кекер. Конспект лекций по спецкурсу Важнейшие группы прокариотических микроорганизмов
 Скачать 1.55 Mb.
|
|
Бактерии, окисляющие соединения серы Способность окислять восстановленные соединения серы обнаружена у многих прокариот. Это фототрофы, осуществляющие бескислородный фотосинтез, некоторые типичные гетеротрофные бактерии родов Bacil-lus, 47 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 Sulfolobus 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 (H 2 S), тиосульфат (S 2 O − 2 3 ), сульфит (SO − 2 3 ), тритионат (S 3 O − 2 6 ), тетратионат (S 4 O − 2 6 ), тиоцианат (CNS – ), диметилсульфид (СH 3 SCH 3 ), диметилдисульфид (CH 3 SSCH 3 ), а также сульфиды тяжелых металлов. Там, где в качестве промежуточного продукта образуется S 0 , она всегда откладывается вне клетки. Полное ферментативное окисление тионовыми бактериями молекулярной серы и различных ее восстановительных соединений приводит к образованию сульфата (SO − 2 4 ). Рассмотрим как происходит окисление сероводорода и молекулярной серы. Окисление H 2 S до сульфата сопровождается потерей восьми электронов, поступающих в дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит: H 2 S S 0 SO − 2 3 SO − 2 4 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 H 2 S образуется связанный с мембраной сульфид- сульфгидрильный комплекс [RSS – ], окисляющийся далее через сульфит до сульфата. Молекулярная сера в этом случае не является прямым продуктом окисления H 2 S. В этом случае окисление H 2 S до SO − 2 4 может быть представлено следующим образом: H 2 S [RSS – ] SO − 2 3 SO − 2 4 48 Если же происходит окисление молекулярной серы, то предполагают такие превращения: S 0 [RSS – ] SO − 2 3 SO − 2 4 На этапе окисления сульфита до сульфата образуется промежуточное соединение аденозинфосфосульфат (АФС): SO − 2 3 + АМФ АФС + 2е – , которое в результате субстратного фосфорилирования превращается в сульфат. При этом также образуется молекула аденозиндифосфата (АДФ), в которой запасается высвобождающаяся энергия: АФС + Ф н SO − 2 4 + АДФ Далее с помощью аденилаткиназы из АДФ синтезируется АТФ. Основное же количество энергии тионовые бактерии получают в ре- зультате переноса образующихся при окислении восстановленной серы электронов, поступающих в дыхательную цепь, вероятнее всего, на уровне цитохрома с. В большинстве случаев конечным акцептором электронов служит мо- лекулярный 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 О 2 , но и нитраты, восстанавливая их до N 2 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 CO 2 , ассимилируя его в цикле Кальвина. Для таких тионовых бактерий СО 2 служит основным источником углерода, а окисление неорганических восстановленных соединений серы – единственным источником энергии. Некоторые тионовые бактерии могут расти как в хемолитоавтотрофных, так и в хемоорганогетеротрофных условиях, используя в последнем случае в качестве источника углерода и энергии ряд органических соединений (углеводы, кислоты, спирты, аминокислоты). Описаны тионовые бактерии, которые могут расти, используя в качестве источника углерода только органические вещества, а энергию получать за счет окисления восстановленных соединений серы, т. е. являются хемолитогетеротрофами. У тионовых бактерий функционирует система обратного переноса электронов для синтеза НАД · Н 2 (так же, как и у нитрифицирующих бактерий). Тионовые бактерии широко распространены в природе благодаря своей приспособленности к условиям обитания. Среди них встречаются 49 выраженные, или облигатные, ацидофилы. Например, бактерии Thiobacillus thioоxidans способны расти в кислой среде с рН приблизительно 0,6; оптимальным рН для их развития является область 2–4, при рН 7,0 этот организм расти не может. Бактерии Thiobacillus denitrificans, наоборот, развиваются в нейтральной и щелочной среде. Большинство тиобацилл 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 призна-ков делятся на две группы, включающие одноклеточные или многоклеточные формы. Одноклеточные бесцветные серобактерии в свою очередь можно раз- делить 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 сфе- рическими, овальными, спиралевидными или слегка изогнутыми клет-ками, 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 автот- рофно 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 СО 2 . 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 О 2 , 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, 50 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 Thio- bacillus ferrоoxidans. Большинство штаммов этого вида принадлежит к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции СО 2 , служащей основным или единственным источником углерода. Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением 2Fe 2+ + 1/2 O 2 + 2H + 2Fe 3+ + H 2 O Бактерии вида Thiobacillus ferroоxidans способны окислять не только Fe 2+ , но и восстановленные соединения серы. Дыхательная цепь этих бактерий содержит все типы переносчиков, но участок, связанный с получением энергии, очень короткий. Окисление Fe 2+ происходит на внешней стороне цитоплазматической мембраны; в цитоплазму через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe 2+ 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 а 1 , расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома а 1 на 1/2 O 2 , сопровождающийся поглощением из цитоплазмы двух протонов, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до Н 2 О: Внешняя Внутренняя сторона сторона 2Fe 2+ 2е – 1/2 O 2 + 2H + РЦ с а 1 2Fe 3+ H 2 O Периплазма Цитоплазматическая мембрана 51 Особенностью дыхательной цепи бактерий Thiobacillus ferrоoxidans является отсутствие переноса через мембрану протонов, происходит перенос только электронов. Градиент Н + по обе стороны цитоплазматической мембраны у Thiobacillus 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 Fe 2+ Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов. В целом для фиксации одной молекулы СО 2 в цикле Кальвина необходимо окислить более 22 молекул Fe 2+ Грамотрицательные бактерии Gallionella 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 Fe 2+ . Это типичные хемолитоавтотрофы, источником углерода для которых является СО 2 . 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 ferrоoxidans, 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. 52 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 О 2 , а все вещества клетки строить из углерода СО 2 . Это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н 2 в аэробных условиях: Н 2 + 1/2 О 2 Н 2 О Помимо окисления, для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. Соотношение между потреблением растущей культурой водородных бактерий Н 2 , О 2 и СО 2 и синтезом вещества клеток [СН 2 О] соответствует следующему уравнению: 6Н 2 + 2О 2 + СО 2 [СН 2 О] + 5Н 2 О Из уравнения видно, что на пять молекул Н 2 , окисленного в процессе дыхания, приходится одна молекула Н 2 , затрачиваемого на синтез биомассы. Водородные бактерии, окисляющие Н 2 в присутствии О 2 , весьма гетерогенная с таксономической точки зрения группа. Она включает преимущественно грамотрицательные бактерии, среди которых наиболее распространены представители рода Alcaligenes (A. eutrophus, A. parado-xus)и Pseudomonas (P. facilis, P. saccharophila, P. carboxidovorans, P. carboxidoflava и др.). Эти бактерии имеют сходную морфологию и являются неспорообразующими палочками размером 0,3–0,7 × 0,8–2,9 мкм. Среди грамотрицательных бактерий окислять водород в аэробных условиях способны также представители родов Aquaspirillum, Xanthobacter, Paracoccus, Rhizobium, среди грамположительных – Nocardia, Mycobacterium, Bacillus. Водородные бактерии – факультативные хемолитоавтотрофы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения. Ассимиляция СО 2 происходит в цикле Кальвина. Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротрофные 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. 53 Все водородные бактерии способны потреблять аммиак, многие пред- ставители – 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 О 2 в среде. Особенно чувствительны к О 2 водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Это объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу – ключевые ферменты метаболизма Н 2 и фиксации N 2 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 Н 2 , 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 · Н 2 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 осуще- ствлять непосредственное восстановление НАД + окислением неорганического субстрата. У всех остальных групп НАД · Н 2 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 |