Метанообразующие бактерии

Синтез метана, осуществляется специфической группой микроорганизмов и реализуется на терминальной участке цепи анаэробного разложения органических веществ в природе. Метанообразующих бактерии (метаногены) характеризуются рядом уникальных свойств, которые будут рассмотрены в данном разделе.

Морфология метанообразующих бактерий

Клетки метаногенов представлены морфологически различными формами: кокками, палочками, сарцины, спирилл, нитчатыми формами. Встречаются также редкие для прокариот формы: полигональные (многоугольные), плиткоподибни, неправильной формы. Размеры клеток варьируют от 0,5 до 10 мкм. Есть грамотрицательные и грамположительные бактерии. Ультраструктура клеток разнообразна. У представителей некоторых видов имеются газовые вакуоли, внутр. цитоплазматические мембраны, участки низкой электронной плотности, содержащие запасные вещества. [1, 3]

Все штаммы метанообразующих бактерий являются облигатными анаэробами, некоторые из них погибают при кратковременном контакте с воздухом, другие только прекращают рост. Эта группа бактерий характеризуется необычным путем получения энергии, уникальными конечными продуктами метаболизма (катаболизма): СН₄ и СО₂. [1, 3]

Субстратами для метаногенеза является СО₂ + Н₂ формиат, ацетат, метанол, метиламины и др.. Потребности в питательных веществах в различных метанообразующих бактерий относительно источников углерода, энергии и факторов роста различны.

Как источник азота используются NH₄⁺, а как сера — сульфиды. Кроме фосфатов Mg²⁺, Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Fe²⁺, в среде нужно добавлять различные микроэлементы, и в первую очередь Ni, Со, Мо, а иногда W и Se.

Оптимальный диапазон рН для роста метанообразующих бактерий, — 6,5-7,5. Метаногены характеризуются низкой скоростью роста. Поэтому развитие клеточной популяции метанообразующих бактерий в жидкой среде контролируется газохроматографического методом выделения СН4. На твердых (агаризованных средах) возможна идентификация колоний ряда метанообразующих бактерий с флюоресценцией.

Метанообразующие бактерии характеризуются комплексом свойств, которыми они отличаются от других прокариотов (строением клеточной стенки, специфическими коэнзимами, клеточными липидами, аппаратом синтеза белка и др.)., Что послужило основанием для предложения выделить их в царство архебактерий. [3, 4]

У метаногенов мураминовая кислота и D-аминокислоты, как и у других архебактерий, отсутствуют. Псевдомуреин состоит из цепочки N-ацетилглюкозамин и N-ацетилталозаминуроновой кислоты в -1, 3-положении, а также боковые пептидные цепи с глутаминовой кислоты, аланина и лизина.

Клетки представителей метаносарцин имеют толстый гетереполисахаридный чехол, состоящий из N-ацетил-D-галактозамин и глюкуроновой кислоты. Клетки Methanospirilium и Methanothrix обладают твердым устойчивым протеиновый чехлом из фибриллярного структурного протеина, состоящая из кольцеобразных сегментов; Methanococcus и Methanogenium имеют протеинови оболочки, состоящие из частиц, имеющих гексагональную структуру. Данная кристаллическая структура из протеинов или гликопротеидов является поверхностным слоем (S-layer). Особенности строения оболочки клеток метанообразующих бактерий и других архебактерий отличают их от эубактерий и обусловливают устойчивость к антибиотикам. [3]

Существенные отличия есть и в строении липидов клеток метаногенов и других организмов. У метанообразующих бактерий и других архебактерий содержатся изопранилглицериновые эфиры как полярные липиды, при этом два важных соединения — дифитанилглицериндиэфир и дибифитанилдиглицеринтетра-эфир. У разных организмов содержание этих эфиров разное.

Аналогично глицериновым сложным эфирам эубактерии эти ди-, тетралипидни эфиры архебактерий связанные с углеводами и фосфатами в виде гликолипидов, фосфолипидов и фосфогликолипидов в мембранах середине клеток. В целом липиды составляют 2-6% сухой массы клеток. 80-90% всех липидов представлены полярными липидами, которые являются главными составляющими частями клеточной оболочки-, другие 10-20%-полярными или нейтральными липидами.

В отличие от эубактерий и эукариотов у метанообразующих бактерий (и других архебактерий) есть только одна РНК-полимераза, которая состоит из одной большой, двух средних и нескольких маленьких субъединиц, т.е. она имеет сложную структуру и содержит не менее 8 полипептидов. Структура генома, его размеры, а также состав ДНК метаногенов, в целом подобны таковым эубактериального генома. У некоторых метаногенов найдены также критические плазмиды.

Культуральные и физиолого-биохимические свойства метаногенов (метанообразующие бактерии)

Добавление в среду казаминовых кислот стимулирует рост большинство метанообразующих бактерий не растет на Н₂ и СО₂. Добавление NH₄Cl в среду с дрожжевым экстрактом оказывает стимулирующий эффект и увеличивает выход метана, причем аммоний не может быть заменен на нитрат. Источником органического азота является дрожжевой экстракт, который не может быть заменен на смесь аминокислот с витаминами.

Образование метана, в основном, наблюдается при температуре от 10 до 50°С, с оптимумом 37°С, при значениях рН от 5,5 до 7,7, с оптимумом 6,3-6,9 солености среды от 0,9 до 10 г / л с оптимумом 4,5-6,0 г / л.

Способность к лизису под влиянием детергентов характерна для коккообразные метаногенов, относящихся к семействам Mеthanococcus, Methanolobus, Methanohalophilus и Methanoplanus. Лизис, который вызывается додецилсульфатом натрия (ДДС), обычно свидетельствует о белковую природу клеточной стенки бактерий. Из представителей рода Methanosarcina способность к лизису под действием ДДС наблюдалось в M. acetivorans и в некоторых штаммов M. mazei. Для метанообразующих бактерий этих видов характерна способность к росту не только в агрегатах псевдосарцин, но и с образованием дисперсной массы отдельных кокков.

Отсутствие чувствительности некоторых метанообразующих бактерий к ряду антибиотиков широко применяют для выделения чистых культур этих архей. Определение чувствительности чистых культур метанообразующих бактерий к различным классам антибиотиков позволяет использовать этот феномен для разделения метаногенов разных таксономических групп. Рост и метаногенеза подавляются хлорамфенилколом, полимиксина и в значительной степени канамицином.

Метаболизм метанообразующих бактерий

Образование СН₄ является процессом, который поставляет энергию метаногены бактериям. Различные субстраты обеспечивают разный уровень получения энергии.

Большинство метаногенов способна использовать Н₂ и СО₂ для образования СН₄. Восстановление СО₂ до СН₄ происходит многоступенчато. При этом трансформация отдельных промежуточных С1-соединений связана с функционированием специфических ферментов (переносчиков).

Кобаламин как переносчики участвуют в процессах метаногенеза из метанола и метиламин, а также при синтезе клеточной вещества.

Вместе с Н₂ и СО₂ ацетат — один из важных субстратов для метаногенеза в природе. Биохимия метаногенеза из ацетата изучена мало. С помощью изотопного техники обнаружено, что метильных групп ацетата без изменения включается в метан, а карбоксильная группа превращается в СО₂. Таким образом, после расщепления ацетата метильных групп восстанавливается до СН₄, а карбоксильная группа окисляется до СО₂. Образование СН₄ в этом случае происходит с участием коэнзима М, который выступает как терминальный акцептор метильных групп. Окисление карбоксильного остатка до СО₂ катализирует СО-дегидрогеназы.

Метильная группа метанола без изменения трансформируется в СН₄. В этом случае терминальным C1-переносчиком при метаногенеза также коэнзим М. В переносе метильной группы от метанола участвуют две метилтрансферазы (метилтрансфераза I и метилтрансфераза II). При образовании метана из метилкоензима М с помощью системы метилкоэнзим М-редуктазы часть метильных групп переносится от коэнзима М до тетрагидрометаноптерину. В результате образуется формилтетрагидрометаноптерин, который далее окисляется за счет отщепления системы переносчика через формиат до СО₂.

В процессе расщепления формиат участвуют цитохромы, которые были найдены только у метанообразующих бактерий использующих метанол, ацетат и метиламины.

Количественный выход энергии при метаногенеза значительно ниже, чем при дыхании аэробной и денитрификации. Выход энергии при метанообразования из СО₂ и Н₂ в стандартных условиях относительно высокий (138,8 кДж на моль СН₄), в реальных условиях in situ при концентрациях водорода, которые есть в природе, полученная энергия обычно достаточна для получения только с АТФ на моль СН₄ (20 кДж расходуется на 1 моль АТФ).

Функционирование системы никельтетрапиррола в качестве коэнзима в этом процессе указывает на аналогию с другими известными процессами получения биологической энергии, например, Mg-тетрапиррол-система находится в хлорофилле, Fe-тетрапиррол-система — в цитохроме, цитохромоксидазы.

Постулируют механизм образования АТФ в метаногенов за счет процесса транслокации электронов. Вероятно, образуется градиент протонов через цитоплазматическую мембрану. При этом протондвижуща сила посредством связанного на мембране ферментного комплекса (proton translocating АТФ-синтаза) приводит к синтезу АТФ из АДФ + Ф. О такой механизм получения энергии свидетельствуют следующие данные:

у метанообразующих бактерий установлено наличие потенциала протонов на-цитоплазматической мембране или в внутреннеплазматической мембранной системе метаногенов;
найден мембранно-связывающий фермент (proton translocating; АТФ-синтаза)
выявления связь с цитоплазматичной мембраной метилкоэнзим М редуктазной системы.

Метанообразующие бактерии реализуюют различные типы: питание согласно используемым источникам углерода и энергии. Так, хемо-литоавтотрофные микроорганизмы используют СО₂; как источник углерода и Н2 как источник энергии (Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanococcus jannaschii). Хемолитогетеротрофные микроорганизмы используют, например, ацетат как источник углерода и Н₂ как источника энергия. Хемоорганогетеротрофные микроорганизмы используют как источник углерода и энергии ацетат, метанол, формиат, метиламины и т.д. Один и тот же организм может реализовать различные пути получения энергии и ассимиляции углерода.

Хемолитогетеротрофные организмы, например Methanobrevibacter smithii, могут превращать Н₂ и СО₂ в СН₂, но не способны образовывать ацетил-коэнзим А с СО₂, поскольку в них отсутствует СО-дегидрогеназа.

Ассимиляция других источников углерода (ацетата, метанола, метиламин и др.). Метанообразующими бактериями осуществляется всегда путем образования ацетилкоензима А.

Как источник углерода метанообразующие бактерии могут использовать формиат. Формиат расщепляется с помощью формиатдегидрогеназы в СО₂ и Н₂.

Метанол, а также метиламины являются донорами метильных групп для образования коэнзима А.

Ассимиляция СО у метанообразующих бактерий идет двумя путями. Часть CO активируется СО-дегидрогеназы с образованием карбонильной группы, участвующей в образовании ацетильной радикала ацетилкоэнзима А. Вторая часть окиси углерода может окисляться с помощью СО-дегидрогеназы до СО₂ и Н₂. С СО₂ и Н₂ образуется метильные группы ацетилкоензим А.

Список литературы

Дзюбан А.Н. Интенсивность микробиологических процессов круговорота метана в разнотипных озерах Прибалтики // Микробиология. 2002. – Т.71 – Вып.1 – С.111-118.
Доронина Н.В. Органические осмопротекторы аэробных умерено галофильных метилобактерий // Микробиология. 1998. – Т.64. – Вып.4 – С.458-463.
Терещенко Н.Н.,Лужников С.В, Пыльева Е.В. Биологическая азотфиксация как фактор ускорения микробной деструкции не6фтянных углеводов в почве и способы ее стимулирования // Биотехнология. 2006 – №5 – С.69-74.
Русанов И.И. Биотехнологический цикл метана на северо-западном шельфе Черного моря // Микробиология.2002. – Т.71. – Вып.4 – С. 558-566.

Автор статьи: Дохторук Андрей, ст. каф. Микробиология и вирусология, Днепропетровского национального университета им. Олеся Гончара