Классификация микроорганизмов

Смешанное (муравьинокислое) брожение приводит к образованию этанола и сложной смеси органических кислот (уксусной, молочной, янтарной, муравьиной и др.). Формиат сначала может накапливаться, а затем расщепляться с помощью гидрогенлиазы на Н2 и СО2. Такое брожение осуществляют микроорганизмы, объединенные в несколько родов: Escherichia, Klebsiella, Shigella, Salmonella, Erwinia, Proteus, Enterobacter, Serratia, входящих в порядок Enterobacteriales.

Сложное двухстадийное маслянокислое и ацетонобутиловое брожение осуществляют микроорганизмы рода Clostridium, относящегося к сем. Clostridiaceae. Его продуктами являются масляная и другие органические кислоты, а также ацетон, бутанол, этанол, изо-пропанол. Клостридии - это грамположительные палочки с перитрихиальным жгутикованием, формирующие сферические или овальные эндоспоры, раздувающие клетку. Характерные для клостридий запасные вещества – это крахмалоподобные полисахариды. Клостридии относят к универсальным микроорганизмам, способным использовать множество субстратов. Они обладают мощным комплексом экзогидролаз. По питательным предпочтениям их подразделяют на три группы. Сахаролитические клостридии растут на сахаросодержащих и полисахаридных средах. Протеолитические(или пептолитические) виды способны использовать белки и аминокислоты. Именно среди них много болезнетворных форм.Пуринолитические клостридии гидролизуют нуклеиновые кислоты и сбраживают пурины и пиримидины.

Маслянокислое и ацетонобутиловое брожение характеризуется четко выраженной двухфазностью. В I фазе клетки активно растут, образуют кислые продукты и рН снижается. При этом рост культуры замедляется, хотя субстрата еще достаточно. В течение II стадии восстановительные эквиваленты переносятся на образовавшиеся кислые продукты и получаются нейтральные вещества, вследствие чего рН возвращается к нормальному уровню и культура снова может развиваться. Биологический смысл двухфазности заключается в более полном использовании субстрата за счет поддержания комфортных для культуры условий существования путем сброса избыточных восстановительных эквивалентов на образовавшиеся кислые продукты брожения. Таким способом решаются две проблемы – «исправления рН» и избавления от «лишнего» восстановителя. Синтез ряда ферментов II фазы (в частности, ацетоацетатдекарбоксилазы) индуцируется понижением рН среды до 5,0.

Клостридии могут осуществлять парные брожения, когда одно вещество служит донором, а другое – акцептором электронов. Так, сбраживание аминокислот без предварительного дезаминирования происходит в соответствии с реакцией Стикленда. Донорами могут служить аланин, лейцин, изо-лейцин, валин, серин, акцепторами – глицин, пролин, аргинин, триптофан. Например, в реакции: аланин + 2 глицин → 3 ацетат + 3 NH3 + CO2, донор подвергается дезаминированию и окислительному декарбоксилированию, а акцептор – восстановительному дезаминированию. Другим примером парного процесса является сукцинат-этанольное брожение у C. kluyveri с суммарным уравнением: сукцинат + этанол → 3 ацетат.

Гомоацетатное брожение - это сложный процесс, часть реакций которого происходит за счет анаэробного дыхания. Единственным его продуктом является уксусная кислота (ацетат). Микроорганизмы, его осуществляющие (гомоацетогены), распространены во многих таксономических группах (например, среди клостридий).

Гомоацетогены способны перерабатывать богатый набор субстратов (сахара, органические кислоты, спирты, аминокислоты, одноуглеродные соединения, ароматические вещества, молекулярный водород). В гетеротрофных условиях две молекулы ацетата дает типичное брожение, а третья получается за счет анаэробного карбонатного дыхания. Ключевым ферментным комплексом является СО-дегидрогеназа-ацетил-КоА-синтаза. При автотрофном росте гомоацетогенов на СО2 + Н2 водород служит донором, а углекислый газ – акцептором электронов. Органическое вещество в этом случае синтезируется по ацетил-КоА-пути, или пути Вуда-Льюнгдала. Формирование АТФ путем субстратного фосфорилирования ограничено, а ее образование на мембранах сопряжено с восстановлением углекислоты до ацетил-КоА.

↑Виды анаэробного дыхания и использующие их микробы

Анаэробный энергодающий процесс, в котором конечным акцептором электронов служит окисленное органическое или неорганическое вещество, отличное от кислорода, называют анаэробным дыханием.

Анаэробное дыхание сопряжено  с функционированием ЭТЦ и  происходит на мембранах. Виды анаэробного  дыхания подразделяются по используемому  конечному акцептору электронов.  

Таблица

Виды анаэробного дыхания.

Процессы восстановления (редукции) акцепторов электронов приводят к образованию  продуктов, которые могут не идти непосредственно в реакции анаболизма или способны сразу ассимилироваться. В первом случае редукцию называют диссимиляционной, во втором - ассимиляционной. Анаэробное дыхание относится к диссимиляционной редукции.

Анаэробное нитратное дыхание встречается в двух модификациях. Процесс называют нитратредукцией, если восстановление нитрата идет только до уровня нитрита (NO→ NO). Такая форма нитратного дыхания присуща энтеробактериям. Восстановление нитрата до нитрита кишечной микробиотой может приводить к цианозу, когда эритроциты, блокированные нитритом, не способны переносить кислород. У некоторых микроорганизмов, восстанавливающих нитрат до нитрита, при накоплении последнего в культуральной жидкости иногда происходит ассимиляционная нитритредукция (аммонификация нитрата), не дающая энергии, но зато преобразующая нитрит в NH. Аммоний поступает в реакции синтеза аминокислот и других азотсодержащих соединений.

При восстановлении нитрата через  ряд интермедиатов до газообразного азота процесс называется денитрификацией (NO→ NO→ NO → N2O → N2). Такая форма нитратного дыхания встречается у псевдомонад и бацилл. Это единственный процесс, позволяющий превратить связанный азот в газообразный, и именно таким образом происходит вынос азота из почвы.

Микроорганизмы, осуществляющие нитратное  дыхание, относятся к факультативным анаэробам и обладают полной дыхательной  системой. Донором электронов обычно служит органическое вещество. Синтез мембрансвязанных нитрат- и нитритредуктаз индуцируется только в анаэробных условиях, а у некоторых микроорганизмов – еще и в присутствие нитрата. Процесс денитрификации необходимо учитывать в земледелии. Обеднение почвы азотом может активизироваться при неграмотном внесении удобрений и создании анаэробных условий. Одновременное внесение минеральных нитратов и навоза вместе в качестве удобрений при пониженном содержании кислорода в почве (например, после дождя) стимулирует мощную денитрификацию. Поэтому, чтобы не происходило выноса азота из почвы, необходима вспашка, т.е. создание аэробных условий, и раздельное использование минеральных и органических азотных удобрений.

При сульфатном дыхании конечным акцептором электронов служит сульфат. Физиологическую группу микроорганизмов, восстанавливающих сульфат, называют сульфатредукторами, или сульфидогенами. Эта группа объединяет представителей с разным систематическим положением.

Сульфатное дыхание можно также  назвать диссимиляционной сульфатредукцией (8[H] + SO→ H2S + 2H2O + 2OH-). Первая стадия диссимиляционного и ассимиляционного процессов одинакова, а все последующие проводятся разными ферментами. Донорами электронов могут служить молекулярный водород, органические кислоты, спирты и другие органические соединения. Сульфатредукторы способны расти гетеротрофно, причем часть их окисляет органические вещества до воды и углекислого газа, а другие осуществляют неполное окисление с образованием ацетата из-за отсутствия a-кетоглутаратдегидрогеназы в ЦТК. При истощении сульфата и наличии органических веществ сульфатредукторы могут переходить на сбраживание молочной и пировиноградной кислот с образованием ацетата и Н2. В таких условиях они становятся синтрофами, для которых обязательно присутствие группы микроорганизмов, потребляющих молекулярный водород.

У автотрофных сульфатредукторов (Н2/СО2 и SO) присутствует ацетил-КоА-путь фиксации СО2 (путь Вуда-Льюнгдала), такой же как у гомоацетогенов. В этом случае основным ферментным комплексом является СО-дегидрогеназа-ацетил-КоА-синтаза со сложным активным центром.

Серное дыхание может происходить в местообитаниях, связанных с вулканической деятельностью, где много серы в анаэробных условиях.

Больше всего серувосстанавливающих микроорганизмов обнаружено среди архей-экстремофилов.

При «железном» дыхании восстановление Fe3+ в Fe2+ термодинамически выгодно (ОВП пары +770 мВ), однако при нейтральном рН соединения трехвалентного железа практически нерастворимы в воде. В природе Fe3+ содержится в различных минералах (гематит, ферригидрит, магнетит, молвсит и т.д.). Широко распространены Fe(OH)3 и пириты FeS (FeS2).

В настоящее время обнаружены микроорганизмы, способные восстанавливать четрехвалентный марганец в двухвалентный: MnO2(IV) (нерастворимый) → MnO(II) (растворимый).

Одним из распространенных видов дыхания, где конечным акцептором служит органическое вещество, является фумаратное дыхание. К нему способны практически все микроорганизмы, имеющие электронтранспортную цепь с сукцинатдегидрогеназой (2[H+] + фумарат → сукцинат). При этом цепь переноса электронов короткая, с одним пунктом сопряжения, где происходит окислительное фосфорилирование. Это, например, энтеробактерии, вибрионы и пропионовые бактерии. К фумаратному дыханию способны также некоторые факультативно анаэробные черви (Ascaris, Fasciola, Arenicola).

Карбонатным дыханием называют анаэробное дыхание, где конечным акцептором электронов служит углекислота (или СО). Такой вид дыхания присутствует у гомоацетогенных микроорганизмов. Второй большой физиологической и систематической группой, получающей энергию с помощью карбонатного дыхания, являются образующие метан микроорганизмы, или метаногены. Это самая большая группа архей из филума Euryarchaeota, повсеместно распространенных в анаэробных местообитаниях.

Считают, что метаногены – это древнейшие организмы в истории Земли, когда атмосфера состояла из СО2, Н2 и СО. По морфологии они варьируют от простых палочек, кокков и сарцин до спиральных форм и нерегулярных коккоидов. В их клеточных стенках содержится псевдомуреин, пептиды и/или полисахариды

Метаногены могут расти в мезофильных и экстремально термофильных условиях. Они потребляют довольно узкий набор питательных субстратов. В автотрофных условиях (Н2/СО2, СО) органическое вещество у них синтезируется по ацетил-КоА-пути, причем только 5% поглощенного углекислого газа идет на биосинтез. 95% СО2 используется для получения энергии в процессе карбонатного дыхания и восстанавливается до метана. В гетеротрофных условиях роста метаногены способны использовать только уксусную кислоту, осуществляя ацетокластический метаногенез. Особым случаем гетеротрофии, при котором потребляются органические одноуглеродные соединения (без С-С-связей), является свойственная метаногенам метилотрофия. С1-соединения представляют у метаногенов третью группу питательных веществ. Это формиат, метанол, метиламин, ди- и три-метиламины и т.д. Особенно важен для метаногенов метанол, т.к. он в значительных количествах образуется в анаэробных зонах при гидролизе широко распространенных природных биополимеров пектина и лигнина.

Реакции, приводящие к образованию  метана, различаются по энергетическому  выходу. Например:

4Н2 + СО2 → СН4 + 2Н2О      ∆G°´= -135 кдж/моль метана

4НСООН → СН4 + СО2 + 2Н2О    ∆G°´= -130 кдж/моль метана

СН3СООН → СН4 + СО2       ∆G°´= -31 кдж/моль метана 

↑Аэробное дыхание и его модификации

При аэробном дыхании конечным акцептором электронов в цепи переноса является молекулярный кислород, поэтому для  облигатно аэробных микроорганизмов  он – необходимое ростовое вещество. При таком конечном акцепторе (ОВП  пары О2/Н2О +810 мВ) получается существенный выигрыш энергии по сравнению с брожением и анаэробным дыханием. Аэробные микроорганизмы могут иметь анаэробные стадии превращения сахаров или стадии брожения (например, гликолиз и молочнокислое брожение в мышцах), но исключительно за счет них эти организмы обеспечить себя энергией не могут.

У большинства микроорганизмов  аэробное дыхание принципиально  не отличается от процесса в митохондриях. ЭТЦ у прокариот расположена в цитоплазматической мембране. В зависимости от условий роста у микроорганизмов ЭТЦ может модифицироваться.

Микроорганизмы обладают широкими возможностями в использовании  различных доноров электронов. Многоуглеродные субстраты могут при дыхании подвергаться полному или неполному окислению. В первом случае единственным окисленным продуктом будет СО2, а конечным этапом окисления, как правило, цикл Кребса. При неполном окислении питательного субстрата в качестве конечных продуктов в среду выделяются наряду с углекислым газом различные органические соединения, часто схожие с продуктами некоторых брожений.

Окисление субстрата начинается с  его преобразования в вещество, которое  клетка способна транспортировать внутрь и с которым смогут работать клеточные  ферменты. У микроорганизмов подготовительными  реакциями использования биополимеров будут реакции гидролиза с  помощью выделяемых в среду ферментов. Поэтому для окисления белков некоторые патогенные, портящие продукты и почвенные бактерии и грибы  синтезируют внеклеточные протеазы, которые гидролизуют белки до коротких пептидов и аминокислот. Разложение белка микроорганизмами (аммонификация) всегда сопровождается образованием ряда продуктов: аммиака при дезаминировании аминокислот, сероводорода при расщеплении серусодержащих аминокислот (метионина, цистеина и их производных) и индола при распаде триптофана. При этом происходит подщелачивание среды. Из аминокислот при дезаминировании образуются органические кислоты (пируват, ацетат и другие интермедиаты ЦТК), которые входят в цикл Кребса для полного окисления и получения клеткой энергии. Также они могут быть использованы как источник углерода для синтезов клеточных компонентов. Аминогруппы аминокислот идут либо на анаболизм азотсодержащих веществ клетки, либо выделяются в виде иона аммония.