Минерализация органического вещества
Большая часть используемых микроорганизмами и животными органических субстратов – это полимеры растительного происхождения. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 100 млрд. тонн органического вещества.Основную массу составляют соединения растительного происхождения. Химический состав растительных остатков весьма сложен. В первую очередь – это сахара и родственные им органические соединения (целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, пектины и др.). Эти полисахариды составляют около 75% от общего состава древесины. Кроме этого в состав растительных тканей входят лигнин, белки, аминокислоты, жиры, воска и т.д. Растительный материал состоит примерно на 50 % из целлюлозы, лигнин составляет 10-25 %, гемицеллюлозы и пектин 10-20 %, белки – 5-10 %, липиды – 2-5 %, нуклеиновые кислоты – до 2 %.
Деструкцию органического вещества осуществляют, прежде всего, микроорганизмы (прокариоты, микроскопические грибы, водоросли и простейшие). А также мелкие животные - нематоды, черви, насекомые и их личинки, членистоногие и моллюски.
Разложение растительных остатков на поверхности почвы в значительной степени обеспечивают грибы. В пищеварительном тракте животных и человека разложение растительных остатков происходит за счет микроорганизмов-симбионтов (симбионтное пищеварение).
Разнообразный состав растительных остатков и неодинаковая стойкость входящих в них соединений к воздействию микроорганизмов обуславливают поэтапность распада. Быстрее всего разлагаются простые и низкомолекулярные углеводы (моно- и дисахара). Полисахариды, жиры, воска расщепляются значительно медленнее. Довольно устойчива к микробному разложению целлюлоза. Наиболее устойчивым к разложению является лигнин. Полимерные субстраты могут присутствовать в среде в изобилии, но их разложение происходит медленно. Так, период полураспада лигнина составляет 20-2000 лет, кератина (белок, входящий в состав волос, шерсти) – 1-2000 лет, гуминовых соединений – 2-200 лет, целлюлозы – 0,01-2 месяца, крахмала – 1-10 суток, глобулярных белков – 0,1-2 суток. Полимеры разлагаются специализированными группами.
Мономерные продукты разложения (сахара, аминокислоты) присутствуют в среде в микро- или наномолярных концентрациях, т.к. быстро утилизируются многими группами микроорганизмами. Микроорганизмы, использующие сахара или аминокислоты должны обладать высоким сродством к этим субстратам.
Макромолекулы не способны проникать через мембрану бактерий, поэтому первый этап их разложения состоит в расщеплении до олигомеров и мономеров под действием бактериальных экзоферментов (гидролаз). Затем водорастворимые продукты гидролиза (олигомеры и мономеры) проникают в клетку и подвергаются дальнейшим метаболическим превращениям, окисляясь до СО2 при наличии кислорода или других акцепторов электронов.
Микробная деструкция органических веществ идет как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Анаэробное разложение осуществляют преимущественно прокариоты с участием немногих анаэробных грибов и простейших. В анаэробных условиях органические вещества подвергаются сбраживанию до органических кислот, спиртов, Н2, а затем процесс минерализации завершают вторичные анаэробы.
Сульфатредуцирующие бактерии – важнейшая группа вторичных анаэробов удаляют из анаэробной системы Н2, окисляя его, также окисляют муравьиную, уксусную, пропионовую кислоту, ЛЖК - жирные кислоты (от масляной (бутират) (С4) до арахината (С20)), молочную, фумаровую, янтарную (сукцинат), спирты (этанол, пропанол). Одна группа сульфатредукторов (ацетогены – с неполным окислением субстрата) окисляет органические вещества до уксусной кислоты и СО2, вторая – полностью до СО2. В качестве акцептора электронов используют сульфат (сульфатное дыхание), который восстанавливается до H2S. Источник С - СО2. Обычно присутствуют в морских донных осадках, т.к. в морской воде высокая концентрация сульфата (28 мМ). Также встречаются в почве, пищеварительном тракте животных.
Метанобразующие окисляют Н2, уксусную кислоту, формиат, метанол, спирты, восстанавливают СО2, при этом образуется метан. Встречаются в иловых отложениях озер, и рек, в болотах, заболоченных почвах, на рисовых полях, пищеварительном тракте животных. Сульфатредукторы и метаногены конкурируют за Н2.
В строго анаэробных условиях конечными продуктами субстратной цепи являются СН4 и СО2.
Продукты брожений также служат субстратом для аэробных микроорганизмов, когда в среде появляется кислород. Аэробныеорганотрофы очень разнообразны по используемым субстратам.
В аэробных условиях органические вещества окисляются в процессе аэробного дыхания до конечных продуктов минерализации – СО2 и Н2О.
Микробное разложениеорганического вещества не всегда заканчивается его полной минерализацией. Например, с этим связано превращение древесины (главным образом лигнина) в гумус. Лигнин составляет углеродный скелет растений. По химической структуре – это ароматический полимер, мономерными единицами которого являются фенилпропановые спирты: кумаровый, конифериловый и синаповый, поэтому трудно разлагается. Так, деревянные борта древнеримских военных кораблей сохраняются целыми в бескислородных морских осадках в течение уже примерно 2000 лет. Лигноцеллюлозаустойчива при таких условиях. Деградация лигнина осуществляется почти исключительно аэробными микроорганизмами, в основном грибами с помощью перикисного механизма, зависящего от кислорода, за счет внеклеточных ферментов оксидаз. Продукты распада лигнина служат мономерными блоками для образования гумусовых веществ.
Разложение сахаров
Преобладание полисахаридов среди продуктов ассимиляции зеленых растений обуславливает большую роль сахаров в питании всех живых организмов, нуждающихся в органической пище. В виде мономеров они служат предпочтительными питательными веществами для большинства гетеротрофов.
В анаэробных условиях сахара довольно быстро сбраживаются молочнокислыми бактериями (р. Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus и др.) и сахаролитическимиклостридиями (р. Clostridium).
Разложение целлюлозы
Целлюлоза – наиболее распространенный органический субстрат в природе. Это основной углевод растительных клеток, в виде лигноцеллюлозы входит наряду с другими полимерами: гемицеллюлозой и лигнином в состав клеточных стенок. Целлюлоза составляет 45-80% от сухого веса растения.
Молекула целлюлозы представляет собой линейный полимер, содержащий от 100 до 10000 остатков глюкозы, соединенных между собой β-1,4-гликозидными связями. Эта связь обеспечивает высокую прочность молекулы целлюлозы. В полимерной цепи целлюлозы каждый остаток глюкозы повернут относительно соседнего на 180°; такую повторяющуюся пару остатков в составе целлюлозы называют целлобиозой. Целлюлозные цепи связаны между собой межмолекулярными водородными связями, в результате чего формируются ригидные и нерастворимые в воде фибриллы.
Разложение целлюлозы осуществляют аэробные и анаэробные микроорганизмы. Общим свойством для всех целлюлозоразрушающих микроорганизмов является наличие гидролитических ферментов – целлюлаз, которые действуют на β-1,4-гликозидные связи.
Разложение целлюлозы микроорганизмами проходит в несколько этапов:
1. На первом этапе под действием фермента эндоглюканазы образуются олигосахара различной степени полимеризации и целлобиоза.
2. Под действием эндоглюканазы и целлобиогидролазыолигосахарагидролизуются до целлобиозы.
3. Под действием целлобиазыцеллобиоза расщепляется на две молекулы глюкозы.
Все ферменты, участвующие в гидролизе целлюлозы внеклеточные, за исключением целлобиазы. Образующаяся глюкоза в клетке метаболизируется. При аэробном разложении глюкоза окисляется в процессе дыхания до СО2 и Н2О.
У анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий на поверхности клетки имеются целлюлосомы. Это мультиферментные комплексы, содержащие набор целлюлолитических ферментов. Целлюлосомы обеспечивают прикрепление клеток к целлюлозе и ее высокоэффективный гидролиз.
При анаэробном распаде целлюлозы образующаяся глюкоза подвергается сбраживанию. Продуктами брожения при этом являются органические кислоты (уксусная, молочная, муравьиная, масляная), этанол, Н2, СО2.
К аэробнымцеллюлозоразрушающим микроорганизмам относятся: бактерии родов Cytophaga, Myxococcus, Cellvibrio и др.; актиномицеты родов Streptomyces, Thermomonospora; микроскопические грибы родов Trichoderma, Fusarium, Aspergillus и др.
К анаэробнымцеллюлозоразрушающим микроорганизмам относятся мезофильные и термофильные бактерии рода Clostridium – С. omelianskii(t 30-40°С), C. thermocellum (t 60°С); бактерии рода Ruminococcus, обитающие в рубце жвачных; бактерии рода Bacteroidesи др.
В анаэробных условиях в ассоциациях с целлюлозоразрушающими микроорганизмами развиваются анаэробные метанобразующие бактерии, использующие продукты сбраживания целлюлозы Н2, уксусную кислоту для синтеза метана. Вследствие этого углерод может поступать в атмосферу не только в форме СО2, но и СН4.
Разложение крахмала
Крахмал – основное запасное вещество растений – представляет собой полимер, состоящий из двух глюканов – амилозы и амилопектина.
Амилоза – это полимер в виде длинной неразветвленной цепи, в которой остатки D-глюкозы соединены α-1,4-гликозидными связями.
Амилопектин – состоит из амилозных фрагментов, связанных α-1,6-гликозидными связями. Амилопектин содержит дополнительно остатки фосфорной кислоты и ионы Ca2+ и Mg2+.
Амилоза и амилопектин спосбны связывать йод, при этом амилоза окрашивается в синий цвет, амилопектин – в красно-фиолетовый или коричневый.
Гидролиз крахмала протекает вне клеток за счет действия экзоферментовамилаз. Эти ферменты катализируют разрыв α-1,4-гликозидных связей. В результате появляются сбраживаемые сахара – глюкоза, мальтоза и др.
К разложению крахмала способны многие грибы и бактерии. К типичным микроорганизмам, разлагающим крахмал, относятся бактерии родов Bacillus, Clostridium, Pseudomonasи др.
Разложение гемицеллюлозы
Гемицеллюлоза– это второй наиболее важный источник углеводов в природе. Вместе с целлюлозой гемицеллюлоза входит в состав растительных клеточный стенок. По химическому строению гемицеллюлоза – это слаборазветвленные гомо- или гетерополимеры, состоящие из остатков ксилозы, маннозы, глюкозы и галактозы, соединенных β-гликозидными связями. Наиболее распространены среди гемицеллюлоз ксиланы, маннаны и галактаны, содержащие в качестве основных мономеров D-ксилозу, D-маннозу и галактозу, соответственно.
Гемицеллюлозы растворимы и гидролизуются легче, чем целлюлоза. К микроорганизмам, разлагающим целлюлозу относятся бактерии родов Clostridium, Bacillus, Cytophaga, Sporocytophaga, Vibrio; актиномицеты рода Streptomyces; микроскопические грибы родов Aspergillus, Rhizopusи др.
Эти микроорганизмы продуцируют ферменты – ксиланазы, которые гидролизуют гемицеллюлозу, затем образовавшиеся мономеры поступают в клетку и метаболизируются.
Разложение лигнина
Лигнин –один из главных компонентов растительных тканей. По степени распространенности в природе стоит на втором месте после целлюлозы. Лигнин входит в состав растительной клеточной стенки, окружая микрофибриллы целлюлозы и гемицеллюлозы, формирует матрикс, определяющий характерные свойства древесины. В деревянистых тканях содержится 18-30 % лигнина.
Лигнин очень устойчив к биодеградации. Это связано с химическим строением лигнина. По химической структуре – это ароматический полимер, мономерными единицами которого являются фенилпропановые спирты: кумаровый, конифериловый и синаповый. Лигнин не растворим в воде и др. растворителях.
Разложение лигнина происходит только при участии молекулярного кислорода за счет внеклеточных ферментов оксидаз. Продукты распада лигнина служат мономерными блоками для образования гумусовых веществ.
К разложению лигнина способны, прежде всего, мицелиальные грибы – возбудители белой, бурой и мягкой гнили. А также некоторые бактерии родов Pseudomonas, Clostridium.