Лысак В.В. Микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

вываться его соединения с валентностью от –3 до +5 (в зависимости от

окислительно-восстановительных условий).

Круговорот азота состоит из четырех этапов (рис. 111):

Промыш-

ленные и

выхлоп-

ные газы

Молнии

Вулканы

Осадки

Удобрения

Моча

АС Ископаемые

Симбио-

тические

азотфик-

сирующие

бактерии

Останки живот-

ных и

астений

−

Свободножи-

вущие азот-

фиксирующие

бактерии

АЗ

Гниение

АМ

−

Рис. 111. Схема круговорота азота:

1 – деятельность человека; 2 – природная активность;

АМ – аммонификация; АС – ассимиляция растениями и микроорганизмами;

АЗ – азотфиксация; Д – денитрификация; Н – нитрификация

Первый этап – фиксация молекулярного азота. Он осуществляется

аэробными и анаэробными азотфиксирующими микроорганизмами, ко-

торые могут быть свободноживущими и симбиотическими. Конечным

продуктом азотфиксации является ион аммония NH

, который ассими-

лируют микроорганизмы и растения и включают в азотсодержащие ор-

ганические вещества.

407

Второй этап круговорота азота, получивший название аммонифика-

ции, приводит к высвобождению аммиака, но уже в результате процес-

сов минерализации органического вещества.

Аммонификации подвергаются вещества самой разнообразной струк-

туры – белковые соединения, аминосахара, нуклеиновые кислоты, алка-

лоиды, мочевина и другие, причем освобождающийся аммиак расходует-

ся по-разному. Часть его адсорбируется в обменных

реакциях почвы,

часть используется гетеротрофными микроорганизмами и превращается

в белки их клеток; некоторое количество аммиака окисляется хемолито-

трофами до нитритов и нитратов. Он также может остаться в свободном

состоянии и выделяться в атмосферу.

В аммонификации принимают участие многие микроорганизмы,

включая неспорообразующие и спорообразующие бактерии, актиноми-

цеты, микроскопические грибы. В зависимости от

стадии минерализации

органического вещества доминируют те или другие представители. Ак-

тивными возбудителями аммонификации являются бактерии рода Pseu-

domonas, Bacillus, Proteus и др.

Расщепление белков начинается с гидролиза, осуществляемого вне-

клеточными гидролитическими ферментами, выделяемыми аммонифи-

каторами. В результате образуются более простые продукты: белок →

пептоны → пептиды → аминокислоты. Аминокислоты ассимилируются

бактериями

как источники питания, и под действием внутриклеточных

ферментов дезаминаз от них отщепляется аммиак – конечный продукт

аммонификации. Чаще всего наблюдается гидролитическое и окисли-

тельное дезаминирование, реже – дезаминирование, приводящее к обра-

зованию ненасыщенных соединений; для анаэробных условий характер-

но восстановительное дезаминирование.

Наряду с дезаминированием может происходить и декарбоксилиро-

вание аминокислот. Обычно в кислой

среде наблюдается декарбоксили-

рование, в щелочной – дезаминирование. Обе ферментные системы – де-

заминазы и декарбоксилазы – действуют как механизмы нейтрализации

среды, в результате чего рН поддерживается на уровне, обеспечивающем

нормальную жизнедеятельность клетки. При декарбоксилировании ами-

нокислот образуются первичные амины, такие как кадаверин, путресцин

(трупные яды), и выделяется углекислый газ.

Дезаминированию подвергаются вещества

и небелковой природы,

например мочевина. Большое число бактерий способно использовать мо-

чевину в качестве источника азота. Мочевина расщепляется гидролити-

ческим ферментом уреазой:

408

N–CO–NH

+ H

O 2NH

+ CO

У большинства бактерий синтез уреазы подавляется ионами аммо-

ния. Благодаря этому количество образующегося и выделяющегося ам-

миака не превышает того, что требуется для синтеза белков. Лишь у не-

многих бактерий, известных своей способностью разлагать мочевину

(Bacillus pasteurii, Sporosarcina urea, Proteus vulgaris и др.), уреаза пред-

ставляет собой конститутивный фермент; для ее образования не

требует-

ся индукции мочевиной и аммиак не подавляет ее синтез. Поэтому эти

бактерии могут расщеплять всю имеющуюся мочевину (например, в ко-

нюшнях) до аммиака. В результате рН среды сдвигается до значений 9–

10, к которым эти бактерии приспособлены.

На третьем этапе круговорота азота происходит нитрификация: об-

разовавшийся при аммонификации аммиак окисляется до

нитритов и

нитратов.

Типичные нитрификаторы относятся к хемолитоавтотрофам. Процесс

нитрификации является двухфазным, причем каждая фаза осуществляет-

ся различными видами бактерий.

Кроме типичных нитрификаторов, многие гетеротрофные бактерии

родов Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Xanthomonas способны окис-

лять аммиак и другие восстановленные соединения азота до нитритов и

нитратов. Этот тип нитрификации получил название гетеротрофной. В

отличие от нитрификации, осуществляемой хемолитотрофными бакте-

риями, гетеротрофная нитрификация не является источником энергии

для бактерий.

Гетеротрофная нитрификация широко распространена в природе,

особенно там, где аммиак образуется в условиях высокого содержания

органического вещества, например в компостах, сточных водах.

Нитраты, образующиеся в процессе нитрификации, потребляются

определенными растениями и микроорганизмами, имеющими ассимиля-

ционную

нитратредуктазную активность. Если нитраты служат не только

источниками азота, но и акцепторами электронов в бескислородных ус-

ловиях, говорят о денитрификации. В результате ее образуется либо

, либо N

, который выделяется в атмосферу и возвращаются в цикл.

Этот процесс протекает с высвобождением NO и NO

в качестве побоч-

ных продуктов, которые также поступают в атмосферу, где действуют

как газы, создающие парниковый эффект.

409

10.3. Участие микроорганизмов в биологическом

круговороте серы в природе

В природе постоянно происходят многообразные превращения серы,

где основную роль играют микроорганизмы, и только один из этапов

серного цикла (ассимиляционная сульфатредукция) может происходить

без участия прокариот (рис. 112).

Аэробные условия

Сульфатное

дыхание

Анаэробные условия

Ассимиляционная

сульфатредукция

−2

Минерализация

Органические

серосодержащие

вещества

Аноксигенный

фотосинтез

Серное

дыхание

Аэробное

окисление

Аэробное

окисление

Рис. 112. Схема круговорота серы

Микроорганизмы осуществляют три важнейших этапа в превраще-

нии серы: минерализацию органической серы, окисление и восстановле-

ние минеральной серы. Эти этапы определяют три основные формы при-

родной серы: органическую серу (белки, аминокислоты); сульфаты и

сульфиты; сероводород и сульфиды.

В процессе минерализации органической серы участвуют многочис-

ленные неспециализированные гетеротрофные микроорганизмы (аэроб-

ные и

анаэробные бактерии, грибы и некоторые актиномицеты). В на-

стоящее время установлено, что в процессе минерализации серосодер-

410

жащих соединений образуется не только сероводород, но и другие со-

единения: меркаптаны, минеральная сера и сульфаты.

Окисление минеральной серы, получившее название сульфофика-

ции, включает процессы окисления сероводорода, элементарной серы,

тио- и тетрасоединений до серной кислоты. Эти процессы вызываются

особыми группами бактерий – бесцветными серобактериями, зелеными и

пурпурными серными бактериями, тионовыми бактериями и

некоторыми

железобактериями, широко распространенными как в почвах, так и в во-

доемах. В анаэробных условиях H

S могут окислять и денитрифици-

рующие бактерии.

Восстановление сульфатов как наиболее распространенной в биосфе-

ре формы серы до сероводорода осуществляется облигатными сульфат-

редуцирующими анаэробами в процессе диссимиляционной сульфатре-

дукции (сульфатное дыхание). В качестве конечного акцептора электро-

нов они используют сульфаты, донором электронов могут служить раз-

личные органические соединения и молекулярный водород.

Восстановление сульфатов до сульфидов с последующим включени-

ем их в состав органических веществ (цистина, цистеина, метионина, ко-

фермента А, биотина, тиамина, липоевой кислоты) происходит в процес-

се ассимиляционной сульфатредукции, в которой могут принимать уча-

стие растения или микроорганизмы.

Следует отметить, что в природе может происходить восстановление

и элементарной серы в процессе

серного дыхания, которое осуществля-

ют анаэробные бактерии Desulfuromonas acetoxidans, использующие ее в

качестве конечного акцептора электронов. Сера восстанавливается при

этом также до сероводорода.

В общем глобальном цикле серы можно выделить отдельные круго-

вороты меньшего масштаба, функционирующие в определенных эколо-

гических условиях. Например, фототрофные пурпурные серные бактерии

окисляют H

S с образованием

S + CO

[CH

O] + SO

−2

Условием для продолжения деятельности пурпурных серных бакте-

рий является удаление сульфат-иона, что обеспечивается метаболизмом

анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, образующих H

На примере бактерий серного цикла можно проиллюстрировать и од-

но из интересных открытий, связанных с биогеохимической деятельно-

стью живых организмов: установление эффекта фракционирования ими

изотопов. Суть данного явления заключается в том, что компоненты жи-

вой клетки и ее метаболиты, как правило, обогащены легкими изотопами

411

элементов. В результате микробиологической сульфатредукции в био-

сфере произошло разделение серы на две части: серу биогенных серни-

стых газов и сульфидов (

S) и серу сульфатов, обогащенных изотопом

S. В воде морей и океанов преобладает изотоп

S, а в донных отложе-

ниях и осадочных породах присутствует значительное количество суль-

фида железа биогенного происхождения.

Следует отметить, что для двух известных и наиболее широко рас-

пространенных изотопов углерода

С и

С также показано, что рибуло-

зо-1,5-дифосфаткарбоксилаза более интенсивно поглощает

СО

включает его в органическое вещество. Карбонаты, как вторая форма на-

хождения углерода в биосфере, обогащены тяжелым изотопом.

10.4. Участие микроорганизмов в биологическом

круговороте фосфора в природе

Фосфор, относящийся к группе биогенов, представляет собой хими-

ческий элемент, без которого невозможны основные биосинтетические

реакции в клетке. Более того, считается, что рост, накопление биомассы

и продуктивность живых организмов определяются соотношением N : P,

которое может варьировать от 10–15 до 2. Однако почти во всех эколо-

гических системах фосфора меньше, чем азота, и именно он лимитирует

массу живого вещества. Кроме того, содержание фосфора в реакциях

анаболизма тесно сопряжено с содержанием органического углерода и

выражается как 100 : 1.

В живых организмах фосфор присутствует только в пятивалентном

состоянии в виде свободных фосфатных ионов (PO

) или органических

фосфатных компонентов клетки. Живые клетки не способны поглощать

большинство органических соединений, они предпочтительно использу-

ют соединения неорганического ортофосфата, из которых внутри них

синтезируются органические фосфорсодержащие соединения. После от-

мирания организмов происходит минерализация этих соединений с по-

мощью микроорганизмов и фосфатный ион снова освобождается.

−3

Однако несмотря на быстрое функционирование

круговорота фосфо-

ра и относительное обилие фосфатов в почвах и горных породах, вслед-

ствие малой растворимости фосфорных минералов (апатитов, варисци-

тов, фосфатов железа и кальция) содержание неорганического фосфата

во многих природных местообитаниях ограничено. Доступность фосфа-

тов лимитируется также их способностью адсорбироваться на органиче-

ских и неорганических полимерах. Все это приводит к

тому, что фосфат

служит фактором, ограничивающим рост многих организмов.

412

Микроорганизмы осуществляют следующие преобразования соеди-

нений фосфора: перевод в растворимую форму фосфатных минералов,

включение неорганического фосфата в органические соединения клеток

и минерализацию органических соединений фосфора.

Растворение минеральных фосфатов осуществляется с помощью ки-

слот (органических или неорганических), которые являются продуктами

метаболизма микроорганизмов. Органические кислоты (щавелевая, гли-

колевая, уксусная, молочная, лимонная и др

.), синтезируемые многими

гетеротрофными бактериями и грибами, лучше растворяют апатиты, так

как кроме снижения рН они образуют хелаты с кальцием. Гуминовые ки-

слоты, освобождаемые из разлагающихся органических веществ, могут

образовывать хелаты с кальцием, железом или алюминием, освобождая

ортофосфат. Продукты метаболизма хемолитотрофных бактерий – азот-

ная и серная кислота приводят к высвобождению ортофосфата

из фосфо-

ритов. Кроме того, Н

S, выделяемый в процессе жизнедеятельности мно-

гими микроорганизмами, приводит к растворению фосфатов железа.

Включение (иммобилизация) растворимых фосфатов в растущие

клетки микроорганизмов наблюдаются во всех экосистемах, но количе-

ство вовлекаемого фосфора невелико. В водной экосистеме основную

массу фосфора накапливает фитопланктон. Известно лишь, что бактери-

альные клетки содержат значительно большее количество фосфора (1,5–

25 % сухого

вещества), чем грибы (0,5–1,0 %) или растения (0,005–

0,5 %). В последние годы отмечается роль в иммобилизации фосфора и

грибов-эндомикоризообразователей. За счет наличия кислых фосфатаз

они улучшают снабжение фосфором растений при внедрении гиф и об-

разовании везикулярно-арбускулярной микоризы.

Минерализацию фосфорсодержащих органических веществ осущест-

вляют почти все гетеротрофные микроорганизмы, синтезирующие раз-

личные ферменты, такие

как нуклеазы, фосфолипазы, фитазы и др.

Круговорот фосфора в основном является однонаправленным, так как

растворимые фосфаты постоянно переносятся из почвенной среды в мо-

ря и океаны и вследствие выщелачивания осаждаются в них. Единствен-

ный источник поступления (возвращения) фосфатов на сушу – процессы

выветривания. Кроме того, отличительной особенностью круговорота

фосфора от других

биогенных элементов является отсутствие его в виде

газообразных соединений.

При техногенных загрязнениях водоемов сточными водами богатыми

фосфатами, содержащимися в детергентах, инсектицидах и т. п., наблю-

дается чрезмерное размножение в них водорослей и резкое увеличение

их продуктивности. Это приводит к серьезным экологическим пробле-

413

мам современности – переходу водоемов от олиготрофного состояния к

эвтрофному. Повышение уровня первичной продукции при эвтрофика-

ции связано с накоплением в водоемах органического вещества при раз-

ложении водорослей, которое не успевает минерализоваться. Кроме того,

в процессе разложения органического вещества водорослей происходит

интенсивное поглощение кислорода гетеротрофами, что может привести

к истощению в водоеме

запаса растворенного кислорода и последующей

гибели его животного мира (в первую очередь рыбы). Такая постепенная

биологическая деградация пресноводных водоемов в настоящее время

приобрела широкие масштабы. Решение этой проблемы возможно толь-

ко при прекращении сбросов в водоемы сточных вод и их очистке.

414

ЛИТЕРАТУРА

Альберт, С. Б. Молекулярная биология клетки: в 3 т. / С. Б. Альберт, [и др.]. М.:

Мир, 1994. Т. 1–3.

Брода, П. Плазмиды / П. Брода. М.: Мир, 1982.

Воробьева, Л. И. Промышленная микробиология / Л. И. Воробьева. М.: Высш.

шк., 1989.

Воробьева, Л. И. Пропионовокислые бактерии / Л. И. Воробьева. М.: Изд-во МГУ,

1995.

Глик, Б

. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение / Б. Глик,

Дж. Пастернак. М.: Мир, 2002.

Готтшалк, Г. Метаболизм бактерий / Г. Готтшалк. М.: Мир, 1982.

Громов, Б. В. Строение бактерий / Б. В. Громов. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1985.

Гусев, М. В. Микробиология / М. В. Гусев, Л. А. Минеева. М.: Издательский центр

«Академия», 2003.

Дебабов,

В. Г. Современные методы создания промышленных штаммов микроор-

ганизмов / В. Г. Дебабов, В. А. Лившиц. М.: Высш. шк., 1988.

Заварзин, Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии / Г. А. Заварзин. М.:

Наука, 2004.

Заварзин, Г. А. Введение в природоведческую микробиологию / Г. А. Заварзин,

Н. Н. Колотилова. М.: Книжный дом «Университет», 2001.

Елинов, Н.

П. Химическая микробиология / Н. П. Елинов. М.: Высш. шк., 1989.

Емцев, В. Т. Микробиология / В. Т. Емцев, Е. Н. Мишустин. М.: Дрофа, 2005.

Кондратьева, Е. Н. Хемолитотрофы и метилотрофы / Е. Н. Кондратьева. М.: Изд-

во МГУ, 1983.

Кондратьева, Е. Н. Фототрофные микроорганизмы / Е. Н. Кондратьева,

И. В. Максимова, В. Д. Самуйлов. М.: Изд-

во МГУ, 1989.

Коничев, А. С. Молекулярная биология / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. М.:

Издательский центр «Академия», 2003.

Коротяев, А.И. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология /

А. И. Коротяев, С. А. Бабичев. СПб.: СпецЛит, 2002..

Ланчини, Д. Антибиотики / Д. Ланчини, Ф. Паренти. М.: Мир, 1985.

Льюин, Б. Гены / Б. Льюин. М.: Мир, 1987.

Медицинская

микробиология / под ред. В. И. Покровского, О. К. Поздеева. М.:

Гэотар Медицина, 1999.

Методы общей бактериологии: в 3 т. / под ред. Ф. Герфардта [и др.]. М.: Мир,

1983–1984. Т. 1–3.

Нетрусов, А.И. Практикум по микробиологии / А. И. Нетрусов [и др.]. М.: Изда-

тельский центр «Академия», 2005.

415

Нетрусов, А. И. Экология микроорганизмов / А. И. Нетрусов [и др.]. М.: Изда-

тельский центр «Академия», 2004.

Определитель бактерий Берджи: в 2 т. / под ред. Дж. Хоулта [и др.]. М.: Мир,

1997. Т. 1–2.

Пехов, А. П. Основы плазмидологии / А. П. Пехов. М.: Изд-во Рос. ун-та дружбы

народов, 1996.

Прозоров, А. А. Трансформация

у бактерий / А. А. Прозоров. М.: Наука, 1988.

Современная микробиология: в 2 т. / под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлеге-

ля. М.: Мир, 2005. Т. 1–2.

Стейниер, Р. Мир микробов: в 3 т. / Р. Стейниер, Э. Эдельберг, Дж. Ингрэм. М.:

Мир, 1979. Т. 1–3.

Стэнт, Г. Молекулярная генетика / Г. Стэнт, Р. Кэлиндар. М.: Мир, 1981.

Шлегель, Г.

История микробиологии / Г. Шлегель. М.: Едиториал УРСС, 2002.

Шлегель, Г. Общая микробиология / Г. Шлегель. М.: Мир, 1987.

Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology / Editor-in-Chief G. M. Garrity. N.Y.:

Springer, 2001–2003, Vol. 1–5.

Интернет источники

http://www.cme.msu.edu/Bergeys/ – Bergey’s Manual Trust. Headquarters at Michigan

State University.

Wisconsin-Madison Department of Bacteriology).

http://www.hero.c.uk/sites/hero/uk/rese rch/ r.../genome_keys_ unlock_n ture1588.cf –

Higher Education and Research Opportunities in the United Kingdom.

http://www.textbookofbacteriology.net – Todar’s Online Textbook of Bacteriology.

http://protist.i.hosei.ac.jp/PDB/Images/Prokaryotes/Chroococcaceae/–

Japanese Fresh-water Algae, 1977.

http://biology.clc.uc.edu/fankhauser/Labs/Microbiology/ – David B. Fankhauser, Ph. D.

Professor of Biology and Chemistry University of Cincinnati Clermont College.

416