Метанобразующие микроорганизмы

При концентрациях  формиата и Н₂, достаточных для нормальной жизнедеятельности, Methanobacterium formicius используют оба субстрата, при концентрации Н₂ менее 6 мкМ и высоком содержании формиата скорость потребления водорода снижается.

Акцептором  водорода для формиатдегидрогеназы является флавинаденинмононуклеотид или флавинадениндинуклеотид. Формиат восстанавливает NADP+ только при наличии коэнзима F₄₂₀ и коэнзим-F₄₂₀: NADP+ -оксидоредуктазы.

3) Более важным субстратом для метаногенеза является ацетат. Количество СН₄, образующегося из ацетата в биореакторе, по некоторым данным, составляет 72% . Следовательно, 25-30% синтезируется автотрофно при потреблении С₁-соединений. Это происходит вопреки термодинамической выгодности хемолитотрофного метаболизма и показывает, что концентрация водорода должна быть ограничена.

СН₃СООН→СН₄ + СО₂ (ΔG=-31 кДж/моль СН₄).

Известный интерес представляют работы, показывающие существование метанобразующих  микроорганизмов, для которых ацетат является единственным и незаменимым  энергетическим и углеродным субстратом.

4) «Брожение» метанола с образованием СН₄ проходит в реакции дисмутации, в течение которой одна молекула утилизируемого субстрата окисляется до муравьиной кислоты, другая – восстанавливается до СН₄ и Н₂. Образующиеся затем муравьиная кислота и Н₂ снова включаются в цепь синтеза метана. Конечный процесс описывается уравнением

4СН₃ОН→ЗСН₄ + СО₂ + 2Н₂О (–105,0 кДж/моль СН₄ при рН 7).

5) Описан новый метаноген, для роста которого требуется метанол и Н₂. Никакие другие комбинации субстратов этот организм не утилизировал. Реакция протекала следующим образом:

СН₃ОН + Н₂→СН₄ + Н₂О (–121,1 кДж/моль СН4 при рН 7).

6) Выделено и описано несколько новых микроорганизмов, которые для своего роста используют метиламиды. Реакции метаболизма следующие:

4СН₃NH₂ + 2H₂O + 4H⁺→ 3CH₄ + CO₂ + 4NH₄⁺ (–75,6 кДж/моль при рН 7)

2(СН₃)₂NH₂ + 2H₂O + 2H⁺→ 3CH₄ + CO₂ + 2NH₄⁺ (–74,3 кДж/моль при рН 7)

4(СН₃)₃NH₂ + 6H₂O + 4H⁺→ 9CH₄ + 3CO₂ + 4NH₄⁺ (–75,2 кДж/моль при рН 7)

7) Известно, что ряд видов микроорганизмов образуют метан из оксида углерода:

4СО + 2Н₂О → СН₄+3СО₂ (–185,1 кДж/моль при рН 7)

или СО + 3Н₂ → СН₄+Н₂О + Q.

Таким образом, акцепторами электронов (а в ряде случаев и донорами, и акцепторами) у метанобразующих микроорганизмов  является ряд одноуглеродных соединений (СО₂, СО, формиат, метанол, метилированные амины) и единственное двухуглеродное соединение – ацетат.

          Соответственно донорам электронов метаногены разделяются на 3 группы:

1. водородные (гидрогенотрофные);
2. ацетокластические;
3. метилотрофные, окисляющие метилированные соединения с группой O, N, S.

Соответствующие реакции приведены ниже:

Кроме того, некоторые метаногены способны использовать в качестве доноров водорода высшие спирты.

Механизм  энергетических процессов метаногенов еще не расшифрован, но общие принципиальные положения установлены. Ясно, что получение энергии, по крайней мере при окислении Н₂, сопряженном с восстановлением СО₂, связано с функционированием электронтранспортной системы, включающей дегидрогеназы, переносчики электронов и редуктазы, то есть определенным видом анаэробного дыхания.

Энергетический  обмен у метаногенов, приводящий к образованию АТФ, обусловлен хемиосмотическим механизмом с участием протонной (иногда натриевой) помпы и, таким образом, относится к дыхательным процессам.

Перенос электронов приводит к образованию  трансмембранного протонного градиента, разрядка которого с помощью мембранной АТФ-синтазы сопровождается синтезом АТФ. Доказательством получения метанобразующими микроорганизмами энергии в результате окислительного фосфорилирования служит подавление у них образования АТФ при действии разобщителей и ингибиторов АТФазы. Однако мало известно об электронных переносчиках. Не изучена организация дыхательной цепи и ее Н⁺-переносящих участков.

В качестве дегидрогеназ идентифицированы гидрогеназа и формиатдегидрогеназа. От Н₂ перенос электронов катализируется связанной с мембраной дегидрогеназой, с которой они акцептируются фактором F₄₂₀. С последнего электроны поступают на НАДФ⁺. Вероятно, и восстановленный фактор F₄₂₀, и НАДФ·Н₂ служат донорами электронов для восстановительных превращений С₁-групп у метаногенов. Окисление формиата также сопряжено с восстановлением фактора F₄₂₀ и последующим образованием НАДФ·Н_2.

Долгое время  считали, что у метаногенов нет электронных переносчиков, типичных для эубактерий, имеющих электронтранспортные цепи. Недавно у Metthanosarcina barkeri найдены ферредоксин Fe₃S₃-типа и цитохромы типа b и c. Последние обнаружены также у других видов, способных использовать в качестве энергетических субстратов соединения, содержащие метальные группы (метанол, метилированные амины, ацетат). У метаногенов, растущих только на среде, содержащей смесь Н₂ + СО₂ и формиат, цитохромы не найдены. Из хинонов обнаружены γ- и α-токоферохиноны, менахинонов нет.

Терминальные  этапы катализируются соответствующими редуктазами, из которых наиболее изучена метилредуктазная система. Реакция, катализируемая метилредуктазой, является общей при образовании метана из различных субстратов (СО₂, СО, метанол, ацетат), и именно с ней связано получение клеткой энергии. Фермент локализован в мембране, и его функционирование приводит к трансмембранному перемещению протонов. На 1 молекулу образованного метана приходится 4 транслоцированных Н⁺.

Открыта способность метанобразующих микроорганизмов  использовать в качестве конечного  акцептора электронов вместо СО₂ молекулярную серу. В присутствии S^o и обычных энергетических субстратов (Н₂ или метанол) наблюдается образование значительного количества Н₂S при одновременном снижении в 2-10 раз синтеза СН₄.

Катаболизм  сахаров у архей происходит по путям, свойственным эубактериям: гликолиз, окислительный пентозофосфатный путь, ЦТК (цикл Кребса), путь Энтнера-Дудорова. Эти катаболические пути найдены не у всех представителей группы. У многих архей, например, отсутствует гликолиз.

 

 

 

 

 

 

6 Экология и роль в природе

             Метаболические свойства метанобразующих бактерий (строгий анаэробиоз, зависимость от ограниченного набора ростовых субстратов, и в первую очередь от молекулярного водорода) определяют их распространение в природе. Обычными местами обитания этих бактерий является анаэробная зона разных водоемов, богатых органическими соединениями. Они обнаруживаются в иловых отложениях озер и рек, в болотах и заболоченных почвах, в осадочных слоях морей и океанов. Метанобразующие бактерии — обитатели пищеварительного тракта животных и человека, а также важный компонент микрофлоры рубца жвачных животных.

               Так как метаногены используют ограниченный набор субстратов, их распространение в природе тесно связано с развитием образующих эти субстраты микроорганизмов. Совместно с последними метанобразующие бактерии обеспечивают протекание в природе важного крупномасштабного процесса — анаэробного разложения органических соединений, в первую очередь целлюлозы. Выделяют 3 основные стадии анаэробного разложения органического вещества. Первая — определяется деятельностью микроорганизмов с активными гидролитическими ферментами. Они разлагают сложные органические молекулы (белки, липиды, полисахариды) на более простые органические соединения. Вторая стадия связана с активностью водородобразующих бродильщиков, конечными продуктами метаболизма которых являются H2, CO2, CO, низшие жирные кислоты (в первую очередь ацетат) и спирты. Завершают анаэробную деструкцию органического вещества метанобразующие бактерии. Поскольку главным экологическим фактором, определяющим развитие метаногенов, является выделение H2, в природе созданы и существуют ассоциации между водород выделяющими и метанобразующими бактериями. Примером такой естественной системы могут служить бактериальные ассоциации, обитающие в рубце жвачных животных и обеспечивающие разложение целлюлозы, пектина и других органических субстратов. О масштабности процессов, связанных с деятельностью метанобразующих бактерий, свидетельствует тот факт, что более 20% мировых запасов CH4 имеют биогенное происхождение.

Метанобразующие бактерии представляют определенный практический интерес как продуценты витамина B12 и газообразного топлива —  метана[3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Возможное место в эволюции

             Вхождение метаногенов в состав архебактерий указывает на их древнейшее происхождение. Данные о составе атмосферы первобытной Земли позволяют предполагать, что метаногены могли возникнуть около 3–3,5 млрд лет назад. Предшественниками их могли быть первично анаэробные бродильщики, поскольку метаногены обладают более высокоорганизованным механизмом получения энергии по сравнению с брожением. Но последующее уменьшение в биосфере необходимого для них источника энергии — молекулярного водорода — привело к тому, что метаногены оказались эволюционно тупиковой ветвью[3].