Аэробное и анаэробное окисление микроорганизмов

Полное ферментативное окисление тионовыми бактериями молекулярной серы и различных ее восстановленных соединений приводит к образованию сульфата. Окисление  сероводорода до сульфата сопровождается потерей 8 электронов, поступающих в  дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит:

H₂S ® S⁰ ® SO₃^2– ® SO₄^2–

На этапе окисления  сульфита до сульфата, протекающего с  образованием аденилированного промежуточного соединения аденозинфосфосульфата (АФС), имеет место субстратное фосфорилирование, позволяющее запасать освобождающуюся при этом энергию в молекулах АТФ:

SO₃^{2 –} + АМФ ® АФС + 2e^–;

АФС + Ф_Н ® SO₄^{2 –} + АДФ;

Далее с помощью  аденилаткиназы из АДФ синтезируется  АТФ:

2АДФ ® АМФ  + АТФ.

Основное же количество энергии тионовые бактерии получают в результате переноса образующихся при окислении восстановленной  серы электронов, поступающих в дыхательную  цепь на уровне цитохрома c (рис. 97). Дыхательная цепь тионовых бактерий содержит все типы переносчиков, характерных для аэробных хемогетеротрофов. У тионовых бактерий обнаружены флавопротеины, убихиноны, FeS-белки, цитохромы типа b, c, цитохромоксидазы o, d, a + a₃.

В большинстве  случаев конечным акцептором электронов служит O₂, который не может быть заменен никаким другим акцептором. Рост отдельных штаммов возможен в микроаэробных условиях. Некоторые тионовые бактерии являются факультативными аэробами; они могут использовать в качестве конечного акцептора электронов не только O₂, но и нитраты, восстанавливая их до N₂ или только до нитрита. В анаэробных условиях использование нитратов в качестве конечного акцептора электронов индуцирует синтез диссимиляционной нитратредуктазы, осуществляющей перенос электронов дыхательной цепи на нитраты.

Некоторые виды относятся к облигатным хемолитоавтотрофам, другие — могут расти как хемолитоавтотрофно, так и хемоорганогетеротрофно, используя  в последнем случае в качестве источника углерода и энергии  ряд органических соединений (кислоты, сахара, спирты, аминокислоты). Наконец, описаны тионовые бактерии, растущие хемолитогетеротрофно, используя в  качестве источника углерода только органические соединения, а энергию  получая за счет окисления восстановленных  соединений серы. Основным механизмом ассимиляции CO₂ служит восстановительный пентозофосфатный цикл, обнаруженный у всех тионовых бактерий. Вспомогательную роль играют реакции карбоксилирования трехуглеродных соединений, в первую очередь фосфоенолпировиноградной кислоты.

Поскольку у  тионовых бактерий место включения  электронов в дыхательную цепь находится  на уровне цитохрома c, у них функционирует система обратного переноса электронов для обеспечения конструктивных процессов молекулами НАДxH₂.

У разных представителей этой группы, способных расти, используя  органические соединения, обнаружены активности ферментов гликолиза, окислительного пентозофосфатного пути, пути Энтнера  — Дудорова. Описано функционирование "замкнутого" и "разорванного" ЦТК, а у некоторых тиобацилл  — глиоксилатного шунта.

Тионовые бактерии приспособлены к разным условиям обитания. Thiobacillus thiooxidans и Т. ferrooxidans — ярко выраженные ацидофилы (оптимальный pH 2–4), Т. denitrificans и Т. thioparus, наоборот, развиваются только в нейтральной и щелочной среде (pH 7–10). Большинство тиобацилл относятся к мезофилам с оптимальной температурой роста приблизительно 30°. В последнее время описаны термофильные штаммы, растущие при 60–70°.

Бесцветные  серобактерии очень напоминают цианобактерии, являясь как бы их непигментированными аналогами. H₂ основании морфологических признаков делятся на две группы: одна представлена одноклеточными формами (роды Achromatium, Macromonas и др.), в составе другой объединены нитчатые организмы (роды Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca). Одноклеточные бесцветные серобактерии — подвижные или неподвижные, различающиеся размерами формы. Нитчатые организмы представлены также неподвижными или способными к скользящему движению видами (см. рис. 45, 1).

Единственный  общий признак группы — способность  откладывать серу в периплазматическом пространстве клеток. Вопрос о значении, которое имеет окисление восстановленных  соединений серы для этой группы бактерий, имеет длинную историю. С. Н. Виноградский, наблюдая в 1887–1889 гг. в клетках  Beggiatoa при выращивании на среде с H₂S отложение гранул серы и их последующее исчезновение после исчерпания сероводорода из среды, пришел к выводу, что энергия, освобождающаяся при окислении H₂S до S⁰ и затем до SO₄^{2 –} c участием O₂, используется этим организмом для ассимиляции CO₂. Таким образом, работая с Beggiatoa, С. Н. Виноградский сформулировал положение о принципиально новом способе существования организмов — хемолитоавтотрофии. Однако позднее выяснилось, что культуры, с которыми работал С. Н. Виноградский, были нечистыми. И до сих пор большинство представителей этой группы не выделены в виде чистых культур, что затрудняет изучение их физиологии. Для некоторых бесцветных серобактерий, в том числе и для Beggiatoa, были получены данные в пользу того, что окисление H₂S может быть связано с получением клеткой энергии.

В то же время  показано, что важная физиологическая  особенность бесцветных серобактерий — образование ими значительных количеств перекиси водорода. Более 80 — 90% потребленного клетками в  процессе дыхания O₂ восстанавливается лишь до H₂O₂. Накоплению в клетках перекиси водорода способствует низкая каталазная активность, обнаруженная у этих организмов. Была выявлена определенная связь между окислением H₂S и кислородным метаболизмом бесцветных серобактерий. Оказалось, что окисление соединений серы используется этими организмами для удаления H₂O₂. Отложение молекулярной серы является, таким образом, результатом окисления сульфидов среды перекисью водорода, образующейся в клетке. Перекисный механизм окисления восстановленных соединений серы исключает возможность использования организмами энергии этого процесса.

Вопрос о способности  бесцветных серобактерий существовать автотрофно также пока не доказан: чистые культуры могут расти только в  присутствии органических соединений; не обнаружено типичных для эубактерий механизмов автотрофной ассимиляции CO₂. Все это заставляет склоняться в пользу того, что бесцветные серобактерии могут существовать только хемогетеротрофно. В микроаэробных условиях некоторые штаммы Beggiatoa обнаруживают способность к азотфиксации.

Распространение и роль в природе. Окисление неорганических восстановленных соединений серы с помощью фототрофных и хемотрофных эубактерий является одним из звеньев круговорота серы в природе. В первом случае процесс протекает в анаэробных условиях, во втором — в аэробных. Хемотрофы, окисляющие серу, обитают в морских и пресных водах, содержащих O₂, в аэробных слоях почв разного типа. Поскольку эта группа объединяет организмы с разными физиологическими свойствами, ее представителей можно обнаружить в кислых горячих серных источниках, кислых шахтных водах, в водоемах со щелочной средой и высокой концентрацией NaCl.

Хемолитоавтотрофные серобактерии обнаружены на глубине 2600–6000 м в местах, где на поверхность  дна океана из недр земной коры выходят  горячие источники. Вода источников, называемая гидротермальной жидкостью, имеет температуру до 350°, не содержит совсем O₂ и NO₃ ^– но обогащена H₂S, CO₂ и NH₄⁺. H₂ дне океана гидротермальная жидкость смешивается с окружающей морской водой, имеющей температуру 2°, которая, наоборот, не содержит H₂S и характеризуется достаточно высокими уровнями O₂ и NO₃ ^– . Эти области отличаются также высоким давлением н полным отсутствием света.

К удивлению  исследователей, вокруг выходов гидротермальной  жидкости были обнаружены плотные скопления  необычных беспозвоночных животных, среди которых преобладали гигантские живущие в трубках черви Riftia pachyptila длиной до 2,5 м и толщиной до 5 см, крупные белые двустворчатые моллюски Calyptogena magnified и мидии Bathymodiolus thermophilus. Имелись там креветки, крабы и рыбы в немалых количествах. Как объяснить наличие таких "оазисов" жизни в "пустыне", которой до недавнего времени считали дно океана на большой глубине?

Из проб воды, взятых у гидротермальных выходов, выделены бактерии, среди которых  некоторые виды были H₂S-окисляющими хемолитоавтотрофами, идентифицированными как представители родов Thiomicrospira и Thiobacillus. Такие бактерии могут составить первое звено трофической цепи в экосистеме гидротермальных источников, обеспечивая пищей различные виды животных.

Однако вскоре обнаружилось, что одно из преобладающих  животных R. pachyptila не может питаться частичками пищи, поскольку представляет собой просто замкнутый мешок без ротового, анального отверстий и пищеварительной системы. H₂ переднем конце тела животного располагаются ярко окрашенные щупальца. В мешке заключены внутренние органы, самый крупный из них, занимающий почти всю полость тела, — трофосома, в которой обнаружено множество бактерий, окисляющих H₂S, запасающих энергию в молекулах АТФ и использующих ее затем для фиксации CO₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле. Бактерии локализованы внутри клеток трофосомы. R. pachyptila получает от бактерий органические соединения, а в обмен поставляет им необходимые для осуществления хемоли-тоавтотрофного метаболизма вещества (CO₂, O₂, H₂S), поглощая их из внешней среды щупальцами (темно-красный цвет щупалец обусловлен присутствием большого количества крови, богатой гемоглобином), откуда они по кровеносной системе переносятся в трофосому к бактериям. Таким образом, отношения между R. pachyptila и серобактериями — типичный пример внутриклеточного симбиоза мутуалистической природы.

Исследования  других животных, обитающих у гидротермальных  источников, показали, что R. pachyptila — не единственный вид, симбиотически связанный с хемолитоавтотрофными бактериями. Моллюски C. magnifica и В. thermophilus также содержат хемосинтетических эндосимбионтов, но бактерии у них обитают в жабрах, где могут легко получать O₂ и CO₂ из проходящего сквозь жабры потока воды, a H₂S моллюск поглощает своей вытянутой в длину ногой, которая погружена в источник, где концентрация сульфида наиболее высокая. Из ноги H₂S переносится с кровью в жабры к бактериям.

Симбиозы, подобные описанному выше, обнаружены в других местах, богатых H₂S, в том числе в мангровых и травяных соленых болотах, у мест просачивания нефти, в районах сброса сточных вод. Число видов беспозвоночных, в которых найдены такие эндосимбионты, достаточно велико, и список этот постоянно растет.

Важное следствие  открытия симбиозов, компонентом которых  являются хемолитоавтотрофные бактерии, — существование экосистем, в  которых первичными продуцентами служат не фотоавтотрофные, а хемолитоавтотрофные  организмы.

Окисление восстановленных  соединений серы до сульфатов, осуществляемое этими бактериями, приводит к подкислению  окружающей среды, что может иметь  положительные и отрицательные  последствия. Подкисление почвы  приводит к переводу некоторых соединений, например фосфатов, в растворимую  форму, что делает их доступными для  растений. Окисление нерастворимых  сульфидных минералов, сопровождающееся переводом металлов в растворимую  форму, облегчает их добычу. Однако накопление серной кислоты в результате деятельности этих бактерий может приводить  к порче и разрушению различных  сооружений.

Железобактерии

Способность осаждать окислы железа и марганца на поверхности  клеток присуща многим эубактериям, различающимся морфологическими и  физиологическими признаками и принадлежащим  к разным таксономическим группам. В вопросе о том, какие организмы  следует относить к железобактериям, нет единого мнения. С. Н. Виноградский впервые термин "железобактерии" применил для обозначения организмов, использующих энергию окисления Fe²⁺ до Fe³⁺ для ассимиляции CO₂, т. е. способных существовать хемолитоавтотрофно. X. Молиш к железобактериям относил все организмы, откладывающие вокруг клеток окислы железа или марганца независимо от того, связан ли этот процесс с получением клеткой энергии.

Накопление окислов  железа и марганца на поверхности  бактериальных клеток — результат  двух взаимосвязанных процессов: аккумуляции (поглощения) клетками этих металлов из раствора и окисления, сопровождающегося  обильным отложением нерастворимых  окислов на поверхности бактерий. Процесс аккумуляции тяжелых  металлов из растворов в основе имеет  физико-химическую природу и в  значительной мере обусловлен химическим составом и свойствами поверхностных  структур клетки. Он включает связывание металлов внеклеточными структурами (капсулы, чехлы, слизистые выделения), клеточной стенкой и ЦПМ. Сорбционные  свойства поверхностных клеточных  структур определяются в большой  степени суммарным отрицательным  зарядом молекул, входящих в их состав. Поглощение металлов приводит к значительному  концентрированию их вокруг клеток по отношению к среде. Коэффициент  накопления для железа и марганца может достигать величины 10⁵–10⁶.