Разложение микроорганизмами липидов и жирных кислот
Липиды встречаются в растительных и животных клетках в виде запасов питательных веществ. По химическому составу это чаще всего глицериды – сложные эфиры глицерина и жирных кислот. В почву и водоемы липиды попадают с остатками растений и животных. Жиры рыб, морских животных и растительных масел характеризуются большим количеством ненасыщенных жирных кислот и поэтому подвергаются быстрому окислению. Многие микроорганизмы имеют фермент липазу, катализирующую гидролиз жиров до глицерина и жирных кислот. Большинство микроорганизмов легко осуществляют этот процесс, но с трудом разрушают высшие жирные кислоты. Дальнейшее окисление глицерина и жирных кислот идет различными путями.
Глицерин фосфорилируется до фосфоглицериновой кислоты. Затем фосфоглицериновая кислота окисляется до фосфоглицеринового альдегида. Фосфоглицериновый альдегид гликолитическим путем превращается в пировиноградную кислоту. Пируват в зависимости от видовой специфичности микроорганизмов подвергается дальнейшим превращениям. Жирные кислотыокисляются медленно. Превращение жирных кислот состоит из ряда β-окислений с участием ферментов липооксигеназ. Уксусная кислота (получающаяся при β-окислении жирных кислот) подвергается дальнейшим превращениям через ряд промежуточных реакций цикла Кребса до СО2 и воды. Жирные кислоты окисляются с последовательным отделением двух атомов углерода, дающих уксусную кислоту, и с образованием новой жирной кислоты. Новая жирная кислота подвергается снова β-окислению. Это окисление происходит до образования оксикислот, затем до образования кетокислот. Кетокислоты подвергаются декарбоксилированию с образованием алкилметилкетонов (рисунок Г.5). Кроме того, в окисленных жирах встречаются альдегиды, моно- и диглицериды, вторичные спирты, лактоны.
Липолитические микроорганизмы распространены в почве, воде, воздухе, на продуктах растительного и животного происхождения. Выраженной липолитической активностью обладают бактерии Pseudomonas fluorescens, Achromobacter lipoliticum, представители рода Micrococcus, Streptococcus aureus (особенно активны они в период интенсивного роста), грибы родов Aspergillus, Penicillium, Oidium lactis (молочная плесень), некоторые дрожжи.
Разложение липопротеидов микроорганизмами сопровождается отщеплением липидов с их последующим распадом. Например, холин (составная часть лецитина) в процессе гниения превращается в триметиламин, диметиламин и метиламин. При окислении триметиламина образуется оксид триметиламина, имеющий рыбный запах:
СН2ОН-СН2-ОНN(СН3)3 → N(СН3)3 → О=N(СН3)3
Из холина при гниении может также образовываться ядовитое вещество нейрин. В анаэробных условиях образуется фосфористый водород (фосфин), обладающий неприятным запахом.
4.2.7 Разложение микроорганизмами клетчатки и пектина.
Разложение клетчатки. Клетчатка (целлюлоза) является наиболее распространенным природным биополимером. Из общего количества органических веществ, ежегодно образующихся на планете, 80% приходится на долю растительных клеточных стенок, главной составной частью которых является клетчатка. Клетчатка – полисахарид, она состоит из соединенных β-1,4-гликозидными связями остатков α- и β-глюкозы, число которых колеблется от 300 до 3000. Молекулы клетчатки представляют собой длинные неразветвленные цепочки, соединенные в пучки (фибриллы). Эти фибриллы образуют волокна, покрытые общей оболочкой, пропитанной воском или пектином.
Отмершие части растений попадают в почву и там подвергаются разрушению. Разрушение клетчатки осуществляют бактерии, грибы и актиномицеты. Трансформация клетчатки идет при разных значениях аэрации, температуры и рН среды. Клетчатка, как и другие высокомолекулярные соединения, не может проникнуть в микробную клетку в неизменном виде и должна быть расщеплена ферментами микроорганизмов на более простые вещества. Процесс разрушения клетчатки начинается с ферментативного гидролиза. Под действием фермента целлюлазы клетчатка гидролизуется до целлобиозы, а затем под влиянием фермента целлобиазы гидролизуется до глюкозы:
(С6Н10О5)n + Н2О → n С12Н22О11 + Н2О → n С6Н12О6
В аэробных условиях глюкоза окисляется микроорганизмами до оксикислот, а затем до конечных продуктов СО2 и воды. Процесс сопровождается выделением большого количества энергии. Из плесневых грибов активно окисляют целлюлозу плесневые грибы родов Fusarium,Trichoderma, Aspergillus. Среди бактерий основная роль в аэробном распаде целлюлозы принадлежит представителям порядка Myxobacteriales (лат. myxo– слизь) и порядка Cytophagales.
Миксобактерии – облигатные аэробы, хемоорганотрофы. Они характеризуются высокой активностью ферментов, обуславливающих гидролиз молекул полисахаридов (целлюлоза, хитин), белков, нуклеиновых кислот, эфиров жирных кислот. Благодаря этому миксобактерии активно разрушают мертвые растительные остатки. Бактерии образуют слизь, которая окружает клетку. Это грамотрицательные микроорганизмы, они не имеют жгутиков, передвигаются скольжением по плотной поверхности субстрата. Размножаются бинарным поперечным делением. Миксобактерии образуют скопления из клеток и слизи – плодовые тела. Внутри плодовых тел клетки переходят в покоящееся состояние – миксоспоры (несветопреломляющие и почти не отличаются от вегетативных клеток) и микроцисты (светопреломляющие, инкапсулированные, сферические, эллипсоидные или укороченные палочки).
Основная роль в аэробном распаде целлюлозы принадлежит в основном родам Cytophaga, Sporocytophaga. Sprangium. Целлюлоза этими микроорганизмами в окружающую среду не выделяется, а сконцентрирована на поверхности клеток, поэтому гидролиз клетчатки происходит при непосредственном соприкосновении бактерий с целлюлозными волокнами. Продукты гидролиза в среде не накапливаются, а немедленно окисляются до СО2 и воды. Аэробное расщепление клетчатки осуществляют также вибрионы рода Cellvibrio, актиномицеты родов Micromonospora, Streptomyces и др.
В анаэробных условиях продукты гидролиза клетчатки сбраживаются микроорганизмами по типу маслянокислого брожения с образованием масляной, муравьиной, янтарной, молочной, уксусной кислот, этилового спирта, молекулярного водорода и СО2. Основные представители мезофильных целлюлозоразрушающих бактерий – это Clostridium omelianskii, которые были впервые выделены В.Л. Омелянским в 1902 г. Это длинные тонкие неподвижные палочки, спорообразующие анаэробы с оптимальной температурой развития 30-350С. Термофильные целлюлозоразрушающие бактерии Clostridium thermocellum, спорообразующие анаэробы с оптимальной температурой развития около 600С, максимальной - 700С, были подробно изучены А.А.Имшенецким.
Целлюлозоразрушающие клостридии широко распространены в природе – почве, компостах, навозе, речном иле, сточных водах. Брожение с обильным выделением газа встречается в закрытых водоемах, болотах (болотный газ). Это биохимические процессы имеют большое значение в круговороте углерода в природе, в образовании гумуса (перегноя) почвы и водоемов.
Разложение ксилана.Второе место среди углеродсодержащих веществ после целлюлозы принадлежит ксилану (гемицеллюлозе). В разложении ксилана принимает участие большое количество видов микроорганизмов, которые выделяют в окружающую среду экзоферменты ксиланазы. К таким микроорганизмам принадлежат бактерии родов Clostridium, Bacillus, Cуtophaga, Spjrocytophaga, Vibrio. Грибы родов Aspergillus, Rhizobium, Streptomyces.
Разложение лигнина. Одним из основных компонентов растительных клеток является лигнин. В молодых клетках лигнина мало, но в процессе созревания количество его увеличивается. Лигнин нерастворим в воде и в большинстве органических растворителей, весьма устойчив к действию микроорганизмов (разрушается значительно медленнее, чем целлюлоза и ксилан). В разложении лигнина принимают участие как аэробные, так и анаэробные микроорганизмы, среди которых есть мезофильные и термофильные виды. При умеренной температуре лигнин разлагают грибы класса Basidiomycetes, а также представители родов Fusarim, Trichoderma, Alternaria, бактерии родов Achromobacter, Pseudomonas. При повышенных температурах лигнин разлагается бактериями. Процесс разложения идет медленно. Лигнин накапливается в почве, является основой образования гумусовых веществ.
Разложение крахмала.Крахмал – высокомолекулярный полисахарид, состоящий из двух фракций – амилозы и амилопектина. Амилоза составляет около 20% общей массы крахмала. Она построена из 200-1000 остатков глюкозы, соединенных α-1,4-гликозидеыми связями, образует длинные неразветвленные цепи. Амилопектин имеет очень разветвленные цепи, в состав его молекулы входит 600-6000 остатков глюкозы. Способность к расщеплению крахмала при помощи амилолитических ферментов присуща многим видам бактерий, особенно бациллами (Bacillus macerans, Bacillus polymyxa). Активными продуцентами амилаз являются грибы Aspergillus oryzae. В анаэробных условиях крахмал разлагается с образованием СО2 и Н2 анаэробными клостридиями.
Разложение углеводородов.Микробной деструкции подвергаются также такие химически устойчивые вещества, как парафин и нефть. Эти вещества используются микроорганизмами как источник энергии и углерода. Разложение углеводородов осуществляется многими микроорганизмами – микобактериями, коринебактериями, дрожжами рода Candida.
Разложение пектиновых веществ.Пектиновые вещества входят в состав срединных пластинок, склеивающих клетки в тканях растений. Особенно много пектиновых веществ в плодах, ягодах, корнеплодах. Эти вещества представляют собой гетерогенные полисахариды, в основе молекулы которых лежит цепь полигалактуроновой кислоты, соединенной с нейтральными сахарами. Пектиновые вещества различных растений, а также разных органов растений заметно различаются по своему составу. Разложение пектиновых веществ происходит при участии пектинолитическихферментов микроорганизмов. Различают три группы пектиновых веществ: протопектин – водонерастворимый компонент клеточной стенки растений. Под влиянием фермента протопектиназы превращается в растворимый пектин; пектин – водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащий метилэфирные связи (пектинметилэстераза разрушает пектин до пектиновой кислоты и метилового спирта); пектиновая кислота – водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей.
Процесс разложения пектиновых веществ начинается с ферментативного гидролиза, который вызывается бактериями, актиномицетами и грибами:
С48Н68О40+Н2О→4СНО(СНОН)4СООН+С6Н12О6+С5Н10О5+С6Н12О6+ 2СН3ОН+ 2СН3СООН
пектиновая к-та галактуроновая к-та галактоза ксилоза арабиноза метанол уксусная к-та
В анаэробных условиях продукты гидролиза пектиновых веществ (галактоза, ксилоза, арабиноза) сбраживаются по типу маслянокислого брожения. Состав конечных продуктов определяется видом микроорганизма. Наиболее активно брожение пектиновых веществ происходит при участии бактерий Clostridium (C.pectinovoriu, C.felsineum). C. pectinovoriu при накоплении кислот в среде прекращают активное развитие, далее разрушение пектиновых веществпродолжают более кислотоустойчивые. C. felsineum. Происходит размягчение и распад растительных тканей (мацерация). В аэробных условиях продукты гидролиза пектиновых веществ окисляются до СО2 и воды грибами Mucor stolonifer, Cladosporium herbarum, Alternaria sp., бактериями Bacillus subtilis, Bacillus masentericus.