Хемолитотрофные железобактерии

Основным представителем железобактерий с энергетическим метаболизмом хемолитотрофного типа является Thiobacillus ferrooxidans, относящийся к группе тионовых бактерий и обладающий способностью получать энергию также в результате окисления различных восстановленных соединений серы. Окислять закисное железо с получением клеткой энергии способна и облигатно ацидофильная бактерия Leptospirillum ferrooxidans, близкая по ряду свойств к Thiobacillus ferrooxidans, но в отличие от последнего не окисляющая соединения серы.

Leptospirillum ferrooxidans и большинство изученных штаммов Thiobacillus ferrooxidans принадлежат к облигатным хемолитоавтотрофам, использующим энергию окисления железа для ассимиляции СО₂, служащей основным или единственным источником углерода. Некоторые штаммы Т. ferrooxidans оказались способными расти на средах с органическими соединениями, являясь, таким образом, факультативными хемолитоавтотрофами. Наконец, описаны термофильные бактерии, получающие энергию в результате окисления Fe⁺⁺ и нуждающиеся для роста в органических соединениях, т. е. осуществляющие метаболизм хемолитогетеротрофного типа.

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

2Fe⁺⁺ + 1/2*О₂ + 2H⁺→ 2Fe⁺⁺⁺ + Н₂О,

что сопровождается незначительным изменением уровня свободной энергии (дельта G0' при рН 2 равно -33 кДж/моль). Поэтому для обеспечения энергией клетке необходимо "переработать" большие количества железа.

Механизм окисления Fe⁺⁺ в дыхательной цепи изучен у Т. ferrooxidans. Дыхательная цепь этой бактерии содержит все типы переносчиков, характерные для дыхательной системы аэробных хемоорганотрофных эубактерий, но участок цепи, связанный с получением энергии, очень короток. Окисление Fe++ происходит на внешней стороне ЦПМ; в цитозоль через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe++ акцептируются особым медьсодержащим белком - рустицианином, находящимся в периплазматическом пространстве.

Затем с рустицианина они передаются на цитохром с, локализованный на внешней стороне ЦПМ, а с него на цитохром а1, расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома а1 на 1/2*О₂, сопровождающийся поглощением из цитоплазмы 2Н⁺, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до Н₂О. Особенность дыхательной цепи Т. ferrooxidans - отсутствие переноса через мембрану протонов, а перенос только электронов. Градиент Н⁺ по обе стороны ЦПМ 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 через АТФ-синтазный комплекс. Движущей силой служит в основном дельта рН. Для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо окислить как минимум 2 молекулы Fe⁺⁺.

Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов. Активность участка дыхательной цепи, обеспечивающей обратный электронный транспорт, на порядок ниже активности короткого участка, функционирование которого приводит к получению энергии. В целом для фиксации 1 молекулы СО₂ в восстановительном пентозофосфатном цикленеобходимо окислить больше 22 молекул Fe⁺⁺. Таким образом, из всех представителей эубактерий, у которых обнаружена способность к окислению железа и/или марганца, только облигатно ацидофильные формы могут использовать энергию окисления Fe⁺⁺ для ассимиляции СО₂, т.е. существовать хемолитоавтотрофно. Именно они являются истинными железобактериями, соответствуя тому названию, которое было введено С.Н.Виноградским.

Для остальных организмов образование окислов железа и марганца не связано с получением энергии и происходит в результате неспецифических реакций ионов металлов с продуктами метаболизма, прежде всего продуктами неполного восстановления О₂. Неспецифичность функции перекисного окисления железа и марганца, проявляющейся у широкого круга эубактерий, ставит вопрос о правомерности использования термина "железобактерии" в значении, предложенном X.Молишем. Некоторые авторы в связи с этим считают целесообразным для обозначения остальных организмов использовать названия "железоокисляющие" и "марганецокисляющие" бактерии.

Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактерии получают энергию в результате окисления восстановленных соединений азота (аммиака; азотистой кислоты). Впервые чистые культуры этих бактерий получил С.Н.Виноградский в 1892 г., установивший их хемолитоавтотрофную природу. В IX издании Определителя бактерий Берги все нитрифицирующие бактерии выделены в семейство Nitrobacteraceae и разделены на две группы в зависимости от того, какую фазу процесса они осуществляют. Первую фазу - окисление солей аммония до солей азотистой кислоты (нитритов) - осуществляют аммонийокисляющие бактерии (роды Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus и др.):

NH4+ + 1,5O₂ переходит в NO₂^- + Н₂О + 2Н⁺

Вторую фазу - окисление нитритов до нитратов - осуществляют нитритокисляющие бактерии, относящиеся к родам Nitrobacter, Nitrococcus и др.:

NO2- + 1/2*O₂ переходит в NO₃^-

Группа нитрифицирующих бактерий представлена грамотрицательными организмами, различающимися формой и размером клеток, способами размножения, типом жгутикования подвижных форм, особенностями клеточной структуры, молярным содержанием ГЦ-оснований ДНК, способами существования.

Все нитрифицирующие бактерии - облигатные аэробы; некоторые виды - микроаэрофилы. Большинство - облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофов. С использованием 14С-соединений показано, что облигатныехемолитоавтотрофы могут включать в состав клеток некоторые органические вещества, но в весьма ограниченной степени. Основным источником углерода остается СО₂, ассимиляция которой осуществляется в восстановительном пентозофосфатном цикле. Только для некоторых штаммовNitrobacter показана способность к медленному росту в среде с органическими соединениями в качестве источника углерода и энергии.

Процесс нитрификации локализован на цитоплазматической и внутрицитоплазматических мембранах. Ему предшествует поглощение NH₄⁺ и перенос его через ЦПМ с помощью медьсодержащей транслоказы. Предполагается, что на первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью монооксигеназы, катализирующей присоединение к молекуле аммиака 1 атома О₂; второй взаимодействует, вероятно, с НАД*Н₂, что приводит к образованию Н₂О:

NH₃ + О₂ + НАД*Н₂ переходит в NH₂OH + Н₂О + НАД

Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита:

NH₂OH + О₂ переходит в NO₂^- + Н₂О + Н⁺

Электроны от NH₂OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу. Их транспорт сопровождается переносом 2 протонов через мембрану, приводящим к созданию протонного градиента и синтезу АТФ. Гидроксиламин в этой реакции, вероятно, остается связанным с ферментом.

Вторая фаза нитрификации сопровождается потерей 2 электронов. Окисление нитрита до нитрата, катализируемое молибденсодержащим ферментом нитритоксидазой, локализовано на внутренней стороне ЦПМ и происходит следующим образом:

NO₂^- + Н₂О переходит в NO₃^- + 2Н+ 2е

Многие хемоорганогетеротрофные бактерии, принадлежащие к родам Arthrobacter, Flavobacterium,Xanthomonas, Pseudomonas и др., способны окислять аммиак, гидроксиламин и другие восстановленные соединения азота до нитритов или нитратов. Процесс нитрификации этих организмов, однако, не приводит к получению ими энергии. Изучение природы этого процесса, получившего название гетеротрофной нитрификации, показало, что, возможно, он связан с разрушением образуемой бактериальными культурами перекиси водорода с помощью пероксидазы. Образующийся при этом активный кислород окисляет NH₃ до NO₃^-.

Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа 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, поскольку нитраты легко вымываются из почвы. В то же время нитраты - хорошо используемый растениями источник азота. Связанное с нитрификацией подкисление почвы улучшает растворимость и, следовательно, доступность некоторых жизненно необходимых элементов, в первую очередь фосфора и железа.

Водородные бактерии

К образованию молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами Н₂ являются эубактерии. Также активно осуществляется и потребление Н₂, важная роль в этом принадлежит водородным бактериям. Нахождение в природе и возможность размножения этих бактерий определяются рядом факторов; основные из них - наличие Н₂ и аэробныеусловия.

Водородные бактерии привлекают к себе внимание возможностью практического использования: для получения кормового белка, а также ряда органических соединений (кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты и др.).

К водородным бактериям относят эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О₂, а все вещества клетки строить из углерода СО₂. Таким образом, водородные бактерии - это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н₂ в аэробныхусловиях:

Н₂ + 1/2*О₂ переходит в Н₂О

Помимо окисления для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. На 5 молекул Н2, окисленного в процессе дыхания, приходится 1 молекула Н2, затрачиваемого на образование биомассы:

6Н₂ + 2О₂ + СО₂ переходит в СН₂О + 5Н₂О

Молекулярный водород - наиболее распространенный неорганический субстрат, используемый эубактериями для получения энергии в процессе окисления. Число бактерий, растущих хемолитотрофно на основе использования Н₂ в качестве источника энергии, намного больше организмов, использующих для этой цели другие неорганические субстраты (восстановленные соединения серы, азота, железа).

Способность к энергетическому использованию Н₂ может сочетаться с конструктивным метаболизмомоблигатно гетеротрофного типа (например, у представителей родов Azotobacter или Acetobacter) или происходить в строго анаэробных условиях (сульфатвосстанавливающие бактерии), что не позволяет относить обладающие этими особенностями организмы к водородным бактериям. Таким образом, водородные бактерии представляют только часть эубактерий, способных использовать Н₂ для получения энергии. Водородные бактерии характеризуются способностью сочетать конструктивный метаболизм автотрофного типа с получением энергии за счет окисления Н₂ с участием молекулярного кислород.

Впервые водородные бактерии были описаны А.Ф.Лебедевым и Г.Казерером (H.Kaserer) в 1906 г., а в 1909 г. С. Орла-Йенсен выделил их в самостоятельный род Hydrogenomonas.

Последующее изучение обнаружило сходство водородных бактерий с представителями разных родов гетеротрофных бактерий: Pseudomonas, Alcaligenes, Nocardia и др. Стало ясно, что водородные бактерии - не таксономическая группа, а организмы, объединяемые на основании нескольких физиологических признаков. Род Hydrogenomonas был ликвидирован, и виды, входившие в его состав, распределены по другим таксономическим группам.

К водородным бактериям относятся представители 20 родов, объединяющих грамположительные и грамотрицательные формы разной морфологии, подвижные и неподвижные, образующие споры и бесспоровые, размножающиеся делением и почкованием. Молярное содержание ГЦ-оснований ДНК водородных бактерий находится в диапазоне от 48 до 72%.

За исключением термофильных бактерий, выделенных в род Hydrogenobacter и характеризующихся облигатной хемолитоавтотрофией, все остальные водородные бактерии - факультативные формы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения, некоторые из них - и одноуглеродные соединения, более восстановленные, чем СО₂ (окись углерода, метанол, формиат и др.). Ассимиляция СО₂ происходит в восстановительном пентозофосфатном цикле. Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротрофные эубактерии.

Большинство из них относится к облигатным аэробам. Однако среди облигатных аэробов преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям О₂ в среде. Особенно чувствительны к О₂ водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Для некоторых водородных бактерий показана способность расти и в анаэробных условиях, используя в качестве конечного акцептора электронов вместо О₂ нитраты, нитриты или окислы железа. Примером факультативно аэробных водородных бактерий может служить Paracoccus denitrificans, у которого в аэробных условиях работает электронтранспортная цепь, аналогичная митохондриальной, а в отсутствие О₂ электроны с помощью соответствующих редуктаз переносятся на NO₃^- и NO₂^-, восстанавливая их до N₂. Однако большая часть факультативно аэробных водородных бактерий способна к восстановлению нитратов только до нитритов.

Как известно, способность к окислению Н₂ связана с наличием гидрогеназ, катализирующих реакцию: Н₂переходит в 2Н⁺ + 2е. Гидрогеназы обнаружены у многих представителей прокариотного мира. В клетке гидрогеназы могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. По этому признаку все изученные водородные бактерии могут быть разделены на 3 группы. Большинство содержит только одну форму фермента - связанную с мембранами. Есть виды, содержащие обе формы или только растворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу.

Карбоксидобактерии

Карбоксидобактерии - аэробные эубактерии, способные расти, используя окись углерода (СО) в качестве единственного источника углерода и энергии. Таким свойством обладают некоторые представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas. (Способность окислять СО обнаружена у представителей прокариот, принадлежащих к эубактериям (пурпурные несерные бактерии, цианобактерии, клостридии) и архебактериям (метанобразующие бактерии). Однако в большинстве случаев этот процесс не поддерживает рост культур и механизм его неясен).

Карбоксидобактерии могут расти автотрофно, ассимилируя СО₂ в восстановительном пентозофосфатном цикле, а также использовать в качестве единственного источника углерода и энергии различные органические соединения. При выращивании на среде с СО₂ в качестве единственного источника углерода большинство карбоксидобактерий энергию могут получать за счет окисления молекулярного водорода, при этом рост на среде с СО₂ + Н₂ происходит активнее, чем на среде с СО. Это дало основание некоторым исследователям рассматривать карбоксидобактерии как особую физиологическую подгруппу водородных бактерий. В то же время способность использовать в качестве субстрата дыхательный яд указывает на осуществление карбоксидобактериями нового типахемолитотрофного метаболизма. Кроме того, обнаружение у них ферментов и факторов, отсутствующих у водородных бактерий, неспособность некоторых карбоксидобактерий окислять Н₂ и ряд других признаков позволяют сделать вывод об определенной обособленности этой группы эубактерий.

Использование СО карбоксидобактериями происходит путем его окисления в соответствии с уравнением:

СО + Н₂О переходит в СО₂ + 2е + 2Н⁺

Продукт реакции используется далее по каналам автотрофного метаболизма. (Таким образом, при выращивании карбоксидобактерий на среде с СО в качестве единственного источника углерода и энергии источником углерода служит не СО, а СО₂). Теоретически суммарное уравнение окисления СО и синтеза клеточной биомассы карбоксидобактерий может быть представлено в следующем виде:

7СО + 2,5О₂ + Н₂О переходит в 6СО₂ + (СН₂О),

где (СН₂О) - символ биомассы.

Из уравнения видно, что окисление СО - неэффективный способ получения энергии. Карбоксидобактерии для синтеза клеточного вещества вынуждены окислять большое количество СО: на биосинтетические процессы в в разных условиях роста идет от 2 до 16% углерода СО.

Окисление СО карбоксидобактериями осуществляется с участием по крайней мере одного специфического фермента - СО-оксидазы. Это флавопротеин, в молекуле которого содержатся молибден и FeS-центры. Фермент в клетке находится в растворимой и связанной с мембраной форме. Растворимая СО-оксидаза локализована с внутренней стороны ЦПМ. При росте карбоксидобактерий на СО в качестве единственного источника углерода и энергии СО-оксидаза выполняет следующие функции: окисляет СО до СО₂, передает электроны в дыхательную цепь и участвует в синтезе НАД*Н₂путем обратного переноса электронов.

Состав дыхательных цепей карбоксидобактерий аналогичен таковому водородных бактерий. Для карбоксидобактерий Pseudomonas carboxydovorans показано, что дыхательная цепь разветвлена на уровне убихинона или цитохрома b. Одна ветвь (органотрофная) содержит цитохромы b558, с и а1, вторая (литотрофная) - цитохромы b561 и о. При окислении органического субстрата электроны поступают преимущественно в органотрофную ветвь цепи, при окислении Н₂ и СО - в обе. Низкая энергетическая эффективность использования СО карбоксидобактериями указывает на то, что перенос электронов по цепи в этом случае приводит к функционированию, вероятно, 1 генератора дельта мю Н+.

Одним из интересных свойств карбоксидобактерий является сам факт использования ими окиси углерода, служащей специфическим ингибитором терминальных оксидаз, таких как цитохромы типа а. Для некоторых карбоксидобактерий показана устойчивость к содержанию в атмосфере до 90% СО.

Основными источниками окиси углерода в природных условиях являются промышленное производство, транспорт, вулканическая деятельность и биологические процессы. Известно, что СО образуется в результате жизнедеятельности разных организмов (бактерии, грибы, водоросли, животные, растения). Одним из путей удаления этого токсического соединения служит использование его бактериями, и в первую очередь в наибольшей степени приспособленными для этого.