Общая микробиология - Шлегель Г. 1987

Использование неорганических доноров водорода: аэробные хемолитотрофные бактерии
Окисление молекулярного водорода

Молекулярный водород образуется в процессе анаэробного распада органических веществ в осадках водоемов и в анаэробных участках почвы. Многие бактерии способны к использованию этого водорода. Значительная часть его подвергается окислению теми бактериями, которые живут в сообществе с выделяющими Н₂ организмами, осуществляющими брожение. Окисление Н₂ такими бактериями сопровождается восстановлением сульфата до сульфида или СO₂ до метана (см. разд. 9.4). Почти во всех группах бактерий, синтезирующих АТР путем окислительного фосфорилирования в анаэробных условиях («анаэробное дыхание»), есть формы, способные использовать молекулярный водород в качестве донора электронов (см. гл. 9, а также табл. 11.4).

Водород образуется также в хорошо аэрируемых экосистемах, например в почвах, на которых растут бобовые растения (соя, фасоль, клевер). Он освобождается в результате реакции, катализируемой нитрогеназой (разд. 13.3), и диффундирует из бактероидов корневых клубеньков (многие из которых не образуют гидрогеназу) в окружающую среду.

Таблица 11.4. Использование водорода бактериями, способными регенерировать АТР путем окислительного фосфорилирования в анаэробных условиях

11.4.1 Аэробные бактерии, окисляющие водород

Бактерии, окисляющие в аэробных условиях молекулярный водород с использованием кислорода как конечного акцептора электронов, объединяют в группу аэробных водородокисляющих (водородных) бактерий. Все они способны как к автотрофной фиксации СO₂, так и к использованию органических субстратов. Таким образом, водородные бактерии являются факультативными хемолитоавтотрофами.

Некоторые аэробные водородные бактерии могут окислять и СО, используя этот газ как единственный донор электронов и единственный источник углерода.

Выделение и рост. Аэробные водородные бактерии растут на простых питательных средах, содержащих только неорганические соли, под газовой смесью, состоящей из 70% Н₂, 20%O₂ и 10%СО₂ (по объему). Они вызывают превращения, приблизительно соответствующие уравнению

При соблюдении указанных выше условий легко поддаются выделению и накоплению водородные бактерии из почвенных и водных проб. К ним относятся наиболее быстро растущие автотрофные организмы. Мезофильные штаммы способны к автотрофному росту с временем удвоения 3 ч, а термофильные - с временем удвоения 2 ч. При гетеротрофии некоторые штаммы растут с еще большей скоростью. При благоприятных условиях роста выход сухого вещества клеток может достигать около 20 г на 1 л среды.

Систематика. С таксономической точки зрения аэробные водородные бактерии представляют собой чрезвычайно гетерогенную группу. Большинство видов относится к грам-отрицательным родам Pseudomonas, Alcaligenes, Aquaspirillum, Paracoccus и Xanthobacter. некоторые виды - к грам-положительным родам Nocardia, Mycobacterium и Bacillus (табл. 11.5). Недавно способность к аэробному автотрофному росту с использованием Н₂ была обнаружена и у ряда других бактерий (в частности, у Rhizobium, Derxia). Таким образом, ферменты, необходимые для активации Н₂ и фиксации СO₂, есть у представителей многих таксономических групп бактерий.

Использование водорода и энергетический обмен. Молекулярный водород включается в метаболические процессы с помощью гидрогеназ.

¹ < СН₂O > соответствует примерному соотношению С, Н и О в веществе клеток.

Таблица 11.5. Некоторые виды аэробных бактерий, окисляющих водород

У аэробных водородных бактерий встречаются гидрогеназы двух типов: 1) растворимые, находящиеся в цитоплазме и восстанавливающие NAD (Н₂ : NAD-оксидоредуктазы), и 2) мембраносвязанные. Лишь у немногих бактерий (Alcaligenes eutrophus, A. ruhlandii) имеются оба типа гидрогеназ. Nocardia содержит только растворимый фермент, а большинство водородных бактерий - только мембраносвязанный. Оба фермента могут поставлять водород в дыхательную цепь. Процесс регенерации АТР идет с высокой эффективностью. В отношении компонентов дыхательной цепи Alcaligenes eutrophus и Paracoccus denitrificans очень сходны с митохондриями.

Гетеротрофное и миксотрофное питание. Многие водородные бактерии разлагают гексозы и глюконат по пути Энтнера Дудорова и окисляют их до СО₂ и Н₂О. Они способны также использовать множество других органических веществ, в том числе разветвленные органические кислоты, соединения с ароматическими и гетероциклическими кольцами и даже тестостерон. В клетках могут накапливаться поли-β-гидроксимасляная кислота и гликоген.

Если в распоряжении водородных бактерий имеются наряду с неорганическими субстратами (СО₂ и Н₂) также и органические, то бактерии могут вести себя как миксотрофы, т. е. могут ассимилировать органические молекулы, синтезируя из них клеточные вещества, а необходимую для этого энергию получать путем окисления Н₂. При таких условиях нет надобности в полном окислении даже части органических питательных веществ. Способность к миксотрофному существованию присуща многим факультативным автотрофам; нужную для синтетических процессов энергию они могут получать за счет окисления восстановленных неорганических субстратов (например, сероводорода или

серы - у серных бактерий) или в результате фотосинтеза (зеленые водоросли и высшие растения).

Регуляция использования субстратов. У некоторых водородных бактерий использование субстратов строго регулируется. Например, при автотрофном росте клетки Alcaligenes eutrophus не содержат ферментов для расщепления фруктозы. Если такие клетки поместить в среду с фруктозой и инкубировать в аэробных условиях, то образуются ферменты пути Энтнера-Дудорова и клетки растут. Если, однако, инкубация происходит под газовой смесью, содержащей 80% Н₂ и 20% О₂, то не наблюдается ни синтеза ферментов, ни роста клеток. Таким образом, молекулярный водород подавляет (репрессирует) образование ферментов, необходимых для катаболизма фруктозы.

Клетки, имеющие как ферменты для расщепления фруктозы, так и гидрогеназу, при инкубации в атмосфере Н₂ + О₂ будут использовать фруктозу очень медленно: Н₂ будет ингибировать использование фруктозы (мишенью для водорода служит фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа). В присутствии Н₂ и О₂ клетки способны к образованию АТР и NADH₂. Оба этих метаболита ингибируют глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу. Резкое замедление катаболизма глюкозы in vivo объясняется торможением активности этого фермента под действием NADH₂. В описанных опытах глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа выступает как регулируемый фермент пути Энтнера-Дудорова: функция этого фермента аналогична функции фосфофруктокиназы в фруктозобисфосфатном пути.

Бактерии, использующие СО. Окись углерода образуется в природе как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Пути ее биохимических превращений и участвующие в них микроорганизмы пока недостаточно изучены. Известно, однако, что СО окисляется многими видами бактерий до СО₂. Только аэробные бактерии способны расти, используя СО как единственный донор электронов и единственный источник углерода. Окисление СО в процессе роста Pseudomonas carboxidovorans протекает согласно уравнению

Углерод ассимилируется путем фиксации СО₂ в рибулозобисфосфатном цикле. Бактерии, использующие СО (карбоксидобактерии), обычно обладают мембраносвязанной гидрогеназой и могут вести себя как водородные бактерии.