Окисление водорода, метана, цеклицеских углеводородов

Молекулярный водород образуется в процессе анаэробного распада ор­ганических веществ в осадках водоемов и в анаэробных участках почвы. Многие бактерии способны к использованию этого водорода. Значи­тельная часть его подвергается окислению теми бактериями, которые живут в сообществе с выделяющими Н₂ организмами, осуществляющи­ми брожение. Окисление Н₂ такими бактериями сопровождается восста­новлением сульфата до сульфида или С0₂ до метана (см. разд. 9.4). По­чти во всех группах бактерий, синтезирующих АТР путем окислитель­ного фосфорилирования в анаэробных условиях («анаэробное дыха­ние»), есть формы, способные использовать молекулярный водород в качестве донора электронов (см. гл. 9, а также табл. 11.4).

Водород образуется также в хорошо аэрируемых экосистемах, на­пример в почвах, на которых растут бобовые растения (соя, фасоль, кле- вер). Он освобождается в результате реакции, катализируемой нитроге-назой (разд. 13.3), и диффундирует из бактероидов корневых клубеньков (многие из которых не образуют гидрогеназу) в окружающую среду.

Метан — широко распространенный компонент газовой фазы почвы входит и в состав атмосферы Земли. Основным источником атмосферного метана считается земная поверхность. Установлено, что 80% атмосферного метана имеет современное биологическое происхождение и только 20% образовалось более 50 тысяч лет назад (Беляев, 1975). Микробиологические процессы, протекающие в самых различных природных экосистемах, обусловливают постоянное поступление метана в атмосферу. Он образуется из углекислого газа и водорода в анаэробных условиях — в пресных водах (озерах), болотах, где нет сульфатов, в морях под слоем сульфатредуцирующих бактерий, значительно меньше — в почвах, а в некоторых озерах — и из ацетата; например в глубоководной части оз. Киву (Африка), обильно населенной метанобразующими бактериями, накапливается до 50 км3 метана (Deuser et al., 1973). В атмосферу он поступает главным образом из пресноводных болот, маршей или мелководных озер, так как в глубоководных системах перехватывается метанокисляющими (метило, трофными) бактериями. Ежегодно метана поступает в атмосферу из всех озер планеты — 1,25—25*106 т. В морских осадках бактериальное метанобразование (восстановление СO2 и метильных групп ацетата) менее интенсивно, по-видимому, из-за более высокого содержания сульфатов. Достаточно крупный источник метана — океан, здесь его выделяется в пересчете на общую площадь океана — (4—6,7) • 106 т в год. Метанобразующие бактерии считаются основным источником метана и в толще осадочных пород, где в определенной гидрогеохимической обстановке могут образовывать газовые скопления, постепенно мигрирующие в атмосферу. Немногочисленные сведения относительно скорости образования метана в почвах несколько противоречивы. По некоторым данным, она не превышает 50—100 г CH4/м2 в год. Выделяется он также жвачными животными и человеком как конечный продукт кишечной ферментации. Часть метана поступает в атмосферу в результате вулканической деятельности. Метанокисляющие бактерии в природе представлены водными и почвенными формами, обычно существующими в естественных ландшафтах в ассоциациях с гетеротрофными. Обитают они в илах водоемов, лечебных грязях, заболоченных почвах, озерных поймах, сточных водах и других естественных субстратах, где метан образуется биохимическим путем, или в местах накопления метана геохимического происхождения (угольные шахты, газовые месторождения). Вовлечение в биологический круговорот углеводородных газов глубинного происхождения следует рассматривать как постоянный дополнительный источник углерода и энергии, которые трансформируются метанокисляющими бактериями в сложные органические соединения. В настоящее время считается общепризнанным, что метан окисляется бактериями до углекислого газа и воды, через метанол, формальдегид и формиат. Так как метанокисляющие бактерии физиологически и таксономически едины, то это позволило выделить их в самостоятельное семейство Methylomonadaceae, включающее четыре рода: Methylomonas, Methylococcus, Methylosinus, Methylocystis. Интенсивность микробного окисления метана в природных условиях неодинакова: например, в поверхностных горизонтах озер Марийской АССР — 0,6—6,4-10-2 см3/1/л сут; в оз. Черный Кичегер с глубиной наблюдается ее повышение от 0,007 в верхнем горизонте до 0,4 см3/л/сут на глубине 4,5 м. Ассимиляция микроорганизмами метана предотвращает его попадание в атмосферу. Микробное окисление СН4 с экологической точки зрения — второй (после хемосинтеза) важнейший процесс в водоемах. Метанокисляющие бактерии обнаружены почти во всех почвенных типах, даже если нет контакта последних с природным газом; по-видимому, это следствие наличия покоящихся форм облигатных метилотрофов в почвах, где практически всегда биологическим путем образуется метан и другие углеводородные газы (Adams et al., 1972). Благодаря их деятельности ежегодно в биосферу поступает 7,9 • 108 т углерода. Существование в природе метанокисляющих бактерий, для которых метан — единственный источник углерода, является основным фактором, препятствующим его накоплению в атмосфере. Микроорганизмы способны формировать различные газообразные соединения, которые даже в незначительных концентрациях могут оказывать сильное воздействие на человека, растения, микронаселение. Одно из таких соединений — этилен, образуемый некоторыми анаэробами и аэробными грибами. Удаление этилена из почвенного и атмосферного воздуха происходит благодаря окислению его многими почвенными организмами, в частности микобактериями. Ряд бактерий вырабатывает нитриты (при неполном восстановлении нитрата и нитрификации) и первичные амины (вследствие разложения азотистых соединений), служащие источником нитрозаминов, обладающих канцерогенным, мутагенным и тератогенным действием. Цианистый водород и цианистые соединения, диметиларсин и другие метилированные токсичные соединения — тоже результат деятельности микроорганизмов.

Углеводороды относятся к группе химически весьма стойких органических веществ, которые, однако, могут разлагаться многими микроорганизмами. Возможность усвоения микроорганизмами парафинов была доказана советским ученым В. О.Таусоном. Установлено, что разрушать углеводороды в природе могут представители родов Arthrobacter, Methylomonas, Methylococcus, Pseudomonas, Flavobacterium, Streptococcus, Nocardia, Mycobacterium, а также дрожжи из рода Candida и ряд грибов. Углеводороды не только дают этим микроорганизмам энергию, но и служат материалом для синтеза структурных компонентов клетки.

Среди алифатических углеводородов, подвергающихся микробиологическому воздействию, следует, прежде всего, указать на газообразные углеводороды. Большинство микроорганизмов, развивающихся на газообразных углеводородах, принадлежит к родам Methylomonas, Hyphomicrobium, Pseudomonas, Mycobacterium, Nocardia и др. К облигатным окислителям метана относятся представители семейства Methylomonadaceae — роды Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus и Methylocystis. Эти бактерии принадлежат к группе метилотрофных микроорганизмов. Они окисляют метан до метилового спирта. Известны микроорганизмы, использующие такие газообразные углеводороды, как этан, пропан, бутан. Изучению этих организмов посвящены работы Е. И. Квасникова и других исследователей. Микроорганизмов, потребляющих газообразные углеводороды, используют для разведки нефти и газа, а также пытаются применить для борьбы со скоплением метана в шахтах.

В настоящее время выделено большое число микроорганизмов, способных развиваться на алканах с длиной цепи от 1—10 до 16—34 атомов углерода. Описаны микроорганизмы, обитающие на циклических (нафтеновых) углеводородах. Хорошо изучены микроорганизмы, использующие моноциклические (бензол, толуол, ксилол) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен) ароматические углеводороды. Это представители родов Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, дрожжи и др.

Окисление углеводородов большинством микроорганизмов происходит с помощью адаптивных ферментов. Конечные продукты окисления углеводородов — углекислота и вода, однако обнаруживаются и промежуточные продукты — спирты, органические кислоты, эфиры и другие соединения.

Следовательно, микроорганизмы способны использовать углеводороды разных классов простого и сложного строения. Считают, что практически все углеводороды, входящие в состав нефти, могут разлагаться микроорганизмами.

Интересно отметить, что ряд бактерий, усваивающих углеводороды, обладает способностью связывать молекулярный азот атмосферы. Углеводородусваивающие микроорганизмы широко распространены в почвах.

Большое внимание в последнее время уделяется получению кормовых дрожжей на углеводородах.

51. Азот В природе происходит постоянный круговорот азота, в котором участвуют растения, животные, микроорганизмы. Азот входит в состав белков и продуктов их разложения (пептиды, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания), а также в состав мочевины и мочевой кислоты, азотсодержащего полисахарида хитина, гумусовых кислот. Аммонифицирующие микроорганизмы осуществляют разложение органических веществ, переводя азот органических соединений в минеральную форму (аммонийные соли, соли азотистой и азотной кислоты, молекулярный азот и аммиак), а также органические вещества своих клеток. Нитрифицирующие бактерии способны превращать аммиак в азотистую кислоту, а затем в азотную. Затем в процессе денитрификации происходит выделение свободного азота в атмосферу. Зеленые растения при синтезе белков способны использовать только азот минеральных солей - нитратов и нитритов (в меньшей степени аммонийных солей), свободный азот воздуха и связанный в органических соединениях азот им недоступен. Азот из атмосферного воздуха способны ассимилировать только специальные азотфиксирующие бактерии.

52. Аммонификация белка. Высокомолекулярные соединения, которыми являются белки, не могут непосредственно усваиваться микроорганизмами. Они должны быть расщеплены на составные части. Процесс минерализации белковых веществ микроорганизмами с выделением аммиака или образованием аммонийных солей называется аммонификацией белка, или гниением, а микроорганизмы, вызывающие этот процесс – аммонифицирующими, или гнилостными микроорганизмами.

Аммонификация белков начинается с их гидролиза под действием протеолитических экзоферментов микроорганизмов. Происходит последовательное образование пептонов, пептидов и аминокислот. Из полученных соединений наиболее доступными для микроорганизмов являются аминокислоты, которые растворимы в воде. В таком виде они поступают внутрь микробной клетки, где подвергаются воздействию эндоферментов, в частности дезаминированию под воздействием ферментов дезаминаз. Существуют несколько типов дезаминирования (гидролитическое, окислительное, восстановительное и др.), которые приводят к образованию аммиака, оксикислот (гидрокислот), жирных кислот, кетокислот. Во всех случаях при любом типе дезаминирования среди конечных продуктов всегда обнаруживается аммиак:

+H₂O

Гидролитическоедезаминирование: R-CHNH₂-COOH → R-CHOH-COOH +NH₃

гидрокислота

+H₂

Восстановительноедезаминирование: R-CHNH₂-COOH → R-CH₂-COOH +NH₃

жирная кислота

+O₂

Окислительноедезаминирование: R-CHNH₂-COOH → R-C=O-COOH +NH₃

кетокислота

В аэробных условиях, кроме аммиака, образуется диоксид углерода, сероводород, в анаэробных - жирные и ароматические кислоты (бензойная и др.), спирты, индол, скатол, фенол, меркаптаны. В аэробных условиях происходит полное окисление жирных кислот с образованием СО₂ и H₂O.

Кроме дезаминирования внутри микробной клетки возможны и другие превращения аминокислот – 1) декарбоксилирование, в результате которого появляются первичные амины (предшественники трупных ядов); 2) переаминирование, приводящее к появлению новых аминокислот; 3) синтез белка.

Декарбоксилирование происходит под воздействием эндоферментов декарбоксилаз с образованием СО₂ и первичных аминов:

R-CHNH₂-COOH → R- CH₂ - NH₂ + СО₂

Сероводород образуется из аминокислот, содержащих серу:

+H₂O

SH-CH₂CH-NH₂-COOH → CH₂OH-CHOH-COOH + H₂S + NH₃

цистеин глицериновая кислота

В анаэробных условиях не происходит полного окисления жирных кислот, и они накапливаются в среде. Из ароматических аминокислот в анаэробных условия образуются неприятно пахнущие вещества – индол, скатол, фенол.

Из серусодержащих аминокислот образуются меркаптаны:

SH-CH₂CH-NH₂-COOH → SH-CH₂-CH₃OH + СО₂ + NH₃

цистеин этил меркаптан

Индол, скатол, крезол, меркаптаны являются ядовитыми веществами. Первичные амины (диамины и птомаины) называются также биогенными аминами. Они являются токсическими соединениями, предшественниками трупных ядов.

Аммонификацию белков вызывают микроорганизмы, обладающие протеолитическими ферментами (протеазами). К аэробным аммонификаторам относятся в основном спорообразующие палочки рода Bacillus (B.mesentericus, B.subtilis, B.mycoides, B.megaterium и др.), неспорообразующие палочки рода Pseudomonas ( например, P.fluorescens). Факультативно-анаэробные аммонификаторы - это в основном представители семейства Enterobacteriaceae (Proteus vulgaris, Escherichia coli). Аммонифицирующие микроорганизмы встречаются среди актиномицетов, микроскопических грибов, (например, грибы родов Penicillium, Mucor, Apergillus, Trichoderma и др.). Гнилостные анаэробные микроорганизмы – это спорообразующие бактерии рода Clostridium (C.perfringens, C.sporogenes, C.putrificum).

Аммонификация мочевины. Мочевина (карбамид) попадает во внешнюю среду в основном с мочой. Человек за сутки выделяет с мочой до 80 г мочевины. Азот в мочевине составляет 46%. За год люди и животные выделяют с мочой свыше 10 млн. т азота. Азот мочевины может усваиваться растениями только после ее разложения. Аммонификацию мочевины осуществляют микроорганизмы, продуцирующие фермент уреазу, под воздействием которого мочевина разлагается до углекислого аммония, который легко распадается на аммиак, углекислый газ и воду:

(NH₂)₂CO + H₂O → (NH₄)₂СО₃ → 2 NH₃ + СО₂ + H₂O

Микроорганизмы, разлагающие мочевину, были открыты в 1862 г. Л.Пастером и названы уролитическими. Это аэробы бактерии, образующие споры. Среди них есть кокки (Micrococcus urea), сарцины (Planosarcina urea), бациллы (Bacillus probates, B.pasteurii). Благодаря образованию углекислого аммония при развитии уробактерий происходит подщелачивание среды (до рН 9-10). Уробактерии относятся к наиболее щелочелюбивым микроорганизмам, оптимум их развития при рН 7,5-8,5. Уробактерии обитают в почве, в рубце жвачных животных, в сточных водах. За счет разложения мочевины почва и водоемы обогащаются доступными для растений формами азота.

Аммонификация хитина. Хитин – очень стойкое соединение. Это сложный азотсодержащий полисахарид. Структурными элементами хитина являются остатки N-ацетилглюкозамина, соединенные 1,4-глико-зидными связями. Хитин является основным компонентом клеточной стенки многих грибов (например, базидиомицетов, аскомицетов), а также панцирных покровов насекомых, ракообразных, некоторых беспозвоночных. После отмирания этих микроорганизмов хитин попадает в почву, водоемы, где разлагается микроорганизмами, продуцирующими хитиназы. Хитиназы широко распространены у актиномицетов, мукоровых грибов, представителей рода Bacterium (B. chitino-vorum, B.chitinophilum). В 1 г почвы содержится до 10⁶ клеток микроорганизмов, использующих хитин. При разложении хитина образуется аммиак, глюкоза и уксусная кислота.

Дата добавления: 2015-08-31