1598005439-1326b994f1090c560653e496106b7ac8 (811216), страница 49
Текст из файла (страница 49)
СТАДИИ ФЕРМЕНТАЦИИ Начиная с 30-х гг, и до недавнего времени фермеитацню рассматривали как процесс взаимодействия двух групп бактерий, регулирующих обмен веществ, цри этом считадоссч что процесс протекает в две стадии [6-83. На первой (кислотообразующей) стадии цод действием бактерий происходит гидролиз субстрата с образованием главным образом жирных и других органических кислот, спиртов, аммиака, сульфидов, СО, и Н,. На второй (метанообразующей) стадии продукты гидролнза (кислоты 'с МкЬае! у. Мсшегпеу, Гуерагсшепвс оГ Овцу Весенее апб М!сгоЬсо1ойу, (гп!чегя!су оГ 1!Плон, (ггЬапа. " Магяп Р.
Вгуап1, Оеряяпепс оГ Г)а!гу Яс!енсе апд МкгоЬю!ойу, Оп!чепйсу оГ )П!по!я, (ггЬапа. Часть П и спирты) разлагаются в присутствии СОт и Н, с образоианием СНл и СО,. В 1967 г. было показано [9], что ферментация этаиола, которая, как ранее предполагалось, была установлена наличием МегйаиоЬасИ)иу еще!!илу)гй, иа самом деле является результатом действия синтропического сообщества двух видов бактерий, один из которых способствует образованию уксусной кислоты и водорода только из этанола, а другой (метаиоген) использует образующийся водород.
Этот факт и то обстоятельство, что не были обнаружены чистые культуры метаногенов, разлагающих пропионовую и другие жирные кислоты с более длинной цепью, свидетельствовали о том, что двухстадийная схема не дает полного представления о процессе ферментации, т.е. катаболизм спиртов (кроме метанола) и жирных кислот (кроме муравьиной и уксусной) вызван не метаногенами как таковыми, а какой-то другой группой бактерий, регулируюсцих обмен веществ. Современное представление о процессе получения метана ферментацией отражено иа рис.
1. На первой стадии по-прежнему происходит накопление ферментов. Возможно, что пропионовая и другие жирные кислоты с более длинной цепью, а также спирты разлагаются под действием промежуточной группы бактерий, так называемых облигащорных ау)ещогенных бактерий, образующих Н, [3, 4]. Другая группа бактерий б)уеиниоегнт ем«тлен«и« Уенеаяуаг Протеин Пиниды на + со б етегее ениоакин си,гсо, сн,+н,о Рпс. 1. Схема полного аиаэробного расщепления органического вещества под влиянием трех основных групп бактерий: (1) фермеятативных, (2) облнгатаых, производящих Нт, ацетогенных и !3) метаногенных У««уолл«, а ллагда и другие «пологи могут быль обрамммм а р«лупы«та упмтлл ба««трпа Л-Я группьь Способы получения энергии яз баомассы образует из Н и СОз уксусную, а иногда и другие кислоты [1Π— 12].
Что касается метаногенов, то они используют образованный другими бактериями водород, восстанавливая СО, до СН« и расщепленную уксусную кислоту до СО, и СН«. Последняя реакция имеет важное значение, так как 70/ метана, получаемого ферментацией, образуется из метильной группы уксусной кислоты. Ферментация сложных органических веществ (пищевых продуктов) с образованием метана протекает в рубцах (первом отделе желудка жвачных животных), в слепой и толстой кишках многих животных [13]. Поскольку время удержания пищи в системе мало, то в ней обычно успевают образоваться только ферментативиые бактерии, а в некоторых случаях использующие водород метаногены. В результате уксусная и жирные кислоты с более длинной цепью разлагаются в незначительной степени, накапливаются и используются животными в качестве источника энергии.
2. МЕТАНОГЕНЫ В анаэробном разложении сложных органических веществ существенную роль играют метаногены, так как они являются единственными организмами, способными вызвать катаболизм уксусной кислоты и водорода с образованием газообразных продуктов в отсутствие солнечной энергии илн экзогениых акцепторов электрона (кислорода, сульфата, нитрата). Без участия метаногенов эффективное расщепление сложных органических соединений практически становится невозможным из-за накопления негазообразных восстановленных жирных кислот и спиртов, которые содержат почти столько же энергии, сколько ее содержится в исходном субстрате. Метаногены представляют собой уникальную группу бактерий, включающую различные виды с совершенно разной формой и структурой клеток [6, 14-16].
Для роста метаногенов необходимы строго аназробиые условия; микроорганизмы могут расти только в отсутствие кислорода при окислительно-восстановительном потенциале ниже 300 мВ. Требования к питательным веществам для этих микроорганизмов просты — рост большинства видов происходит в среде минеральных солей, СО„аммиака и сульфидов, которые соответственно являются основными источниками углерода, азота и серы.
Аммиак имеет важное значение для роста, и ни один из известных видов бактерий ие использует в качестве основного источника азота аминокислоты или пептиды [17]. Что касается сульфидов, то лишь немногие виды бактерий могут использовать цистеин в качестве источника серы [17]. Некоторые виды бактерий требуют добавления одного или более соединений (уксусной кислоты, 2-метилового эфира масляной кислоты), а также кофермента М, витамина В, аминокислот [6, 14 — 17].
В результате распада клеток, а возможно, и выделения метаногенами соединений обеспечиваются образование значительного количества питательных веществ (аминокислоты, вита- 251 Часть 11 Способы получения энергии иэ биомассы мина В) и создание условий для роста неметаногенных микроорганизмов [18 — 201. Последние содержат различные коферменты: кофермент 420, играющий роль переносчика электрона; кофермент М, принимающий участие в реакциях по переносу метильной группы; гормон В, термостабильный кофактор с молекулярной массой примерно 1000, требующийся для ферментатнвного образования СН, из метил-кофермента М, и, по.видимому, другие коферменты [143. Полученные недавно данные свидетельствуют о том, что причиной синтеза аденозин-5-трифосфата может быть фосфорилирование, связанное с переносом электронов [21, 223.
2Л. Филогенин и тиксоиомин В качестве метода исследования филогенетических зависимостей между различными видами микробов авторы работ [23~ использовали сравнительный анализ подобия олигонуклеотидных признаков 168 рибосомных молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК) [233. Из результатов анализа следует, что метаногены составляют ограниченную, но разнотипную группу и имеют очень отдаленное отношение к другим микроорганизмам.
На основе данных проведенного анализа была предложена таксономия метаногенов, представленная в табл.!. Метаногены отличаются почти от всех других бактерий тем, что в стенках их клеток не содержится мурамовой кислоты [253, а в липидах вместо обычных гликолипидов и фосфолипидов, связанных в сложные эфиры, содержатся глицериновые эфиры фитанила С, и дифитанила Сяо [263. 2.2 Субстраты Метаногены, как группа микроорганизмов, в качестве источника энергии используют лишь определенную часть субстратов !табл.!), а некоторые виды могут усваивать только одно-два соединения. Все виды метаногенов, за исключением палочек, усваиваюших уксусную кислоту [273, и термофильных штампов Мегйапозагс!па [71, потребляют для своего роста Н, и СОз: 4Н + НСОэ + Н+ сяСН + ЗНО, ЛО" = — ! 35,6 кДж/реакция ".
(1) Значительное изменение свободной энергии )ЬО") свидетельствует о том, что равновесие реакции не благоприятствует образованию СН . 4' эу Приводимые значения величин ДО" н ЬЕ" либо взяты нэ работы [28Ь либо вычислены на основании данных работы [281. Метаногены, образующиеся в рубце, обнаруживают филогеническую близость по степени поглощения водорода, и утилизация водорода Км составляет примерно ! мкмоль [293. Установлено также, что при анаэробном перегнивании для образования СН, расходуется большое количество водорода.
В связи с быстрым расходом водорода метаногенами в экосистеме поддерживается низкая его концентрация, примерно 1 мкмоль в рубце [321. Для многих видов метаногенов эквивалентным источником энергии является муравьиная кислота. Важным субстратом для метаногенов является уксусная кислота: примерно 65-70% метана, образующегося при перегнивании органических веществ сточных вод [33, 343 и осадков озер [353, получается за счет метильной группы уксусной кислотьь По-видимому, всего лишь некоторые виды метаногенов способны расщепить уксусную кислоту; в чистом виде из них были выделены только Мегйапозагста Ьаг!гег! Расщепление уксусной кислоты происходит в соответствии с реакцией СНЗСОО + НэО ~ СНя + НСОэ ЛО" = — 31,0 кДж/реакция. (2) Несмотря на то что величина ЛО" настолько мала, что при протекании реакции в стандартных условиях ее едва лишь хватит для образования одного моля аденозинтрифосфата )ЛО" = — 31,6 кДж) [313, Мегйинозагс1на Ьайег! получают достаточно энергии для роста за счет катаболизма уксусной кислоты в отсутствие любого другого субстрата [36 †3.Очевидно, что именно вследствие малого значения ЛО"' наблюдается относительно медленный рост метаногенов на данном субстрате.
Прелпочтительиые источники энергии, такие, как Н, или СНэОН, могут регулировать расщепление уксусной кислоты микробами Месйапозагсаа Ьаг!гег! способом, похожим на катаболитную репрессию, т.е. когда один или более ферментов, требующихся для расщепления уксусной кислоты, репрессируются [38). Роль, которую играет Н, в регулировании расщепления уксусной кислоты в естественной экосистеме, пока еще не выяснена. Кратковременный контакт с Н, не оказывает влияния на расщепление уксусной кислоты в иле [29) или в культурах [391, содержащих палочки, расщепляюшие уксусную кислоту.
Возможно, что в этом случае инкубационный период настолько мал, что не позволяет судить о влиянии существующих ферментов, требующихся для расщепления уксусной кислоты. Др гие субстраты, используемые Мегйапозагс1на ЬагГгсп', включают у метанол и Х-метильные соединения [401, такие, как метил-, диметилили триметиламин. В осадках озер метаногенным субстратом оказался метилмеркаптан [413, однако микроорганизм, вызывающий его расщепление, неизвестен до сих пор.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
