Лекции по природоведческой микробиологии - Заварзин Г.А.
ISBN 5-02006454-8
Скачать (прямая ссылка):
фототрофных зеленых серных бактерий с сульфатредукторами. В первом случае
работал водородный цикл, во втором - серный. Ключевую проблему
представляет концентрация переносчика, которая должна быть ниже
подавляющей для первой бактерии и выше нижнего предела для потребляющей.
Вопрос состоит в том, может ли концентрационный член в уравнении Гиббса
служить достаточным источником энергии для системы из двух организмов?
Концентрационный член приобретает определяющее значение, если продукт
эффективно удаляется из сферы реакции и его концентрация поддерживается
малой по отношению к субстрату. Выход энергии может быть достаточно
малым, если используется не брожение, а хемиосмотический механизм.
В 1936 г. Г. Баркер, работая в Дельфте, описал под названием
"Methanobacillus omeljanskii" споровый организм, который образовывал
метан из этанола. Потом в Калифорнии ученица Баркера Т. Штадтман описала
еще ряд культур метаногенов, которые превращали в метан органические
кислоты. Казалось бы, была решена задача описания биологического процесса
метанового сбраживания органических кислот, которое с очевидностью
наблюдалось на практике в метаногенном сообществе. В 1970-е годы с
развитием строго анаэробной техники было показано, что большинство
метаногенов использует водород и есть только два организма, способные
использовать ацетат: Methanosarcina и Methanothrix (=Methanosaeta). Бриан
и Волин доказали, что на самом деле культура "Methanobacillus omeljanskif
' содержит два организма: один - споровый, близкий к Clostridium
kluyveri, который разлагает этанол с образованием ацетата и выделением
Н2, и второй - M.o.h. - водородную метанобразующую бактерию, которая
превращает Н2 в инертный метан. Реакция выделения Н2 из этанола
термодинамически невыгодна и становится возможной лишь при глубоком
удалении Н2 из сферы реакции. В результате суммарная реакция
термодинамически возможна и способна обеспечить оба организма необходимой
энергией. Реакция была названа межвидовым переносом водорода.
За этой работой последовала целая серия других, и был разобран ряд
реакций с бинарными культурами. Организмы, способные к развитию при
условии, что Н2 удаляется из сферы реакции, получили название синтрофов и
составили особую функциональную группу в сообществе. Межвидовой перенос
водорода составляет промежуточное звено между первичными и вторичными
анаэробами. Синтрофы развиваются совместно с Н2-использующими анаэ-
42
робными организмами гидрогенотрофами. Среди них важны две группы:
литотрофные метаногены и литотрофные сульфидогены. Был описан целый ряд
культур, в которых анаэробное окисление субстрата обусловлено
присутствием Н2-использующего компонента. Для термодинамической
разрешенности за счет удаления Н2 из сферы реакции важен тот нижний
предел концентрации, до которого тот или иной организм способен удалять
Н2. Довольно быстро было установлено, что сульфатвосстанавливающие
бактерии в этом отношении эффективнее метаногенов. Но для независящего от
внешних акцепторов сообщества важны метаногены, поскольку С02, служащий
акцептором для них, образуется первичными анаэробами. Такая работа была
выполнена с чистыми культурами метаногенов на основе использования
высокочувствительного твердоэлектролитного детектора Н2 у нас в
лаборатории Института микробиологии РАН. Концентрацию Н2 измеряли в
газовой фазе, которая предположительно находится в равновесии с жидкой по
закону Генри (концентрация растворенного газа находится в равновесии с
газовой фазой пропорционально парциальному давлению). Содержание газа
измеряется в ррш (partes pro million), т.е. 1(Н по объему. Оказалось, что
водородные метаногены имеют определенные пороги, до которых они могут
снижать содержание Н2. Для мезофильных Methanobacterium эта величина была
около 5 ррш, а для Methanosarcina - около 50 ррш. Для термофильных
Methanobacterium пороговая величина была существенно выше, чем для
мезофильных, и составляла 20-30 ppm. Для метаногенного сообщества навоза
(а оно представляет богатейший набор разных видов) пороговые концентрации
точно соответствовали пороговым значениям для чистых культур водородных
метаногенов. Повышение концентрации Н2 служит сигналом
разбалансированности в работе сообщества вследствие какого-либо стресса.
Определение нижнего порога концентрации Н2 стало стандартным приемом и
осуществляется очень просто - определяют концентрацию Н2 в культуре в
конце стационарной фазы роста при лимите по водороду.
Выделение и потребление Н2 осуществляется гидрогеназами, катализирующими
обратимую реакцию Н2 = 2Н+ + 2е-. Следовательно, можно ожидать, что
устанавливаются некоторые равновесные концентрации Н2. Впервые такая
равновесная концентрация была установлена при разложении метанола
Methanosarcina. При выделении чистой культуры метаносарцины Т.Н. Жилина
обнаружила в качестве упорного спутника Desulfovibrio vulgaris, который
метанол не использует, а на Н2 растет. Оказалось, что метилотрофные
