кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Метилотрофные бактерии Метилотрофы – микроорганизмы, способные использовать в качестве источника углерода и энергии одноуглеродные, или С 1 -соедине-ния. К таким веществам относятся метан (СН 4 ), метанол (СН 3 ОН), формальдегид (НСОН), формиат (НСООН), метиламин (СН 3 NH 2 ), хлорметан (СH 3 Cl), цианид калия 121 (KCN) и др. В большинстве этих соединений углерод представлен в виде метильной группы, поэтому микроорганизмы, использующие их, и получили название метилотрофов. Метилотрофные микроорганизмы распространены повсеместно, это связано с тем, что практически везде в природе имеются С 1 -соединения. Например, ежегодно в атмосферу поступает 10 15 г метана (из болот, прудов, органического ила, промышленных отходов, недр земли, из желудков жвачных животных и др.). Однако в атмосфере он не накапливается, его используют метанокисляющие бактерии. Метан, кроме того, подвергается фотоокислению с образованием метанола. В природе обнаруживаются также формальдегид, формиат, формамид, цианиды и их соли, СО, метиламины, что также определяет места распространения метилотрофов (табл. 19). Таблица 19 Источники образования и распространение в природе одноуглеродных соединений С 1 -соединения Нахождение в природе Источник СН 4 (метан) Заливные луга, озера, болота, сточные воды, шахты, рубец жвачных животных Метаногенные бактерии, попутный газ СН 3 ОН (метанол) Атмосфера, гниющие растительные остатки, разложение лигнина и пектина Фотоокисление метана, химическое разложение лигнина и гемицеллюлозы НСОН (формальдегид) Промышленные сбросы Отходы лакокрасочной и химической промышленности НСООН (формиат) Промышленные сбросы Химическая промышленность, бродильное производство HCONH 2 (формамид) Промышленные сбросы Химическая промышленность KCN и другие цианиды Промышленные сбросы, раз- ложение растительного материала Гальванопластика, продукты метаболизма микроорганизмов CO (оксид углерода) Города, свалки, пожарища Разложение порфиринов CH 3 NH 2 (метиламин) (CH 3 ) 2 NH (диметиламин) (CH 3 ) 3 N (триметиламин) Промышленные сбросы, водоемы Разложение отходов рыбной промышленности, белков, аминокислот Метилотрофные микроорганизмы составляют таксономически неоднородную, не связанную родством группу и включают грамположительные, грамотрицательные бактерии и дрожжи. 122 По способности использовать С 1 и другие углеродные соединения метилотрофные бактерии делятся на две основные группы: облигатные и факультативные. Облигатные метилотрофы способны расти только на одноуглеродных субстратах. Группа факультативных метилотрофов включает бактерии, которые наряду с одноуглеродными могут использовать и некоторые полиуглеродные соединения. Облигатные метилотрофные бактерии входят в состав родов: Methylococcus, Methylomonas, Methylosinus, Methylocystis, Methylobacillus, Methylophilus, Methylophaga, Мethylovorus и Methylobacterium. Это в основном грамотрицательные эубактерии с разной морфологией и размерами клеток, подвижные и неподвижные. Облигатные аэробы. Тип метаболизма – дыхательный. Каталазо- и оксидазоположительные. При росте на метаноле имеют сложную систему внутрицитоплазматических мембран двух типов: мембраны первого типа представлены стопками плотно упакованных везикулярных дисков, распределенных во всей цитоплазме; мембраны второго типа имеют вид ламелл, расположенных по периферии клетки. Отличительные признаки родов облигатных метилотрофных бактерий приведены в табл. 20. Таблица 20 Отличительные признаки облигатных метилотрофных бактерий Признаки Роды Methylococcus Methylomonas Methylosinus Methylocystis Methylovorus Methylobacillus Methylophilus Methylophaga Methylobacterium Упаковка внутрицитоплазматических мембран Первый тип Второй тип Первый тип Цикл трикарбоновых кислот Неполный (не соде- ржат α-кетоглута- ратдегидрогеназы) Полный Неполный (не содержат α- кетоглутарат- дегидрогеназы) Покоящиеся формы Цисты Экзоспоры Не имеют Основной путь ассимиляции С 1 -сое- динений Рибулозомонофос- фатный путь Сериновый путь Восстановительный пентозофосфатный путь (цикл Кальвина) Длина углеродной цепи жирных кислот 16 углеродных остатков 18 углеродных остатков 16 углеродных остатков К факультативным метилотрофам относятся некоторые представители родов Pseudomonas, Arthrobacter, Mycobacterium, Bacillus, Acetobacter, Achromobacter, Nocardia, Hyphomicrobium, Brevibacterium и др. Это различные 123 по морфологии, окраске по Граму, подвижные или неподвижные бактерии, единственным общим признаком которых является способность расти на С 1 - соединениях. Использование метилотрофами С 1 -соединений в конструктивном и энергетическим метаболизме привело к формированию у них специфических путей их ассимиляции и окисления. Процесс полного окисления метана может быть представлен в виде следующей схемы (рис. 106). Формальдегид у метилотрофных бактерий является ключевым метаболитом, на уровне которого расходятся конструктивные и энергетические пути. Часть формальдегида превращается в вещества клетки по специфическим для метилотрофов ассимиляционным циклическим путям (рибулозомонофосфатному, сериновому и восстановительному пентозофосфатному), большая часть окисляется через формиат до СО 2 , что приводит к образованию АТФ. Рис. 106. Окисление метана и связь энергетического и конструктивного метаболизма у метилотрофов: Ф 1 – метанмонооксигеназа; Ф 2 – метанолдегидрогеназа; Ф 3 – формальдегиддегидрогеназа; Ф 4 – формиатдегидрогеназа. Ассимиляционные циклы: 1 – рибулозомонофосфатный, 2 – сериновый, 3 – восстановительный пентозофосфатный В окислительном метаболизме С 1 -соединений у метилотрофов участвуют следующие переносчики дыхательной цепи: флавопротеины, хиноны, цитохромы типа a, b, c, o. Количество энергии, выделяющейся при окислении С 1 -соединений соответствующими дегидрогеназами, определяется местом поступления электронов в дыхательную цепь. При окислении метанола в формальдегид метанолдегидрогеназой электроны поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с. Это приводит к синтезу одной молекулы АТФ. На какие переносчики дыхательной цепи передаются электроны от формальдегида и формиата пока неизвестно. Метилотрофные бактерии находят широкое практическое применение и являются перспективными объектами биотехнологии. Биомасса О 2 2Н 2Н 2Н СН 4 СН 3 ОН НСОН НСООН СО 2 метан Ф 1 метанол Ф 2 формальдегид Ф 3 формиат Ф 4 НАД·Н 2 НАД + 2 Компоненты 3 1 клетки 124 метилотрофов характеризуется достаточно высоким содержанием белка и незаменимых аминокислот, например содержание лизина достигает 5,8 % сухой массы. Перевариваемость бактериальной биомассы составляет 85–98 %, поэтому ее можно использовать в качестве кормовой добавки. Промышленное значение имеет также биотрансформация метилотрофами органических веществ. Иммобилизованные бактерии, клеточные экстракты или очищенные ферменты окисления С 1 -сое-динений катализируют неспецифическое окисление ряда соединений: ароматических, алициклических и гетероциклических углеводородов, фенолов, спиртов с длинной углеродной цепью. При биотрансформаци получают продукты, имеющие потенциальное промышленное значение, например из пропилена пропиленоксид, который является субстратом для синтетических полимеров. Метилотрофы являются продуцентами аминокислоты серина, витамина В 12 , убихинонов Q 8 , Q 9 , Q 10 , метаксина, поли-β-гидроксибутирата и внеклеточных полисахаридов. Например, выход полисахаридов составляет более 30 % по отношению к массе субстрата. При определенных условиях выращивания до 66 % биомассы метилотрофных бактерий составляет поли-β- гидроксибутират – полимер, имеющий промышленное значение как заменитель пластмасс, но подверженный биодеградации. Перспективно также использование метилотрофных бактерий в качестве биокатализаторов для обнаружения выбросов метана в угольных шахтах, для очистки сточных вод от метилсодержащих соединений. Наконец, метилотрофы могут служить хорошей основой для создания генно- инженерных штаммов – продуцентов эукариотических белков медицинского и ветеринарного назначения. Показано, что уровень экспрессии некоторых генов (например, интерферонов) в метилотрофных бактериях выше, чем в бактериях E. coli. Архебактерии Впервые архебактерии стали известны в 1977 г. благодаря работам американских ученых К. Везе и Г. Фокса по изучению молекулярно- биохимических свойств биополимеров клеток разных видов бактерий. Ведущую роль в их открытии сыграл анализ состава и определение последовательности нуклеотидов в 16S-рРНК. Было показано, что метанобразующие бактерии резко отличаются по этому признаку от других обследованных организмов. Впоследствии было установлено, что архебактерии, кроме этого, обладают рядом уникальных общих свойств, благодаря которым их выделили в отдельный класс. 125 1. Их клеточная стенка не имеет пептидогликана муреина, вместо которого в состав клеточной стенки входят кислые полисахариды, белки или псевдомуреин, не содержащий в отличие от муреина мурамовой кислоты, а в пептидных мостиках – D-аминокислот. Вместо ацетилмурамовой кислоты в состав муреина входит ацетилталозаминуроновая кислота, что определило устойчивость архебактерий к антибиотикам, нарушающим синтез клеточных стенок у эубактерий, – пенициллину, ампициллину, D-циклосерину и т. п. 2. Мембраны архебактерий не содержат в составе липидов сложных эфиров глицерина и жирных кислот, а представлены особыми бифитанильными глицериновыми эфирами, образованными путем конденсации глицерина с терпеноидными спиртами. 3. В тРНК архебактерий изменена общая для всех других организмов петля тимин–псевдоуридин–цитидин, в которой вместо тимина присутствуют другие основания. 4. Наличие в генах, кодирующих тРНК, интронов, которые имеются только в эукариотических геномах, но отсутствуют у большинства эубак- терий. 5. Наличие в геноме архебактерий многократно повторяющихся последовательностей, что характерно для хромосомной ДНК эукариот. В области нуклеоида у архебактерий содержатся белки гистоны. 6. Архебактерии имеют более сложную структуру аппаратов трансляции и транскрипции. ДНК-зависимая РНК-полимераза, осуществляющая процесс транскрипции у архебактерий, состоит из 9–12 субъединиц, у эубактерий – из 4–8 субъединиц. РНК-полимераза архебактерий, подобно таковым у эукариот, не ингибируются рифампицином, их активность стимулируется силибином. 7. Рибосомы архебактерий содержат относительно больше белков, чем рибосомы эубактерий, причем они представлены более кислыми формами по сравнению с белками рибосом эубактерий. Кроме того, процесс биосинтеза белков у архебактерий не ингибируется такими антибиотиками, как хлорамфеникол и стрептомицин. 8. Особенностью конструктивного метаболизма архебактерий является отсутствие фиксации СО 2 в цикле Кальвина. Основным путем автотрофной его фиксации является восстановительный путь карбоновых кислот в различных его модификациях, присущий и некоторым эубактериям. 9. Архебактерии неспособны использовать сложные высокомолекулярные соединения. Среди них не обнаружено активных продуцентов гидролитических ферментов, что, возможно, является одной из причин отсутствия патогенных и паразитических форм. 10. Некоторые архебактерии, в частности метаногенные, синтезируют уникальный набор коферментов, не встречающийся у других организмов, 126 например кофермент М, никельтетрапиррольный фактор F 430 , фактор F 420 (производное 5-деазафлавина), тетрагидрометаноптерин, метанофуран и др. 11. Архебактерии занимают необычные, часто экстремальные по условиям окружающей среды высокоспециализированные экологические ниши. 12. Морфология клеток архебактерий беднее, чем эубактерий. Среди них нет мицелиальных, стебельковых и трихомных форм, преобладают сферические и цилиндрические клетки, а также необычные плоские клетки, имеющие вид пластинок и коробочек разнообразной геометрической формы, сходные с кусочками битого стекла, что присуще только архебактериям. В настоящее время к архебактериям отнесены метаногенные, анаэробные серовосстанавливающие бактерии, экстремальные термофилы, метаболизирующие молекулярную серу, термоацидофильные микоплазмы и экстремально галофильные бактерии. Метаногенные бактерии– самая многочисленная группа архебактерий, являющаяся облигатными анаэробами. Большинство представителей неподвижны, подвижные имеют полярные жгутики. Метаногенные архебактерии – высокоспециализированная физиологическая группа, которая не использует углеводы, белки и другие сложные органические вещества. Источниками энергии служат процессы окисления молекулярного водорода, оксида углерода, метанола, муравьиной и уксусной кислот, акцептором электронов является углекислый газ, которая восстанавливается до метана. В природных средах метаногенные бактерии развиваются в ассоциации с другими микроорганизмами, выполняя функцию конечного звена в трофической цепи – превращают продукты брожения этих микроорганизмов в метан. Основные места обитания: торфяные болота, ил на дне водоемов, очистные сооружения сточных вод, пищеварительный тракт животных. Представители метаногенных бактерий входят в роды Methanobacterium, Methanosarcina, Methanospirillum и др. Анаэробные серовосстанавливающие бактериипредставлены одним родом Archaeoglobus, который состоит из двух видов: A. fulgidus (типовой вид) и A. profundus. Это облигатные анаэробы и экстремальные термофилы. Диапазон температуры для роста 60–95 ºС с оптимумом около 83 ºС; диапазон рН 4,5–7,5 с оптимумом около 6. Диапазон солености (NaCl) 0,9–3,6 %. Бактерии рода Archaeoglobus – грамотрицательные кокковидные клетки неправильной формы, часто треугольные, одиночные или в парах, со жгутиками (монополярные политрихи) или без них. При освещении светом с длиной волны 420 нм обнаруживают голубовато-зеленую флуоресценцию. На агаризованной среде формируют зеленовато-черные гладкие колонии диаметром 1–2 мм. Способны к хемолитотрофному или хемоорганотрофному росту. Основная форма энергетического метаболизма – анаэробное дыхание 127 (диссимиляционная сульфатредукция). Донорами электронов являются формиат, лактат, глюкоза, крахмал, белки и молекулярный водород; конечными акцепторами электронов – сульфат, сульфит и тиосульфат (но не молекулярная сера), которые восстанавливаются до сероводорода. Особенностью бактерий рода Archaeoglobus является способность в небольшом количестве образовывать метан. Подобно типичным метаногенным бактериям, в клетках бактерий рода Archaeoglobus содержится фактор F 420 и тетрагидрометаноптерин, но не обнаружены кофермент М и фактор F 430. Основное местообитание серовосстанавливающих архебактерий – мелководные и глубоководные морские гидротермальные источники, в которых они вызывают активное восстановление соединений серы. Экстремальные термофилы, метаболизирующие молекулярную серу – грамотрицательные бактерии разной морфологии: кокки, палочки, диски, нити или клетки неправильной дольчатой формы. Клеточные стенки у этих бактерий состоят из гликопротеиновых или белковых субъединиц. Цитоплазматические мембраны многослойные, содержат липиды, построенные на основе тетраэфиров глицерина. Молекула тетраэфира состоит из двух остатков глицерина, соединенных двумя одинаковыми парами С 40 - бифитанильных цепей, которые содержат от 1 до 4 пятичленных циклических группировок. Экстремальные термофилы, метаболизирующие молекулярную серу, подразделяются на три порядка, четыре семейства и включают девять родов. Все представители объединены в одну группу благодаря тому, что их энергетический метаболизм связан с метаболизмом молекулярной серы. Облигатно аэробные бактерии (например, бактерии рода Sulfolobus) осуществляют окисление S 0 ; строгие анаэробы (например, бактерии родов Thermococcales и Thermoproteales) – только восстановление S 0 до H 2 S; факультативные анаэробы (например, бактерии рода Acidianus) – в зависимости от условий могут окислять или восстанавливать S 0 Второй признак, объединяющий всех представителей группы, – экстремальная термофилия: нижний температурный предел роста – 60– 82 ºС, верхняя граница – 95–110 ºС. Оптимальная температура для роста 80– 105 ºС. Наиболее высокотемпературными представителями серозависимых архебактерий являются бактерии вида Pyrodictium occultum. Они способны расти при 110 ºС, с оптимумом при 105 ºС. Экстремально термофильные архебактерии, метаболизирующие молекулярную серу, являются аборигенами высокотермальных кислых источников и грунтов в зонах вулканического происхождения. Кроме того, бактерии рода Pyrodictium выделяют из подводных морских горячих 128 источников, богатых серой и сульфидами, где они проявляют активную геохимическую деятельность. В практическом плане привлекают внимание бактерии вида Sulfo-lobus brierley, способные выщелачивать металлы при высоких температурах из трудноокисляемых сульфидов, таких как пирит (FeS 2 ), халькопирит (CuFeS 2 ) и молибденит (MoS 2 ). Эти бактерии можно использовать также для удаления серных компонентов из некондиционного каменного угля. Отрицательным моментом в деятельности этих архебактерий является их способность вызывать биокоррозию стали. |