Целлюлоза

Печать E-mail
 

 

Целлюлоза является главной составной частью всякого растительного материала, и синтез ее по своим масштабам превосходит синтез всех других природных соединений. Сохраняющиеся в почве и возвращаю­щиеся в нее растительные остатки на 40-70% состоят из целлюлозы. Столь большое количество целлюлозы в природе обусловливает важ­ную роль разлагающих ее микроорганизмов в процессах минерализа­ции и в круговороте углерода (разд. 1.3).

Целлюлоза состоит из цепочек p-D-глюкозы со степенью полимеризации около 14000 (разд. 2.2.3). Физические свойства целлюлозных фибрилл (особенно их механическая прочность и нерастворимость) зависят не от структуры от­дельных цепочек. Цепочки должны быть связаны между собой таким образом, чтобы гидрофильные группы были скрыты (это повышает стабильность). По данным рентгеноструктурного анализа, участки, имеющие кристаллическое строение, чередуются в целлюлозе с некристаллическими участками. Целлю­лозные волокна представляют собой пучки фибрилл, одетые общей оболочкой, которая содержит воск и пектин.

Ферментативное расщепление целлюлозы осуществляется под воздей­ствием целлюлазы. В экспериментах на грибах было показано, что в си­стему целлюлазы входят по меньшей мере три фермента: 1) эндо-(3-1,4-глюканаза одновременно разрывает различные (3-1,4-связи внутри макромолекулы, что ведет к образованию больших фрагментов со сво­бодными концами; 2) экзо-р-1,4-глюканаза отщепляет от конца цепочки дисахарид целлобиозу; 3) (3-глюкозидаза осуществляет гидролиз целло-биозы с образованием глюкозы.

В условиях лабораторной культуры микроорганизмы обычно синте­зируют эти ферменты лишь в том случае, если целлюлоза-един­ственный имеющийся субстрат. Их синтез подавляют как другие суб­страты, так и продукт расщепления целлюлозы-целлобиоза.

Разложение целлюлозы в аэробных условиях. В хорошо аэрируемых почвах целлюлозу разлагают и используют аэробные микроорганизмы (грибы, миксобактерии и другие эубактерии), а в анаэробных усло­виях-в основном клостридии.

В аэробных условиях значительная роль в разложении целлюлозы принадлежит грибам. Они в этом отношении эффективнее бактерий, особенно в кислых почвах и при разложении целлюлозы, инкрустиро­ванной лигнином (древесины). Большую роль играют в этом процессе представители двух родов -Fusarium и Chaetomium. Целлюлозу расще­пляют также Aspergillus fumigatus, A. nidulans, Botrytis cinerea, Rhizoctonia solani, Trichoderma viride, Chaetomium globosum и Myrothecium verrucaria. Три последних вида служат тест-организмами для выявления распада целлюлозы, а также при испытании средств, применяемых для пропитки различных материалов с целью предохранить их от действия микроор­ганизмов, разлагающих целлюлозу. Грибы образуют целлюлазы, ко­торые можно выделить из мицелия и из питательной среды.

Cytophaga и Sporocytophaga- аэробные бактерии, разлагающие цел­люлозу. Их легче всего выделить обычным методом накопительной культуры в жидких средах. Эти два рода, близкие к миксобактериям, включают много видов. Об использовании целлюлозы миксобактериями и об их первичном воздействии на нее мало что известно. У них не удалось обнаружить ни внеклеточной целлюлазы, ни каких-либо про­дуктов расщепления целлюлозы. Клетки этих бактерий тесно прилегают к волокнам целлюлозы, располагаясь параллельно оси волокна. По-ви­димому, они гидролизуют целлюлозу лишь при тесном контакте с во­локном, и продукты гидролиза тотчас же поглощаются. На агаре с цел­люлозой колонии Cytophaga никогда не бывают окружены прозрачной зоной, в которой находились бы продукты ферментативного расщепле­ния целлюлозы.

Кроме видов Cytophaga на целлюлозе могут расти миксо бактерии родов Polyangium, Sporangium и Archangium, образующие плодовые тела.

Использовать целлюлозу как субстрат для роста могут и многие из тех аэробных бактерий, которые можно было бы назвать «всеядными». Некоторые из них используют целлюлозу, видимо, только в тех слу­чаях, когда нет других источников углерода; синтез и выделение целлю-лаз у таких бактерий регулируются по типу катаболитной репрессии. Некоторые формы, сходные с Pseudomonas, раньше объединяли в группу Cellvibrio. Сейчас их описывают как Pseudomonas fluorescens var. cellulosa. Из коринеформных бактерий следует упомянуть Cellulomonas; эту бакте­рию предполагали даже использовать для получения белка из целлю­лозы.

Среди актиномицетов описано лишь немного целлюлозоразлагаю-щих видов: Micromonospora chalcea, Streptomyces cellulosae, Strepto-sporangium.

Разложение целлюлозы в анаэробных условиях. В анаэробных усло­виях целлюлозу расщепляют чаще всего мезофильные и термофильные клостридии. Термофильный вид Clostridium thermocellum растет на про­стых синтетических средах, используя в качестве субстрата целлюлозу или целлобиозу, а в качестве источника азота-соли аммония; глюкозу и многие другие сахара эта бактерия не утилизирует. Продуктами сбра­живания целлюлозы являются этанол, уксусная, муравьиная и молочная кислоты, молекулярный водород и С02. Вне клеток целлюлоза расще­пляется, вероятно, только до целлобиозы. К сходным продуктам приво­дит сбраживание целлюлозы мезофильным видом Clostridium cellobioparum. Длинная палочка Bacillus dissolvens ведет себя подобно упомянутым выше видам Cytophaga: клетки этой бактерии тесно приле­гают к волокнам целлюлозы и не выделяют в среду целлюлазы.

Микробиологические процессы в рубце жвачных животных. В рубце жвачных целлюлозу тоже расщепляют главным образом бактерии. Ос­новными источниками углеводов для жвачных служат сено, солома и трава. В сухой траве примерно половину углеводов составляют фрук-тозаны и ксиланы и приблизительно столько же приходится на долю целлюлозы. Целлюлозные компоненты кормов были бы недоступны для использования, если бы у жвачных в процессе эволюции не возни­кли симбиотические отношения с микробами, способными расщеплять целлюлозу (рис. 14.1).

 

Image

Два первых отдела желудка жвачных - рубец и сетка-это как бы большая бродильная камера (емкостью от 100 до 250 л), в которой существуют идеальные условия для роста многочисленных микроорганизмов; им обеспечены здесь постоянная температура (37-39°С), непрерывная подача минерального рас­твора (около 100-200 л слюны в сутки), хорошо забуференного бикарбонатом и фосфатом (рН 5,8-7,3), периодическое поступление питательных веществ в виде хорошо размельченного, богатого целлюлозой корма и, наконец, механическое перемешивание в результате движений рубца. Таким образом, рубец напоминает систему для полунепрерывного культивирования микроорганизмов.

Среди обитателей рубца преобладают простейшие и бактерии. В 1 мл

содержимого рубца находится несколько миллионов простейших-главным образом инфузорий, относящихся к родам Diplodinium и Entodinium. Это специфические для рубца, мало распространенные в других местах виды. По массе они составляют от 6 до 10% содержи­мого рубца, причем часть этой массы приходится на долю запасенных ими полисахаридов. Однако простейшие, возможно, не играют в рубце жизненно важной роли. Неясно, участвуют ли они в разложении целлюлозы.

С функциональной точки зрения наиболее важными обитателями рубца являются бактерии. В 1 мл рубцовой жидкости содержится от 109 до 1010 бактериальных клеток. На их долю приходится 5-10% сухой массы содержимого рубца. Специфические для рубца бактерии - строгие анаэробы. Дрожжи и другие грибы присутствуют здесь лишь в неболь­шом количестве.

Бактерии перерабатывают полимерные углеводы кормов в простые соединения, такие как жирные кислоты и спирты. Из целлюлозы, крах­мала, фруктозана и ксилана образуются в основном жирные кислоты. По имеющимся данным, разложению подвергается около 90° 0 (по весу) всей поступающей с кормом целлюлозы. При этом образуются боль­шие количества кислот, главным образом уксусной (50-70 об. %), про-пионовой (17-21 об. %) и масляной (14-20 об. %), а также немного вале­риановой и муравьиной. Кроме того, ежедневно образуется до 900 л газа примерно следующего состава (по объему): 65% С02, 27% метана, 7% N2, 0,18% Н2 и следовые количества сероводорода. Сравнительно недавно из содержимого рубца были выделены бактерии, которые и в лабораторных условиях сбраживали целлюлозу до тех же кислот и в тех же соотношениях, что и в рубце. Поэтому можно предполагать, что органические кислоты в рубце образуются в результате разложения целлюлозы бактериями.

Расщеплять целлюлозу в рубце способны Ruminococcus albus и R. flavefaciens - грам-отрицательные кокки; Bacteroides succinoqenes - грам-отрицательная неподвижная палочка, образующая главным образом ук­сусную и янтарную кислоты; Butyrivibrio fibrisolvens; Clostridium cellobioparum.

Отсутствие в рубце молочной кислоты следует приписать активно­сти бактерии Veillonella alcalescens (Micrococcus lactilyticus), сбраживаю­щей лактат с образованием пропионата, ацетата, молекулярного водо­рода и СО 2- Метан не является прямым продуктом разложения целлюлозы: он имеет вторичное происхождение и образуется из жирных кислот, а также молекулярного водорода и С02 (разд. 9.4). Образование сероводорода в рубце связано с восстановлением сульфата бактерией Desulfotomaculum ruminis. Selenomonas ruminantium (рис. 2.36,Б) сбраживает глюкозу в молочную, уксусную и пропионовую кислоты.

В местах естественного обитания жвачных-в саваннах и степях-их корм очень беден азотом и белками. Синтез белка обеспечивает симбиотическая мик­рофлора рубца. Дело в том, что у жвачных сформировался весьма эффективный «желудочно-печеночный цикл». Мочевина, образующаяся в печени в процессе обезвреживания аммиака, лишь частично выводится с мочой; вся остальная мо­чевина поступает через слюнные железы и стенку рубца в первые отделы желуд­ка и может использоваться микроорганизмами рубца для синтеза белка (рис. 14.1). Благодаря симбиотическим взаимоотношениям с микроорганизмами рубца жвачные не зависят от экзогенных источников белка. Было неоднократно показано, что коров можно держать на безбелковом корме.

Бактерии играют в питании жвачных двоякую роль. Кислоты, обра­зующиеся при распаде полисахаридов, всасываются здесь же в рубце. Сами бактерии при переходе содержимого рубца в кишечник перевари­ваются, так что вещество их клеток тоже подвергается разложению и усваивается животным. Поскольку бактерии рубца используют и неорганические источники азота, это существенно увеличивает количество белка, получаемое организмом.

Бактерии рубца подвергают растительные жиры гидрированию. Образующиеся насыщенные жирные кислоты всасываются в кишечнике, а затем включаются в собственные жиры крупного рогатого скота, вхо­дящие в состав мяса, молока и масла. У животных, не имеющих рубца, подобного повышения тугоплавкости жира не происходит. Жиры, нака­пливаемые в организме свиньи или грызунов, имеют поэтому более мягкую консгистенцию (более низкую температуру плавления), чем жиры жвачных; они содержат ненасыщенные жирные кислоты и кис­лоты с более короткой цепью, т. е. те, которые поступают с расти­тельным кормом. Если учесть, что не только жиры изменяются под влиянием бактерий рубца, но и 60-90% (по весу) белков крупного рога­того скота имеет бактериальное происхождение, то можно, поедая говя­жий бифштекс, поистине чувствовать себя в гостях у бактерий, а насла­ждаясь свиным шницелем-в гостях у кормовых растений!

 
« Пред.   След. »