Хемолитотрофы

Хемолитотрофия – способ существования, обнаруженный только у прокариот, при котором источником энергии служат реакции окисления неорганических соединений. Впервые данная группа бактерий была открыта русским микробиологом С. Н. Виноградским.

• нитрифицирующие бактерии окисляют восстановленные неорганические соединения азота;

• бактерии, окисляющие серу, используют H2S, молекулярную серу (S0) или ее окислы;

• железобактерии окисляют восстановленное железо или марганец;

• водородные бактерии используют в качестве источника энергии молекулярный водород;

• у карбоксидобактерий единственный источник углерода и энергии – СО2.

Сульфатвосстанавливающие бактерии получают энергию окислением в анаэробных условиях молекулярного водорода, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат. Метаногенные бактерии используют CO2 в качестве конечного акцептора электронов при окислении молекулярного водорода.

Нитрифицирующие. Они входят в семейство Nitrobacteriaceae, которое состоит из восьми родов.

В природе процесс нитрификации проходит в две фазы, за каждую из них ответственны свои возбудители. Первую фазу – окисление солей аммония до солей азотистой кислоты – осуществляют представители родов Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira и Nitrosovibrio. Вторую фазу – окисление нитритов в нитраты – осуществляют бактерии из родов Nitrobacter, Nitrospina, Nitrococcus. Нитрифицирующие бактерии – грамотрицательные микроорганизмы, различающиеся формой и размером клеток. Все, кроме рода Nitrobacter, размножаются бинарным делением. Бактерии, принадле-

жащие к роду Nitrobacter, размножаются почкованием. Среди нитрифицирующих бактерий есть подвижные (с полярным или перитрихиальным жгутикованием) и неподвижные формы.

Все – облигатные аэробы; большинство – облигатные автотрофы, рост которых ингибируется органическими соединениями в концентрациях, обычных для гетеротрофных прокариот. Ассимиляция СО2 осуществляется в цикле Кальвина.

Процесс нитрификации происходит в цитоплазматической мембране. Ему предшествует поглощение амиака и перенос его через цитоплазматическую мембрану с помощью медьсодержащей транслоказы.

На первом этапе аммиак окисляется до гидроксиламина с помощью монооксигеназы. Этот фермент катализирует присоединение к молекуле аммиака одного атома кислорода; второй атом кислорода взаимодействует с НАДН2, что приводит к образованию Н2О. Далее гидроксиламин с помощью гидроксиламиноксидоредуктазы окисляется до нитрита. Электроны от NH2OH поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома с и далее на терминальную оксидазу и на конечный акцептор –

молекулярный кислород. Переносом двух протонов через мембрану = АТФ.

Вторая фаза нитрификации –катализируется молибденсодержащей нитритоксидазой. Электроны поступают на цитохром а1 и через цитохром с на терминальную оксидазу аа3, где акцептируются молекулярным кислородом. При этом происходит перенос через мембрану двух протонов, что при-

водит к синтезу АТФ. Поскольку субстраты (аммиак, нитриты), обладают сильно положительным окислительно-восстановительным потенциалом, а окислительно-восстановительный потенциал НАДН2 имеет отрицательную величину, то окисление по термодинамическим причинам не может быть прямо связано с восстановлением НАД. Образование НАД · Н 2 в таком случае происходит за счет функционирования обратного транспорта электронов, с затратой энергии.

Нитрифицирующие бактерии обнаружены в водоемах разного типа и в почвах, где они развиваются совместно с бактериями, жизнедеятельность которых приводит к образованию исходного– аммиака.

Бактерии, окисляющие соединения серы

Это фототрофы, осуществляющие бескислородный фотосинтез, некоторые типичные гетеротрофные бактерии родов Bacillus, Pseudomonas и др. В эту группу входят и хемолитотрофные бактерии

такие как тионовые бактерии и бесцветные серобактерии.

Тионовые бактерии квалифицированы в четыре рода: Thiobacillus, Thiomicrospira, Thiodendron и Sulfolobus. Это одноклеточные организмы разной морфологии и размеров (от 0,2–0,3 до 3–4 мкм), неподвижные или подвижные (жгутикование полярное), бесспоровые. Размножаются бинарным делением или почкованием. Все за исключением рода Sulfolobus, имеют клеточную стенку грамотрицательного типа. Клеточная стенка бактерий рода Sulfolobus не содержит муреина, а построена из белково-липидного комплекса и поэтому их в настоящее время относят к архебактериям.

Окисление H2S до сульфата сопровождается потерей восьми электронов, поступающих в дыхательную цепь, при этом в качестве промежуточных продуктов образуется молекулярная сера и сульфит:

Перенос электронов сопровождается переносом протонов. Возникает электрохимический градиент, разрядка которого с помощью АТФ-синтазы приводит к синтезу АТФ.

Согласно другой точке зрения, в качестве первого продукта ферментативного окисления H2S образуется связанный с мембраной сульфид-сульфгидрильный комплекс , окисляющийся далее через сульфит до сульфата. Молекулярная сера в этом случае не является прямым продуктом окисления H2S. На этапе окисления сульфита до сульфата образуется промежуточное соединение аденозинфосфосульфат (АФС), в результате субстратного фосфорилирования превращается в сульфат. При этом также образуется молекула аденозиндифосфата (АДФ), в которой запасается высвобождающаяся энергия. С помощью аденилаткиназы из АДФ синтезируется АТФ.

В большинстве случаев конечным акцептором электронов служит молекулярный кислород. Некоторые тионовые бактерии являются факультативными анаэробами.

Большинство тионовых бактерий относится к облигатным хемолитоавтотрофам. Все компоненты клетки они способны строить из CO2, ассимилируя его в цикле Кальвина.

Некоторые тионовые бактерии могут расти как в хемолитоавтотрофных, так и в хемоорганогетеротрофных условиях, есть так жн хемолитогетеротрофы.

У тионовых бактерий функционирует система обратного переноса электронов.

Среди них встречаются выраженные, или облигатные, ацидофилы. Например, Thiobacillus thioоxidans.

Бактерии Thiobacillus denitrificans, наоборот, развиваются в нейтральной и щелочной среде.

Бесцветные серобактерии делятся на  одноклеточные или многоклеточные формы.

Одноклеточные бесцветные серобактерии:

• бактерии с крупными клетками (роды Achromatium, Thiovulum и др.);

• бактерии с мелкими клетками (роды Тhiospira, Thiobacterium и др.).

Нитчатые организмы представлены неподвижными (Thiothrix) или способными к скользящему движению (Beggiatoa) формами. Единственным общим признаком бесцветных серобактерий является

способность откладывать серу внутри клеток.

Железобактерии – это одноклеточные микроорганизмы, размножающиеся поперечным делением. Клетки разной формы и размеров, одиночные или формирующие скопления, окруженные чехлами, в которых откладываются оксиды железа. Они являются аэробными ацидофильными бактериями.

Наиболее изученным представителем данных бактерий является Thiobacillus ferrоoxidans. Окисление железа, приводящее к получению энергии, происходит в соответствии с уравнением

2Fe2+ + 1/2 O2 + 2H+ 2Fe3+ + H2O

Бактерии вида Thiobacillus ferroоxidans способны окислять не только Fe2+, но и восстановленные соединения серы. Окисление Fe2+ происходит на внешней стороне цитоплазматической мембраны;. Электроны с Fe2+ акцептируются особым медьсодержащим растворимым белком – рустицианином (РЦ), локализованным в периплазматическом пространстве. Затем с рустицианина они передаются на цитохром с, локализованный на внешней стороне цитоплазматической мембраны, а с него на цитохром а1, расположенный на внутренней стороне мембраны. Перенос электронов с цитохрома а1 на 1/2 O2,

сопровождающийся поглощением из цитоплазмы двух протонов, приводит к восстановлению молекулярного кислорода до Н2О.

Отсутствие переноса через мембрану протонов, происходит перенос только электронов. Образование восстановителя происходит в результате энергозависимого обратного переноса электронов.

Грамотрицательные бактерии Gallionella ferruginea имеют бобовидную почковидную форму и относятся к собственно железобактериям. На вогнутой стороне клеток они образуют коллоидный гидроксид железа (ферригидрит), из которого формируют стебельки разной формы. На концах стебельков располагаются клетки. Донором электронов у этих бактерий служит только Fe2+. Обитают в бикарбонатной среде, чаще в холодных водах, предпочитают нейтральные значения рН и микроаэрофильные условия. Большинство железобактерий откладывают оксиды металлов во внеклеточных структурах (капсулах, стебельках, чехлах).

К водородным бактериям относятся прокариоты, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О2, а все вещества клетки строить из углерода СО2. Это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н2 в аэробных условиях. Помимо окисления, для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме.

Она включает преимущественно грамотрицательные бактерии, среди которых наиболее распространены представители рода Alcaligenes (A. eutrophus, A. paradoxus) и Pseudomonas (P. facilis, P. saccharophila, P. carboxidovorans, P. carboxidoflava). Эти бактерии имеют сходную морфологию и являются неспорообразующими палочками. Среди также представители родов Aquaspirillum, Xanthobacter, Paracoccus, Rhizobium, среди грамположительных – Nocardia, Mycobacterium, Bacillus.

Водородные бактерии – факультативные хемолитоавтотрофы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения. Ассимиляция СО2 происходит в цикле Кальвина. Метаболизм органических соединений у разных представителей этой группы осуществляется с помощью гликолитического, окислительного пентозофосфатного и Энтнера – Дудорова путей, а также цикла Кребса и глиоксилатного шунта.

Большинство водородных бактерий относится к облигатным аэробам. Особенно чувствительны к О2 водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Водородные бактерии, как правило, мезофилы. Нейтрофилы с оптимальным рН для роста 6,5–7,5. Гидрогеназы с различной локализацией выполняют в клетке разные функции. Связанный с мембранами фермент, передает электроны в дыхательную цепь. Растворимая гидрогеназа, переносит электроны на молекулы НАД+.

Карбоксидобактерии

Это аэробные прокариоты, способные расти, используя оксид углерода в качестве единственного источника углерода и энергии. Таким свойством обладают некоторые представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas и др. Это грамотрицательные прямые или слегка изогнутые палочки, подвижные.

Карбоксидобактерии могут расти автотрофно, ассимилируя СО2 в цикле Кальвина, а также использовать в качестве единственного источника углерода и энергии различные органические соединения и некоторые одноуглеродные субстраты, такие как метанол и формиат. При выращивании на среде с СО2 в качестве единственного источника углерода все карбоксидобактерии энергию могут получать за счет окисления молекулярного водорода.

Окисление СО карбоксидобактериями осуществляется с участием СО-дегидрогеназы. Электроны, освобождающиеся при этом, поступают в электронтранспортную цепь, состав которой аналогичен таковому водородных бактерий.