Метанобразующие бактерии: общие сведения
Предположение о биологической природе образования метана было высказано еще в XIX в. Однако изучение этого процесса и организмов, его осуществляющих, тормозилось из-за отсутствия чистых культур. Сложность заключается в чрезвычайной чувствительности большинства метанобразующих бактерий к О2. Быстрый прогресс в изучении этой группы архебактерий связан с использованием методов культивирования анаэробов, разработанных Р.Е.Хангейтом (R.E.Hungate). В качестве основных приемов используется удаление О2 из газов, в атмосфере которых осуществляются культивирование и все необходимые для работы операции, а также применение предварительно восстановленных сред.
Метанобразующие бактерии (метаногены) - морфологически разнообразная группа, объединяемая двумя общими для всех ее представителей признаками: облигатным анаэробиозом и способностью образовывать метан. Для создания таксономической структуры метанобразующих бактерий был использован филогенетический подход, основанный на сравнительном анализе нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. В соответствии с таким подходом в девятом издании Определителя бактерий Берги группа разделена на три порядка ( Methanobacteriales , Methanococcales , Methanomicrobiales ), коэффициент сходства ( SAB ) для которых составляет 0,2-0,28. Далее порядки разделены на 6 семейств (SAB=0,34-0,36) и 13 родов (Sab=0,46-0,51). Число видов достигает более 40. SAB для них колеблется в пределах 0,55-0,65. О гетерогенности группы можно судить и по нуклеотидному составу ДНК ее представителей (молярное содержание ГЦ-оснований - от 27 до 61%).
В состав группы входят бактерии с разной морфологией: прямые или изогнутые палочки разной длины; клетки неправильной формы, близкие к коккам; извитые формы. У некоторых видов наблюдается тенденция формировать нити или пакеты. Клетки неподвижные или передвигающиеся с помощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков. У представителей рода Methanosarcina в клетках найдены газовые вакуоли. Для некоторых метаногенов характерна развитая система внутриклеточных элементарных мембран, являющихся результатом разрастания и впячивания в цитоплазму ЦПМ и сохраняющих с ней связь. У этой группы архебактерий обнаружены клеточные стенки трех типов: состоящие из псевдомуреина, построенные из белковых глобул и гетерополисахаридной природы. Описан микоплазмоподобный метаноген, выделенный в род Methanoplasma , не имеющий клеточной стенки и фильтрующийся через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм.
20-30% мембранных липидов метаногенов представлены нейтральными и 70-80% - полярными липидами. Последние - это в основном два типа простых эфиров глицерина и терпеноидных спиртов (С20-фитаниловый и С40- бифитаниловый), на основе которых образуются полярные фосфо- и гликолипиды ( рис. 14 и рис. 102 ). В зависимости от вида клеточные мембраны могут содержать оба типа эфиров или только один. Основными нейтральными липидами являются С20-, С25- и С30-ациклические изопреноидные углеводороды, насыщенные или содержащие двойные связи. Запасных продуктов в виде поли-бета-оксимасляной кислоты или гликогена в клетках не обнаружено.
Метанобразующие бактерии - строгие анаэробы . Первые исследования чистых культур, выделенных из рубца жвачных животных, показали, что рост их возможен при начальном окислительно-восстановительном потенциале среды ниже -300 мВ. Рост некоторых видов полностью подавляется при содержании в газовой фазе более 0,004% молекулярного кислорода. Однако описаны виды с относительно низкой чувствительностью к О2. В их клетках найдена супероксиддисмутаза . Возможно, в природе такие виды могут сохранять жизнеспособность при кратковременных контактах с О2 и возобновлять рост в анаэробных условиях.
Большинство метанобразующих бактерий имеют температурный оптимум для роста в области 30-40 градусов по С, т.е. являются мезофилами , но есть виды, у которых оптимальная зона сдвинута в сторону более низких (25 градусов по С) или высоких (55-65 градусов по С) температур. Выделен экстремально термофильный организм Methanothermus fervidus , растущий при 55-97 градусов по С (оптимум 80 градусов по С). Все известные представители этой группы - нейтрофилы с оптимальным рН в области 6,5-7,5. Среди метаногенов есть галофилы, требующие в качестве одного из оптимальных условий для роста содержания в среде до 65-70 г/л NaCl.
В качестве источника углерода и энергии для роста метаногены используют узкий круг соединений. Наиболее универсальными источниками углерода и энергии для них является газовая смесь Н2 и СО2. Более 3/4 известных видов утилизируют Н2+СО2. Некоторые метаногены приспособились к облигатному использованию этих соединений. Следующими по распространенности источниками углерода и энергии служат формиат , ацетат , метанол , метиламины и моноокись углерода.
Около половины изученных видов не нуждаются в каких-либо органических соединениях. Для роста многих культур в атмосфере Н2 и СО2 требуется внесение в среду органических веществ, стимулирующих рост или абсолютно для него необходимых. Это могут быть некоторые витамины группы В, ацетат, пируват , сукцинат , отдельные аминокислоты, дрожжевой экстракт или компоненты неизвестного состава, содержащиеся в природных средах обитания. Так, штаммы, выделенные из рубца жвачных животных, нуждаются в добавках рубцовой жидкости. Сложные органические соединения метанобразующие бактерии использовать не могут.
В качестве источника азота метаногены используют аммонийный азот или некоторые аминокислоты. Для ряда видов показана способность к азотфиксации. Источником серы могут служить сульфаты , сульфид или серосодержащие аминокислоты.
