Водородные бактерии
К образованию молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами Н2 являются эубактерии . Также активно осуществляется и потребление Н2, важная роль в этом принадлежит водородным бактериям. Нахождение в природе и возможность размножения этих бактерий определяются рядом факторов; основные из них - наличие Н2 и аэробные условия.
Водородные бактерии привлекают к себе внимание возможностью практического использования: для получения кормового белка, а также ряда органических соединений (кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты и др.).
К водородным бактериям относят эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О2, а все вещества клетки строить из углерода СО2. Таким образом, водородные бактерии - это хемолитоавтотрофы , растущие при окислении Н2 в аэробных условиях:
Н2 + 1/2*О2 переходит в Н2О
Помимо окисления для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме . На 5 молекул Н2, окисленного в процессе дыхания, приходится 1 молекула Н2, затрачиваемого на образование биомассы:
6Н2 + 2О2 + СО2 переходит в СН2О + 5Н2О
Молекулярный водород - наиболее распространенный неорганический субстрат, используемый эубактериями для получения энергии в процессе окисления. Число бактерий, растущих хемолитотрофно на основе использования Н2 в качестве источника энергии, намного больше организмов, использующих для этой цели другие неорганические субстраты (восстановленные соединения серы, азота, железа).
Способность к энергетическому использованию Н2 может сочетаться с конструктивным метаболизмом облигатно гетеротрофного типа (например, у представителей родов Azotobacter или Acetobacter ) или происходить в строго анаэробных условиях ( сульфатвосстанавливающие бактерии ), что не позволяет относить обладающие этими особенностями организмы к водородным бактериям. Таким образом, водородные бактерии представляют только часть эубактерий, способных использовать Н2 для получения энергии. Пути использования молекулярного водорода эубактериями суммированы в табл. 31 . Водородные бактерии характеризуются способностью сочетать конструктивный метаболизм автотрофного типа (вариант 1) с получением энергии за счет окисления Н2 с участием молекулярного кислорода (вариант 3).
Впервые водородные бактерии были описаны А.Ф.Лебедевым и Г.Казерером (H.Kaserer) в 1906 г., а в 1909 г. С. Орла-Йенсен выделил их в самостоятельный род Hydrogenomonas .
Последующее изучение обнаружило сходство водородных бактерий с представителями разных родов гетеротрофных бактерий: Pseudomonas , Alcaligenes , Nocardia и др. Стало ясно, что водородные бактерии - не таксономическая группа, а организмы, объединяемые на основании нескольких физиологических признаков. Род Hydrogenomonas был ликвидирован, и виды, входившие в его состав, распределены по другим таксономическим группам.
К водородным бактериям относятся представители 20 родов, объединяющих грамположительные и грамотрицательные формы разной морфологии, подвижные и неподвижные, образующие споры и бесспоровые, размножающиеся делением и почкованием. Молярное содержание ГЦ-оснований ДНК водородных бактерий находится в диапазоне от 48 до 72%.
За исключением термофильных бактерий , выделенных в род Hydrogenobacter и характеризующихся облигатной хемолитоавтотрофией, все остальные водородные бактерии - факультативные формы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения, некоторые из них - и одноуглеродные соединения, более восстановленные, чем СО2 (окись углерода, метанол, формиат и др.). Ассимиляция СО2 происходит в восстановительном пентозофосфатном цикле . Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротрофные эубактерии . Метаболизирование органических соединений у разных представителей этой группы осуществляется с помощью гликолитического , окислительного пентозофосфатного и Энтнера-Дудорова путей , а также ЦТК и глиоксилатного шунта .
Электронтранспортная цепь водородных бактерий по составу аналогична митохондриальной ( рис. 94 ). Большинство из них относится к облигатным аэробам. Однако среди облигатных аэробов преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям О2 в среде. Особенно чувствительны к О2 водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно , а также в условиях фиксации молекулярного азота. Последнее объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу - ключевые ферменты метаболизма Н2 и фиксации N2. Для некоторых водородных бактерий показана способность расти и в анаэробных условиях, используя в качестве конечного акцептора электронов вместо О2 нитраты , нитриты или окислы железа. Примером факультативно аэробных водородных бактерий может служить Paracoccus denitrificans , у которого в аэробных условиях работает электронтранспортная цепь, аналогичная митохондриальной, а в отсутствие О2 электроны с помощью соответствующих редуктаз переносятся на NO3- и NO2-, восстанавливая их до N2 ( рис. 98 , В). Однако большая часть факультативно аэробных водородных бактерий способна к восстановлению нитратов только до нитритов.
Как известно, способность к окислению Н2 связана с наличием гидрогеназ , катализирующих реакцию: Н2переходит в 2Н+ + 2е. Гидрогеназы обнаружены у многих представителей прокариотного мира. В клетке гидрогеназы могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. По этому признаку все изученные водородные бактерии могут быть разделены на 3 группы. Большинство содержит только одну форму фермента - связанную с мембранами. Есть виды, содержащие обе формы или только растворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу.
Гидрогеназы, имеющие различную локализацию, вероятно, выполняют в клетке разные функции. Связанный с мембранами фермент не способен восстанавливать НАД+ , передает электроны непосредственно в дыхательную цепь на уровне флавопротеинов , хинонов или цитохрома b и, таким образом, имеет отношение только к энергетическим процессам. Растворимая гидрогеназа переносит электроны на молекулы НАД+, которые участвуют далее в различных биосинтетических реакциях.
Если водородные бактерии содержат обе формы гидрогеназы, функции между ними четко разделены. В случае отсутствия у водородных бактерий цитоплазматической гидрогеназы возникает проблема получения восстановителя при хемолитоавтотрофном способе их существования. Она решается с помощью механизма обратного переноса электронов на НАД+ . При функционировании только цитоплазматической гидрогеназы она выполняет обе функции: часть восстановительных эквивалентов с НАД*Н2 поступает в дыхательную цепь , другая расходуется по каналам конструктивного метаболизма . Таким образом, из всех хемолитоавтотрофных эубактерий только водородные бактерии с помощью определенной формы гидрогеназы могут осуществлять непосредственное восстановление НАД+ окислением неорганического субстрата. В электронтранспортную цепь электроны, следовательно, могут поступать с НАД*Н2 или включаться на уровне переносчиков с более положительным окислительно-восстановительным потенциалом. С этим связан энергетический выход процесса: функционирование в дыхательной цепи 3 или 2 генераторов дельта мю Н+ .
