МФК по микробиологии «Невидимые обитатели биосферы» Котова Ирина Борисовна доктор биол. наук, профессор кафедры микробиологии биологического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова 19 марта 2014 г. – Лекция 5. Микробная жизнь без кислорода 26 марта 2014 г. – Лекция 6. Симбиозы с участием микроорганизмов 2 апреля 2014 г. – Лекция 7. Микробная биодеградация Лекция 5. Микробная жизнь без кислорода • Основные понятия • Значение и опасность молекулярного кислорода • Отношение микроорганизмов к молекулярному кислороду • Основные группы анаэробных микроорганизмов (бродильщики, анаэробно дышащие микроорганизмы, аноксигенные фототрофы) • Особенности анаэробных микробных сообществ • Анаэробная агрегация • Агрегированные анаэробные микробные сообщества в биотехнологии (на примере анаэробных илов и кефирных зерен) ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ Энергетическая и биосинтетическая ветви метаболизма неразрывно связаны между собой Поглощенные клеткой вещества могут быть источниками энергии и/или «строительными блоками» для образования собственных сложных соединений Возможности добывания энергии и построения структур клетки у микроорганизмов значительно превосходят возможности высших организмов Свободная энергия (ΔGo'), высвобождаемая в ходе окислительно-восстановительных реакций, является основой энергодающих процессов. В этих реакциях электроны отрываются от окисляемого вещества (донора) и присоединяются к восстанавливаемому веществу (акцептору) Реакция идет в сторону образования продуктов при отрицательном значении ΔGo' Сдвигу равновесия в сторону продуктов способствует их удаление из зоны реакции в виде газов, нерастворимых веществ или с помощью других организмов Способы образования АТФ в клетках Изменение свободной энергии в ходе окислительновосстановительных реакций реализуется в виде макроэргических связей или энергизованного состояния мембраны (трансмембранного потенциала ∆μН+). Синтез АТФ Субстратное фосфорилирование (происходит в цитоплазме, субстрат сначала активируется ферментами клетки) S~Ф + АДФ = S + АТФ Мембранное фосфорилирование (происходит в мембране, перенос электронов по электронтранспортной цепи) Окислительное фосфорилирование (при дыхании) Фотофосфорилирование (при фотосинтезе) ЭЛЕКТРОНТРАНСПОРТНАЯ ЦЕПЬ (ЭТЦ) ВНЕ КЛЕТКИ ЦПМ НАД+ ← субстрат [H++ē] Н+ ē ← [H++ē] [H++ē] О2 ← Н+ Н+ ē Н2О ОВП – это напряжение в вольтах, необходимое для отрыва электрона от данного соединения Компонентами ЭТЦ являются ВНУТРИ ферментные белки, содержащие КЛЕТКИ группы, способные к обратимому окислениювосстановлению (переносчики) Переносчики располагаются в мембране ассиметрично и последовательно, в соответствии со своими окислительновосстановительными потенциалами (ОВП). Как правило, при окислении вещества два электрона удаляются вместе с двумя протонами. Протоны выбрасываются на внешней стороне мембраны (формируется трансмембранный градиент протонов) ФЕРМЕНТЫ АНТИОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЗНАЧЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО КИСЛОРОДА ДЛЯ МИКРООРГАНИЗМОВ •Конечный осуществлении Н2О + О2 Каталаза акцептор разлагаетэлектронов перекись в при реакции: 2 Н2О2 → 2аэробного дыхания Пероксидаза – в реакции RH2 + Н2О2 → R + 2 Н2О, где R • Сильный окислитель для химически реакции устойчивых субстратов окисленный субстрат пероксидазной (метана, ароматических соединений) Супероксиддисмутаза (СОД): 2O • + 2Н+ → Н2О2 + О2 • Один из реагентов присинглетного различных кислорода синтезах (например, Функцию “тушения” в клетке в синтезе стероидов у дрожжей) выполняют каротиноиды • Инактивация чувствительных к окислению белков-ферментов (например, нитрогеназы) • Образование активных форм кислорода (АФК): - супероксидрадикал - перекись водорода - гидроксилрадикал - синглетный кислород (на свету) ГРУППЫ МИКРООРГАНИЗМОВ ПО ОТНОШЕНИЮ К КИСЛОРОДУ ОБЛИГАТНЫЕ АЭРОБЫ (Micrococcus luteus) • Для осуществления аэробного дыхания необходим О2 • Живут на различных поверхностях и в верхних слоях почвы и водоемов МИКРОАЭРОФИЛЫ (Beggiatoa, Galionella, Spirillum) •Для осуществления аэробного дыхания необходим О2 , но в концентрации ниже атмосферной (менее 5%) • Живут на границе анаэробной и аэробной зон ФАКУЛЬТАТИВНЫЕ АНАЭРОБЫ (Saccharomyces cerevisiae, энтеробактерии, бациллы) • При отсутствии кислорода переключают свой метаболизм с аэробного дыхания на анаэробные процессы • В присутствие кислорода растут быстрее и накапливают больше биомассы ОБЛИГАТНЫЕ (СТРОГИЕ) АНАЭРОБЫ (метаногены, сульфатредукторы, гомоацетогены) • Не нуждаются в кислороде • Кислород угнетает их рост или приводит к гибели АЭРОТОЛЕРАНТНЫЕ АНАЭРОБЫ (молочнокислые бактерии, Streptococcus pyogenes) •Не используют О2 в метаболизме • Выдерживают без угнетения определенное количество кислорода НАЛИЧИЕ ФЕРМЕНТОВ АНТИОКИСЛИТЕЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ У РАЗНЫХ ГРУПП МИКРООРГАНИЗМОВ АЭРОБЫ И ФАКУЛЬТАТИВНЫЕ АНАЭРОБЫ – имеют СОД, КАТАЛАЗУ и ПЕРОКСИДАЗУ мм МНОГИЕ ОБЛИГАТНЫЕ АНАЭРОБЫ – не имеют этих ферментов 5% О2 6 3 0 3 6 НЕКОТОРЫЕ МЕТАНОГЕНЫ И0%КЛОСТРИДИИ – содержат КАТАЛАЗУ и О2 СОД 1% О2 анаэробиоза, (важны в условиях нестабильного периодического попадания кислорода в место обитания) СУЛЬФАТРЕДУКТОРЫ - имеют 15% О2 СОД, супероксидредуктазу (СОР) и другие специфические ферменты для борьбы с АФК 21% О2 -могут осуществлять «дыхание сульфидогенов» в присутствие мм 6 6 3 3 0 молекулярного водорода (Н2 + О2 → Н2О) ОБЛИГАТНЫЕ АНАЭРОБЫ МОГУТ ЖИТЬ И В ПОСТОЯННО АЭРОБНЫХ МЕСТООБИТАНИЯХ! мк м 200 0 0% О2 200 10% О2 400 600 20% О2 30% О2 800 40% О2 БРОЖЕНИЕ o Л.Пастер определял брожение как жизнь без кислорода o Брожению подвергаются вещества, которые не полностью восстановлены и не полностью окислены o Синтез АТФ осуществляется путем субстратного фосфорилирования o Для поддержания окислительно-восстановительного равновесия необходимо удалять избыток восстановителя. Обычно это происходит путем выделения молекулярного водорода. Поскольку такие реакции термодинамически невыгодны, то необходимо эффективное удаление водорода из зоны реакции o Существует несколько видов брожений, характерных для тех или иных групп микроорганизмов и приводящих к образованию различных конечных продуктов СПИРТОВОЕ БРОЖЕНИЕ (дрожжи, Sarcina и Zymomonas mobilis ) САХАР → ЭТАНОЛ + СО2 Факультативные анаэробы Спиртотолерантные микроорганизмы (до 9-20%) Эффект Пастера при ≥ 0,02% кислорода Эффект Крэбтри в высокосахаристых средах Дрожжи бродят до 30 оС, Zymomonas mobilis – при 45 оС Дрожжи не могут жить в анаэробных условиях постоянно, так как синтез их мембранных липидов требует присутствия кислорода МОЛОЧНОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ (лактобациллы, лактококки, лейконостоки, бифидобактерии) САХАР → МОЛОЧНАЯ КИСЛОТА + ЭТАНОЛ + ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ + СО2 Аэротолерантные анаэробы Растут только на богатых средах Представители микробиоты ЖКТ человека и животных Подавляют гнилостные и патогенные микроорганизмы путем подкисления, образования бактериоцинов, формирования биопленки на слизистой, имеют иммуностимулирующее действие Бифидобактерии – преобладающая микробиота грудных детей Молочная кислота – естественный консервант ПРОПИОНОВОКИСЛОЕ БРОЖЕНИЕ (пропионовокислые бактерии) САХАР → ПРОПИОНОВАЯ КИСЛОТА + ДРУГИЕ ПРОДУКТЫ + СО2 Аэротолерантные анаэробы Обитатели рубца и кишечника жвачных животных, есть патогены Могут расти в микроаэрофильных условиях и осуществлять анаэробное фумаратное дыхание Способны ассимилировать углекислый газ при наличии органических веществ Природные сверхсинтетики витамина В12 и биотина Осуществляют снеппинг-деление СМЕШАННОЕ (МУРАВЬИНОКИСЛОЕ) БРОЖЕНИЕ (энтеробактерии, вибрионы, йерсинии) САХАР → ЭТАНОЛ + СМЕСЬ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ + МУРАВЬИНАЯ КИСЛОТА + Н2 + СО2 Факультативные анаэробы Нетребовательны к условиям роста Есть возбудители опасных заболеваний человека (пневмонии, тифов, дизентерии, сальмонеллеза, холеры, чумы) E. coli, Proteus vulgaris являются санитарно-показательными организмами р. Erwinia объединяет фитопатогенных микроорганизмов МАСЛЯНОКИСЛОЕ И АЦЕТОНОБУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ (клостридии) САХАР → МАСЛЯНАЯ КИСЛОТА + СМЕСЬ ДРУГИХ ОРГАНИЧЕСКИХ КИСЛОТ + АЦЕТОН, ЭТАНОЛ, БУТАНОЛ, ИЗОПРОПАНОЛ + Н2 + СО2. Облигатные и аэротолерантные анаэробы Образуют эндоспоры Универсальные микроорганизмы, способные использовать множество субстратов. Обладают мощным комплексом экзогидролаз Типичные обитатели почвы, но есть и патогены (газовая гангрена, столбняк, ботулизм) В пищевых цепях – гидролитики и бродильщики ГОМОАЦЕТАТНОЕ БРОЖЕНИЕ (представители родов Clostridium, Sporomusa, Acetobacterium, Acetogenium, Moorella, Eubacterium, Peptostreptococcus, Ruminococcus, Syntrophococcus) Дыхание происходит на мембранах и сопряжено с функционированием ЭТЦ. Если конечным акцептором электронов служит окисленное органическое или неорганическое вещество, отличное от кислорода, то это - анаэробное дыхание Н2А САХАР → УКСУСНАЯ КИСЛОТА [Н++ē] донор X1 (АЦЕТАТ) электронов 2 молекулы ацетата дает брожение, а одну – анаэробное дыхание Облигатные анаэробы Способны использовать для роста сахара, органические кислоты, спирты, аминокислоты, одноуглеродные ОБОБЩЕННАЯ соединения, ароматические вещества, СХЕМА ЭТЦ молекулярный водород ДЫХАНИЯ При автотрофном росте на СО2 + Н2 органическое вещество синтезируется по ацетил-КоА-пути В природе синтрофно связаны с метаногенами, растущими на ацетате Считаются переходной группой между бродильщиками и анаэробно дышащими микроорганизмами Х2 Х3 АТФ Акцептор электронов: Аэробы - О2→Н2О Анаэробы - SO→ S2S0 → S2- CO2 → CH4 CO2 → ацетат NO → N2 Fe3* → Fe2+ фумарат→сукцинат НИТРАТНОЕ ДЫХАНИЕ (нитратредукторы и денитрификаторы) Два типа нитратного дыхания: (нитрат → нитрит) – нитратредукция (энтеробактерии) и (нитрат → нитрит → NO → N2O → N2) – денитрификация (псевдомонады, бациллы) Факультативные анаэробы Донор электронов – органическое вещество Синтез нужных ферментов идет только в анаэробных условиях, а иногда и в присутствие нитрата Денитрификация обедняет почву азотом СУЛЬФАТНОЕ ДЫХАНИЕ (сульфатредукторы, сульфидогены) Сульфатное дыхание (сульфат → сероводород) Облигатные анаэробы Доноры электронов - молекулярный водород, органические кислоты, спирты и другие органические соединения У автотрофных сульфатредукторов (Н2/СО2 и сульфат) присутствует ацетилКоА-путь фиксации СО2 При истощении сульфата и наличии органических веществ сульфатредукторы могут переходить на сбраживание молочной и пировиноградной кислот с образованием ацетата и Н2 Бóльшая часть сероводорода в природе возникает благодаря сульфатному дыханию СЕРНОЕ ДЫХАНИЕ (археиэкстремофилы, бактерии рода Desulfuromonas) Элементарная сера восстанавливается до сероводорода Есть автотрофы и гетеротрофы Живут в местообитаниях, связанных с вулканической деятельностью «ЖЕЛЕЗНОЕ» ДЫХАНИЕ (бактерии рода Geobacter) Восстанавливают Fe3+ в Fe2+ Клетки постоянно испытывают дефицит внеклеточного акцептора, т.к. соединения Fe3+ малорастворимы, нужны сидерофоры Считают, что «железное» дыхание возникло раньше, чем сульфатное, нитратное и аэробное дыхание Обнаружены микроорганизмы, способные восстанавливать другие переменновалентные металлы, например, марганец КАРБОНАТНОЕ ДЫХАНИЕ (метаногены) СО2 → СН4 Это самая большая группа повсеместно распространенных архей Метаногены – это древнейшие организмы в истории Земли, когда атмосфера состояла из СО2, Н2 и СО Потребляют довольно узкий набор питательных субстратов (Н2/СО2, СО; одноуглеродные соединения и ацетат) В автотрофных условиях синтезируют органику по ацетил-КоА-пути Большинство метаногенных архей образуют метан на всех перечисленных веществах, однако скорость роста при этом может различаться. Представители сем. Methanosaetaceae используют в качестве субстрата метаногенеза преимущественно ацетат - самый энергетически невыгодный питательный субстрат Метан образуется на рисовых полях, на дне озер и болот, в рубце жвачных, в анаэробных реакторах и на свалках АНОКСИГЕННЫЙ ФОТОСИНТЕЗ – ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ē * Пигмент Х1 • Фотосинтез – процесс преобразования энергии ēсвета в АТФ и восстановительные эквиваленты Пигмент I* Х2 • Фотосинтетический аппарат ē (фотосистема) локализован в мембранах и состоит Пигмент II* Y1 из светособирающих структур (ловушек, или антенн), центров ē реакционных АТФ (РЦ) и ЭТЦ. У разных групп фототрофных микроорганизмов фотосинтетический Х1 Х3 Y2 аппарат характеризуется различной степенью сложности ē растения и водоросли, • К фотосинтезу способны: эукариоты – высшие Х2 Пигмент ē hν Y3 цианобактерии и прокариоты – пурпурные, зеленые бактерии, гелиобактерии, РЦ ē АТФ Антенна Y4 галоархеи Х3 ē * НАДН Пигмент А • Фотофосфорилирование бывает циклическое и нециклическое ē Х1 • Фотосинтез бывает оксигенный (с выделением кислорода) и аноксигенный Х4 ē Х2 (без выделения кислорода) НАДН Пигмент I ē Пигмент II РЦ II hν hν РЦ I Антенна I ФС I Антенна II ФС II Х3 АТФ H2O В Внешний донор Х4 O2+H+ Пигмент РЦ hν Антенна Б ē ē ē ПУРПУРНЫЕ БАКТЕРИИ Аэротолерантные анаэробы Фотосинтетический аппарат расположен во внутриклеточных выростах ЦПМ различной формы Некоторые откладывают элементарную серу Донором электронов при фотосинтезе чаще всего служат восстановленные соединения серы (сероводород) Формируют только ФС I, синтез бактериохлорофиллов подавляется кислородом Не образуют восстановители в световых реакциях фотосинтеза При автотрофном росте СО2 фиксируется в цикле Кальвина Пурпурные бактерии – это, в основном, водные микроорганизмы, обычно живущие в бескислородных водах с сероводородом В глобальном круговороте серы пурпурные бактерии функционально тесно связаны с сульфатредукторами ЗЕЛЕНЫЕ БАКТЕРИИ ХЛОРОБИИ (серные) CO2+H2A+ Облигатные анаэробы Светособирающие пигменты находятся в һν → (CH2O)(хлоробиум-везикулах) n+A, где H2A – окисляемое вещество хлоросомах Доноры электронов при фотосинтезе – восстановленные соединения серы Хлоробии – фотоавтотрофы (цикл Арнона), хлорофлексы – фотогетеротрофы (при автотрофии - глиоксилатный цикл) Хлоробии растут в зоне хемоклина, хлорофлексы – в горячих серных источниках Стержни из светособирающих пигментов Базальная пластинка ЦПМ РЦ ХЛОРОФЛЕКСЫ (несерные, нитчатые) ГЕЛИОБАКТЕРИИ • Грамположительные микроорганизмы, родственные клостридиям • Способны образовывать эндоспоры • Фотосинтетический аппарат локализован в ЦПМ и построен по принципу ФС I. Основным пигментом является бактериохлорофилл g • Доноры электронов - восстановленные соединения серы и молекулярный водород • Предпочитают фотогетеротрофный образ жизни • Активно фиксируют молекулярный азот • Широко представлены в почвах (часто сухих) и нередко связаны с растениями • Живут также в горячих источниках и содовых озерах и обнаруживаются в циано-бактериальных матах ГАЛОАРХЕИ o Типичные аэробные деструкторы-гидролитики, хемоорганогетеротрофы. Способность к фотосинтезу реализуется в неблагоприятных условиях при недостатке кислорода (в условиях высокой солености) o Клетки не могут постоянно расти в анаэробных условиях, поскольку кислород необходим им для синтеза бактериородопсина o С помощью фотосинтеза галоархеи могут переживать стресс, вызванный недостатком кислорода Полимеры функционально ОСОБЕННОСТИ АНАЭРОБНЫХ СООБЩЕСТВ: различных Микробное сообщество – это совокупность микроорганизмов, взаимодействующих собой в течение длительного Напряженность энергетическогомежду метаболизма в отсутствие такого 1 времени и локализованных в определенном месте I выгодного акцептора электронов, как молекулярный кислород Оно характеризуется определеннымМономеры видовым разнообразием, а Облигатность трофических связей, так как зачастую отдельные количественные соотношения членов сообщества могут меняться во времени в 1 члены ассоциаций из-за энергетических барьеров не могут зависимости от складывающихся условий Жирные кислоты (сукцинат, использовать химически стабильные вещества При изменении условий будет происходить изменение структуры сообщества лактат, бутират и др.), спирты во Особым времени, сопровождающееся сменой доминирующих колебаниями случаем симбиотической кооперациивидов, в анаэробных 4 и даже изменением состава членов численности микроорганизмов разных групп микробных сообществах является синтрофия, или сообщества II термодинамически обусловленная зависимость друг от друга Основой взаимодействия в любом сообществе являются трофические связи, метаболически разных микроорганизмов при разрушении обеспечивающие потоки вещества и энергии внутри него субстратов В микробном сообществе преобладают5 кооперативные взаимодействия при Н2, СО2, Ацетат использовании питательного субстрата формиат, СН3-R В агрегированных микробных сообществах складываются тесные пространственные связи, выражающиеся в физическом контакте клеток и III 3 образовании такой интегрирующей структуры как матрикс 2 СН4, СО2 Микробное сообщество является функциональной единицей, взаимодействующей с окружающей средой При осуществлении межвидового переноса водорода (иногда формиата, ацетата) возникает синтрофия – полная взаимозависимость микроорганизмов друг от друга в пищевых потребностях «Methanobacillus omelanskii» (Barker, 1940): 2CH3CH2OH + 2H2O → 2CH3COO−+ 2H+ + 4H2 ΔG0 = +19 кДж/2 моль CH3CH2OH 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O ΔG0= - 131 кДж/ моль CH4 Ко-культура 2CH3CH2OH + CO2 =2CH3COO−+ 2H+ +CH4 ΔG0 = - 112 кДж/ моль CH4 Такие сообщества существуют в условиях, близких к термодинамическому равновесию (Jackson, McInerney, 2002) Консорциум, разрушающий 3хлоробензоат (Heider, Fuchs, 1997): МАТРИКС – СВОЙСТВА И ФУНКЦИИ: Кооперация микроорганизмов-партнёров присообщества, синтрофныхсостоящий взаимодействиях Это продукт жизнедеятельности микробного из оптимальна, клеточных если диффузионные предельно малы. Микробные поверхностных структур ирасстояния экзометаболитов, в основном, сообщества оформлены полисахаридной природы в виде гранул, хлопьев, биопленок и это способствует облегчению межвидового переноса интермедиатов. агрегатов Он ограничивает поступление из окружающей средыОбразование вредных факторов и из суспензиивклеток происходит ввещества, течение довольно времени концентрирует себе питательные продуктыдлительного обмена и сигнальные (нескольких месяцев) и установлено как для природных, так и антропогенных молекулы местообитаний (донных осадковосуществляется природных водоемов, очистных Поступление веществ к клеткам не только путем сооружений) диффузии, но и через каналы и поры в матриксе В разных частях агрегата, состоящего даже из микроорганизмов одного вида, клетки находятся в различном физиологическом состоянии из-за разницы в притоке питательных веществ Матрикс не только пространственно удерживает микробные клетки, но и связывает их между собой Сохранение формы под действием внешних нагрузок позволяет ему защищать клетки от механических повреждений и «смягчать» колебания физико-химических факторов, обеспечивая стабильное микроокружение Матрикс способствует дифференциации клеток внутри популяции и может обеспечивать «коллективные» реакции («чувство кворума»). По достижении определенной плотности клеток в ограниченном пространстве матрикса накапливается сигнальное вещество, действующее на все клетки популяции и приводящее к «коллективному» ответу МОДЕЛИ И СХЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ АГРЕГАТОВ А В Б Формирование анаэробных агрегатов 1 12 2 3 4 5 6 7 13 8 9 14 15 10 11 А Б В Г АНАЭРОБНЫЕ БИОРЕАКТОРЫ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ СТРУКТУРА КЕФИРНОГО ЗЕРНА Клетки в разрезах КЕФИРНОЕ ЗЕРНО - сложное, естественно сложившееся микробное матрикса сообщество, находящееся в агрегированном состоянии Поверхностная пленка матрикса Внутренняя полость кефирного зерна Тяж, пересекающий полость Поврежденная поверхностная пленка матрикса СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! Факультет _____________________________ Курс __________________________________ Группа ________________________________ Фамилия Имя Отчество __________________ Дата: 19 марта 2014 г. Вопрос 1. Какие виды брожений осуществляют микроорганизмы-прокариоты? Перечислите. Вопрос 2. Какие группы микроорганизмов способны осуществлять анаэробное дыхание? Перечислите.