Метанобразующие микроорганизмы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3 рН

Наиболее  благоприятный рН для метаногенеза близок к нейтральному (в пределах 6-8), хотя на ацидогенной стадии происходит заметное подкисление среды [5] . Большинство мезофильных метаногенов не будет расти при значениях рН ниже 5,5. При рН 4,3 метаногенез останавливается в результате отравления микрофлоры токсичными недиссоциированными ЛЖК.

Большинство известных представители этой группы – нейтрофилы. Но стали известны ацидофильные виды метаногенов [6, 2]. Ранее [7] указывалось, что все представители группы метаногенов – нейтрофилы с оптимумом рН в области 6,5-7,5, не обладающие способностью к росту при значениях рН ниже 4,5. В то же время хорошо известна микробиологическая природа метана, образующегося в широко распространенных верховых болотах, кислотность которых изменяется в пределах рН 2,9-4,1 [8]. Из проб торфа Бакчарского болота (Бакчарский район Томской обл., южная тайга) впервые в мире был выделен ацидофильный метаноген – новый вид рода Methanobacterium[9].

Метаболизм  Н₂, СН₃СООН и С₁-соединений у них зависит от рН. Низкие значения рН в большей степени благоприятствуют восстановлению протона до водорода, нежели его восстановление в СН₄, и поэтому при таких условиях образование СН₄ обычно приостанавливается. Эмпирическим путем было показано наличие верхнего предела рН, равного 8. С точки зрения необходимого диапазона рН желательны системы с хорошей буферной емкостью для поддержания стабильности сбраживателя. В случае высокой концентрации азотсодержащих питательных веществ эта буферная емкость может возникать естественным образом благодаря равновесию NH₄⁺ ↔ NH₃ + H⁺. Эта буферная система применима при условии, что концентрация свободного аммиака не достигает токсичных значений.

В отсутствие аммонийного буфера подщелачивание может проводиться гидроксидами, карбонатами или гидрокарбонатами, в этом случае образуется буферная система карбонат/гидрокарбонат. Для поддержания стабильности анаэробного процесса могут применяться щелочи в концентрациях до 6000 мг/л. Считается желательным, чтобы отношение количества жирных кислот к количеству, например, СаСО₃, было, по крайней мере, 1:6 [10].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4 Минерализация среды

По отношению  к минерализации среды метаногены делятся на группы[2]:

• пресноводных, к которым относится большинство метанобактерий и метаносарцин;
• морских метаномикробов;
• галофильных метилотрофов, в том числе экстремальных, требующие в качестве одного из оптимальных условий для роста содержания в среде до 65-70 г/л NaCl.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Метаболизм метаногенов

5.1 Типы питания

В соответствии с принятой сейчас классификацией микроорганизмы по типу питания разделяют на ряд  групп в зависимости от источников углерода и энергии.

В зависимости  от источника энергии выделяют:

1. фототрофов, использующих энергию солнечного света;
2. хемотрофов, энергетическим материалом для которых служат разнообразные органические и неорганические вещества.

В зависимости  от того, в какой форме микроорганизмы получают из окружающей среды углерод, их подразделяют на:

1. автотрофные («сами себя питающие»), использующие в качестве единственного источника углерода диоксид углерода;
2. гетеротрофные («питающиеся за счет других»), получающие углерод в составе довольно сложных восстановленных органических соединений.

Следовательно, по способу получения энергии  и углерода микроорганизмы можно  подразделить на:

• фотоавтотрофы,
• фотогетеротрофы,
• хемоавтотрофы,
• хемогетеротрофы.

Внутри  группы в зависимости от природы  окисляемого субстрата, называемого  донором электронов (Н-донором), выделяют:

• органотрофов, окисляющих органические вещества;
• литотрофов, окисляющих неорганические вещества.

Поэтому в зависимости от используемого  микроорганизмами источника энергии  и донора электронов различают:

• фотоорганотрофы,
• фотолитотрофы,
• хемоорганотрофы,
• хемолитотрофы.

Таким образом, выделяют 8 возможных типов питания (табл. 1).

Таблица №1

 Возможные  типы питания микроорганизмов.

 

Источник энергии	Окисляемый субстрат (донор водорода)	Источник углерода
		Органические соединения	Диоксид углерода
Свет	Органические  соединения	Фотоорганогетеротрофия	Фотоорганоавтотрофия
Свет	Неорганические  соединения	Фотолитогетеротрофия	Фотолитоавтотрофия
Органические  соединения	Органические  соединения	Хемоорганогетеротрофия	Хемоорганоавтотрофия
Неорганические  соединения	Неорганические  соединения	Хемолитогетеротрофия	Хемолитоавтотрофия

 

В группе метаногенов известны организмы с хемоорганогетеротрофным, хемолитоавтотрофным, хемолитогетеротрофным типом питания.

 

 

5.2 Особенности метаболизма  метаногенов

Питательное вещество, поступившее внутрь клетки микроорганизма, участвует во множестве  разнообразных химических реакций. Все химические проявления жизнедеятельности  микроорганизмов носят общее  название метаболизма, или обмена веществ. Метаболизм включает две группы жизненно важных процессов

1. катаболизм (энергетический обмен),
2. анаболизм (биосинтез, конструктивный обмен).

Катаболизм  – это комплекс процессов расщепления  пищевых веществ – углеводов, жиров, белков, которые осуществляются преимущественно за счет реакций  окисления, в результате чего выделяется энергия. У микроорганизмов различают  основные формы катаболизма:

• брожение,
• дыхание:

1. аэробное,

2. анаэробное.

Высвобождающаяся  при катаболизме органических веществ свободная энергия аккумулируется в форме энергии фосфатных связей АТФ (макроэргов). Аккумуляторами и переносчиками энергии, помимо АТФ, служит ряд соединений: АДФ, ЦТФ, УТФ, ГТФ, креатинфосфат, ацетилфосфат и др. При гидролитическом расщеплении макроэргических связей энергия высвобождается и может быть использована для биосинтетических реакций.

Биосинтез, или анаболизм, объединяет процессы синтеза макромолекул клетки из более  простых соединений, присутствующих в окружающей среде. Реакции биосинтеза связаны с потреблением свободной  энергии, которая вырабатывается в  процессах дыхания, брожения, фотосинтеза  и сохраняется в форме АТФ.

Катаболизм  и анаболизм протекают одновременно, многие реакции и промежуточные  продукты для них общие.

При брожении наблюдается неполный распад органических веществ с высвобождением незначительного  количества энергии и накоплением  богатых энергией конечных продуктов. Брожение – это окислительно-восстановительный  процесс, приводящий к образованию  макроэргов, в котором окислителем и восстановителем служат органические соединения, образующиеся в ходе самого брожения. При брожении субстрат разлагается до конечных продуктов, причем суммарная степень окисления продуктов та же, что и степень окисления сбраживаемых веществ (окислительно-восстановительное равновесие). Образование макроэргов во время брожения идет путем фосфорилирования на уровне субстрата. Брожение вызывают облигатные и факультативные анаэробы, оно, как правило, может осуществляться только в строго анаэробных условиях.

Дыхание – окислительно-восстановительный  процесс, идущий с образованием макроэргов. Роль доноров водорода (электронов) в нем играют органические и неорганические соединения, акцепторами водорода (электронов) в большинстве случаев служат неорганические соединения. Если конечный акцептор электронов – молекулярный кислород, дыхательный процесс называется аэробным дыханием. Если конечным акцептором электронов служит не молекулярный кислород, а иные соединения (нитраты, сульфаты, карбонаты), то говорят об анаэробном дыхании (табл. 2).

Таблица № 2

Основные  типы анаэробного дыхания у прокариот.

Энергетический процесс	Конечный акцептор электронов	Продукты восстановления
Нитратное дыхание и нитрификация	NO-3, NO-2	NO-2, NO, N2O, N2
Сульфатное и серное дыхание	SO2-4, S0	H2S
«Железное»  дыхание	Fe3+	Fe2+
Карбонатное дыхание	CO2	CH4, ацетат
Фумаратное дыхание	Фумарат	Сукцинат

 

При аэробном дыхании обычно осуществляется полное окисление органических веществ  с выходом большого количества энергии  и образованием бедных энергией конечных продуктов (СО₂ и Н₂О). Свойство микроорганизмов переносить электроны на нитраты, сульфаты и карбонаты обеспечивает в достаточной степени полное окисление органического и неорганического вещества без использования молекулярного кислорода и обусловливает возможность получения большего количества энергии, чем при брожении. При анаэробном дыхании выход энергии только на 10% ниже, чем при аэробном.

Микроорганизмы, для которых характерно анаэробное дыхание, имеют набор ферментов  электронтранспортной цепи, но цитохромоксидаза у них заменяется другими ферментами.

Согласно  таблице 2, метанобразующие микроорганизмы имеют карбонатный тип анаэробного  дыхания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3 Источники углерода  и энергии для метанообразователей

Метанобразующие микроорганизмы способны осуществлять энергетический метаболизм хемолито- или хемоорганотрофного типа, сочетая его с конструктивным обменом авто- или гетеротрофного типа. Анаболические и катаболические пути превращения углеродных соединений у архей сходны с эубактериальными путями.

Метаногены осуществляют уникальную в живом мире реакцию синтеза метана и играют важнейшую роль в биосферных механизмах [2]. Они чрезвычайно важны для биогеохимии, потому что служат главным источником метана на Земле. Это высокоспециализированные анаэробные организмы, для которых реакция метаногенеза служит единственным источником энергии.

Способность использовать органические вещества у  метаногенов ограничена простыми низкомолекулярными соединениями, что связывают с неспособностью синтезировать активные гидролитические ферменты. 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 ¾ 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 [3].

          Источниками углерода и энергии для метаногенов [11] :

1) Источниками углерода и энергии для метаногенов обычно является смесь водорода и углекислого газа. Все известные метаногенные микроорганизмы, кроме Methanothrix soehngenii, способны к автотрофному потреблению Н₂ и СО₂ :

4Н₂ + СО₂→СН₄ + 2Н₂О (ΔG= -139,2 кДж/моль СН₄).

Почти все  метаногены могут получать энергию за счет окисления Н₂, сопряженного с восстановлением СО₂ . При этом клетки используют одновременно газообразный водород и водород, входящий в состав молекул воды. Опытами с меченым водородом показано, что Н₂ в этом процессе служит только донором электронов, а источником протонов в молекуле метана является вода.

Поскольку клеточные вещества ряда видов могут  синтезироваться из СО₂ как единственного источника углерода, можно рассматривать способ существования этих микроорганизмов как хемоавтотрофный.

2) Следующим потенциально используемым источником углерода и энергии у метаногенов является формиат. На первом этапе формиат разлагается до СО₂ и Н₂, затем СО₂ восстанавливается до СН₄.

4HCOOH→4CO2 + 4H2

CO2 + 4H2→ CH4 + 2H2O                      (∆G= -130 кДж/моль CH4)

4HCOOH→ CH4 + 3CO2 + 2H2O

         Имеются также данные о том, что формиат может включаться в процесс метаногенеза прямым путем без образования Н₂ и СО₂ .

По данным некоторых авторов , количество СН₄, образованного из формиата в биореакторе, незначительно, что объясняется низкой активностью формиатдегидрогеназы у метаногенных микробов. По данным других авторов, около половины метаногенов способны использовать формиат.