http://www.enu.kz УДК 628.336.6 О СВОЙСТВАХ И

http://www.enu.kz
УДК 628.336.6
О СВОЙСТВАХ И ХАРАКТЕРИСТИКАХ МЕТАНОБРАЗУЮЩИХ БАКТЕРИЙ
Заркешев Э.Г., Демеубаев С.М., Алгазина А.К.
Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, Астана, Казахстан
Algazina_88@mail.ru
http://www.enu.kz
Синтез метана, осуществляется специфической группой микроорганизмов и
реализуется на терминальном участке цепи анаэробного разложения органических
веществ в природе. Метанообразующих бактерии (метаногены) характеризуются рядом
уникальных свойств, которые будут рассмотрены в данной статье. Морфология
метанообразующих бактерий. Клетки метаногенов представлены морфологически
различными формами: кокками, палочками, сарцины, спирилл, нитчатыми формами.
Встречаются также редкие для прокариот формы: полигональные (многоугольные),
плиткоподибни, неправильной формы. Размеры клеток варьируют от 0,5 до 10 мкм. Есть
грамотрицательные и грамположительные бактерии. Ультраструктура клеток
разнообразна. У представителей некоторых видов имеются газовые вакуоли, внутр.
цитоплазматические мембраны, участки низкой электронной плотности, содержащие
запасные вещества [1, 3].
Все штаммы метанообразующих бактерий являются облигатными анаэробами,
некоторые из них погибают при кратковременном контакте с воздухом, другие только
прекращают рост. Эта группа бактерий характеризуется необычным путем получения
энергии, уникальными конечными продуктами метаболизма (катаболизма): СН 4 и СО2 [3].
Субстратами для метаногенеза является СО2 + Н2 формиат, ацетат, метанол, метиламины
и др.. Потребности в питательных веществах в различных метанообразующих бактерий
относительно источников углерода, энергии и факторов роста различны. Как источник
азота используются NH4+, а как сера - сульфиды. Кроме фосфатов Mg2+, Ca2+, K+, Na+, Fe2+,
в среде нужно добавлять различные микроэлементы, и в первую очередь Ni, Со, Мо, а
иногда W и Se. Оптимальный диапазон рН для роста метанообразующих бактерий - 6,57,5. Метаногены характеризуются низкой скоростью роста. Поэтому развитие клеточной
популяции
метанообразующих
бактерий
в
жидкой
среде
контролируется
газохроматографического методом выделения СН4. На твердых (агаризованных средах)
возможна идентификация колоний ряда метанообразующих бактерий с флюоресценцией.
Метанообразующие бактерии характеризуются комплексом свойств, которыми они
отличаются от других прокариотов (строением клеточной стенки, специфическими
коэнзимами, клеточными липидами, аппаратом синтеза белка и др.). Что послужило
основанием для предложения выделить их в царство архебактерий [3, 4]. У метаногенов
мураминовая кислота и D-аминокислоты, как и у других архебактерий, отсутствуют.
Псевдомуреин состоит из цепочки N-ацетилглюкозамин и N-ацетилталозаминуроновой
кислоты в -1, 3-положении, а также боковые пептидные цепи с глутаминовой кислоты,
аланина и лизина. Клетки представителей метаносарцин имеют толстый
гетереполисахаридный чехол, состоящий из N-ацетил-D-галактозамин и глюкуроновой
кислоты. Клетки Methanospirilium и Methanothrix обладают твердым устойчивым
протеиновый чехлом из фибриллярного структурного протеина, состоящая из
кольцеобразных сегментов; Methanococcus и Methanogenium имеют протеинови оболочки,
состоящие из частиц, имеющих гексагональную структуру. Данная кристаллическая
структура из протеинов или гликопротеидов является поверхностным слоем (S-layer).
Особенности строения оболочки клеток метанообразующих бактерий и других
архебактерий отличают их от эубактерий и обусловливают устойчивость к антибиотикам
[3].
Существенные отличия есть и в строении липидов клеток метаногенов и других
организмов. У метанообразующих бактерий и других архебактерий содержатся
http://www.enu.kz
изопранилглицериновые эфиры как полярные липиды, при этом два важных соединения дифитанилглицериндиэфир и дибифитанилдиглицеринтетра-эфир. У разных организмов
содержание этих эфиров разное. Аналогично глицериновым сложным эфирам эубактерии
эти ди-, тетралипидни эфиры архебактерий связанные с углеводами и фосфатами в виде
гликолипидов, фосфолипидов и фосфогликолипидов в мембранах середине клеток. В
целом липиды составляют 2-6% сухой массы клеток. 80-90% всех липидов представлены
полярными липидами, которые являются главными составляющими частями клеточной
оболочки-, другие 10-20%-полярными или нейтральными липидами. В отличие от
эубактерий и эукариотов у метанообразующих бактерий (и других архебактерий) есть
только одна РНК-полимераза, которая состоит из одной большой, двух средних и
нескольких маленьких субъединиц, т.е. она имеет сложную структуру и содержит не
менее 8 полипептидов. Структура генома, его размеры, а также состав ДНК метаногенов,
в целом подобны таковым эубактериального генома. У некоторых метаногенов найдены
также критические плазмиды.
Культуральные
и
физиолого-биохимические
свойства
метаногенов
(метанообразующие бактерии). Добавление в среду казаминовых кислот стимулирует рост
большинство метанообразующих бактерий не растет на Н2 и СО2. Добавление NH4Cl в
среду с дрожжевым экстрактом оказывает стимулирующий эффект и увеличивает выход
метана, причем аммоний не может быть заменен на нитрат. Источником органического
азота является дрожжевой экстракт, который не может быть заменен на смесь
аминокислот с витаминами. Образование метана, в основном, наблюдается при
температуре от 10 до 50°С, с оптимумом 37°С, при значениях рН от 5,5 до 7,7, с
оптимумом 6,3-6,9 солености среды от 0,9 до 10 г / л с оптимумом 4,5-6,0 г / л.
Способность к лизису под влиянием детергентов характерна для коккообразные
метаногенов, относящихся к семействам Mеthanococcus, Methanolobus, Methanohalophilus
и Methanoplanus. Лизис, который вызывается додецилсульфатом натрия (ДДС), обычно
свидетельствует о белковую природу клеточной стенки бактерий. Из представителей рода
Methanosarcina способность к лизису под действием ДДС наблюдалось в M. acetivorans и в
некоторых штаммов M. mazei. Для метанообразующих бактерий этих видов характерна
способность к росту не только в агрегатах псевдосарцин, но и с образованием дисперсной
массы отдельных кокков.
Отсутствие чувствительности некоторых метанообразующих бактерий к ряду
антибиотиков широко применяют для выделения чистых культур этих архей.
Определение чувствительности чистых культур метанообразующих бактерий к различным
классам антибиотиков позволяет использовать этот феномен для разделения метаногенов
разных таксономических групп. Рост и метаногенеза подавляются хлорамфенилколом,
полимиксина и в значительной степени канамицином. Метаболизм метанообразующих
бактерий. Образование СН4 является процессом, который поставляет энергию метаногены
бактериям. Различные субстраты обеспечивают разный уровень получения энергии.
Большинство метаногенов способна использовать Н2 и СО2 для образования СН4.
Восстановление СО2 до СН4 происходит многоступенчато. При этом трансформация
отдельных промежуточных С1-соединений связана с функционированием специфических
ферментов (переносчиков). Кобаламин как переносчики участвуют в процессах
метаногенеза из метанола и метиламин, а также при синтезе клеточной вещества. Вместе с
Н2 и СО2 ацетат - один из важных субстратов для метаногенеза в природе. Биохимия
метаногенеза из ацетата изучена мало. С помощью изотопного техники обнаружено, что
метильных групп ацетата без изменения включается в метан, а карбоксильная группа
превращается в СО2. Таким образом, после расщепления ацетата метильных групп
восстанавливается до СН4, а карбоксильная группа окисляется до СО 2. Образование СН4 в
этом случае происходит с участием коэнзима М, который выступает как терминальный
акцептор метильных групп. Окисление карбоксильного остатка до СО2 катализирует СОдегидрогеназы. Метильная группа метанола без изменения трансформируется в СН 4. В
http://www.enu.kz
этом случае терминальным C1-переносчиком при метаногенеза также коэнзим М. В
переносе метильной группы от метанола участвуют две метилтрансферазы
(метилтрансфераза I и метилтрансфераза II). При образовании метана из метилкоензима М
с помощью системы метилкоэнзим М-редуктазы часть метильных групп переносится от
коэнзима
М
до
тетрагидрометаноптерину.
В
результате
образуется
формилтетрагидрометаноптерин, который далее окисляется за счет отщепления системы
переносчика через формиат до СО2. В процессе расщепления формиат участвуют
цитохромы, которые были найдены только у метанообразующих бактерий использующих
метанол, ацетат и метиламины. Количественный выход энергии при метаногенеза
значительно ниже, чем при дыхании аэробной и денитрификации. Выход энергии при
метанообразования из СО2 и Н2 в стандартных условиях относительно высокий (138,8
кДж на моль СН4), в реальных условиях in situ при концентрациях водорода, которые есть
в природе, полученная энергия обычно достаточна для получения только с АТФ на моль
СН4 (20 кДж расходуется на 1 моль АТФ).
Функционирование системы никельтетрапиррола в качестве коэнзима в этом
процессе указывает на аналогию с другими известными процессами получения
биологической энергии, например, Mg-тетрапиррол-система находится в хлорофилле, Feтетрапиррол-система - в цитохроме, цитохромоксидазы. Постулируют механизм
образования АТФ в метаногенов за счет процесса транслокации электронов. Вероятно,
образуется градиент протонов через цитоплазматическую мембрану. При этом
протондвижуща сила посредством связанного на мембране ферментного комплекса
(proton translocating АТФ-синтаза) приводит к синтезу АТФ из АДФ + Ф. О такой
механизм получения энергии свидетельствуют следующие данные:
 у метанообразующих бактерий установлено наличие потенциала протонов нацитоплазматической мембране или в внутреннеплазматической мембранной системе
метаногенов;
 найден мембранно-связывающий фермент (proton translocating; АТФ-синтаза)
 выявления связь с цитоплазматичной мембраной метилкоэнзим М редуктазной
системы.
Метанообразующие бактерии реализуюют различные типы: питание согласно
используемым источникам углерода и энергии. Так, хемо-литоавтотрофные
микроорганизмы используют СО2; как источник углерода и Н2 как источник энергии
(Methanobacterium
thermoautotrophicum,
Methanococcus
jannaschii).
Хемолитогетеротрофные микроорганизмы используют, например, ацетат как источник
углерода и Н2 как источника энергия. Хемоорганогетеротрофные микроорганизмы
используют как источник углерода и энергии ацетат, метанол, формиат, метиламины и т.д.
Один и тот же организм может реализовать различные пути получения энергии и
ассимиляции углерода.
Хемолитогетеротрофные организмы, например Methanobrevibacter smithii, могут
превращать Н2 и СО2 в СН2, но не способны образовывать ацетил-коэнзим А с СО2,
поскольку в них отсутствует СО-дегидрогеназа. Ассимиляция других источников
углерода (ацетата, метанола, метиламин и др.). Метанообразующими бактериями
осуществляется всегда путем образования ацетилкоензима А. Как источник углерода
метанообразующие бактерии могут использовать формиат. Формиат расщепляется с
помощью формиатдегидрогеназы в СО2 и Н2. Метанол, а также метиламины являются
донорами метильных групп для образования коэнзима А. Ассимиляция СО у
метанообразующих бактерий идет двумя путями. Часть CO активируется СОдегидрогеназы с образованием карбонильной группы, участвующей в образовании
ацетильной радикала ацетилкоэнзима А. Вторая часть окиси углерода может окисляться с
помощью СО-дегидрогеназы до СО2 и Н2. С СО2 и Н2 образуется метильные группы
ацетилкоензим А.
http://www.enu.kz
Список использованной литературы:
1. Дзюбан А.Н. Интенсивность микробиологических процессов круговорота метана в
разнотипных озерах Прибалтики // Микробиология. 2002. – Т.71 – Вып.1 – С.111-118.
2. Доронина Н.В. Органические осмопротекторы аэробных умерено галофильных
метилобактерий // Микробиология. 1998. – Т.64. – Вып.4 – С.458-463.
3. Терещенко Н.Н.,Лужников С.В, Пыльева Е.В. Биологическая азотфиксация как фактор
ускорения микробной деструкции не6фтянных углеводов в почве и способы ее
стимулирования // Биотехнология. 2006 – №5 – С.69-74.
4. Русанов И.И. Биотехнологический цикл метана на северо-западном шельфе Черного
моря // Микробиология.2002. – Т.71. – Вып.4 – С. 558-566.