Курсовая работа по микробиологии на тему Водородные бактерии 

«Гидроксильный радикал — это чрезвычайно токсичный и высокореактивный вид кислорода, постоянно образующийся в митохондриях от рождения до смерти. Поскольку водород является самой маленькой двуатомной молекулой, он легко проникает через митохондриальные мембраны, вступая в реакцию с этими гидроксильными радикалами и предотвращая окислительный стресс клеток без каких-либо побочных эффектов. Таким образом, действие бактерий, продуцирующих водород, превосходит действие других полезных бактерий, таких как молочнокислые бактерии и бифидобактерии, которые не могут производить водород» .
К водородным бактериям относятся прокариоты, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О2, а все вещества клетки строить из углерода СО2. Это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н2 в аэробных условиях:
Н 2 + 1/2 О2 Н2О,
Помимо окисления, для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. Соотношение между потреблением растущей культурой водородных бактерий Н2, О2 и СО2 и синтезом вещества клеток [СН2О] соответствует следующему уравнению:
Н2 + 2О2 + СО2 [СН2О] + 5Н2О,
Из уравнения видно, что на пять молекул Н2, окисленного в процессе дыхания, приходится одна молекула Н2, затрачиваемого на синтез биомассы.
Водородные бактерии, окисляющие Н2 в присутствии О2, весьма гетерогенная с таксономической точки зрения группа. Она включает преимущественно грамотрицательные бактерии (протеобактерии), среди которых наиболее распространены представители рода Alcaligenes (A. eutrophus, A. paradoxus) и Pseudomonas (P. facilis, P. saccharophila, P. carboxidovorans, P. carboxidoflava и др.). Эти бактерии имеют сходную морфологию и являются неспорообразующими палочками размером 0,3–0,7 0,8–2,9 мкм. Среди грамотрицательных бактерий окислять водород в аэробных условиях способны также представители родов Aquaspirillum, Xanthobacter, Hydrogenobacter, Hydrogenophaga, Paracoccus, Derxia, Rhizobium, среди грамположительных – Nocardia, Mycobacterium, Bacillus, Rhodococcus. Окислять водород могут также архебактерии вида Aquifex pyrophilus.
«Водородные бактерии – факультативные хемолитоавтотрофы, использующие в качестве источника углерода и энергии также разнообразные органические соединения. Ассимиляция СО2 у большинства водородных бактерий происходит в цикле Кальвина. Исключение из этого правила составляют бактерии видов Hydrogenobacter thermophilus, Aquifex pyrophilus, которые ассимилируют СО2 через восстановительный цикл трикарбоновых кислот» . Водородные бактерии, растущие на органических соединениях, имеют тот же метаболический аппарат, что и хемоорганогетеротрофные прокариоты. Метаболизм органических соединений у разных представителей этой группы осуществляется с помощью гликолитического, окислительного пентозофосфатного и Энтнера – Дудорова путей, а также цикла Кребса и глиоксилатного шунта.
Все водородные бактерии способны потреблять аммиак, многие представители – мочевину, нитраты, нитриты, разные аминокислоты и азотистые основания. Некоторые штаммы способны к фиксации молекулярного азота. Большинство водородных бактерий относится к облигатным аэробам. Однако среди них преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям О2 в среде. Особенно чувствительны к О2 водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Это объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу – ключевые ферменты метаболизма Н2 и фиксации N2. Водородные бактерии, как правило, мезофилы с температурным оптимумом для роста 30 – 35 °С. Некоторые виды – термофилы, растущие при температуре 50 °С и даже 70 °С. Нейтрофилы с оптимальным рН для роста 6,5–7,5. Окисление водорода связано с наличием гидрогеназ, которые в клетке могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. Большинство водородных бактерий содержит только одну форму фермента – связанную с мембранами. Однако есть виды, имеющие обе формы или только растворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу. Гидрогеназы с различной локализацией выполняют в клетке разные функции.
К образованию молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами Н2 являются эубактерии. Также активно осуществляется и потребление Н2, важная роль в этом принадлежит водородным бактериям. Нахождение в природе и возможность размножения этих бактерий определяются рядом факторов; основные из них - наличие Н2 и аэробные условия.
Водородные бактерии привлекают к себе внимание возможностью практического использования: для получения кормового белка, а также ряда органических соединений (кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты и др.).
«К водородным бактериям относят эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием О2, а все вещества клетки строить из углерода СО2. Таким образом, водородные бактерии — это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении Н2 в аэробных условиях» .
Способность к энергетическому использованию H2 может сочетаться с конструктивным метаболизмом облигатно гетеротрофного типа (например, у представителей родов Azotobacter или Acetobacter) или происходить в строго анаэробных условиях (сульфатвосстанавливающие бактерии), что не позволяет относить обладающие этими особенностями организмы к водородным бактериям. Таким образом, водородные бактерии представляют только часть эубактерии, способных использовать H2 для получения энергии. Пути использования молекулярного водорода эубактериями суммированы в табл. 1. Водородные бактерии характеризуются способностью сочетать конструктивный метаболизм автотрофного типа (вариант 1) с получением энергии за счет окисления H2 с участием молекулярного кислорода (вариант 3).
Таблица 1. Пути использования молекулярного водорода эубактериями
Процесс Конечный акцептор водорода Конечный продукт
Восстановительное ассимилирование углерода CO2 вещества клетки
Восстановительное ассимилирование углерода органические соединения вещества клетки
Дыхание O2 H2O
Нитратное дыхание, денитрификация NO3–, NO2–, NO, N2O N2, NO2–
Сульфатное дыхание SO42–, SO32–, S2O32– H2S
Фумаратное дыхание фумарат сукцинат
Образование ацетата CO2 CH3COOH

Впервые водородные бактерии были описаны А. Ф. Лебедевым и Г. Казерером (Н. Kaserer) в 1906 г., а в 1909 г. С. Орла-Йенсен выделил их в самостоятельный род Hydrogenomonas.
Последующее изучение обнаружило сходство водородных бактерий с представителями разных родов гетеротрофных бактерий: Pseudomonas, Alcaligenes, Nocardia и др. Стало ясно, что водородные бактерии — не таксономическая группа, а организмы, объединяемые на основании нескольких физиологических признаков. Род Hydrogenomonas был ликвидирован, и виды, входившие в его состав, распределены по другим таксономическим группам.
К водородным бактериям относятся представители 20 родов, объединяющих грамположительные и грамотрицательные формы разной морфологии, подвижные и неподвижные, образующие споры и бесспоровые, размножающиеся делением и почкованием. Молярное содержание ГЦ-оснований ДНК водородных бактерий находится в диапазоне от 48 до 72%.
Электронтранспортная цепь водородных бактерий по составу аналогична митохондриальной (рис.1).














Рис. 1. Схема переноса электронов в дыхательной цепи митохондрий: ФМН — простетическая группа НАД(Ф)-H2 — дегидрогеназы; ФАД — простетическая группа сукцинатдегидрогеназы; УХ — убихинон; b, c, с1, а, a3 — цитохромы. Сплошными линиями обозначены процессы, протекающие в мембране; прерывистыми — в цитозоле клетки; зигзагообразной линией показаны места действия ингибиторов

Большинство из них относится к облигатным аэробам. Однако среди облигатных аэробов преобладают виды, тяготеющие к низким концентрациям O2 в среде. Особенно чувствительны к O2 водородные бактерии, растущие хемолитоавтотрофно, а также в условиях фиксации молекулярного азота. Последнее объясняется инактивирующим действием молекулярного кислорода на гидрогеназу и нитрогеназу — ключевые ферменты метаболизма H2 и фиксации N2. Для некоторых водородных бактерий показана способность расти и в анаэробных условиях, используя в качестве конечного акцептора электронов вместо O2 нитраты, нитриты или окислы железа. Примером факультативно аэробных водородных бактерий может служить Paracoccus denitrificans, у которого в аэробных условиях работает электронтранспортная цепь, аналогичная митохондриальной, а в отсутствие O2 электроны с помощью соответствующих редуктаз переносятся на NO3 – и NO2 –, восстанавливая их до N2 (рис.2., B). Однако большая часть факультативно аэробных водородных бактерий способна к восстановлению нитратов только до нитритов.










Рис. 2. Схема энергетических процессов у представителей разных групп хемолитотрофных эубактерий: А — Thiobacillus ferrooxidans; Б — Nitrobacter; В — Paracoccus denitrificans: РЦ — рустицианин; ФП — флавопротеин; УХ — убихинон; b, c, o, a1, aa3 — цитохромы

Гидрогеназы обнаружены у многих представителей прокариотного мира. В клетке гидрогеназы могут находиться в растворимом или связанном с мембранами состоянии. По этому признаку все изученные водородные бактерии могут быть разделены на 3 группы. Большинство содержит только одну форму фермента — связанную с мембранами. Есть виды, содержащие обе формы или только растворимую (цитоплазматическую) гидрогеназу.
Гидрогеназы, имеющие различную локализацию, вероятно, выполняют в клетке разные функции. Связанный с мембранами фермент не способен восстанавливать НАД+, передает электроны непосредственно в дыхательную цепь на уровне флаво-протеинов, хинонов или цитохрома b и, таким образом, имеет отношение только к энергетическим процессам. Растворимая гидрогеназа переносит электроны на молекулы НАД+, которые участвуют далее в различных биосинтетических реакциях.
Если водородные бактерии содержат обе формы гидрогеназы, функции между ними четко разделены. В случае отсутствия у водородных бактерий цитоплазматической гидрогеназы возникает проблема получения восстановителя при хемолитоавтотрофном способе их существования. Она решается с помощью механизма обратного переноса электронов на НАД+. При функционировании только цитоплазматической гидрогеназы она выполняет обе функции: часть восстановительных эквивалентов с НАД-H2 поступает в дыхательную цепь, другая расходуется по каналам конструктивного метаболизма. Таким образом, из всех хемолитоавтотрофных эубактерий только водородные бактерии с помощью определенной формы гидрогеназы могут осуществлять непосредственное восстановление НАД+ окислением неорганического субстрата. В электронтранспортную цепь электроны, следовательно, могут поступать с НАД-H2 или включаться на уровне переносчиков с более положительным окислительно-восстановительным потенциалом. С этим связан энергетический выход процесса: функционирование в дыхательной цепи 3 или 2 генераторов DmH+.
К образованию молекулярного водорода приводят разные процессы, в том числе и биологические. Активными продуцентами H2 являются эубактерий. Также активно осуществляется и потребление H2, важная роль в этом принадлежит водородным бактериям. Нахождение в природе и возможность размножения этих бактерий определяются рядом факторов; основные из них — наличие H2 и аэробные условия.
В последнее время водородные бактерии привлекают к себе внимание возможностью практического использования: для получения кормового белка, а также ряда органических соединений (кислоты, аминокислоты, витамины, ферменты и др.).
Группа аэробных водородокисляющих бактерий физиологически определена и включает бактерии из разных таксономических единиц. Эта группа определяется способностью использовать газообразный водород в качестве донора электронов с кислородом в качестве акцептора электронов и фиксировать углекислый газ; то есть, расти хемолитоавтотрофно. Эти водородокисляющие бактерии в строгом смысле слова отличаются от других бактерий (Acetobacter, Azotobacter, Enterobacteriaceae и другие), которые также окисляют водород в аэробных условиях, но без автотрофной фиксации CO₂. Кроме того, они отличаются от бактерий, которые используют водород в анаэробных условиях, используя сульфат или углекислый газ в качестве акцепторов водорода (например, Desulfovibrio, Clostridium aceticum, Acetobacterium woodii и Methanobacterium thermo-autotrophicum).
Изученные до сих пор водородокисляющие бактерии являются факультативными автотрофами; они также могут расти в полностью гетеротрофных условиях на одном из множества органических субстратов, являющихся как донорами электронов, так и источниками углерода. Миксотрофный рост также возможен. На многих органических субстратах большинство водородных бактерий размножаются с большей скоростью, чем в автотрофных условиях. Что касается основного ферментативного состава и основного обмена веществ, то большинство изученных до сих пор бактерий, окисляющих водород, очень похожи на другие гетеротрофные аэробные бактерии. Однако, помимо гетеротрофных способностей, они способны получать энергию путем окисления газообразных водород по цепи переноса электронов и одновременно для синтеза клеточного материала путем восстановительной ассимиляции углекислого газа в рибулозо-бисфосфатном цикле.
Биологически уникальным является сочетание этих двух способностей - принимать водород в качестве донора электронов и использовать углекислый газ в качестве единственного источника углерода. Общее уравнение потребления газа таково: 6H2 + 202 + CO2 ~ (20 часов 20 минут) + 5 часов 20 минут. Существует, по крайней мере, два типа гидрогеназ; их распределение имеет таксономическое значение. Эти два типа гидрогеназ можно дифференцировать в зависимости от локализации в клетке и от акцептора водорода. Цитоплазматическая надспецифическая гидрогеназа, которая называется водороддегидрогеназой, присутствует у Pseudomonas saccharophila, Alcaligenes eutrophus, и др. ruhlandii. Эти виды содержат вторую гидрогеназа, которая связана с мембраной и не восстанавливает пиридиннуклеотиды. Большинство изученных до сих пор водородных бактерий содержат только мембраносвязанную гидрогеназу; это их единственный фермент, активирующий водород.
Специфичная для NAD растворимая гидрогеназа, не сопровождаемая мембраносвязанной гидрогеназой, до сих пор встречалась только у Nocardia opaca. С помощью ферментативного анализа можно легко отличить оба типа гидрогеназ. Некоторые хемолитоавтотрофные и метилотрофные бактерии обладают особыми структурными адаптациями к автотрофному образу жизни. Они содержат более или менее развитую систему внутрицитоплазматических мембран, а для некоторых штаммов характерны карбоксисомы (многогранные тельца). У бактерий, окисляющих водород, не наблюдалось подобной структурной адаптации.
Когда-то считалось, что бактерии, окисляющие водород, образуют таксономическую группу и были отнесены к особому роду Hydrogenomonas. Когда было изучено и описано все большее число штаммов, стало ясно, что эта группа неоднородна и что в большинстве случаев отдельные виды пришлось отнести к ранее существовавшим родам гетеротрофных бактерий, таким как Pseudomonas, Alcaligenes и т.д. Таким образом, род Hydrogenomonas был отвергнут. Морфологические исследования, а также выделение водородокисляющих бактерий, безусловно принадлежащих к другим таксономическим группам, подтвердили это разнообразие.
На самом деле, водородокисляющие бактерии относятся к следующим родам и группам строго аэробных (за исключением денитрифицирующих) бактерий: псевдомонады, алкалигены, спириллы, грамотрицательные кокки, коринеформы (с неопределенным таксономическим положением), бациллы, микобактерии и нокардии.
К настоящему времени выделены бактерии, которые способны расти, используя монооксид углерода в качестве единственного источника углерода и источником энергии также оказались бактерии, окисляющие водород. Они способны расти с таким же успехом или даже быстрее при использовании углекислого газа и водорода, чем при использовании монооксида углерода. Таким образом, бактерии, окисляющие монооксид углерода, также подвергаются здесь обработке. Еще одна группа бактерий является потенциальными кандидатами на включение в рассматриваемую здесь группу аэробных бактерий, окисляющих водород.
Многие представители неоксигенных фототрофных бактерий способны использовать водород в качестве донора водорода для фототрофного роста. С другой стороны, несколько фототрофы, особенно из семейства Rhodospirillaceae, способны к органотрофному росту в аэробных условиях в темноте. Были предприняты попытки определить, могут ли быть связаны оба вида деятельности - активация и использование водорода, а также окислительный метаболизм в темноте. Эти эксперименты были успешными с Rhodopseudomonas capsulata. R. capsulata способен расти в минеральной среде в темноте в атмосфере водорода, углекислого газа и кислорода при условии, что парциальное давление кислорода поддерживается на низком.
Изученные бактерии, окисляющие водород, являются факультативными автотрофами, растущими либо на органических субстратах, либо на водороде с добавлением углекислого газа. Способность использовать как органические, так и неорганические субстраты позволяет им занимать особые ниши и может объяснить их широкое распространение. Оба газа (водород и углекислый газ) вырабатываются в природе в достаточных количествах, и те микроорганизмы, которые возможность использовать их в качестве субстратов для роста имеет селективное преимущество. Следовательно, следует предположить, что бактерии, окисляющие водород, обычно встречаются в тех местах обитания, где доступны как водород, так и кислород. Производство водорода широко распространено в природе. Многие анаэробные фенотипические бактерии утилизируют избыточную восстановительную способность, выделяя газообразный водород.
При разложении органических веществ в анаэробных условиях образуются водород и углекислый газ. Болота, рисовые поля, заболоченные почвы и рубец крупного рогатого скота являются средами обитания, в которых выделяется большое количество водорода. Однако выделение водорода не ограничивается только упомянутыми строго анаэробными макробитами, но, по-видимому, происходит и в хорошо аэрируемых почвах. Если органическое вещество попадает в почву или озерные отложения, образуются микросреды обитания, которые становятся анаэробными из-за ограничения диффузии кислорода. Эти анаэробные условия приводят к ферментативному разложению органического материала и выделению водорода.
Многие микроорганизмы используют молекулярный водород преимущественно в качестве донора электронов и энергии и конкурируют за доступный водород. В анаэробных условиях основная часть водорода превращается в метан, сероводород и газообразный азот (рис. 3). Вероятно, лишь небольшая часть водорода достигает аэробных слоев почвы, грязи и воды.
















Рис. 3. Основные процессы утилизации водорода различными
группами бактерий в присутствии различных акцепторов водорода

Однако значительные концентрации водорода и содержание монооксида углерода было измерено в поверхностных водах океанов и в атмосфере, что указывает на то, что по крайней мере некоторое количество водорода достигает аэробных зон водоемов и атмосферы. Эти верхние слои почвы, грязь (в голомиктических озерах) и водоемы могут быть основными местами обитания аэробных бактерий, окисляющих водород.