Классификация микроорганизмов

У многих аэробных и анаэробных почвенных  и фитопатогенных бактерий (цитофаг, миксобактерий, клостридий, эрвиний) и грибов имеются экзоферменты для гидролиза целлюлозы, ксилана древесины и луба, крахмала, пектина, агара, хитина, лигнина. Образовавшиеся при гидролизе дисахариды далее подвергаются либо гидролизу, либо фосфоролизу. Моносахара превращаются в пируват по одному из рассмотренных ранее путей: гликолизу, пентозофосфатному или КДФГ-пути. В аэробных условиях ацетил-КоА образуется из пирувата с помощью пируватдегидрогеназного комплекса с тиамином (В1) в качестве кофермента.

Липиды расщепляются микробными липазами до глицерола и жирных кислот. Глицерол затем фосфорилируется, окисляется до ДОАФ и катаболизируется через реакции гликолиза. Жирные кислоты подвергаются β-окислению до ацетил-КоА, метаболизируемого в цикле Кребса.

Ароматические соединения сначала  подвергаются атаке моно- или диоксигеназ, внедряющих в бензольное кольцо один или два атома кислорода, соответственно. Образовавшаяся β-кетоадипиновая кислота или ее производное затем расщепляется до линейного продукта, который разлагается на ацетил-КоА и сукцинат, входящие в ЦТК.

Предельные и непредельные углеводороды (кроме одноуглеродных соединений) используются почвенными микроорганизмами разных групп. Сначала они окисляются до соответствующих жирных кислот с  помощью оксигеназ, а затем подвергаются β-окислению.

Производные пуринов и пиримидинов  «входят» в ЦТК через фумарат, а пентозы – через α-кетоглутарат.

Неполное окисление многоуглеродных органических субстратов происходит либо из-за дефектов ферментных систем микроорганизмов, либо в результате существенного замедления их работы из-за неоптимальности условий культивирования.

Типичными представителями микроорганизмов, осуществляющих неполные окисления, являются уксуснокислые бактерии. Эти грамотрицательные  мелкие палочки широко распространены в природе и живут на листьях  растений. Они устойчивы к кислотам до рН=3-5 и к этанолу (9-10%). Уксуснокислые  бактерии способны образовывать органические кислоты путем неполного окисления  сахаров и спиртов. Наиболее известны два рода: Acetobacter с перитрихиальным жгутикованием иGluconobacter с полярно расположенными жгутиками. У представителей рода Acetobacter высокая активность алкогольдегидрогеназы сочетается с низкой активностью ферментов ЦТК, а у бактерий рода Gluconobacter отсутствует ключевой фермент ЦТК α-кетоглутаратдегидрогеназа. Уксуснокислые бактерии используют в биотехнологии для превращения этанола в ацетат, сорбита в сорбозу, образования глюконата и ацетона.

Многие грибы способны выделять в среду продукты метаболизма (органические кислоты и аминокислоты). Это связано  с “дезорганизацией” их метаболизма  путем изменения условий культивирования, затормаживающей деятельность определенных ферментов ЦТК. Причиной накопления промежуточных продуктов в “узких местах” может быть избыток субстрата, изменение рН и концентрации микроэлементов. С помощью грибов можно получать (в том числе и в промышленных масштабах) следующие продукты: молочную (Rhizopus nigricans, Saprolegnia), фумаровую (Mucor, Rhizopus), глюконовую (Aspergillus niger), щавелевую (многие грибы при высоком рН), лимонную (A. niger) и итаконовую (A. itaconicus, A. terreus) кислоты. L-глутаминовая кислота образуется промышленным продуцентом Corynebacterium glutamicum путем восстановительного аминирования накапливающегося интермедиата цикла Кребса - α-кетоглутаровой кислоты.

Одна из групп бактерий, использующих многоуглеродные субстраты, отличается уникальной способностью к биолюминесценции. Большинство фотобактерий (светящихся бактерий) - это морские организмы, хемоорганотрофы, сходные с представителями сем. Enterobacteriaceae. Они представляют собой грамотрицательные, факультативно анаэробные палочки, передвигающиеся с помощью жгутиков. Большинство склонно к психрофилии и является галофилами. В анаэробных условиях осуществляют смешанное брожение. По большей части, это свободноживущие микроорганизмы, но есть и симбионты морских животных (рыб и моллюсков). Например, Photobacterium phosphoreum и P. leiognathi живут в светящихся органах рыб.

Свечение наблюдается только в  присутствии кислорода и осуществляется совместно с аэробным дыханием. У  фотобактерий имеется обычная дыхательная  цепь и работает цикл Кребса. Обычно бактерии испускают сине-зеленый  свет (472-505 нм), но один штамм Vibrio fisheri светится желтым светом с длиной волны 545 нм. Свет испускает возбужденный флавин под действием фермента люциферазы при окислении альдегида с 13-18 атомами углерода в молекуле. 

Система люциферазы очень чувствительна к различным загрязнениям, поэтому светящиеся микроорганизмы можно использовать в неизбирательных экспресс-тестах на общую токсичность.

Использование одноуглеродных соединений (метилотрофия) характеризуется определенными особенностями метаболизма. Одноуглеродными (С1-) соединениями называют такие углеродсодержащие вещества, в состав молекулы которых входит один или несколько атомов углерода, не связанных С-С связями. Физиологическая группа, способная расти на одноуглеродных соединениях, называется метилотрофными микроорганизмами.

Наибольшее значение имеют такие  С1-соединения как метан, выделяемый метаногенами, метанол, образуемый при разложении пектина и лигнина, продукт смешанного брожения формиат и метиламины, получающиеся при гибели морских животных и растений. Формальдегид в свободном виде не встречается. Формиат никогда не накапливается в больших количествах. Триметиламин образуется из N-окиси триметиламина, которая синтезируется у морских обитателей как осморегулятор, поддерживающий в цитоплазме их клеток осмотическое равновесие.

В анаэробных условиях С1-соединения используются различными группами микроорганизмов. Метан в отсутствии кислорода  может окисляться до СО2 только ассоциацией по крайней мере двух микроорганизмов – метаногенного архея и сульфатредуцирующей бактерии, и анаэробное окисление метана количественно связано с восстановлением сульфата.

Метанол в анаэробной зоне используется сульфатредукторами, гомоацетогенами или метаногенами. Формиат может расщепляться самими энтеробактериями, образующими его при смешанном брожении.

Окисление метана в аэробных условиях происходит в соответствие со схемой:

СН4 → СН3ОН → НСОН → НСООН → СО2

Метилотрофы подразделяют на факультативных и облигатных. Факультативные метилотрофы способны использовать как одно-, так и многоуглеродные соединения. Облигатные метилотрофы растут только на С1-соединениях. Среди них выделяют группу, способную окислять только метан (метанотрофы). Другие одноуглеродные соединения (обычно метанол) они окисляют значительно реже и менее эффективно.

Метанотрофы – это грамотрицательные микроорганизмы, обладающие хорошо развитой системой внутрицитоплазматических мембран, на типе которой и строится их первичная классификация. I тип представляет собой стопки «тарелочек» и характерен для семейства Methylococcaceae. II тип этой системы имеет мембраны, параллельные ЦПМ и не пересекающие центр клетки, и встречается в семействе Methylosinaceae. Только члены рода Methylocella обладают уникальной системой в виде мембранных везикул.

В природе метилотрофы играют важную роль в глобальном цикле углерода. Они являются бактериальным газовым фильтром для метана, выделяемого в атмосферу метаногенными археями.

Окисление восстановленных неорганических соединений для получения энергии, сопряженное с построением клеточного материала из СО2, свойственно только прокариотам. Такой “modus vivendi” носит название хемолитоавтотрофии. Процесс хемолитоавтотрофии был открыт в 1887 году С.Н. Виноградским, работавшим в ту пору в Страсбурге в лаборатории А. де Бари. Исследуя метаболизм бесцветной нитчатой серобактерии из рода Beggiatoa, растущей на поверхности донных осадков в застойных водоемах, ученый заметил, что клетки росли и размножались, окисляя Н2S и откладывая элементарную серу в цитоплазме. При исчерпании сероводорода микроорганизмы окисляли отложенную серу до сульфата. В 1902 г. А.Натансоном были выделены первые тиобациллы, а в 1904 г. М. Бейеринк показал, что Thiobacillus thioparus и T. thiooxidans (в настоящее время относимая к роду Acidithiobacillus) используют в своем метаболизме сероводород. В настоящее время известно значительное число микроорганизмов, способных окислять восстановленные соединения серы. Их называют тионовыми микроорганизмами. Эти микроорганизмы принимают участие в глобальном цикле серы, окисляя ее восстановленные соединения до сульфатов. Сероводород образуется повсеместно в процессе аммонификации и окисляется тионовыми микроорганизмами по достижении аэробной зоны. Природные выходы элементарной серы на поверхности земли (сольфатары) имеются в районах с вулканической активностью.

Тионовые микроорганизмы являются, в основном, аэробами. Короткий период они могут существовать без кислорода, окисляя сероводород в процессе нитратного дыхания, но при наличии подвижности активно покидают анаэробные местообитания.

Традиционно организмы, окисляющие восстановленные  соединения серы, делят на две группы: I группа окисляет сероводород и  откладывает элементарную серу в  виде капель внутри клеток, а II группа никогда серу внутри клеток не откладывает. К I группе относятся морфологически своеобразные микроорганизмы. Это представители  родов Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca, Thiospirillopsis, Achromatium, Thiobacterium, Macromonas, Thiospirа, Thiovulvum, Bilophococcus. В эту группу входят грамотрицательные бесцветные клетки разной морфологии (крупные кокки и овалы, мелкие спирали, нити и длинные палочки), растущие на средах с H2S и откладывающие серу в клетках. Большинство образует мощные капсулы или чехлы. Они обычно растут на границе аэробной и анаэробной зон (в зоне хемоклина стратифицированных озер), образуя налет на донных осадках.

II группа тионовых микроорганизмов – это одиночные небольшие палочковидные клетки, относящиеся к родам Thiobacillus, Acidithiobacillus, Sulfobacillus. Они никогда не откладывают элементарную серу в клетках и проводят процесс до образования сульфата. Микроорганизмы этих родов различаются по отношению к рН: первые растут при слабокислых значениях рН, а ацидитиобациллы и сульфобациллы - при рН<4,0 (до 1,5). Большинство представителей этой группы – мезофилы. Они широко распространены и обитают в почвах, соленых болотах, в зоне термоклина стратифицированных озер, в сольфатарах, там, где на выходе горячих серных источников на поверхности образуются желтые осадки элементарной серы, в сточных водах, в кислых шахтных водах (рН 2,5-1,5). Наличие в щелочных почвах тиобацилл иногда используют для «исправления» рН: в почвы вносят порошок серы, и образующийся при ее окислении SO подкисляет почву. При температуре выше 50оС серу окисляют археи (Sulfolobus, Acidianus) или представители рода Sulfobacillus.

Следующая группа хемолитоавтотрофов - это металлокисляющие микроорганизмы. Наиболее изучены виды, способные окислять Fe2+ до Fe3+. Такие микроорганизмы легко обнаруживаются в природных водоемах в виде обрастаний нижней части водных растений. Большинство железоокисляющих микроорганизмов растут при средних температурах в аэробных условиях, экстремальные термофилы встречаются только среди архей. При рН<7,0 Fe2+ стабилен, поэтому в таких природных местообитаниях развиваются ацидофильные железоокислители. Они, как правило, заключены в слизистые чехлы, которые постепенно инкрустируются гидроксидом железа (III). Лишь некоторые представители железоокислителей (например,Galionella ferruginea) растут в нейтральных средах. Поскольку при рН=7,0 в аэробных условиях Fe2+ нестабилен, то галионеллы обитают на выходе подземных ключей, где концентрация кислорода очень низкая. G. ferruginea была выделена Х.Г.Эренбергом в 1836 г. Это фасолевидные клетки, прикрепляющиеся к поверхности с помощью слизистой скрученной ножки, инкрустированной Fe(OH)3.

Выделены микроорганизмы, способные  окислять и другие металлы с переменной валентностью (Cu2+, U4+, As3+, Sb3+, Mo4+, Se0, Zn2+, Co2+, Pb2+, Ni2+, Au0 и т.д.).

Процесс превращения аммиака в  нитрат использовался в Европе для  получения селитры при изготовлении пороха задолго до того, как стала  известна его микробная природа. Земляные валы поливали кровью животных со скотобоен, перекапывали для обогащения кислородом и вносили золу для  нейтрализации и как источник калия. Белки крови разлагались  под действием почвенных микроорганизмов  с выделением аммиака, который окислялся нитрифицирующими бактериями до нитрата. При реакции нитрата с ионами калия из золы образовывался выцвет селитры, который растворяли и выпаривали.

Нитрифицирующие микроорганизмы –  это грамотрицательные виды, объединенные по способности окислять аммиак, а  не филогенетически. Названия родов  нитрификаторов I фазы обычно начинается с Nitroso- , а нитрификаторов II фазы – с Nitro-. Микроорганизмы I и II стадий нитрификации в природе всегда живут вместе, и ядовитый нитрит, образованный бактериями I стадии, быстро потребляется нитрификаторами II фазы. Клетки различной формы (палочковидные, изогнутые, спиральные, кокковидные) могут быть подвижными в молодом возрасте, а при старении формируют биопленки. Нитрификаторы имеют в разной степени развитые внутриклеточные разрастания ЦПМ. Так, у Nitrosomonas они параллельны мембране клетки, уNitrosococcus образуют стопки ламелл, у Nitrosolobus формируют инвагинации.

Процесс нитрификации происходит в  две стадии: NH→ NO→ NO. На I стадии аммиак проникает в клетки и окисляется монооксигеназой до гидроксиламина: NH3 + ½O2 → NH2OH. Эта реакция идет с затратой энергии в виде восстановителя. При окислении гидроксиламина периплазматической гидроксиламиноксидоредуктазой образуется нитрит (NH2OH + Н2О → HNO2 + 4H+ + 4ē).

II стадия нитрификации приводит  к окислению нитрита в нитрат  с участием мембрансвязанного фермента нитритоксидоредуктазы: NO + H2O → NO+ 2H+ + 2ē и 2H+ + 2ē + ½O2 → H2O. Нитрификация может происходить и в анаэробных условиях. Показано, что в анаэробных реакторах, осуществляющих очистку стоков от соединений азота, аммоний окисляется в присутствии нитрита: 15NH+14NO→ 14, 15N2↑ + H2O. Процесс получил название АнАммОкс (anammox – anaerobic ammonia oxidation), а наличие такой реакции доказано с помощью меченых соединений. Анаэробное окисление аммония осуществляют особые бактерии-планктомицеты, входящие в филум Planctomycetes. Этот процесс всегда происходит автотрофно.

Некоторые гетеротрофные почвенные  бактерии и плесневые грибы способны к гетеротрофному окислению аммиака (аммония). В этом случае ионы аммония  окисляются до нитрата без запасания  энергии. Такой процесс наносит  вред сельскому хозяйству, поскольку  приводит к вымыванию связанных  форм азота из почвы вследствие перевода аммонийного азота в более растворимые нитратные формы.