Сульфатредуцирующие бактерии

Физиологическую группу бактерий, восстанавливающих сульфат (их называют также десульфатирующими, сульфатредуцирующими или сульфидобразующими), отличает способность к переносу водорода с суб­страта на сульфат как конечный акцептор электронов и, таким образом, к восстановлению сульфата до сульфида. В этом процессе происходит перенос электронов, и в нем участвует цитохром с. Энергия запасается благодаря фосфорилированию в электрон-транспортной цепи в анаэ­робных условиях:

Поскольку такое восстановление сульфата обладает формальным сходством с дыханием, при котором акцептором водорода служит кис­лород, принято говорить о сульфатном дыхании,или о диссимиляционной сульфатредукции. Главным продуктом такого процесса является сероводород:

8[Н] + SO₄ -» H₂S + 2Н₂0 + 20Н-

Болышая часть сероводорода, образующегося в природе, возникает бла­годаря этой реакции. Сульфатредуцирующие бактерии являются, в от­личие от нитратредуцирующих, облигатными анаэробами, т.е. ну­ждаются в строго анаэробных условиях.

Сульфатредуцирующие бактерии-это физиологическая группа, для которой характерна способность к образованию сероводо­рода из сульфата (табл. 1). Донорами водорода служат простые низ­комолекулярные соединения, образующиеся при анаэробном разложе­нии биомассы, главным образом целлюлозы: лактат, ацетат, пропионат, бутират, формиат, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный водород.

По степени усвоения органических кислот различают две группы сульфатредуцирующих бактерий:

1. Бактерии, относящиеся к первой группе, окисляют донор водорода не полностью и выделяют уксусную кислоту. Таковы виды спорообра-зующего рода Desulfotomaculum (D.nigrificans, D. orientis и D. ruminis) и неспорообразующего рода Desulfovibrio (D. vulgaris, D.desulfuricans, D. gigas, D. thermophilus и другие).

2. Вторая группа включает роды и виды, часть которых может расти, используя спирты, ацетат, высшие жирные кислоты или бензоат, а другие способны даже к хемоавтотрофному росту в присутствии водорода и формиата. К этой группе относятся спорообразователи (Desulfotomaculum acetoxidans), а также неспорообразующие палочки(Desulfobacter), кокки (Desulfococcus), сардины (Desulfosarcina), ните­видные формы, передвигающиеся путем скольжения (Desulfonema), и некоторые другие бактерии.

Восстановление сульфата.

Почти все бактерии, грибы и зеленые рас­тения способны использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серусодержащих амино­кислот, путем «ассимиляционной сульфатредукции». Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для асси­миляционного восстановления сульфата. Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации. Восстановление сульфата в клетке начинается с его активации, на кото­рую непосредственно затрачивается энергия АТР (рис. 1); с помощьюАТР-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТР обменивается на сульфат:

ATP + S0₄ → Аденозин-5^'фосфосульфат

Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом ак­тивации является аденозин-5-фосфосульфат (АФС). Последующие реак­ции могут быть различными. На пути ассимиляционного восстановле­ния сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТР фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливает­ся сначала до сульфита, а затем до сульфида. При диссимиляционной сульфатредукции АФС с помощью АФС-редуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием AMP.

Восстановление сульфита до сульфида происходит, видимо, у разных бактерий по-разному. С помощью сульфитредуктазы сульфит прямо восстанавливается до сульфида (на что затрачивается 6 электронов) без образования промежуточных продуктов. В такого рода восстановлении как и в ассимиляционной сульфитредукции - участвуют, по-види­мому, железопорфириновые соединения (десульфовиридин, десульфору-бидин). Второй механизм состоит в последовательном трехступенчатом восстановлении сульфита с образованием промежуточных продуктов, таких как тритионат и тиосульфат (рис. 1). Предполагается, что элек­троны для восстановления сульфита доставляются цитохромами (у од­них бактерий -цитохромом Ь, у других-цитохромом с).

Фосфорилирование, сопряженное с переносом электронов. Предположе­ние о такого рода фосфорилировании у сульфатредуцирующих бакте­рий основано на данных о наличии цитохромов и железосерных белков в плазматических мембранах, а также о высоком выходе энергии. Ци-тохром с₃ обладает, по сравнению с другими цитохромами, весьма низ­ким окислительно-восстановительным потенциалом (Јj = - 205 мВ) и находится на внешней поверхности мембраны или в периплазматиче-ском пространстве.

У хорошо изученных видов сульфатредуцирующих бактерий была обнаружена конститутивная гидрогеназа (Н₂ :цитохром-с₃-оксидо-редуктаза), с помощью которой Н₂ может как поглощаться и активиро­ваться, так и выделяться в окружающую среду. Некоторые сульфатре-дуцирующие бактерии растут в присутствии Н₂ и сульфата как един­ственных источников энергии. Способность к восстановлению сульфата с помощью Н₂ и к образованию больших количеств сероводорода, не связанному с заметным ростом, вероятно, характерна для большинства сульфатредуцирующих бактерий.

Перенос электронов с Н₂ как донора, сопровождающийся восстано­влением 1 моля сульфата до 1 моля сульфида, вероятно, сопряжено с регенерацией 3 молей АТР, из которых, однако, 2 моля расходуются на активацию сульфата.

Окисление органических субстратов.

Классические сульфатредуци-рующие бактерии, которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют органические субстраты не до Н₂0 и С0₂, а до уксусной кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако недавно было выделено несколько ви­дов, способных окислять ацетат, высшие жирные кислоты и бензоат.

Ассимиляция органических субстратов. Энергия, получаемая сульфат-редуцирующими бактериями в результате окислительного фосфорили-рования, делает возможной ассимиляцию органических веществ (орга­нических кислот, аминокислот и т.п.). Некоторые штаммы способны синтезировать клеточные компоненты из ацетата и С0₂, если донором водорода служит Н₂. Организмы, ассимилирующие органические веще­ства в процессе окисления неорганического донора электронов, можно называть хемолитогетеротрофами. Фиксация С0₂ в цикле Кальвина у данной группы микроорганизмов не обнаружена.

Брожение без сульфата. Некоторые сульфатредуцирующие бактерии обладают способностью расщеплять лактат или пируват в отсутствие сульфата. Вместо окисления пирувата 4СН₃-СО-СООН + H₂S0₄ -► 4СН₃-СООН + 4С0₂ + H₂S

они осуществляют брожение с выделением Н₂:

СН₃-СО-СООН + Н₂0 → СН₃-СООН + С0₂ + Н₂

Таким образом, сульфатредуцирующие бактерии можно отнести к микроорганизмам, осуществляющим брожение.

Получение накопительных культур и выделение. Для выделения суль­фатредуцирующих бактерий необходимо использовать питательную среду, содержащую подходящий донор водорода, пригодный для асси­миляции углеродный субстрат, минеральные вещества и сульфат; необ­ходимо поддерживать анаэробные условия и достаточно низкий окисли­тельно-восстановительный потенциал (£₀' = - 200 мВ) (рис. 2).

Распространение и роль сульфатредуцирующих бактерий в природе. Сульфатредуцирующие бактерии встречаются главным образом в серо­водородном иле, где органические вещества подвергаются анаэробному разложению. Эти бактерии, по-видимому, специально приспособлены к использованию продуктов неполного разложения углеводов-таких веществ, как жирные кислоты, гидроксикислоты, спирты и водород. Ос­новную массу образующегося в природе сероводорода следует считать конечным продуктом сульфатного дыхания. Загрязненные воды содер­жат от 10⁴ до 10⁶ сульфатредуцирующих бактерий на 1 мл, а сероводо­родный ил-до 10⁷.

Большинство разрабатываемых месторождений серы (например, в Те­хасе, Луизиане и Мексике) имеет невулканическое происхождение; это отложения биогенной серы прошлых геологических эпох. Путем восста­новления сульфатов морской воды за счет органических отходов (сточных вод) с помощью сульфатредуцирующих бактерий можно полу­чать сероводород, а следовательно, и серу.

Большое экономическое значение имеет косвенный результат жизне­деятельности сульфатредуцирующих бактерий (например, Desulfovib-rio) - анаэробная коррозия железа. Во влажной среде ионизация желе­за может происходить и в анаэробных условиях:

(1) Окисление железа:

4Fe + 8Н⁺ → 4Fe²⁺ + 4Н₂

Обычно образующаяся при этом пленка из молекулярного водорода предохраняет железо от дальнейшего разрушения. Однако в присут­ствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии в среде сульфатов происходит катодная деполяризация, и тогда железо окисляется даже в отсутствие кислорода;

(2) Восстановление сульфата:

4Н₂ + SO^2- → H₂S + 2Н₂0 + 20Н-

(3) Образование сульфида железа (выпадающего в осадок):

4Fe²⁺ + H₂S + 20Н⁺ + 4Н₂0 → FeS + 3Fe(OH)₂ + 6Н⁺

Суммарная реакция (1-3):

4Fe + БОГ + 2Н₂0 + 2Н⁺ → FeS + 3Fe(OH)₂

Обусловленное такой коррозией повреждение железных труб весьма убыточно.

Способность сульфатредуцирующих бактерий использовать органи­ческие кислоты, спирты и даже молекулярный водород, образующийся при поляризации железа, в качестве доноров водорода лежит в основе способа получения накопительных культур этих бактерий (рис. 2).

Сульфатредуцирующие бактерии считают ответственными за высо­кое содержание сероводорода в глубинных слоях Черного моря (глубже 200 м). В Венеции гондолы красят обычно в черный цвет; по-видимому, это защитная мера, связанная с тем, что красители, содержащие тя­желые металлы, изменяют под влиянием H₂S свой первоначальный цвет.