содержащих органические соединения, но на минеральных средах их рост возможен только в аэробных условиях.

Большинство тионовых бактерий относится к облигатным хемолито- автотрофам. Все компоненты клетки они способны строить из С02, ассимилируя его в цикле Кальвина. Для таких тионовых бактерий СО2 служит основным источником углерода, а окисление неорганических восстановленных соединений серы - единственным источником энергии.

Некоторые тионовые бактерии могут расти как в хемолитоавтотроф- ных, так и в хемоорганогетеротрофных условиях, используя в последнем случае в качестве источника углерода и энергии ряд органических соединений (углеводы, кислоты, спирты, аминокислоты). Описаны тионо- вые бактерии, которые могут расти, используя в качестве источника углерода только органические вещества, а энергию получать за счет окисления восстановленных соединений серы, т. е. являются хемолитогетеро- трофами.

У тионовых бактерий функционирует система обратного переноса электронов для синтеза НАД • Н2 (так же, как и у нитрифицирующих бактерий).

Тионовые бактерии широко распространены в природе благодаря своей приспособленности к условиям обитания. Среди них встречаются выраженные, или облигатные, ацидофилы. Например, бактерии Thioba- Ш1ш thioоxidans способны расти в кислой среде с рН приблизительно

6; оптимальным рН для их развития является область 2-4, при рН 7,0 этот организм расти не может. Бактерии ThюbacШus denitrificans, наоборот, развиваются в нейтральной и щелочной среде. Большинство тиоба- цилл относится к мезофилам с оптимальной температурой роста около 30 °С. В последнее время описаны термофильные штаммы, растущие при 60-70 °С.

Бесцветные серобактерии на основании морфологических признаков делятся на две группы, включающие одноклеточные или многоклеточные формы.

Одноклеточные бесцветные серобактерии в свою очередь можно разделить на две подгруппы:

бактерии с крупными клетками (роды Achromatium, Thiovulum и др.);

бактерии с мелкими клетками (роды Тhiospira, Thiobacterium и др.).

Среди представителей этих бактерий можно обнаружить виды со сферическими, овальными, спиралевидными или слегка изогнутыми клетками, как подвижными, так и неподвижными.

Нитчатые организмы представлены неподвижными (Thiothrix) или способными к скользящему движению (Beggiatoa) формами.

Единственным общим признаком бесцветных серобактерий является способность откладывать серу внутри клеток.

Вопрос о способности бесцветных серобактерий существовать автотрофно еще не решен. Показано, что чистые культуры Thiospira могут расти только в присутствии органических соединений. У Beggiatoa также не обнаружено типичных для прокариот механизмов автотрофной ассимиляции СО2. Все это заставляет склоняться в пользу того, что бесцветные серобактерии могут существовать только хемолитогетеротрофно.

Бактерии, окисляющие серу, участвуют в круговороте серы в природе. В отличие от фототрофных прокариот, окисляющих серу в анаэробных условиях, у данной группы бактерий окисление происходит в аэробных условиях. Хемолитотрофы, окисляющие серу, обитают в морских и пресных водоемах, содержащих О2, в аэробных слоях почв разного типа. Представителей этой группы можно встретить в кислых горячих серных источниках, кислых шахтных водах, в водоемах со щелочной средой и высокой концентрацией хлорида натрия.

Окисление восстановленных соединений серы до сульфатов, осуществляемое этими бактериями, приводит к подкислению окружающей среды, что может иметь положительные и отрицательные последствия. Положительные - переводит некоторые соединения в растворимую форму, что делает их доступными для растений; а отрицательные - накопление серной кислоты приводит к порче и разрушению различных сооружений.

Железобактерии

Железобактерии - это одноклеточные микроорганизмы, размножающиеся поперечным делением. Клетки разной формы и размеров, одиночные или формирующие скопления, окруженные чехлами, в которых откладываются оксиды железа. Они являются аэробными ацидофильными бактериями с оптимальным значением рН для роста ниже 4,5, что связывают с большей устойчивостью железа к окислению воздухом именно при низкой кислотности.

Наиболее изученным представителем данных бактерий является ТЫо- ЬаеШш ferrоoxidans. Большинство штаммов этого вида принадлежит к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции СО2, служащей основным или единственным источником углерода.

Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением

2Бе2+ + 1/2 02 + 2Н+ —? 2Бе3+ + Н2О

Бактерии вида ТЫоЬаеШш ferroоxidans способны окислять не только Бе2+, но и восстановленные соединения серы. Дыхательная цепь этих бактерий содержит все типы переносчиков, но участок, связанный с получением энергии, очень короткий. Окисление Бе2+ происходит на внешней стороне цитоплазматической мембраны; в цитоплазму через мембрану железо не проникает. Электроны с Бе2+ акцептируются особым медьсодержащим растворимым белком - рустицианином (РЦ), локализованным в периплазматическом пространстве. Затем с рустицианина они передаются на цитохром с, локализованный на внешней стороне цитоплазматической мембраны, а с него на цитохром а1, расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома а1 на 1/2 02, сопровождающийся поглощением из цитоплазмы двух протонов, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до Н2О:


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Особенностью дыхательной цепи бактерий ThюbacШus ferrоoxidans является отсутствие переноса через мембрану протонов, происходит перенос только электронов. Градиент Н+ по обе стороны цитоплазматической мембраны у ThюbacШus ferroxidans поддерживается как за счет поглощения протонов из цитоплазмы, так и в результате низкого рН внешней среды, в которой обитают эти бактерии. Синтез АТФ происходит за счет движения Н+ из внешней среды в цитоплазму с помощью АТФ-син- тазы. Движущей силой служит в основном разность рН снаружи и внутри клетки. Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо окислить как минимум две молекулы Бе2+. Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов. В целом для фиксации одной молекулы СО2 в цикле Кальвина необходимо окислить более 22 молекул Бе2+.

Грамотрицательные бактерии GaШonella ferruginea имеют бобовидную почковидную форму и относятся к собственно железобактериям. На вогнутой стороне клеток они образуют коллоидный гидроксид железа (ферригидрит), из которого формируют стебельки разной формы. На концах стебельков располагаются клетки. Донором электронов у этих бактерий служит только Бе2+. Это типичные хемолитоавтотрофы, источником углерода для которых является СО2. Обитают в бикарбонатной среде, чаще в холодных водах, предпочитают нейтральные значения рН и микроаэрофильные условия. В системах водоснабжения образуют отложения, служащие причиной загрязнения питьевой воды и засорения коммуникаций.

Кроме охарактеризованных хемолитотрофов, окислять железо и (или) марганец способны и другие железобактерии, принадлежащие к разным таксономическим группам. Большинство железобактерий откладывают оксиды металлов во внеклеточных структурах (капсулах, стебельках, чехлах). Среди них встречаются как факультативные хемолитотрофы, так и хемоорганотрофы.

Автотрофные железобактерии и некоторые гетеротрофные бактерии принимают активное участие в образовании железистых отложений, из
которых формируются осадочные железные руды в водоемах. Большое значение имеет также способность хемолитотрофных железобактерий, в частности Thiobacillus ferrooxidans, окислять разнообразные нерастворимые в воде сульфидные минералы: сурьмы, меди, цинка, ртути, свинца, никеля, молибдена, кобальта. При этом образуются растворимые сульфаты, что имеет значение для плодородия почв, а также используется на практике при выщелачивании металлов из бедных руд. Суть технологии выщелачивания состоит в том, что через измельченную руду пропускают воду, содержащую железобактерии, собирают содержащий сульфаты раствор, концентрируют его и осаждают металлы.

Железобактерии широко распространены в природе и могут существовать в различных условиях: в подземных водах сульфидных месторождений, кислых водах железистых источников, кислых озерах с высоким содержанием закисного железа и др.

Водородные бактерии

К водородным бактериям относятся прокариоты, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О2, а все вещества клетки строить из углерода СО2. Это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н2 в аэробных условиях:

Н2 + 1/2 О2 —? Н2О

Помимо окисления, для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. Соотношение между потреблением растущей культурой водородных бактерий Н2, О2 и СО2 и синтезом вещества клеток [СН2О] соответствует следующему уравнению:

6Н2 + 2О2 + СО2 —? [СН2О] + 5Н2О

Из уравнения видно, что на пять молекул Н2, окисленного в процессе дыхания, приходится одна молекула Н2, затрачиваемого на синтез биомассы.

Водородные бактерии, окисляющие Н2 в присутствии О2, весьма гетерогенная с таксономической точки зрения группа. Она включает преимущественно грамотрицательные бактерии, среди которых наиболее распространены представители рода Alcaligenes (A. eutrophus, A. paradoxus) и Pseudomonas (P. facilis, P. saccharophila, P. carboxidovorans, P. car- boxidoflava и др.). Эти бактерии имеют сходную морфологию и являются неспорообразующими палочками размером 0,3-0,7 х 0,8-2,9 мкм. Среди грамотрицательных бактерий окислять водород в аэробных условиях способны также представители родов Aquaspirillum, Xanthobacter, Para- coccus, Rhizobium, среди грамположительных - Nocardia, Mycobacterium, Bacillus.

Водородные бактерии - факультативные хемолитоавтотрофы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения. Ассимиляция СО2 происходит в цикле Кальвина. Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротроф- ные прокариоты. Метаболизм органических соединений у разных представителей этой группы осуществляется с помощью гликолитического, окислительного пентозофосфатного и Энтнера - Дудорова путей, а также цикла Кребса и глиоксилатного шунта.

Все водородные бактерии способны потреблять аммиак, многие представители - мочевину, нитраты, нитриты, разные аминокислоты и азотистые основания. Некоторые штаммы способны к фиксации молекулярного азота.

Большинство водородных бактерий относится к облигатным аэробам. Однако среди них преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям О2 в среде. Особенно чувствительны к О2 водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Это объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу - ключевые ферменты метаболизма Н2 и фиксации N2.

Водородные бактерии, как правило, мезофилы с температурным оптимумом для роста 30 - 35 °С. Некоторые виды - термофилы, растущие при температуре 50 °С и даже 70 °С. Нейтрофилы с оптимальным рН для роста 6,5-7,5.

Окисление водорода связано с наличием гидрогеназ, которые в клетке могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. Большинство водородных бактерий содержит только одну форму фермента - связанную с мембранами. Однако есть виды, имеющие обе формы или только растворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу.

Гидрогеназы с различной локализацией выполняют в клетке разные функции. Связанный с мембранами фермент, катализирующий реакцию поглощения Н2, передает электроны в дыхательную цепь и, таким образом, имеет непосредственное отношение к энергетическим процессам. Растворимая гидрогеназа, катализирующая аналогичную реакцию, переносит электроны на молекулы НАД+, которые участвуют далее в различных биосинтетических реакциях. Если же водородные бактерии содержат только одну растворимую гидрогеназу, то она выполняет обе функции.

Если у водородных бактерий нет растворимой или НАД-зависимой гидрогеназы, то восстановитель НАД • Н2 при хемолитотрофном способе существования этих микроорганизмов образуется с помощью механизма обратного переноса электронов.

Таким образом, из всех хемолитоавтотрофных прокариот только водородные бактерии с помощью растворимой гидрогеназы могут осуществлять непосредственное восстановление НАД+ окислением неорганического субстрата. У всех остальных групп НАД • Н2 образуется с использованием механизма обратного транспорта электронов.

Водородные бактерии играют незаменимую роль в природе, участвуя в круговороте водорода. Они также рассматриваются как перспективные объекты биотехнологии, поскольку способны на дешевых минеральных субстратах с высокой эффективностью образовывать биомассу. Белки водородных бактерий полноценны по аминокислотному составу и легко усваиваются животными. Представители рода Alcaligenes, кроме того, способны синтезировать из СО2 и накапливать в клетках большие количества поли-^-гидроксибутирата - пластичного природного полимера.



загрузка...