Физиологическую группу бактерий, восстанавливающих сульфат (их называют также десульфатирующими, сульфатредуцирующими или суль-фидобразующими), отличает способность к переносу водорода с субстрата на сульфат как конечный акцептор электронов и, таким образом, к восстановлению сульфата до сульфида. В этом процессе происходит перенос электронов, и в нем участвует цитохром с. Энергия запасается благодаря фосфорилированию в электрон-транспортной цепи в анаэробных условиях: Поскольку такое восстановление сульфата обладает формальным сходством с дыханием, при котором акцептором водорода служит кислород, принято говорить о сульфатном дыхании, или о диссимиляцион-ной сульфатредукцж. Главным продуктом такого процесса является сероводород: 8[Н] + SO*" -» H2S + 2Н20 + 20Н- Болыпая часть сероводорода, образующегося в природе, возникает благодаря этой реакции. Сульфатредуцирующие бактерии являются, в отличие от нитратредуцирующих, облигатными анаэробами, т.е. нуждаются в строго анаэробных условиях. Систематика. Сульфатредуцирующие бактерии-это физиологическая группа, для которой характерна способность к образованию сероводорода из сульфата (табл. 9.1). Донорами водорода служат простые низкомолекулярные соединения, образующиеся при анаэробном разложении биомассы, главным образом целлюлозы: лактат, ацетат, пропионат, бутират, формиат, этанол, высшие жирные кислоты и молекулярный во- 
дород. По степени усвоения органических кислот различают две группы сульфатредуцирующих бактерий: - 1. Бактерии, относящиеся к первой группе, окисляют донор водорода не полностью и выделяют уксусную кислоту. Таковы виды спорообра-зующего рода Desulfotomaculum (D. nigrificans, D. orientis и D. ruminis) и неспорообразующего рода Desulfovibrio (D. vulgaris, D. desulfuricans, D. gigas, D. thermophilus и другие).
- 2. Вторая группа включает роды и виды, часть которых может расти, используя спирты, ацетат, высшие жирные кислоты или бензоат, а другие способны даже к хемоавтотрофному росту в присутствии водорода и формиата. К этой группе относятся спорообразователи (Desulfotomaculum acetoxidans), а также неспорообразующие палочки (Desulfobacter), кокки (Desulfococcus), сардины (Desulfosarcina), нитевидные формы, передвигающиеся путем скольжения (Desulfonema), и некоторые другие бактерии.
Восстановление сульфата. Почти все бактерии, грибы и зеленые растения способны использовать в качестве источника серы сульфат. Они получают сульфид, необходимый для синтеза серусодержащих аминокислот, путем «ассимиляционной сульфатредукции». Первая реакция на этом пути является общей как для диссимиляционного, так и для ассимиляционного восстановления сульфата. Далее при диссимиляционной сульфатредукции происходит прямое восстановление активированного сульфата, а при ассимиляционной следует еще одна реакция активации. Восстановление сульфата в клетке начинается с его активации, на которую непосредственно затрачивается энергия АТР (рис. 9.3); с помощью 
АТР-сульфурилазы (сульфатаденилтрансферазы) дифосфатный остаток АТР обменивается на сульфат: ATP + S04 ^ Аденозин-5:фосфосульфат + PPj Дифосфат (пирофосфат) расщепляется пирофосфатазой. Продуктом активации является аденозин-5-фосфосульфат (АФС). Последующие реакции могут быть различными. На пути ассимиляционного восстановления сульфата АФС с помощью АФС-киназы и АТР фосфорилируется у ряда организмов с образованием фосфоаденозинфосфосульфата (ФАФС); лишь этот вдвойне активированный сульфат восстанавливается сначала до сульфита, а затем до сульфида. При диссимиляционной сульфатредукции АФС с помощью АФС-редуктазы восстанавливается до сульфита, что сопровождается образованием AMP. Восстановление сульфита до сульфида происходит, видимо, у разных бактерий по-разному. С помощью сульфитредуктазы сульфит прямо восстанавливается до сульфида (на что затрачивается 6 электронов) без образования промежуточных продуктов. В такого рода восстановлении как и в ассимиляционной сульфитредукции - участвуют, по-видимому, железопорфириновые соединения (десульфовиридин, десульфору-бидин). Второй механизм состоит в последовательном трехступенчатом восстановлении сульфита с образованием промежуточных продуктов, таких как тритионат и тиосульфат (рис. 9.3). Предполагается, что электроны для восстановления сульфита доставляются цитохромами (у одних бактерий -цитохромом Ь, у других-цитохромом с). Фосфорилирование, сопряженное с переносом электронов. Предположение о такого рода фосфорилировании у сульфатредуцирующих бактерий основано на данных о наличии цитохромов и железосерных белков в плазматических мембранах, а также о высоком выходе энергии. Ци-тохром с3 обладает, по сравнению с другими цитохромами, весьма низким окислительно-восстановительным потенциалом (Јj = - 205 мВ) и находится на внешней поверхности мембраны или в периплазматиче-ском пространстве. У хорошо изученных видов сульфатредуцирующих бактерий была обнаружена конститутивная гидрогеназа (Н2 :цитохром-с3-оксидо-редуктаза), с помощью которой Н2 может как поглощаться и активироваться, так и выделяться в окружающую среду. Некоторые сульфатре-дуцирующие бактерии растут в присутствии Н2 и сульфата как единственных источников энергии. Способность к восстановлению сульфата с помощью Н2 и к образованию больших количеств сероводорода, не связанному с заметным ростом, вероятно, характерна для большинства сульфатредуцирующих бактерий. Перенос электронов с Н2 как донора, сопровождающийся восстановлением 1 моля сульфата до 1 моля сульфида, вероятно, сопряжено с регенерацией 3 молей АТР, из которых, однако, 2 моля расходуются на активацию сульфата. Окисление органических субстратов. Классические сульфатредуци-рующие бактерии, которые были известны до 1975 года (например, Desulfovibrio vulgaris), окисляют органические субстраты не до Н20 и С02, а до уксусной кислоты. Эти бактерии не имеют полного цикла трикарбоновых кислот. Однако недавно было выделено несколько видов, способных окислять ацетат, высшие жирные кислоты и бензоат. Ассимиляция органических субстратов. Энергия, получаемая сульфат-редуцирующими бактериями в результате окислительного фосфорили-рования, делает возможной ассимиляцию органических веществ (органических кислот, аминокислот и т.п.). Некоторые штаммы способны синтезировать клеточные компоненты из ацетата и С02, если донором водорода служит Н2. Организмы, ассимилирующие органические вещества в процессе окисления неорганического донора электронов, можно называть хемолитогетеротрофами. Фиксация С02 в цикле Кальвина у данной группы микроорганизмов не обнаружена. Брожение без сульфата. Некоторые сульфатредуцирующие бактерии обладают способностью расщеплять лактат или пируват в отсутствие сульфата. Вместо окисления пирувата 4СН3-СО-СООН + H2S04 -► 4СН3-СООН + 4С02 + H2S они осуществляют брожение с выделением Н2: СН3--СО-СООН + Н20 - СН3-СООН + С02 + Н2 Таким образом, сульфатредуцирующие бактерии можно отнести к микроорганизмам, осуществляющим брожение. Получение накопительных культур и выделение. Для выделения сульфатредуцирующих бактерий необходимо использовать питательную среду, содержащую подходящий донор водорода, пригодный для ассимиляции углеродный субстрат, минеральные вещества и сульфат; необходимо поддерживать анаэробные условия и достаточно низкий окислительно-восстановительный потенциал (£0' = - 200 мВ) (рис. 9.4). Распространение и роль сульфатредуцирующих бактерий в природе. Сульфатредуцирующие бактерии встречаются главным образом в сероводородном иле, где органические вещества подвергаются анаэробному разложению. Эти бактерии, по-видимому, специально приспособлены к использованию продуктов неполного разложения углеводов-таких 
веществ, как жирные кислоты, гидроксикислоты, спирты и водород. Основную массу образующегося в природе сероводорода следует считать конечным продуктом сульфатного дыхания. Загрязненные воды содержат от 104 до 106 сульфатредуцирующих бактерий на 1 мл, а сероводородный ил-до 107. Большинство разрабатываемых месторождений серы (например, в Техасе, Луизиане и Мексике) имеет невулканическое происхождение; это отложения биогенной серы прошлых геологических эпох. Путем восстановления сульфатов морской воды за счет органических отходов (сточных вод) с помощью сульфатредуцирующих бактерий можно получать сероводород, а следовательно, и серу. Большое экономическое значение имеет косвенный результат жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий (например, Desulfovib-rio) - анаэробная коррозия железа. Во влажной среде ионизация железа может происходить и в анаэробных условиях: (1) Окисление железа: 4Fe + 8Н+ - 4Fe2+ + 4Н2 Обычно образующаяся при этом пленка из молекулярного водорода предохраняет железо от дальнейшего разрушения. Однако в присутствии сульфатредуцирующих бактерий и при наличии в среде сульфатов происходит катодная деполяризация, и тогда железо окисляется даже в отсутствие кислорода; (2) Восстановление сульфата: 4Н2 + SO*- -» H2S + 2Н20 + 20Н- (3) Образование сульфида железа (выпадающего в осадок): 4Fe2+ + H2S + 20Н" + 4Н20 -» FeS + 3Fe(OH)2 + 6Н+ Суммарная реакция (1-3): 4Fe + БОГ + 2Н20 + 2Н+ -» FeS + 3Fe(OH)2 Обусловленное такой коррозией повреждение железных труб весьма убыточно. Способность сульфатредуцирующих бактерий использовать органические кислоты, спирты и даже молекулярный водород, образующийся при поляризации железа, в качестве доноров водорода лежит в основе способа получения накопительных культур этих бактерий (рис. 9.4). Сульфатредуцирующие бактерии считают ответственными за высокое содержание сероводорода в глубинных слоях Черного моря (глубже 200 м). В Венеции гондолы красят обычно в черный цвет; по-видимому, это защитная мера, связанная с тем, что красители, содержащие тяжелые металлы, изменяют под влиянием H2S свой первоначальный цвет.
|