Сульфатредуцирующие бактерии

Сульфатредуцирующие бактерии (другие названия — десульфатирующие, сульфидогенные) — разнородная группа прокариотов, представителей которой отличает способность получать энергию за счёт окисления в анаэробных условиях водорода, используя в качестве конечного акцептора электронов сульфат.

Считаются одними из старейших организмов на планете (предположительный возраст — до 3,5 миллиардов лет). Таким образом, их вклад в круговорот серы на планете был решающим уже на начальных этапах формирования биосферы.

Предполагается, что именно эти бактерии были доминирующей формой жизни в океанах на границе пермского и нижнего триасового периодов (примерно 250 млн лет назад).

Представители

К группе относят организмы с различными морфологическими, физиологическими, биохимическими признаками, организмы с сильно различными геномами (например, диапазон доли ГЦ-оснований — 37—67 %).

Большинство сульфатовосстанавливающих бактерий — облигатные анаэробы, требовательные к низкому значению окислительно-восстановительного потенциала среды. Некоторые представители могут выживать в присутствии кислорода то или иное время. Некоторые сульфатредукторы содержат терминальную цитохромоксидазу (и способны использовать молекулярный кислород как акцептор электронов при дыхании).

Бактерии

По состоянию на 2009 год известно 220 видов сульфатредукторов в 60 родах, являющихся представителями пяти неродственных групп.

• Тип Firmicutes

• Роды Desulfotomaculum, Desulfosporomusa, Desulfosporosinus, Thermodesulfobium — грамположительные, разные по морфологии. Образуют эндоспоры. Способны к полному и к неполному окислению субстратов. Некоторые — автотрофы, азотфиксаторы, термофилы. Содержат цитохромы c и b, не содержат десульфовиридина.

• Тип Proteobacteria
  • Класс Deltaproteobacteria
    • Род Desulfobacter — палочки, полностью окисляющие ацетат и этанол, некоторые способны к автотрофии
    • Род Desulfobacterium — мелкие палочки с полным окислением субстратов, некоторые — автотрофы
    • Род Desulfobulbus — элипсоидные клетки с неполным окислением ацетата и этанола, некоторые способны окислять молекулярный водород
    • Род Desulfococcus — кокки, полностью окисляющие субстраты
    • Род Desulfomicrobium — мелкие палочки, в процессе изучения
    • Род Desulfonema — нити, способные к скользящему движению и полностью окисляющие ацетат
    • Род Desulfomonas — палочки с полярными жгутиками, неполное окисление ацетата
    • Род Desulfosarcina — крупные кокки в кубоидных пакетах, полностью окисляют ацетат
    • Род Desulfovibrio — подвижные вибрионы, содержат цитохромы c и b, десульфовиридин. Характерен незамкнутый ЦТК
• Тип Nitrospirae

• Род Thermodesulfovibrio

• Тип Thermodesulfobacteria

• Род Thermodesulfobacterium — термофильные палочки, с неполным окислением субстратов

Сульфатредукторы, окисляющие субстраты полностью, описаны в большом количестве. Остальных называют «неполными окислителями». И эти последние растут гораздо быстрее и легче выделяются из сообществ.

Археи

Род Archaeoglobus (типовый вид A. fulgidus). Археи с нерегулярной формой клеток. Выделены из горячих морских осадков вблизи гидротермальных подводных источников, из чёрных курильщиков Срединно-Атлантического хребта, из нефтяных скважин Северного моря, из-под замёрзшей поверхности северного склона Аляски. Могут существовать и как авто- и как гетеротрофы. Осуществляют сульфатное и сульфитное дыхание. Не могут использовать в качестве акцепторов электронов нитраты и нитриты. В процессе роста выделяют сероводород и метан (последний образуется иначе, нежели у метаногенов). По результатам секвенирования группа родственна метаногенам. Кроме сульфата акцептором электронов могут быть: элементарная сера, сульфит, тиосульфат, железо (3). Серу не восстанавливают. Донорами электронов могут быть: глюкоза, формиат, формамид, пируват, лактат, ацетат, изопропанол, этанол, фумарат, водород (по некоторым данным — последний не годится для роста с сульфатом).

Роды Thermocladium и Caldivirga. Найдены близ гидротермальных источников и нефтяных месторождений.

Метаболизм

Для представителей группы характерны хемоорганоавто- и гетеротрофия, а также хемолитоавто- и гетеротрофия. Процесс восстановления сульфатов (сульфатное дыхание) сопряжён с мембраной.

Субстраты, используемые в качестве источников углерода и энергии: метан (окисляется до гидрокарбоната), сахара, спирты, органические кислоты (в том числе жирные, до 18 атомов углерода), аминокислоты, ароматические соединения .

В частности, способность некоторых сульфатредукторов к росту на ароматических углеводородах позволяет использовать их для утилизации таких углеводородов, как бензол, толуол, ксилол, этилбензол и некоторых других, в случаях, когда этими углеводородами загрязнены почвы .

Основной неорганический источник энергии: молекулярный водород. Некоторые виды способны окислять угарный газ в процессе сульфатредукции:

4CO + 4H2O --> 4CO2 + 4H2 (ΔG = -80 kJ/mol)

4H2 + SO42- + 2H+ --> H2S + 4H2O (ΔG = -152 kJ/mol)

Некоторые виды способны к брожению: пируват до ацетата, малат до сукцината, пропионата и ацетата, сахара до ацетата, этанола, лактата. Во всех случаях образуются также CO2 и H2 .

Восстановление сульфата

Основной акцептор электронов при дыхании: сульфат-ион. Некоторые виды способны также использовать помимо сульфата ещё другие соединения серы (тиосульфат, сульфит, молекулярную серу), нитриты (восстанавливаются до аммония), селенат (восстанавливается до селенита), фумарат (до сукцината), углекислый газ (до ацетата).

Продуктом восстановления сульфат-иона является сульфид, через промежуточную стадию образования сульфита. Для участия в процессе сульфат-ион предварительно активируется:

SO42- + 2H+ + АТФ --> АФС + PPi

где АФС - аденозинфосфосульфат, PPi - пирофосфат.

По-видимому, начальная стадия восстановления сульфата одинакова для всех представителей группы.

Дальнейшие же реакции могут идти по двум путям.

Специфичный для данной группы прокариот путь - путь диссимиляционной сульфатредукции. Можно представить процесс так:

АФС --> AMP + SO32-

Дальше сульфит может восстанавливаться в один или в несколько шагов (у разных представителей по-разному)

SO32- --> S2- + H2O + ΔμH

или

SO32- --> S3O62- --> S2O32- --> S2-

Есть также альтернативный путь - так называемая ассимиляционная сульфатредукция. Можно представить этот процесс так: АФС --> фосфоаденозинфосфосульфат (ФАФС) --> фосфоаденинфосфат (ФАФ) + SO32- --> S2-

Данный путь известен для многих организмов - бактерий, грибов, растений. Процесс идёт много медленнее диссимиляционного пути и не приводит к накоплению больших количеств сероводорода. Сульфид на выходе включается в состав серусодержащих аминокислот..

Диссимиляционные сульфитредуктазы - ферменты, связанные с мембранами и создающие протонный градиент. Ферменты-сульфатредуктазы, задействованные в ассимиляционном процессе с мембранами не связаны, представлены глобулярными белками.

Предполагают также, что существует АТФ-дифосфотаза, способная регенерировать АТФ из АМФ и пирофосфата с затратами энергии протонного градиента.

Сульфатредукция - обратимый процесс. Ряд сульфатредукторов могут осуществлять реакции диспропорционирования промежуточных продуктов (сульфит, тиосульфат) до сульфида и сульфата, с выделением энергии .

Известен организм - Thiocapsa thiozimogenes - способный расти, используя в качестве единственных источников энергии сульфит или тиосульфат. Также эта бактерия способна диспропорционировать серу (на те же продукты, однако эта реакция(ΔG = +10 kJ/mol), видимо, сама по себе не вносит вклада в запасание энергии). Ещё эта бактерия способна с низкой скоростью расти в присутствии гидроксида FeOOH, восстанавливая его до сульфида железа (2), попутно окисляя сульфид до серы (сумму этой реакции и реакции диспропорционирования серы можно рассматривать как вариант неорганического брожения: сера + гидроксид (3) --> сульфид (2) + сульфат, ΔG = -34 kJ/mol в пересчёте на серу).

Некоторые представители группы способны к восстановительному дехлорированию (связь C-Cl восстанавливают до связи C-H):

Известен представитель Desulfomonile tiedjei, способный использовать в качестве акцептора электронов 3-хлорбензойную кислоту и другие м-хлорароматические соединения (восстанавливает их до бензоата).

Представитель Dehalospirillum multivorans способен расти с использованием в качестве донора электронов водорода, и в качестве акцептора - промышленный растворитель тетрахлорэтен (восстанавливает до цис-дихлорэтена).

Ассимиляция углерода

На данный момент доказана способность сульфатредукторов расти автотрофно. Ассимиляция CO2 осуществляется либо по ацетил-КоА-пути, либо по пути восстановительного ЦТК.

Фиксация азота

Для многих представителей группы характерна способность к азотофиксации.

Краткая схема нитрогеназной реакции и путей восстановления ферредоксина

Катаболизм

Продуктами катаболизма органических соединений у разных сульфатредукторов являются либо углекислый газ ("полное окисление", обычно происходит либо в реакциях модифицированного ЦТК, либо (чаще) в реакциях обратных ацетогенезу), либо углекислый газ и ацетат ("неполное окисление", этот вариант подразумевает окисление органики до ацетил-КоА, который далее окисляться непосредственно не может, и преобразуется в цепи реакций, напоминающих либо "замкнутый" ЦТК, либо обращённый ацетил-КоА-путь ассимиляции углекислого газа).

Экология

Роль в экосистемах

Обычно обитают в донных морских осадках (в отличие от метаногенов, растущих обычно в осадках пресных водоёмов) или встречаются в водоёмах, богатых разлагающейся органикой. Входят в состав сульфидогенных микробных сообществ. Большая часть сероводорода на планете генерируется именно в процессах сульфатного дыхания и диссимиляционной сульфаторедукции. Значительная часть органики в донных осадках разлагается именно сульфидогенными сообществами. Представители группы являются важным звеном в глобальном круговороте серы. Это основной источник сульфидов для аноксигенного фотосинтеза других прокарий .

Именно сульфатредукторы ответственны за характерный запах илов и некоторых солончаков, за характерный чёрный оттенок осадочных пород (то есть за наличие в них сульфидов металлов).

Обычно конкурируют с метаногенами за водород и другие субстраты.

Сульфатредукторы способны расти при более низких концентрациях водорода (реакция сульфатредукции энергетически выгоднее) и обычно доминируют над метаногенами, подавляют их. Способны использовать более широкий набор субстратов.

В сообществе сульфатредукторы, в первую очередь, осуществляют сток водорода (что обеспечивает работу синтрофов и поддерживает благоприятный термодинамический баланс сообщества). Немаловажна способность сулльфатредукторов использовать лактат (образуемый молочнокислыми бактериями) - и таким образом предотвращать закисление среды. Ценой за энергетические выгоды, утилизацию метана, лактата и водорода, помощь в утилизации ацетата, жирных кислот, служит образование сероводорода (обычная концентрация 2-3 мМ, это же - порог для существования большинства видов) - который угнетает большинство сообществ (за исключением тиофильных, способных существовать при более высоких концентрациях сульфида) .

Для сульфидогенных сообществ важным лимитирующим фактором является приток сульфата извне. Регенерация сульфата в сообществе возможна двумя путями: верхние члены сообщества окисляют сероводород аэробно либо аноксигенные фототрофные бактерии - члены сообщества окисляют его анаэробно.

Говоря о конкуренции метаногенной и сульфидогенной флоры, нужно также упомянуть о существовании "неконкурентного" пути метаболизма одноуглеродных соединений: например, сульфатредукторы могут вырабатывать метанол, который сами далее не используют - и его могут свободно использовать присутствующие в сообществе метаногены.

Накопление сульфида в водоёмах может приводить к замору рыб (равно как и других обитателей этих водоёмов).

Коррозия конструкций

Образование биоплёнок (важной частью которых как раз и являются сульфатредукторы) на поверхностях труб в нефтепроводах является одной из существенных проблем транспортировки и добычи нефти.

Масштабы коррозии, вызванной жизнедеятельностью сульфатредукторов, огромны. По подсчётам за 1956 г. ущерб от биологической коррозии труб и конструкций нефтяных сооружений составил около 600 млн. долларов в США, порядка 20 млн. фунтов стерлингов в Англии и порядка 0,2 млн. долларов в Японии.

Коррозии подвергаются не только трубы из сплавов железа, но и иные конструкции из тех же, равно как и из других сплавов (например, алюминия), а также бетонные конструкции. Показано, что к коррозии в присутствии сульфатредукторов устойчивы олово, цинк, свинец (возможно, ввиду их токсичности) .

Механизм коррозии описывают как катодную деполяризацию. На примере железа и его сплавов (более изученный случай). С одной стороны, железо медленно корродирует в кислой среде и на поверхности металл-раствор образуется плёнка молекулярного водорода, защищающая металл от дальнейшей коррозии. Показано, что не только сульфатредукторы, но и другие бактерии, обладающие гидрогеназами, способны расходовать этот водород в своих метаболитических процессах, что ведёт к ускорению коррозии железа. Дополнительный вклад в ускорение коррозии вносит и то, что ионы железа могут связываться в сульфид или в гидроксид (образуются дополнительные гальванические пары на поверхности металла) . Помимо этого ионы железа могут транспортироваться внутрь клетки и использоваться для метаболитических нужд.

Гидрогеназы - в основном, локализованные в периплазматическом пространстве трансмембранные ферментативные комплексы . Содержат Fe, Ni, Fe-S-кластеры.

Схема коррозии железа, протекающей в присутствии бактериальных клеток, снабжённых мембранносвязанными гидрогеназами (на примере сульфатредукторов).

Описывают микробиоценозы из железобактерий и сульфатредукторов, ускоряющие коррозию водопроводов. И сообщества из мицелиальных грибов, бактерий рода Pseudomonas и сульфатредукторов, ускоряющих коррозию алюминиевых конструкций .

В силу способности окислять метан до гидрокарбоната в присутствии сульфата, могут мешать добыче метана и его транспортировке.