Карбонатное дыхание

Образование метана при восстановлении карбоната

Метан образуется при  анаэробном разложении органических веществ. Его запасы весьма значительны; примерные  подсчеты показывают, что 1-1,5% углерода, поступающего в результате минерализации  органических веществ в виде С0₂ в атмосферу, сначала попадает туда в виде метана и лишь затем превращается под воздействием гидроксильных радикалов (ОН') в СО, а потом в С0₂. К экосистемам, в которых образуется метан, относятся большие площади, занятые тундрой и болотами (отсюда другое название метана-болотный газ); рисовые поля; осадки на дне прудов и озер; лиманы, марши и эстуарии; отстойники очистных сооружений и, наконец, желудки (рубцы) более чем 10⁹ жвачных животных. В анаэробных условиях органические вещества сначала через ряд промежуточных этапов сбраживаются до ацетата, С0₂ и Н₂. Эти продукты метаболизма первичных и вторичных деструкторов используются метанобразующими (метаногенными) бактериями.

Систематическое положение метанобразуюших бактерий. По морфологии эти бактерии можно подразделить на палочковидные (Methanobacterium), кокковидные (Methanococcus),сарциноподобные (Methanosarcina) и спирилловидные (Methanospirillum) (табл. 9.2).

Метанобразующие бактерии составляют обособленную группу микроорганизмов. Они отличаются от других бактерий не только типом метаболизма, но и некоторыми признаками, касающимися состава клеточных  структур.  У  них  нет  типичного  пептидогликанового  остова: 

Methanococcus обладает лишь белковой стенкой; у Methanospirillum имеется полипептидный чехол; клеточная стенка Methanosarcina barkeri построена из полисахарида, в состав которого входят уроновые кислоты, нейтральные сахара и аминосахара. Пенициллин не подавляет роста метанобразующих бактерий.

Цитоплазматическая  мембрана содержит липиды, состоящие  из эфи-ров глицерола и изопреноидных углеводородов (разд. 3.13). Рибосомы по своей величине сходны с рибосомами эубактерий (70S), однако последовательность оснований в рибосомных РНК, особенно в 16S-pPHK, существенно иная, чем у эубактерий. В отношении последовательности 16S-pPHK метанобразующие бактерии значительно сильнее отличаются, например, от Е. coli, чем цианобактерии. Кроме того, механизм трансляции нечувствителен к антибиотикам, подавляющим синтез белка у эубактерий. На основании этих, а также ряда других отличительных признаков метанобразующие бактерии относят к архебактериям (разд. 3.13).

Физиология. Метанобразующие бактерии-строгие анаэробы: кислород воздуха убивает их. У них нет ни каталазы, ни супероксиддисму-тазы. Именно из-за высокой чувствительности этих бактерий к кислороду наши сведения об их физиологии, биохимии и экологии пока сравнительно скудны. Только после разработки специальных методов (например, метода Хангейта) появилась возможность пересевать и выделять метанобразующие бактерии без доступа кислорода.

Большинство до сих  пор выделенных видов в чистой культуре способно использовать в качестве донора водорода Н₂, а некоторые из них-также формиат, метанол, ацетат или метиламин. В ряде анаэробных экосистем основным субстратом для образования метана служит ацетат. Таким образом, круг субстратов очень узок.

Метанобразующие бактерии составляют последнее звено анаэробной пищевой цепи (стр. 266), в начале которой находятся полисахариды (целлюлоза, крахмал), белки и жиры. В этой цепи участвуют также 1) бактерии, сбраживающие целлюлозу до сукцината, пропионата, бутирата, лактата, ацетата, спиртов, С0₂ и Н₂; 2) ацетогенные бактерии, сбраживающие эти первичные продукты брожения до ацетата, формиата, С0₂ и Н₂ (эти вещества в свою очередь служат субстратами для метанобразующих бактерий). 

Метанобразующие бактерии, очевидно, находятся в тесном взаимодействии с бактериями, выделяющими водород (рис. 9.6). В микросреде обитания таких бактерий газообразный водород в свободном состоянии практически не встречается. Водород, выделяемый бактериями и растворенный в среде, сразу же поглощается метанобразующими видами. Известно, что высокое парциальное давление Н₂ подавляет метаболизм и рост многих бактерий, образующих водород. Это означает, что не только метаногенные бактерии зависят от продуцентов Н₂, но и те в свою очередь зависят от поглощающих Н₂ метанообразователей. Таким образом, имеет место ассоциация типа мутуалистического симбиоза.

Метанобразующие бактерии способны активировать водород и  осуществлять его окисление, сопряженное с восстановлением С0₂. Поскольку клеточные вещества ряда видов могут синтезироваться из С0₂ как единственного источника углерода, можно рассматривать способ существования этих бактерий как хемоавтотрофный. Для получения энергии С0₂ используется в качестве акцептора водорода, что ведет к образованию метана: 

Таким образом, метанообразование можно по аналогии с другими видами дыхания называть карбонатным дыханием. Поэтому метанобразующие виды характеризуют как анаэробные автотрофные бактерии, окисляющие водород:

4Н₂   +  С0₂  -» СН₄  +  2Н₂0;

AG₀ = - 131 кДж/моль    ( - 31,3 ккал/моль)

Некоторые метанобразующие  бактерии могут превращать в метан  и окись углерода. При этом в  качестве промежуточных продуктов  образуются СО₂ и Н₂:

4С0  + 4Н₂0--------- ►4С0₂+4Н₂

С0₂ + 4Н₂    -------- *    СН₄ + 2Н₂0

4С0  + 2Н₂0--------- ►   СН₄+ЗС0₂

Биохимия  образования метана и получения  энергии. В биохимическом превращении Н₂ и С0₂ в метан или ацетата в метан и С0₂ участвует ряд коферментов и простетических групп, которые до сих пор были найдены только у метанобразующих бактерий: производное деазарибо-флавина F₄₂₀, метаноптерин, метанофуран, никельтетрапиррольный фактор F₄₃₀ и кофермент М (меркаптоэтансульфонат). Структура их показана на рис. 9.7. Наиболее вероятные пути образования метана из  

Пока мало что  известно о ферментах, участвующих  в отдельных реакциях. Вопрос о регенерации АТР тоже окончательно еще не выяснен. С точки зрения термодинамики только последняя реакция, приводящая к образованию метана, может сопровождаться синтезом АТР. Эксперименты на Methanosarcina barkeri- бактерии, способной также осуществлять реакцию СН₃ОН + Н₂ -» СН₄ + Н₂0,-дали следующие результаты. Добавление обоих субстратов к бактериальной суспензии приводило к выведению протонов, образованию АТР и синтезу метана. При участии метилтрансферазы метанол может прямо превращаться в метилкофермент М, при восстановлении которого образуется метан:

СН₃-S-СоМ   +   Н₂  - СН₄   +  HS   =  СоМ

Восстанавливающий фермент - метил-СоМ-метилредуктаза-представляет собой мультиферментный комплекс, который содержит, в частности, белковые факторы F₄₂₀, F₄₃₀ и гидрогеназу. Вероятно, реакция всегда сопровождается выведением из клетки протонов, и создающийся в результате этого протонный потенциал доставляет энергию для регенерации АТР. Из этих результатов можно заключить, что вообще метанобразующие бактерии синтезируют АТР не путем фосфорилиро-вания на уровне субстрата, а путем окислительного фосфорилирования в анаэробных условиях («анаэробное дыхание»).

Биохимия  ассимиляции С0₂. Автотрофная фиксация С0₂ у метан-образующих бактерий [так же как и у сульфатредуцирующих (гл. 9.2) и ацетогенных (гл. 9.5) анаэробов, использующих водород] происходит без участия реакций рибулозобисфосфатного цикла. Путь синтеза клеточных веществ из С0₂ идет через синтез ацетил-СоА и пирувата. Этапы этого пути были установлены с помощью радиоактивных соединений, а также в результате исследования ферментов Methanobacterium thermoautotrophicum. Механизмы этих превращений в настоящее время интенсивно изучаются.

СО ₂ восстанавливается до метанола (в связанной форме). Вторая молекула С0₂восстанавливается с помощью СО-дегидрогеназы до СО. Восстановительные эквиваленты генерируются путем активации Н₂ гидро-геназами и переносятся ферментами, реагирующими с фактором F₄₂₀ или с NADP. Карбонилирование метил-Х ведет к образованию аце-тил-Х, а в результате восстановительного карбоксилирования ацетил-СоА с помощью пируватсинтазы получается пируват, из которого известными путями синтезируются клеточные вещества.

Практическое  значение метанобразующих бактерий. Отстойники, в которых происходит анаэробный распад органических веществ сточных вод населенных пунктов, относятся к обычному оснащению коммунальных водоочистных сооружений. В индустриальных странах гниение ила служит в первую очередь стабилизации первичного ила, а также активного ила, образующегося при аэробной очистке сточных вод. Метан, выделяющийся при гниении ила, частично используется определенными микроорганизмами, а частично его применяют в качестве топлива. В сельском хозяйстве применяют биогаз-ферментеры, а также ямы для навоза, чтобы сбраживать (с получением метана) экскременты животных вместе с отбросами, содержащими целлюлозу. Метод образования биогаза, основной частью которого является метан, обладает двумя важными преимуществами: во-первых, сохраняется содержащийся в экскрементах азот, а также те ценные качества удобрения, которыми обладает сероводородный ил; во-вторых, происходит образование биогаза (в основном метана), который может быть использован в качестве источника энергии как в сельскохозяйственном производстве, так и в домашнем хозяйстве.

Образование ацетата  при восстановлении карбоната

В различных местах, где образуется метан, происходит также  образование уксусной кислоты. Подкисление среды в отстойниках водоочистных сооружений, вероятно, связано с деятельностью бактерий, превращаю-

молекулярный   водород   в   уксусную   кислоту   согласно уравнению

4Н₂   +   2С0₂  ->  СН₃-СООН   +   2Н₂0; AG₀ =-111 кДж/моль (- 26,6 ккал/моль)

Путем накопления в  среде, которая содержала лишь необходимые  неорганические соли и витамины и  через которую пропускали Н₂ и С0₂, удалось выделить из сероводородного ила, а также из ила пресноводных водоемов и из морских осадков бактерии, способные к авто-трофному росту в присутствии Н₂ и С0₂. Речь идет о грам-положи-тельных палочковидных бактериях, таких как Clostridium aceticum, С. thermoaceticum и Acetobacterium woodii (разд. 8.6). Ацетогенные бактерии следует рассматривать как анаэробные хемолитоавтотрофные, окисляющие водород микроорганизмы, которые получают энергию с помощью одного из видов анаэробного дыхания, а именно карбонатного дыхания. Путь синтеза клеточного вещества идет у них через ацетил-СоА и пиру-ват. При таком синтезе ацетата С0₂ восстанавливается через стадию формиата при участии тетрагидрофолиевой кислоты (как кофермента) до метил-РН₄. Дальнейшие превращения, вероятно, сходны с этапами синтеза ацетата у Methanobacteriumthermoautotrophicum. Восстановительное карбоксилирование ацетил-СоА приводит к образованию пирувата, из которого затем обычными путями синтезируются клеточные вещества.

Бактерии, способные  к карбонатному дыханию, при росте  на среде с Н₂ и С0₂ выделяют большие количества уксусной кислоты. Можно предположить, что ее образование идет по пути ассимиляционного синтеза ацетата и что высокоэнергетическая связь в ацетил-СоА используется для регенерации АТР. Однако механизм этих превращений выяснен еще не до конца и не у всех видов.