Г.А. Заварзин - Лекции по природоведческой микробиологии (1125587), страница 67
Текст из файла (страница 67)
Фермент микромицетов целлобиозодетидрогеназа окисляет олигосахариды, но не моносахариды с восстановлением хинонов, фенокси-радикалов или Ре(111) и Си(Н). Возбудители бурой гнили избирательно разрушают полисахаридную часть, оставляя лигниновый скелет. Сначала (до 10% потери веса) идет использование гемицеллюлоз, маннана, затем (до 50% 277 потери веса) используется целлюлоза. При этом растет растворимость в 1%-ной щелочи.
Считается, что бурая гниль является типичным процессом гумификации путем накопления предшественников гумуса из остаточного лигнина. Возможны два пути: конденсация в присутствии азотистых веществ оксикоричной, ванилиновой, оксибензойной, феруловой, протокатеховых кислот как продуктов деградации лигнина или же синтез предшественника гумуса через шикиматный путь в самом грибе.
Для гидролиза упорядоченной целлюлозы в древесине особую роль играет неферментативный гидролиз ("химия Фентона"). Оксидазный свободнорадикальный механизм химии Фентона (Реы + + Н10г) основан на окислении олигосахаридов в присутствии Ог глюкозо-, галактозо-, целлобиозодегидрогеназами, образующими перекись. Последняя в присутствии Рег" разлагается с образованием радикала ОН', способного неспецифически окислять как целлюлозу, так и лигнин. Рег+ регенерирует в реакции целлобиозодегидрогеназы (флавоцитохрома): Рег' + Н202 + Н' = Рез+ 4- НгО + ОН', Целлобиоза + 2Рез' = Целлобионолактон + 2Рег'+ 2Н+ Реакции радикалов ОН' идут неспецифически, и при этом могут участвовать различные формы активного кислорода.
Преимущественно 15-расщеплению подвергаются апифатическне С вЂ” С связи. Начальным этапом азробной генерации одноэлектронного окислителя является активация Ог, восстановитель для которого должны поставлять внутриклеточные системы гриба. Растительные полифенолы — таннин и галловая кислота — являются мощными ингибиторами фентоновских процессов, связывающими Рег". Грибы бурой гнили разрушают лигнин по окислительному механизму при действии пероксидаз и активного кислорода.
Процессы эти в принципе аэробные и зависят от поступления молекулярного кислорода. Эти реакции не дают энергии для гриба, но, подобно внеклеточным гидролазам, участвуют в многоступенчатом превращении нерастворимого материала в диффундирующие низкомолекулярные соединения, доступные для осмотрофа. Продуктами окисления являются разнообразные циклические соединения, для усвоения которых в универсальных клеточных процессах требуется подгото. вительный метаболизм. Разложение лигнина в древесине происходит без непосредственного контакта с гифами на диффузионном расстоянии. Грибы обладают набором ферментов, трансформирующих нефенольные ароматические структуры в легко метаболизируемые ациклические соединения.
Основное действие связано с лакказами и Мп-пероксидазами. 278 Характерным метаболитом лигнинразлагающих грибов является оксалат, в количественном отношении превышающий другие органические кислоты, как янтарная, фумаровая. Предполагается, что лигнинразрушающие грибы разлагают также грубый гумус в подстилке. Для России суммарную деятельность лигнинразрушающих грибов можно оценить в 1/4-1/3 от продукции лесов, что составит примерно 80 млн т С/год.
К этой величине следует добавить суммарный вклад грибов в разложение гумуса в лесных почвах, особенно на подзолах, что составит приблизительную величину порядка !00 млн т С/год. 7.6. ГУМУС Фульвокислоты Гумявовые кислоты 279 Органическое вещество почвы на 10-20% состоит из углеводов, па 20% из азотистых соединений, 10 — 20% алифатических соединепий, остальное представлено ароматикой. Вещество, остающееся после зкстракции щелочью, пирофосфатом, называется гумином. Вещество, осаждаемое из щелочного экстракта при подкислении называется гумусовыми кислотами. Вещество, остающееся в подкисленном экстракте, называется фульвокислонгами. Все зти вещества темноокрашенны благодаря присутствию ароматики. Считается, что компоненты литвина являются предшественниками почвенных гуминовых соединений, для которых тоже характерно присутствие фенольных групп и поликонденсация в гетеропопимерное соединение с высоким молекулярным весом.
В системном плане гумус представляет устойчивый остаточный продукт разложения растительных остатков микробным сообществом, не поддающийся дальнейшему прямому разложению. Химически же он является продуктом трансформации этих остатков в устойчивое соединение. Гумус следует отличать от торфянистых остатков — покрытых гумусовыми пленками не полностью разложенных остатков растений, как правило, накапливающихся при избыточном увлажнении. Наличие гумуса отличает почву от обнаженного грунта или горной породы. Гуминовые соединения ответственны за водный режим вследствие гигроскопичиости, за структуру почвы как склеивающий агент, за состав почвы вследствие комплексообразования.
Разложение гуминовых соединений осуществляется медленно н щ(ет, главным образом, путем соокисления. Гумусовые вещества не имеют регулярной структуры, и молекулы их не имеют одинакового строения, хотя имеют сходные молекулярные веса и набор функциональных химических групп, По элементному составу (вес %) они содержат: с н н Б о эола 49,5 4,5 0,8 0,3 44,9 2,4 5б4 55 41 11 329 09 По функциональным группам (в мг-экв/г): -ОСНь -ОООН Фенольные-ОН Фулъвокислоты 0,5 9,1 3,3 Гумнновые кислоты 1,0 4,5 2,1 Кислотность 12,4 б,б 7.6.1. Анаэробиое разложение фенольных соединений В кислородной атмосфере микробная деградация ароматических соединений осуществляется грибами и бактериями, которые используют От для активации субстрата в реакциях оксгенированяя.
В результате действия моно- и диоксигеназ вследствие введения гядроксигрупп исходные вещества преобразуются в небольшое число ключевых соединений, из которых наибольшее внимание уделяется 4 Г/ьипнал Е.М. Осяаьйс неосЬень1ену оунлшга1 ьнвсеьв. 11огбтесвк Х11Лой7)во1с, 1985.
280 Гумус разлагается микробным сообществом и в зависимости от условий представляет динамический резервуар устойчивого органического углерода почвы. Время пребывания углерода в этом резервуаре оценивается по радиоактивному углероду и составляет до 1000 лет. Размеры этого резервуара в глобальном масштабе оцениваются величиной 1500 10!1 г и в 3 раза превосходят содержание углерода в биомассе. Географически гумус накапливается в гумиднои поясе при равнинном ландшафте. С уменьшением поступления растительных остатков, например при распашке целины, содержание гумуса падает примерно на 1/3.
Это служит прямым указанием яа его деградацию, а не только на вынос при обработке почвы. Разложение гумуса микроорганизмами представляет особый интерес. Для разлагающей гумус микрофлоры было предложено Вяноградским название автпохтонная. С этой микрофлорой бились довольно много. В общем типичными организмами, развивающимися на гумнновых веществах, оказались артробактеры и нокардия. Это олиготрофные организмы в том смысле, что они растут при крайне низком содержании доступной органики, но совершенно отличны от диссипотрофов. Олиготрофные нокардии медленно разлагают труднодоступное органическое вещество.
Диссипотрофы используют легко доступную органику в очень низкой концентрации, В прибрежных водах водорастворнмые гуминовые вещества обычно составляют 20-60% РОВ. Они представляют собой органические кислоты с карбоксильными и фенольными группами, возникающие различным путем как остаточные продукты деградации, так и путем конденсациил.
Ранее их рассматривали как очень устойчивые, но сейчас по разложению синтетического '4С-лигнина (полимеризат кониферилового спирта) как единственного источника энергии установлено, что они могут поддерживать рост микроорганизмов. 1 1 катехину, протокатехиновой кислоте, гентизату.
У них, в свою очередь, под действием оксигеназ подвергается разрыву ароматическое кольцо вблизи гидроксигрупп. Образовавшиеся ненасыщенные органические кислоты подвергаются дальнейшему разложению обычно через ацетильные или сукцинильные производные. Каждая реакция оксигенирования в высокой степени экзотермична и обусловливает выделение в виде тепла около 300 кДж/моль реактанта.
Зта энергия не может быть использована организмом для синтеза АТФ. Подготовительные реакции оксигенирования составляют цену возможности дальнейшего использования продуктов окисления как субстрата энергетического обмена. Очевидно, что, подобно гндролитнкам, оксигенирующие организмы образуют широкий спектр усвояемых растворимых веществ, и это создает условия для обильного шлейфа днссипотрофов, сопровождающих их деятельность. Нерастворимые полимеряые ароматические вещества обусловливают структурную организацию сообщества с доминирующей группировкой мицелиальных организмов, инициирующих распад твердых лигнифицированных остатков в опаде или мертвых растительных тканях.
Вымываемые ароматические соединения и продукты их дальнейшего преобразования в виде растворимого "водного гумуса", фульвокислот, фенолов поступают в почвенный раствор или осадки водоемов. Высокая потребность в Оз для оксигенирования и его использование приводят к ограниченной доступности кислорода в плотных структурах растительного опала. Ароматические продукты распада могут поступать в анаэробяые зоны и там разлагаться за счет восстановительных процессовь.
Образование СН4 при разложении ароматических соединений было обнаружено еще в 1930-х годах на примере анаэробных очистных сооружений. Установленным фактом является способность аназробных организмов деградировать ароматические соединения. Биохимические пути были исследованы лишь в 1980-х годах с образованием в качестве метаболитов бензоил-КоА, резорцина, флорглюцина.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
