Сульфатредуцирующие бактерии

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.

Нитчатые железобактерии

На основании морфологических характеристик все железобактерии могут быть разделены на две группы: нитчатые железобактерии и одноклеточные железобактерии .

К первой группе относятся грамотрицательные нитчатые бактерии, окруженные чехлом. Наиболее широко распространены представители родов Leptothrix и Sphaerotilus ( рис. 1 ). Нити неподвижные или передвигающиеся скольжением. В чехлах, окружающих нити, накапливаются окислы железа и марганца (Leptothrix) или только железа (Sphaerotilus и др.).

Железобактерии этой группы - облигатные аэробы , но могут удовлетворительно расти при низком содержании О₂ в среде. Оптимальный рН для роста - 6-8. Единственно возможный способ существования . хемоорганогетеротрофия , при этом представители рода Sphaerotilus предпочитают условия с относительно высоким содержанием органических веществ, а многие штаммы Leptothrix - среды с низким уровнем органики.

Окисление железа и марганца и отложение их окислов в чехлах этих бактерий не связано с получением ими энергии. К окислению Fe⁺⁺ при рН 6-8 могут приводить процессы как химической, так и биологической природы. Окисление марганца в этих условиях имеет биологическую природу. В обоих случаях окисление связано с действием перекиси водорода , количество которой в среде в определенных условиях может достигать 10-20 мг/л. Процесс локализован в чехлах, где концентрируются продукты метаболизма и внеклеточные ферменты. У мутантов, лишенных чехлов, накопления окислов железа и марганца не происходило. Таким образом, с помощью восстановленных форм железа и марганца обеспечивается удаление Н₂О₂ - токсического продукта клеточного метаболизма.

Помимо бесцветных к нитчатым железобактериям относятся и некоторыефотосинтезирующие эубактерии из группы цианобактерий и скользящих зеленых бактерий.

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.

Сульфатредуцирующие бактерии

Физиологическую группу бактерий, восстанавливающих сульфат (их называют также десульфатирующими, сульфатредуцирующими или сульфидобразующими), отличает способность к переносу водорода с суб­страта на сульфат как конечный акцептор электронов и, таким образом, к восстановлению сульфата до сульфида. В этом процессе происходит перенос электронов, и в нем участвует цитохром с. Энергия запасается благодаря фосфорилированию в электрон-транспортной цепи в анаэ­робных условиях:

Поскольку такое восстановление сульфата обладает формальным сходством с дыханием, при котором акцептором водорода служит кис­лород, принято говорить о сульфатном дыхании,или о диссимиляционной сульфатредукции. Главным продуктом такого процесса является сероводород:

8[Н] + SO₄ -» H₂S + 2Н₂0 + 20Н-

Болышая часть сероводорода, образующегося в природе, возникает бла­годаря этой реакции. Сульфатредуцирующие бактерии являются, в от­личие от нитратредуцирующих, облигатными анаэробами, т.е. ну­ждаются в строго анаэробных условиях.

Сульфатредуцирующие бактерии-это физиологическая группа, для которой характерна способность к образованию сероводо­рода из сульфата (табл. 1). Донорами водорода служат простые низ­комолекулярные соединения, образующиеся при анаэробном разложе­нии биомассы, главным образом целлюлозы: лактат, ацетат, пропионат, бутират, формиат, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный водород.

По степени усвоения органических кислот различают две группы сульфатредуцирующих бактерий:

1. Бактерии, относящиеся к первой группе, окисляют донор водорода не полностью и выделяют уксусную кислоту. Таковы виды спорообра-зующего рода Desulfotomaculum (D.nigrificans, D. orientis и D. ruminis) и неспорообразующего рода Desulfovibrio (D. vulgaris, D.desulfuricans, D. gigas, D. thermophilus и другие).

2. Вторая группа включает роды и виды, часть которых может расти, используя спирты, ацетат, высшие жирные кислоты или бензоат, а другие способны даже к хемоавтотрофному росту в присутствии водорода и формиата. К этой группе относятся спорообразователи (Desulfotomaculum acetoxidans), а также неспорообразующие палочки(Desulfobacter), кокки (Desulfococcus), сардины (Desulfosarcina), ните­видные формы, передвигающиеся путем скольжения (Desulfonema), и некоторые другие бактерии.

Восстановление сульфата.

Почти все бактерии, грибы и зеленые рас­тения способны использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серусодержащих амино­кислот, путем «ассимиляционной сульфатредукции». Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для асси­миляционного восстановления сульфата. Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации. Восстановление сульфата в клетке начинается с его активации, на кото­рую непосредственно затрачивается энергия АТР (рис. 1); с помощьюАТР-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТР обменивается на сульфат:

ATP + S0₄ → Аденозин-5^'фосфосульфат

Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом ак­тивации является аденозин-5-фосфосульфат (АФС). Последующие реак­ции могут быть различными. На пути ассимиляционного восстановле­ния сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТР фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливает­ся сначала до сульфита, а затем до сульфида. При диссимиляционной сульфатредукции АФС с помощью АФС-редуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием AMP.

Восстановление сульфита до сульфида происходит, видимо, у разных бактерий по-разному. С помощью сульфитредуктазы сульфит прямо восстанавливается до сульфида (на что затрачивается 6 электронов) без образования промежуточных продуктов. В такого рода восстановлении как и в ассимиляционной сульфитредукции - участвуют, по-види­мому, железопорфириновые соединения (десульфовиридин, десульфору-бидин). Второй механизм состоит в последовательном трехступенчатом восстановлении сульфита с образованием промежуточных продуктов, таких как тритионат и тиосульфат (рис. 1). Предполагается, что элек­троны для восстановления сульфита доставляются цитохромами (у од­них бактерий -цитохромом Ь, у других-цитохромом с).

Фосфорилирование, сопряженное с переносом электронов. Предположе­ние о такого рода фосфорилировании у сульфатредуцирующих бакте­рий основано на данных о наличии цитохромов и железосерных белков в плазматических мембранах, а также о высоком выходе энергии. Ци-тохром с₃ обладает, по сравнению с другими цитохромами, весьма низ­ким окислительно-восстановительным потенциалом (Јj = - 205 мВ) и находится на внешней поверхности мембраны или в периплазматиче-ском пространстве.

У хорошо изученных видов сульфатредуцирующих бактерий была обнаружена конститутивная гидрогеназа (Н₂ :цитохром-с₃-оксидо-редуктаза), с помощью которой Н₂ может как поглощаться и активиро­ваться, так и выделяться в окружающую среду. Некоторые сульфатре-дуцирующие бактерии растут в присутствии Н₂ и сульфата как един­ственных источников энергии. Способность к восстановлению сульфата с помощью Н₂ и к образованию больших количеств сероводорода, не связанному с заметным ростом, вероятно, характерна для большинства сульфатредуцирующих бактерий.

Перенос электронов с Н₂ как донора, сопровождающийся восстано­влением 1 моля сульфата до 1 моля сульфида, вероятно, сопряжено с регенерацией 3 молей АТР, из которых, однако, 2 моля расходуются на активацию сульфата.

Окисление органических субстратов.

Классические сульфатредуци-рующие бактерии, которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют органические субстраты не до Н₂0 и С0₂, а до уксусной кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако недавно было выделено несколько ви­дов, способных окислять ацетат, высшие жирные кислоты и бензоат.

Ассимиляция органических субстратов. Энергия, получаемая сульфат-редуцирующими бактериями в результате окислительного фосфорили-рования, делает возможной ассимиляцию органических веществ (орга­нических кислот, аминокислот и т.п.). Некоторые штаммы способны синтезировать клеточные компоненты из ацетата и С0₂, если донором водорода служит Н₂. Организмы, ассимилирующие органические веще­ства в процессе окисления неорганического донора электронов, можно называть хемолитогетеротрофами. Фиксация С0₂ в цикле Кальвина у данной группы микроорганизмов не обнаружена.

Брожение без сульфата. Некоторые сульфатредуцирующие бактерии обладают способностью расщеплять лактат или пируват в отсутствие сульфата. Вместо окисления пирувата 4СН₃-СО-СООН + H₂S0₄ -► 4СН₃-СООН + 4С0₂ + H₂S

они осуществляют брожение с выделением Н₂:

СН₃-СО-СООН + Н₂0 → СН₃-СООН + С0₂ + Н₂

Таким образом, сульфатредуцирующие бактерии можно отнести к микроорганизмам, осуществляющим брожение.

Получение накопительных культур и выделение. Для выделения суль­фатредуцирующих бактерий необходимо использовать питательную среду, содержащую подходящий донор водорода, пригодный для асси­миляции углеродный субстрат, минеральные вещества и сульфат; необ­ходимо поддерживать анаэробные условия и достаточно низкий окисли­тельно-восстановительный потенциал (£₀' = - 200 мВ) (рис. 2).

Распространение и роль сульфатредуцирующих бактерий в природе. Сульфатредуцирующие бактерии встречаются главным образом в серо­водородном иле, где органические вещества подвергаются анаэробному разложению. Эти бактерии, по-видимому, специально приспособлены к использованию продуктов неполного разложения углеводов-таких веществ, как жирные кислоты, гидроксикислоты, спирты и водород. Ос­новную массу образующегося в природе сероводорода следует считать конечным продуктом сульфатного дыхания. Загрязненные воды содер­жат от 10⁴ до 10⁶ сульфатредуцирующих бактерий на 1 мл, а сероводо­родный ил-до 10⁷.

Большинство разрабатываемых месторождений серы (например, в Те­хасе, Луизиане и Мексике) имеет невулканическое происхождение; это отложения биогенной серы прошлых геологических эпох. Путем восста­новления сульфатов морской воды за счет органических отходов (сточных вод) с помощью сульфатредуцирующих бактерий можно полу­чать сероводород, а следовательно, и серу.

Большое экономическое значение имеет косвенный результат жизне­деятельности сульфатредуцирующих бактерий (например, Desulfovib-rio) - анаэробная коррозия железа. Во влажной среде ионизация желе­за может происходить и в анаэробных условиях:

(1) Окисление железа:

4Fe + 8Н⁺ → 4Fe²⁺ + 4Н₂

Обычно образующаяся при этом пленка из молекулярного водорода предохраняет железо от дальнейшего разрушения. Однако в присут­ствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии в среде сульфатов происходит катодная деполяризация, и тогда железо окисляется даже в отсутствие кислорода;

(2) Восстановление сульфата:

4Н₂ + SO^2- → H₂S + 2Н₂0 + 20Н-

(3) Образование сульфида железа (выпадающего в осадок):

4Fe²⁺ + H₂S + 20Н⁺ + 4Н₂0 → FeS + 3Fe(OH)₂ + 6Н⁺

Суммарная реакция (1-3):

4Fe + БОГ + 2Н₂0 + 2Н⁺ → FeS + 3Fe(OH)₂

Обусловленное такой коррозией повреждение железных труб весьма убыточно.

Способность сульфатредуцирующих бактерий использовать органи­ческие кислоты, спирты и даже молекулярный водород, образующийся при поляризации железа, в качестве доноров водорода лежит в основе способа получения накопительных культур этих бактерий (рис. 2).

Сульфатредуцирующие бактерии считают ответственными за высо­кое содержание сероводорода в глубинных слоях Черного моря (глубже 200 м). В Венеции гондолы красят обычно в черный цвет; по-видимому, это защитная мера, связанная с тем, что красители, содержащие тя­желые металлы, изменяют под влиянием H₂S свой первоначальный цвет.