Другие пути превращения одноуглеродных соединений

Образование метана биологическим путем из С02 и других одноуглеродных источников — метановое брожение — происхо­дит в болотах, торфяниках, иловых отложениях озер, метантенках, рубце жвачных животных, кишечном тракте человека. В по­чве этот процесс протекает там, где возникают анаэробные условия, и образуется водород в первичных процессах анаэроб­ного превращения органических веществ.

Метанобразующие бактерии (метаногены) — вторичные ана­эробы, так как они перерабатывают продукты, поступающие от других анаэробов. Метан образуется за счет восстановления С02 водородом по следующей схеме:

С02 + 4Н2 = СН4 + 2Н20

Восстановлению могут подвергаться также СО, муравьиная кислота и метанол. В газовой атмосфере торфяников метан часто превышает 30%. Группа метанобразующих бактерий гетерогенна. Среди них есть кокковидные, палочковидные, сарциноподобные организмы и спириллы. Все метаногенные бактерии относятся к архебактериям, их родовые названия начинаются со слова methan(Methanococcus, Methanosarcina, Methanobacterium, Methanospirillum). Мета­нобразующие бактерии строгие анаэробы. Кислород убивает их, с чем сопряжены большие трудности при работе с ними в лабора­тории. Необходимо применять специальные методы, которые были разработаны впоследние 20 лет, и было проведено подробное их изучение. В ряде анаэробных экосистем основным субстратом для образования метана служит ацетат. Метанобразующие бактерии составляют последнее звено анаэробной пищевой цепи, в начале которой находятся полисахариды (целлюлоза, крахмал, хитин), липиды, белки. В этой цепи участвуют: 1) бактерии, сбраживаю­щие целлюлозу до сукцината, пропионата, бутирата, лактата, аце­тата, спиртов, С02 и Н2; 2) ацетогенные бактерии, сбраживающие эти первичные продукты до ацетата, формиата, С02 и Н2.

Метанобразующие бактерии находятся в симбиотических (мутуалистических) взаимоотношениях с бактериями, образующи­ми газообразный водород. Первые не могут развиваться без во­дорода, а вторые сами себя отравляют избытком образуемого ими водорода. При совместном развитии этих двух групп бактерий свободный водород практически не обнаруживается, так как он моментально используется метанотрофами.

Метанобразующие бактерии активируют водород и осущест­вляют его окисление, сопряженное с восстановлением С02. Кле­точное вещество они также строят из С02, т.е. являются хемоавтотрофами. Они осуществляют карбонатное дыхание (в качестве источника С02 используют СаС03). Ферменты метанобразующих бактерий отличаются большой специфичностью. Образование метана может происходить из ацетата или С02

Автотрофная фиксация С02 у метанобразующих бактерий про­исходит без участия рибулозобифосфатного цикла.

В последнее десятилетие выделение метана в атмосферу уве­личивается на 1% в год, что связано с воздействием на природу антропогенного фактора (утечки при газодобыче, рисовые поля, скот). Однако в атмосфере он фотохимическим путем довольно быстро окисляется до С02. В ряде случаев почвы могут погло­щать метан. Вопрос о том, что же почвы земного шара больше выделяют или поглощают метан, остается открытым.

Бытовые органические отбросы в южных странах использу­ются для получения метана в специальных метантенках (биогаз), который используется в домашнем хозяйстве. Метантенки быва­ют на один или несколько домов. В северных странах при прове­дении микробиологического процесса почти весь метан прихо­дится использовать для подогрева метантенка.

Метан, помимо биологического пути, образуется и в результа­те геохимических процессов. Он составляет основную часть при­родных углеводородных газов.

Окисление метана (метанотрофы) — биологический процесс, активно протекающий в районах метаногенеза — в местах газовых и нефтяных месторождений, в переувлажненных почвах, в поверх­ностной пленке болот. Метанокисляющие бактерии перехватыва­ют метан, который образуется в анаэробной зоне, и окисляют его до С02 через метанол, формальдегид и муравьиную кислоту:

СН4 -> СН3ОН -> СНОН -> НСООН -> С02.

Этот путь диссимиляции (катаболизма) осуществляется с уча­стием ферментов цепи переноса электронов. Ассимиляция угле­рода метана происходит на уровне формальдегида несколькими путями, отличными от автотрофной фиксации С02 в цикле Каль­вина. Микроорганизмы, окисляющие метан, получили название метанотрофов. Среди них есть облигатные формы, использую­щие в качестве углеродного источника питания метан или его производные (метанол и метиламины) и факультативные метилотрофы, ассимилирующие как одноуглеродные соединения (ме­танол, формальдегид, метиламин, но не метан), так и другие органические вещества. Облигатные метанотрофы — группа ме- танокисляющих бактерий семейства Methylomonadaceae, которые относят к родам Methylomonas, Methylobacillus, Methylococcus, Methylosinusи др. Хотя формально их следует считать гетеротро- фами (метан — органическое вещество), но по многим морфоло­гическим и физиологическим признакам они близки к таким литоавтотрофам, как нитрифицирующие бактерии семейства Nitrobacteriaceae. Процесс окисления метана сопровождается у них окислением аммиака до нитритов, они имеют хорошо разви­тую систему внутриклеточных цитоплазматических мембран, пути метаболизма метанокисляющих бактерий сходны с таковыми автотрофных нитратных бактерий.

Среди факультативных метилотрофов известны не только про­кариоты, но и представители дрожжей.

Метанокисляющие бактерии, вовлекая в биологический кру­говорот одноуглеродные соединения группы метана, вносят зна­чительный вклад в глобальный цикл углерода, замыкая трофи­ческие цепи в специфических нишах биосферы. Они представляют интерес и в практическом отношении как продуценты белка из дешевого сырья, а также как средство борьбы с метаном в уголь­ных шахтах для предотвращения взрывов.

Окисление окиси углерода микроорганизмами — процесс, под­держивающий природное равновесие этого газа в биосфере; СО образуется техногенным путем в результате неполного сгорания разных видов топлива. Существуют и природные источники угар­ного газа — извержения вулканов и биохимические реакции, при­водящие к образованию СО при распаде порфиринов, флаваноидов, серина и некоторых других органических веществ. Оксид углерода связывают животные, растения и микроорганизмы. Это обусловлено его взаимодействием с гемоглобином, цитохромоксидазой и рядом других ферментов. В результате происходит на­рушение функций организмов, для большинства из которых ок­сид углерода даже в небольшой концентрации очень токсичен. Повышение его содержания в помещении может привести к ги­бели человека и животных (отравление угарным газом). Чувстви­тельность к СО проявляют и многие микроорганизмы, однако некоторые используют его в качестве источника энергии и угле­рода для построения своего тела. Большинство этих микроорга­низмов помимо СО окисляют молекулярный водород.

Бактерии, использующие СО в аэробных условиях, называют­ся карбоксидобактериями, или карбокситрофами.

Удаление окиси углерода из атмосферы происходит в резуль­тате ее окисления кислородом воздуха и окисления почвенными микроорганизмами. Ежегодно почва поглощает 4 х 1014 г СО, что лишь немногим меньше, чем образуется при сгорании топлива. Таким образом, именно почва поддерживает равновесное состоя­ние окиси углерода в атмосфере.

В окислении окиси углерода участвуют микроорганизмы груп­пы карбоксидобактерий, которые не обладают морфофизиоло­гическим единством и относятся к разным родовым и видовым таксонам (Alcaligenes, Acinetobacter, Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas, Arthrobacter, Bacillus, Streptomyces, Hydrogenophaga, Seliberia). Карбоксидобактерии — автотрофы. Образующаяся в результате окисления СО углекислота фиксируется в процессах анаболизма автотрофно через цикл Кальвина, а не метилотрофно. Но автотрофия карбоксидобактерий не облигатная. Они спо­собны и к органотрофному росту. Однако высокие концентра­ции органических веществ подавляют их развитие, на основании чего их относят к олиготрофной группировке почв. Помимо кар­боксидобактерий СО окисляют неспецифические микроорганиз­ мы в процессах кометаболизма. Возможно, по масштабам этот процесс значительно превышает окисление СО карбоксил оба критериями.