X.1. Биогеохимическая деятельность микроорганизмов

Микроорганизмам принадлежит первостепенная роль в круговороте, миграции, распределении и концентрации химических элементов в биосфере. Некоторые этапы круговорота веществ могут осуществляться только прокариотами.

Циклические превращения углерода (и кислорода) реализуются через два разнонаправленных процесса: фотосинтез и дыхание. При фотосинтезе происходит потребление углерода (в виде СО₂) и перевод его в органические соединения. В этом процессе участвуют зеленые растения, водоросли и фотосинтезирующие микроорганизмы. Потребление углерода уравновешивается распадом органических веществ. Полное окисление органических веществ до СО₂ в присутствии кислорода осуществляют многие аэробные (псевдомонады, бациллы) и факультативно анаэробные бактерии (актиномицеты), грибы, животные. В анаэробных условиях органические соединения расщепляются путем брожения.

Углерод может извлекаться из круговорота. Так, ионы карбоната, содержащиеся в морской воде, соединяясь с растворенными ионами Са²⁺, осаждаются в виде СаСО₃. Карбонат кальция может образовываться и биологическим путем в известковых структурах простейших, кораллов и моллюсков, откладываясь в качестве известняковых горных пород. В условиях высокой влажности и недостатка кислорода отложение отмерших органических остатков приводит к накоплению гумуса, образованию торфа и каменного угля. В результате жизнедеятельности микроорганизмов образуются также метан, нефть.

Цикл азота состоит из нескольких этапов (рис. 43), основную роль в которых играют микроорганизмы, преимущественно бактерии.

Азот составляет 80% земной атмосферы. Как газ азот химически инертен; он не может быть непосредственно использован растениями, животными и большинством микроорганизмов.

Азотофиксация (первый этап) в круговороте азота осуществляется исключительно азотофиксирующими микроорганизмами. Общая продукция микробной фиксации азота составляет до 330 млн т/год (промышленный синтез аммиака из азота и водорода составляет не более 5% фиксированного азота нашей планеты). Азотофиксаторы известны среди 100 родов бактерий, среди которых такие группы, как анаэробные клостридии, сульфатредуцирующие бактерии, энтеробактерии, фотосинтезирующие анаэробы, метанотрофы, спириллы, псевдомонады, актиномицеты, цианобактерии и др.

Различают симбиотическую и несимбиотическую (ассоциативную) азотофиксацию. Симбиотическая азотофиксация осуществляется бактериями рода Rhizobium (вызывают образование клубеньков у бобовых растений), актиномицетами Franckia (симбионты тропических растений), цианобактериями Anabaena azollae, Nostoc punctiforme.

Несимбиотическая азотофиксация осуществляется бактериями рода Azotobacter, аноксигенными фототрофными бактериями, цианобактериями, клостридиями, факультативными анаэробами Bacillus polymixa, Klebsiella preumonie, хемолитотрофными бактериями Alcaligenes latus, Xanthobacter autotrophicus, метилотрофами, метаногенами и сульфатредуцирующими бактериями.

Фиксация молекулярного азота осуществляется с помощью ферментной системы – нитрогеназы, состоящей из двух компонентов: малого, содержащего железо и серу (Fe-белок), и большого, в состав которого дополнительно входит молибден (МоFe-белок). Соотношение между ними у разных азотофиксирующих микроорганизмов колеблется от 1:1 до 2:1.

Для функционирования нитрогеназы наобходим источник энергии в виде АТФ, ионы магния и восстановитель с низким окислительно-восстановительным потенциалом. Для большинства микроорганизмов непосредственным донором электронов для восстановления азота служит восстановленный ферродоксин, электроны с которого поступают сначала на Fe-белок нитрогеназы (рис. 44). Восстановленный Fe-белок образует комплекс с молекулами Мо и АТФ, что приводит к сдвигу окислительно-восстановительного потенциала FeS-центра белка от –290 до –400 мВ. Это делает возможным перенос активированных электронов на МоFe-белок, в активном центре которого происходит восстановление N₂.

Рис. 44. Функционирование нитрогеназы:
кружком обозначена восстановленная форма белка

Перенос одного электрона на МоFe-белок сопровождается гидролизом как минимум двух молекул АТФ. За один раз FeS-центрами ферродоксина, Fe- и
МоFe-белков может быть перенесено не более двух электронов, а для восстановления N₂до аммиака необходимо 6 электронов. Весь процесс состоит из трех последовательных стадий восстановления:

Процесс азотофиксации связан с затратой большого количества энергии (для восстановления одной молекулы N₂ требуется не менее 12 молекул АТФ). Помимо N₂ нитрогеназа может восстанавливать ряд других субстратов, таких как N₂O, C₂H₂ и его аналоги N₃^-, CN^-. В отсутствие N₂ нитрогеназа катализирует выделение молекулярного водорода в реакции, протекающей с затратой АТФ.

Азотофиксация обогащает азотом и почву, и растения. Органические азотсодержащие соединения в тканях растений и животных, попадая в почву, подвергаются минерализации до аммонийных соединений.

Аммонификация. Аммонификация – это отщепление аминогруппы от аминокислоты с выделением свободного аммиака в процессе дезаминирования.

Значительная часть белков поступает в почву с остатками отмерших растений, животных и микроорганизмов.

Внеклеточные протеазы микроорганизмов гидролизуют высокомолекулярные белки до пептидов различных размеров и аминокислот. В дальнейшем аминокислоты могут участвовать в синтезе белка и других полимеров, а также подвергаться переаминированию, дезаминированию или декарбоксилированию. Процесс отщепления аминогрупп с выделением аммиака, может протекать как внутри клетки, так и внеклеточно. Существует четыре типа дезаминирования:

Аминокислоты минерализуются с различной скоростью. Некоторые из них (треонин, метионин) более устойчивы, другие (аргинин, триптофан), наоборот, разлагаются легко. После дезаминирования углеродный остаток подвергается воздействию микробов в аэробных и анаэробных условиях до образования СО₂ и различных соединений. При аэробном распаде белка основными конечными продуктами процесса являются СО₂, аммиак, сульфаты и вода. В анаэробных условиях образуются аммиак, амины, СО₂, органические кислоты (жирные и ароматические – бензойная, ферулиновая и др.), меркаптаны, а также вещества с неприятным запахом – индол, скатол, сероводород.

Наиболее активные аммонификаторы – это представители грамположительных споровых бактерий из рода Bacillus. Из необразующих эндоспоры форм к аммонификаторам относятся виды грамположительных бактерий родов Micrococcus, Arthrobacter, Micobacterium, грамотрицательные виды рода Proteus, Pseudomonas, а также многие микромицеты.

Роль аммонификаторов в природе значительна, поскольку доля белка в тканях умерших растений и животных велика, а аммонифицирующие микроорганизмы осуществляют минерализацию белков, разлагая их в конечном счете до СО₂, NH₃ и H₂S.

Аммиак, образовавшийся в процессе аммонификации, частично адсорбируется в почве, потребляется как источник азота в процессе метаболизма почвенных микроорганизмов и в аммонийной форме растениями, выделяется в атмосферу, а также окисляется в нитриты и нитраты в процессе нитрификации.

Нитрификация. В процессе нитрификации образуются окисленные формы азотистых соединений. Нитрифицирующие бактерии выделены в определителе Берджи в семейство Nitrobacteriaceae и разделены на две группы, в зависимости от процессов которые они осуществляют. Бактерии, окисляющие аммоний до нитритов (I фаза нитрификации), принадлежат к родам Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, Nitrosovibrio. Перевод нитритов в нитраты (II фаза нитрификации) осуществляют бактерии родов Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira.

Процессу нитрификации предшествует поглощение NH₄⁺ и перенос его через ЦПМ с помощью медьсодержащей транслоказы. Окисление NH₄⁺ происходит на цитоплазматических и внутрицитоплазматических мембранах. Предполагается, что на первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью монооксигеназы, катализирующей присоединение к молекуле аммиака одного атома О₂; второй атом О₂ взаимодействует, вероятно, с НАД·Н₂, что приводит к образованию Н₂О:

Гидроксиламин далее ферментативно окисляется до нитрита:

Электроны от NH₂OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу. Их транспорт сопровождается переносом 2-х протонов через мембрану, приводящим к созданию протонного градиента и синтезу АТФ.

Вторая фаза нитрификации сопровождается потерей 2-х электронов. Окисление нитрита до нитрата, катализируемое молибденсодержащим ферментом нитритоксидазой, локализовано на внутренней стороне ЦПМ:

Электроны поступают на цитохром а₁ и через цитохром с на терминальную оксидазу аа₃, где акцептируются молекулярным кислородом (рис. 45). При этом происходит перенос через мембрану 2H₂⁺.

Рис. 45. Схема энергетических процессов у Nitrobacter: c, а₁, аа₃ – цитохромы

Нитрифицирующие бактерии распространены в водоемах, почвах, на горных породах, на каменных и железобетонных строениях. Нитрифицирующие бактерии, как правило, развиваются совместно с микроорганизмами, осуществляющими минерализацию (аммонификацию) азотсодержащих органических веществ и приводящими к накоплению исходного субстрата нитрификации – аммиака.

Денитрификация. Денитрификация – это процесс восстановления нитратов до нитритов и далее до какой-либо из газообразных форм азота (окиси азота, закиси азота и молекулярного азота):

Способность к денитрификации обнаружена у многих почвенных и водных прокариот, среди них фото- и хемотрофы. Наиболее часто она встречается у грамположительных бактерий из родов Bacillus и Micrococcus, а также у грамположительных бактерий, принадлежащих к роду Pseudomonas. Денитрификаторы – факультативные анаэробы, переключающиеся на денитрифиакцию только в отсутствие кислорода. В аэробных условиях эти микроорганизмы осуществляют процесс кислородного дыхания.

В анаэробных условиях денитрификаторы используют нитраты и нитриты как конечные акцепторы электронов при окислении органических субстратов для получения энергии.

В процессе денитрификации каждый из четырех восстановительных этапов катализируется специфической мембраносвязывающей редуктазой. Электрон-транспортные цепи денитрификаторов в анаэробных условиях содержат флавопротеины, хиноны, цитохромы типов b и c.

Денитрификация – одна из причин обеднения почв азотом и неполного использования растениями вносимых в почву азотных удобрений. В то же время процесс имеет большое экологическое значение в сязи с тем, что он восстанавливает баланс азота, а также предохраняет водоемы от чрезмерного накопления в них нитратов, вымываемых из почв.

Денитрифицирующие бактерии широко распространены в почвах, особенно во влажных и богатых неразложившимися органическими остатками, в ризосферах, а также в илах.

Сера – важный химический элемент, входит в состав аминокислот некоторых белков. Одним из конечных продуктов гниения белков является сероводород, который не усваивается высшими растениями. В почве сера встречается в форме сульфатов – CaSO₄·2H₂O, Na₂SO₄, K₂SO₄, (NH₄)₂SO₄, сульфидов – FeS₂, Na₂S, ZnS и органических соединений.

Органические и неорганические соединения серы под влиянием микроорганизмов подвергаются в почве различным превращениям окислительного и восстановительного порядка (рис. 46).

Рис. 46. Биологический цикл превращения серы

Окисление соединений серы осуществляют группы микроорганизмов, относящихся к родам Thiobaccillus, Thiosphaera, Thiodendron, Sulfolobus, Thiobacterium, Thiospira, Beggiatoa, Thioplaca, фотосинтезирующие пурпурные и зеленые серные бактерии, а также цианобактерии и другие микроорганизмы.

Серобактерии окисляют H₂S c выделением свободной серы:

Далее сера поступает внутрь клетки и под действием ферментов восстанавливается до сульфидного иона, окисление которого происходит в дальнейшем внутриклеточно:

Образующиеся сульфаты (соли H₂SО₄) служат прекрасным питательным веществом для высших растений. H₂S в серную кислоту окисляют различные виды пурпурных серобактерий:

Восстановление неорганических соединений серы осуществляется при различных обменных процессах. Вызывают восстановление сульфатов бактерии р. Desulfovibrio (D. desulfuricans, D. vulgaris, D. gigas); р. Desulfotomaculum (D. nigrificans, D. acetooxidans) и другие.

Выделение H₂S десульфурирующими бактериями происходит в глубинах морей и содержание H₂S доходит до 6,5 мл на 1 л воды (например, в Черном море). Значительное накопление H₂S в результате биологического восстановления серы наблюдается в целебных грязях, лиманах и других водоемах. Сульфатредуцирующие бактерии участвуют в образовании сульфидных руд.

Фосфор входит в состав нуклеотидов и нуклеозидов, фосфолипидов различных мембран. Фосфор встречается в живых организмах только в пятивалентном состоянии в виде фосфатных ионов (РО₄^3-) или в составе органических фосфатных компонентов клетки. Фосфаты играют особую роль в энергетическом обмене, расщеплении углеводов и в мембранном транспорте.

Фосфор содержится в почве, как правило, в виде труднодоступных минеральных и органических соединений, которые становятся доступными для растений только после их минерализации микроорганизмами. Минеральные вещества представлены главным образом ортофосфатами кальция (нейтральные и щелочные почвы), железа и алюминия (кислые почвы). Органические соединения фосфора встречаются в виде ионозитфосфатов, фосфорсодержащих белков, фосфолипидов и др. Около половины органического фосфора почвы содержится в наиболее устойчивых к действию микроорганизмов фосфатах ионозита (фитатах). Микроорганизмы, синтезирующие фосфатазу, способны отщеплять от органических фосфатов фосфорную кислоту, которая, взаимодействуя с катионами, переходит в соли фосфорной кислоты, доступные для растений.

Многие микроорганизмы могут переводить нерастворимые соединения фосфорной кислоты в растворимое состояние. Среди них представители бактерий, актиномицетов, грибов (р. Pseudomonas, р. Bacillus, р. Micrococcus, р. Micobacterium, р. Penicillium, р. Aspergillus).

В круговороте железа большую роль играют железобактрии. На основании морфологических характеристик все железобактерии могут быть разделены на две группы: нитчатые и одноклеточные. К первой группе относятся грамотрицательные нитчатые бактерии, окруженные чехлом, в которых накапливаются окислы железа и/или марганца (р. Leptothrix, р. Sphaerotilis). Окисление железа (и марганца) и отложение их в чехлах бактерий не связано с получением энергии, идет под действием перекиси водорода. С помощью восстановленных форм железа и марганца обеспечивается удаление Н₂О₂– токсического продукта метаболизма:

Вторая группа бактерий делится на две подгруппы и включает одноклеточные организмы из разных таксонов. Первая подгруппа объединяет железобактерии, растущие в нейтральной или слабощелочной среде и характеризуются хемоорганогетеротрофным типом метаболизма. Сюда относятся свободноживущие микоплазмы р. Metallogenium, р. Gallionella, р. Siderococcus. Окисление железа и/или марганца у данных микроорганизмов – результат химических реакций или фукционирования перекисного пути и не имеет отношения к получению клетками энергии.

Вторую подгруппу составляют в большинстве аэробные ацидофильные формы (основной представитель – Thiobacillus ferrooxidans). Оптимальный рН их роста лежит ниже 4,5 (2–3). Для ацидофильных железобактерий установлена способность получать энергию в результате окисления двухвалентного железа:

Механизм окисления Fe²⁺в дыхательной цепи изучен у Thiobacillus ferrooxidans. Дыхательная цепь этой бактерии содержит все типы переносчиков, характерных для дыхательной цепи аэробных хемоорганофных эубактерий, но участок цепи, связанный с получением энергии, очень короток (рис. 47).

Рис. 47. Схема энергетических процессов у Thiobacillus ferrooxidans:
РЦ – рустицианин; c, а₁ – цитохромы

Окисление Fe²⁺происходит на внешней стороне ЦПМ; в цитозоль через мембрану железо не проникает. Электроны с Fe²⁺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 внешней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома а₁ на ½ O₂, сопровождающийся поглощением из цитоплазмы 2Н⁺, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до H₂O. Особенность дыхательной цепи Thiobacillus ferrooxidans – отсутствие переноса через мембрану протонов, а перенос только электронов. Синтез АТФ происходит за счет движения Н⁺ из внешней среды в цитоплазму через АТФ-синтазный комплекс. Для синтеза одной молекулы АТФ необходимо окислить как минимум 2 молекулы Fe²⁺.

Железобактерии широко распространены в природе. Они обнаружены в подземных водах сульфидных месторождений, кислых водах железистых источников и кислых озерах с высоким содержанием закисного железа.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: