Большая часть используемых микроорганизмами и животными органических субстратов – это полимеры растительного происхождения. Каждый год фотосинтезирующими организмами на Земле создается около 100 млрд. тонн органического вещества. Основную массу составляют соединения растительного происхождения. Химический состав растительных остатков весьма сложен. В первую очередь – это сахара и родственные им органические соединения (целлюлоза, гемицеллюлоза, крахмал, пектины и др.). Эти полисахариды составляют около 75% от общего состава древесины. Кроме этого в состав растительных тканей входят лигнин, белки, аминокислоты, жиры, воска и т.д. Растительный материал состоит примерно на 50 % из целлюлозы, лигнин составляет 10-25 %, гемицеллюлозы и пектин 10-20 %, белки – 5-10 %, липиды – 2-5 %, нуклеиновые кислоты – до 2 %.
Деструкцию органического вещества осуществляют, прежде всего, микроорганизмы (прокариоты, микроскопические грибы, водоросли и простейшие). А также мелкие животные - нематоды, черви, насекомые и их личинки, членистоногие и моллюски.
Разложение растительных остатков на поверхности почвы в значительной степени обеспечивают грибы. В пищеварительном тракте животных и человека разложение растительных остатков происходит за счет микроорганизмов-симбионтов (симбионтное пищеварение).
Разнообразный состав растительных остатков и неодинаковая стойкость входящих в них соединений к воздействию микроорганизмов обуславливают поэтапность распада. Быстрее всего разлагаются простые и низкомолекулярные углеводы (моно- и дисахара). Полисахариды, жиры, воска расщепляются значительно медленнее. Довольно устойчива к микробному разложению целлюлоза. Наиболее устойчивым к разложению является лигнин. Полимерные субстраты могут присутствовать в среде в изобилии, но их разложение происходит медленно. Так, период полураспада лигнина составляет 20-2000 лет, кератина (белок, входящий в состав волос, шерсти) – 1-2000 лет, гуминовых соединений – 2-200 лет, целлюлозы – 0,01-2 месяца, крахмала – 1-10 суток, глобулярных белков – 0,1-2 суток. Полимеры разлагаются специализированными группами.
|
|
Мономерные продукты разложения (сахара, аминокислоты) присутствуют в среде в микро- или наномолярных концентрациях, т.к. быстро утилизируются многими группами микроорганизмами. Микроорганизмы, использующие сахара или аминокислоты должны обладать высоким сродством к этим субстратам.
Макромолекулы не способны проникать через мембрану бактерий, поэтому первый этап их разложения состоит в расщеплении до олигомеров и мономеров под действием бактериальных экзоферментов (гидролаз). Затем водорастворимые продукты гидролиза (олигомеры и мономеры) проникают в клетку и подвергаются дальнейшим метаболическим превращениям, окисляясь до СО2 при наличии кислорода или других акцепторов электронов.
Микробная деструкция органических веществ идет как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Анаэробное разложение осуществляют преимущественно прокариоты с участием немногих анаэробных грибов и простейших. В анаэробных условиях органические вещества подвергаются сбраживанию до органических кислот, спиртов, Н2, а затем процесс минерализации завершают вторичные анаэробы.
Сульфатредуцирующие бактерии – важнейшая группа вторичных анаэробов удаляют из анаэробной системы Н2, окисляя его, также окисляют муравьиную, уксусную, пропионовую кислоту, ЛЖК - жирные кислоты (от масляной (бутират) (С4) до арахината (С20)), молочную, фумаровую, янтарную (сукцинат), спирты (этанол, пропанол). Одна группа сульфатредукторов (ацетогены – с неполным окислением субстрата) окисляет органические вещества до уксусной кислоты и СО2, вторая – полностью до СО2. В качестве акцептора электронов используют сульфат (сульфатное дыхание), который восстанавливается до H2S. Источник С - СО2. Обычно присутствуют в морских донных осадках, т.к. в морской воде высокая концентрация сульфата (28 мМ). Также встречаются в почве, пищеварительном тракте животных.
|
|
Метанобразующие окисляют Н2, уксусную кислоту, формиат, метанол, спирты, восстанавливают СО2, при этом образуется метан. Встречаются в иловых отложениях озер, и рек, в болотах, заболоченных почвах, на рисовых полях, пищеварительном тракте животных. Сульфатредукторы и метаногены конкурируют за Н2.
В строго анаэробных условиях конечными продуктами субстратной цепи являются СН4 и СО2.
Продукты брожений также служат субстратом для аэробных микроорганизмов, когда в среде появляется кислород. Аэробные органотрофы очень разнообразны по используемым субстратам.
В аэробных условиях органические вещества окисляются в процессе аэробного дыхания до конечных продуктов минерализации – СО2 и Н2О.
Микробное разложение органического вещества не всегда заканчивается его полной минерализацией. Например, с этим связано превращение древесины (главным образом лигнина) в гумус. Лигнин составляет углеродный скелет растений. По химической структуре – это ароматический полимер, мономерными единицами которого являются фенилпропановые спирты: кумаровый, конифериловый и синаповый, поэтому трудно разлагается. Так, деревянные борта древнеримских военных кораблей сохраняются целыми в бескислородных морских осадках в течение уже примерно 2000 лет. Лигноцеллюлоза устойчива при таких условиях. Деградация лигнина осуществляется почти исключительно аэробными микроорганизмами, в основном грибами с помощью перикисного механизма, зависящего от кислорода, за счет внеклеточных ферментов оксидаз. Продукты распада лигнина служат мономерными блоками для образования гумусовых веществ.
|
|
Разложение сахаров
Преобладание полисахаридов среди продуктов ассимиляции зеленых растений обуславливает большую роль сахаров в питании всех живых организмов, нуждающихся в органической пище. В виде мономеров они служат предпочтительными питательными веществами для большинства гетеротрофов.
В анаэробных условиях сахара довольно быстро сбраживаются молочнокислыми бактериями (р. Lactobacillus, Leuconostoc, Pediococcus и др.) и сахаролитическими клостридиями (р. Clostridium).
Разложение целлюлозы
Целлюлоза – наиболее распространенный органический субстрат в природе. Это основной углевод растительных клеток, в виде лигноцеллюлозы входит наряду с другими полимерами: гемицеллюлозой и лигнином в состав клеточных стенок. Целлюлоза составляет 45-80% от сухого веса растения.
Молекула целлюлозы представляет собой линейный полимер, содержащий от 100 до 10000 остатков глюкозы, соединенных между собой β-1,4-гликозидными связями. Эта связь обеспечивает высокую прочность молекулы целлюлозы. В полимерной цепи целлюлозы каждый остаток глюкозы повернут относительно соседнего на 180°; такую повторяющуюся пару остатков в составе целлюлозы называют целлобиозой. Целлюлозные цепи связаны между собой межмолекулярными водородными связями, в результате чего формируются ригидные и нерастворимые в воде фибриллы.
Разложение целлюлозы осуществляют аэробные и анаэробные микроорганизмы. Общим свойством для всех целлюлозоразрушающих микроорганизмов является наличие гидролитических ферментов – целлюлаз, которые действуют на β-1,4-гликозидные связи.
Разложение целлюлозы микроорганизмами проходит в несколько этапов:
1. На первом этапе под действием фермента эндоглюканазы образуются олигосахара различной степени полимеризации и целлобиоза.
2. Под действием эндоглюканазы и целлобиогидролазы олигосахара гидролизуются до целлобиозы.
3. Под действием целлобиазы целлобиоза расщепляется на две молекулы глюкозы.
Все ферменты, участвующие в гидролизе целлюлозы внеклеточные, за исключением целлобиазы. Образующаяся глюкоза в клетке метаболизируется. При аэробном разложении глюкоза окисляется в процессе дыхания до СО2 и Н2О.
У анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий на поверхности клетки имеются целлюлосомы. Это мультиферментные комплексы, содержащие набор целлюлолитических ферментов. Целлюлосомы обеспечивают прикрепление клеток к целлюлозе и ее высокоэффективный гидролиз.
При анаэробном распаде целлюлозы образующаяся глюкоза подвергается сбраживанию. Продуктами брожения при этом являются органические кислоты (уксусная, молочная, муравьиная, масляная), этанол, Н2, СО2.
К аэробным целлюлозоразрушающим микроорганизмам относятся: бактерии родов Cytophaga, Myxococcus, Cellvibrio и др.; актиномицеты родов Streptomyces, Thermomonospora; микроскопические грибы родов Trichoderma, Fusarium, Aspergillus и др.
К анаэробным целлюлозоразрушающим микроорганизмам относятся мезофильные и термофильные бактерии рода Clostridium – С. omelianskii (t 30-40°С), C. thermocellum (t 60°С); бактерии рода Ruminococcus, обитающие в рубце жвачных; бактерии рода Bacteroides и др.
В анаэробных условиях в ассоциациях с целлюлозоразрушающими микроорганизмами развиваются анаэробные метанобразующие бактерии, использующие продукты сбраживания целлюлозы Н2, уксусную кислоту для синтеза метана. Вследствие этого углерод может поступать в атмосферу не только в форме СО2, но и СН4.
Разложение крахмала
Крахмал – основное запасное вещество растений – представляет собой полимер, состоящий из двух глюканов – амилозы и амилопектина.
Амилоза – это полимер в виде длинной неразветвленной цепи, в которой остатки D-глюкозы соединены α-1,4-гликозидными связями.
Амилопектин – состоит из амилозных фрагментов, связанных α-1,6-гликозидными связями. Амилопектин содержит дополнительно остатки фосфорной кислоты и ионы Ca2+ и Mg2+.
Амилоза и амилопектин спосбны связывать йод, при этом амилоза окрашивается в синий цвет, амилопектин – в красно-фиолетовый или коричневый.
Гидролиз крахмала протекает вне клеток за счет действия экзоферментов амилаз. Эти ферменты катализируют разрыв α-1,4-гликозидных связей. В результате появляются сбраживаемые сахара – глюкоза, мальтоза и др.
К разложению крахмала способны многие грибы и бактерии. К типичным микроорганизмам, разлагающим крахмал, относятся бактерии родов Bacillus, Clostridium, Pseudomonas и др.
Разложение гемицеллюлозы
Гемицеллюлоза – это второй наиболее важный источник углеводов в природе. Вместе с целлюлозой гемицеллюлоза входит в состав растительных клеточный стенок. По химическому строению гемицеллюлоза – это слаборазветвленные гомо- или гетерополимеры, состоящие из остатков ксилозы, маннозы, глюкозы и галактозы, соединенных β-гликозидными связями. Наиболее распространены среди гемицеллюлоз ксиланы, маннаны и галактаны, содержащие в качестве основных мономеров D-ксилозу, D-маннозу и галактозу, соответственно.
Гемицеллюлозы растворимы и гидролизуются легче, чем целлюлоза. К микроорганизмам, разлагающим целлюлозу относятся бактерии родов Clostridium, Bacillus, Cytophaga, Sporocytophaga, Vibrio; актиномицеты рода Streptomyces; микроскопические грибы родов Aspergillus, Rhizopus и др.
Эти микроорганизмы продуцируют ферменты – ксиланазы, которые гидролизуют гемицеллюлозу, затем образовавшиеся мономеры поступают в клетку и метаболизируются.
Разложение лигнина
Лигнин – один из главных компонентов растительных тканей. По степени распространенности в природе стоит на втором месте после целлюлозы. Лигнин входит в состав растительной клеточной стенки, окружая микрофибриллы целлюлозы и гемицеллюлозы, формирует матрикс, определяющий характерные свойства древесины. В деревянистых тканях содержится 18-30 % лигнина.
Лигнин очень устойчив к биодеградации. Это связано с химическим строением лигнина. По химической структуре – это ароматический полимер, мономерными единицами которого являются фенилпропановые спирты: кумаровый, конифериловый и синаповый. Лигнин не растворим в воде и др. растворителях.
Разложение лигнина происходит только при участии молекулярного кислорода за счет внеклеточных ферментов оксидаз. Продукты распада лигнина служат мономерными блоками для образования гумусовых веществ.
К разложению лигнина способны, прежде всего, мицелиальные грибы – возбудители белой, бурой и мягкой гнили. А также некоторые бактерии родов Pseudomonas, Clostridium.