Эубактерии, окисляющие соединения серы: общие сведения

Описано много представителей разных групп эубактерий, способных окислять восстановленные соединения серы, например, сероводород, тиосульфат, а также молекулярную серу. Это фототрофы, осуществляющие бескислородный фотосинтез, некоторые типичные гетеротрофные бактерии родов Bacillus, Pseudomonas, Arthrobacter и др., группы бесцветных серобактерий и тионовых бактерий. Окисление серы и ее восстановленных соединений может служить источником клеточной энергии, электронов при фотосинтезе, использоваться для детоксикации образующейся при дыхании перекиси водорода.

Тионовые бактерии

Использование процесса окисления серы и ее неорганических восстановленных соединений для получения клеточной энергии показано для группы тионовых бактерий, представленных родами Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron и др. Это одноклеточные организмы разной морфологии и размеров; неподвижные или подвижные (движение осуществляется с помощью полярно расположенных жгутиков); бесспоровые. Размножаются делением или почкованием. Имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Для некоторых представителей рода Thiobacillus характерна развитая система внутрицитоплазматических мембран.

Для тионовых бактерий показана способность окислять с получением энергии помимо молекулярной серы (S₀) многие ее минеральные восстановленные соединения: сульфид (S), тиосульфат (S₂O₃),сульфит (SO₃), тритионат (S₃O₆), тетратионат (S₄O₆). Некоторые тионовые бактерии могут получать энергию за счетокисления тиоцианата (CNS), диметилсульфида (CH3SCH3), диметилдисульфида(CH3SSCH3), а также сульфидов тяжелых металлов. Там, где в качестве промежуточного продукта окисления образуется молекулярная сера, она откладывается вне клетки. Thiobacillus ferrooxidansполучает энергию, окисляя также двухвалентное железо.

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 приводит к S₀ приводит к SO₃ приводит к SO₄

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

SO₃ + АМФ приводит к АФС + 2е;

АФС + Ф приводит к SO4-- + АДФ

Далее с помощью аденилаткиназы из АДФ синтезируется АТФ:

2АДФпереходит в АМФ + АТФ

Основное же количество энергии тионовые бактерии получают в результате переноса образующихся при окислении восстановленной серы электронов, поступающих в дыхательную цепь на уровнецитохрома а (рис. 1). Дыхательная цепь тионовых бактерий содержит все типы переносчиков, характерных для аэробных хемогетеротрофов. У тионовых бактерий обнаружены флавопротеины,убихиноны, FeS-белки, цитохромы типа b, с, цитохромоксидазы о, d, a+а3.

В большинстве случаев конечным акцептором электронов служит О2, 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 О2, 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 СО2 служитвосстановительный 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 с, у них функционирует система обратного переноса электронов для обеспечения конструктивных процессов молекулами НАД*Н2.

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 Thiobacillus ferrooxidans - ярко выраженные ацидофилы (оптимальный рН 2-4), Thiobacillus denitrificans иThiobacillus thioparus, наоборот, развиваются только в нейтральной и щелочной среде (рН 7-10). Большинство тиобацилл относятся к мезофилам с оптимальной температурой роста приблизительно 30 градусов по С. Описаны термофильные штаммы, растущие при 60-70 градусов по С.

Бесцветные серобактерии

Бесцветные серобактерии очень напоминают цианобактерии, являясь как бы их непигментированными аналогами. На 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, формами. Нитчатые организмы представлены также неподвижными или способными к скользящему движению видами (рис. 2, 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 с участием О₂, используется этим организмом для ассимиляции СО₂. Таким образом, работая с Beggiatoa, Виноградский сформулировал положение о принципиально новом способе существования организмов -хемолитоавтотрофии. Однако позднее выяснилось, что культуры, с которыми работал 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 О₂ восстанавливается лишь до Н₂О₂. 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 Н₂О₂. 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 СО₂. Все это заставляет склоняться в пользу того, что бесцветные серобактерии могут существовать только хемогетеротрофно. В микроаэробных условиях некоторые штаммы Beggiatoa обнаруживают способность к азотфиксации.