Разложение целлюлозы и других органических веществ микроорганизмами

В состав целлюлозы входит более 50% всего органического углерода биосферы, это наиболее распространенный полисахарид растительного мира, высшие растения на 40—70% состоят из целлюлозы. В связи с большим количеством синтезируемой в природе целлюлозы микроорганизмы, ее разлагающие, играют очень важную роль в процессе минерализации органического вещества и круговороте углерода.

Разнообразие микрофлоры, способной разлагать целлюлозу в почве, позволяет трансформировать это вещество в различных условиях аэрации, в кислой или щелочной среде при низких или высоких влажности и температуре. Для большинства микроорганизмов, разлагающих целлюлозу, характерна высокая специфичность по отношению к этому веществу. Разложение целлюлозы осуществляют аэробные микроорганизмы (бактерии и грибы) и анаэробные мезо- фильные и термофильные бактерии.

Аэробное разложение целлюлозы. Группа аэробных целлю- лозоразлагаюших микроорганизмов наиболее богато представлена в почве. В 1918 г. X. В. Хутчинсон и Дж. Клейтон выделили из почвы целлюлозоразлагающую бактерию, имеющую вид длинной веретенообразной палочки с острыми концами. Микроорганизму было дано название Spirochaeta cytophaga. Сейчас эту бактерию относят к семейству Cytophagaceae, роду Cytophaga. Впоследствии были описаны другие виды цитофаг. В настоящее время среди видов этого рода известны формы, разлагающие хитин (рис. 39).

Бактерии рода Cytophaga очень требовательны к условиям среды, обычно они в большом количестве встречаются в навозе и почвах, удобренных навозом. То же свойственно и представителям рода Sporocytophaga, разлагающим целлюлозу. Последние отличаются от видов рода Cytophaga способностью образовывать микроцисты.

В расщеплении целлюлозы принимают участие миксобактерии порядка Myxobacteriales, семейств Мухососсасеае (род Myxococcus), Archangiaceae (род Archangium), Sorangiaceae (роды Sorangium и Poly- angium), широко распространенные в почвах разных климатических зон.

Разложение фильтровальной бумаги в местах роста бактерий рода Cytophaga — слева; целлюлозное волокно, покрытое бактериями. — справа (по

Рис. 39. Разложение фильтровальной бумаги в местах роста бактерий рода Cytophagaслева; целлюлозное волокно, покрытое бактериями. — справа (по: С. Н. Виноградский)

В почвах встречаются представители рода Cellulomonas. Это аэробные грамположитсльныс подвижные палочковидные бактерии неправильной формы; с возрастом они иногда превращаются в кокки. Бактерии данного рода участвуют в разложении целлюлозы в аэробных условиях, однако способны и к анаэробному развитию. Встречаются эти бактерии в почвах, богатых минеральными формами азота.

Могут усваивать целлюлозу единичные виды Pseudomonas (Р. Jluorescens var. cellulosae) и некоторых других бактерий. Актино- мицеты и грибы, обитающие в относительно бедных, кислых почвах, в аэробных условиях медленно разрушают целлюлозу. К актино- мицетам, разлагающим целлюлозу, относятся представители родов Streptomyces (Streptomyces cellulosae), Streptosporangium, Micromonospora (Micromonospora chalcea); к грибам — представители родов Fusarium, Chaetomium, а также отдельные виды — Trichoderma viride, Aspergillus fumigatus, Botry'tis cinerea, Rhizoctonia solani, Myrothecium verrucaria. В разрушении целлюлозы участвуют и хитридиомицсты, среди которых много паразитов.

Анаэробное разложение целлюлозы. Большинство представителей анаэробных целлюлозорахзагаюших бактерий, найденных в природе, относят к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Эти виды обитают в почвах, компосте, навозе, речном иле и сточных водах. Клостридии устойчивы к кислотности и распространены не только в нейтральных, но и кислых почвах. Типичный представитель рода, участвующий в разложении целлюлозы при температуре

30—40 °C, — Clostridium omelianskii. Впервые вид выделен известным микробиологом В. Л. Омелянским в 1902 г. Этот микроорганизм имеет палочковидную форму (4—8 х 0,3—0,5 мкм), подвижен. Для него характерны толстые споры, поэтому спорообразующая клетка сильно раздувается и становится похожей на барабанную палочку. Разлагать целлюлозу может и другой мезофильный вид — С. cellobio- рагит.

Среди анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, встречающихся в почве, навозе и компостах, есть и термофилы. Они активно сбраживают целлюлозу. Так, оптимальная температура для развития С. thermocellum около 60 °С, биологический максимум приближается к 70 °С; при 40, 45 °С эта бактерия развивается слабо. К термофильным целлюлозоразлагающим анаэробам относится и вид Thermoanaerobacter ethanolicus, выделенный из горячих источников. Мезофильныс и термофильные анаэробные бактерии хорошо используют целлюлозу, но на обычных средах, содержащих простые сахара, они развиваются слабо, плохо переносят даже незначительно повышенные концентрации сахаров.

В рубце жвачных животных обитают специфичные облигатные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызывают разложение целлюлозы кормов до глюкозы, которая затем сбраживается с образованием органических кислот (уксусной, пропионо- вой, масляной, молочной, муравьиной, янтарной и др.), спиртов и газов (С02 и Н2). Разложение целлюлозы в рубце животных осуществляется при участии кокковидных и палочковидных бактерий: Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succino- genes, Butyrivibrio fibrisolvens, Ruminobacter parvum. Бактерии рубца очень важны для нормального питания жвачных животных.

Кратко остановимся на биохимической стороне процесса распада целлюлозы. Это линейный гомополисахарид, состоящий из соединенных р-1,4-гликозидными связями глюкозных остатков. Молекулярная масса полисахарида — до 500 000. В молекуле целлюлозы может содержаться до 14 000 молекул р-D-глюкозы. Целлюлозные волокна представляют собой пучки микрофибрилл и мицеллы (кристаллиты) — весьма плотно упакованные цепочки макромолекул, чередующиеся с некристаллическими или паракристаллически- ми участками. Последние в первую очередь подвергаются воздействию ферментов микроорганизмов.

Разложение целлюлозы с помощью микроорганизмов проходит в несколько этапов. Сначала идет ферментный гидролиз полимера. Ферментная система, осуществляющая разложение целлюлозы до глюкозы, носит название целлюлазного комплекса. В его состав входят: эндо-р-1,4-глюканаза (1,4-р-0-глюкан-4-глюкогидролаза), экзо-1.4-р-глюканаза (целлобиогидролаза), экзо-1.4-р-глюкозидаза (1.4-0-глюкан-глюкогидролаза), целлобиаза (Р-глюкозидаза).

Процесс расщепления целлюлозы протекает следующим образом: при действии на целлюлозу фермента эндоглюконазы образуются олигосахара различной степени полимеризации, а также цел- лобиоза. Затем под влиянием эндоглюканазы и цсллобиогидролазы олигосахара гидролизуются до целлобиозы. Целлобиаза катализирует расщепление целлобиозы на две молекулы глюкозы. Все ферменты целлюлазного комплекса бактерий, за исключением целлоби- азы, внеклеточные. При аэробном разложении целлюлозы из образовавшейся глюкозы в основном получается два продукта — СО, и Н20. Могут накапливаться и небольшие количества органических кислот.

В последние годы у ряда анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий были обнаружены на поверхности клеток высокомолекулярные мультисубъединичные протуберантные структуры, ответственные за разложение целлюлозы, получившие название целлюло- сом. Это связанный с поверхностью клетки комплекс, содержащий набор целлюлолитичсских ферментов, а также белки, не имеющие ферментной активности. Входящие в комплекс ферменты представлены эндоглкжаназами, а также ферментами, играющими основную роль в разложении целлюлозы. Комплекс обеспечивает прикрепление клеток к целлюлозе и ее высокоэффективный гидролиз.

При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продукт се гидролиза — глюкоза в дальнейшем подвергается сбраживанию, в результате чего возникает много органических веществ, состав которых различается у отдельных культур микроорганизмов:

Меюфилы:

Clostridium omelianskii Этанол, уксусная, молочная

и муравьиная кислоты, С02, Н2

С. dissolvens Этанол, уксусная, молочная

и масляная кислоты. С02. Н2

С. сеИоЫоратт Этанол, уксусная, муравьиная

и молочная кислоты, С02. Н2

Термофилы:

С. thermocellum Этанол, уксусная, молочная,

муравьиная кислоты. С02, Н2

Thermoanaerobacter et/wno/icus Этанол

Раньше считали, что при брожении целлюлозы образуется метан СН4. Однако позднее было показано, что метан выделяется не в результате деятельности бактерий, использующих полисахариды, а вследствие жизнедеятельности вторичного бактериального населения — микробного сообщества, утилизирующего продукты рапо- жения целлюлозы. В конце этой пищевой цепи находятся метаноге- ны (архебактерии), продуктом жизнедеятельности которых является метан.

Имеющиеся в растениях моно- и дисахариды, а также низкомолекулярные полисахариды (крахмал, инулин, камеди и т. п.) легко разрушаются различными микроорганизмами.

Разложение гемицеллюлозы. Гемицеллюлозы наряду с лигнином и пектинами входят в состав межклеточного вещества растительных тканей, в значительных количествах содержатся в древесине, соломе, кукурузных початках и т. д. Как и целлюлоза, они присутствуют в клеточной стенке. Кроме растений, гемицеллюлозы обнаружены у грибов и дрожжей, входят в состав внеклеточных полисахаридов.

Гемицеллюлозы — гстсрополисахариды, состоящие из пентоз (ксилозы, арабинозы) или гексоз (глюкозы, маннозы, галактозы), что отражено в их названиях: пентозаны (ксилан или арабан), ман- наны, галактаны и т. д. Ксилан — полимер ксилозы — по содержанию в растениях занимает второе место после целлюлозы. Солома и луб содержат до 30% ксилана, древесина хвойных — 7—12, лиственных пород — 20—25%. Молекулы ксилана состоят из остатков P-D- ксилозы, соединенных 1.4-гликозидными связями. Многие геми- целлюлозы содержат также уроновые кислоты.

Перечисленные вещества активно разлагаются грибами, аэробными и анаэробными бактериями. В этих процессах участвует значительно больше видов микроорганизмов, чем в разложении целлюлозы. Многие из них не очень специфичны и кроме полисахаридов способны усваивать органические кислоты и многие простые сахара.

Микробное население, участвующее в разложении гемицеллюлоз растений, очень разнообразно. Это связано с неодинаковым химическим составом указанных полисахаридов у разных растений, что оказывает влияние и на характер конечных продуктов распада. К микроорганизмам, обладающим гем и целлюлозоразлагающи ми свойствами, относят бактерии родов Clostridium, Bacillus, Cytophaga, Sporocytophaga (например, Sporocytophaga myxococcoides), Vibrio, Strep- tomyces; грибы родов Aspergillus, Rhizopus, Fames, Polyporus и др. Геми- целлюлозы в кислых почвах обычно разлагают грибы, в нейтральных и щелочных — бациллы, Sporocytophaga и ряд других бактерий.

Большая молекулярная масса гемицеллюлоз не позволяет их молекулам проникать через цитоплазматическую мембрану бактериальной клетки. Молекулы должны быть превращены в простые соединения сахара, и только тогда микроорганизмы смогут их использовать.

Ферменты, катализующие расщепление гемицеллюлоз, носят название гемицеллюлаз (ксиланаз). Многие микроорганизмы, обладающие способностью к синтезу целлюлазного комплекса, имеют и ксиланазу.

Первое время, после того как растительные остатки попадают в почву, гс ми целлюлозная фракция полисахаридов разлагается со значительной скоростью, затем процесс замедляется. Это, вероятно, результат химической гетерогенности гем и целлюлозных фракций: одни разлагаются медленнее, другие — быстрее. Скорость превращения гемицеллюлоз микроорганизмами почвы зависит и от условий среды — температуры, влажности, pH среды и т. д.

Разложение лигнина. Растения, особенно древесные, содержат большое количество лигнина во вторичных слоях клеточной оболочки и как основной компонент в составе межклеточного вещества и вторичных слоях клеточной стенки. В молодых растениях количество лигнина относительно невелико, но с возрастом его содержание в тканях увеличивается. Молодые травы содержат от 3 до 6% лигнина (на сухое вещество), древесина разных деревьев — от 18 до 30%. Вероятно, это соединение никогда не встречается в свободном виде, обычно оно связано с полисахаридами.

Лигнин, содержащийся в растениях разных видов, родов и семейств растительного царства, химически неоднороден. Даже в одном растении в зависимости от фазы развития химический состав лигнина может меняться.

Молекулярная масса лигнина 1000—10 000. он нерастворим в воде и в большинстве органических растворителей. Молекула лигнина содержит только три элемента — углерод, водород и кислород, однако это весьма сложное соединение, состоящее из большого числа полимеризованных мономерных блоков, которые представляют собой производные фенилпропана. Главный мономер лигнина — конифериловый спирт, он составляет скелет лигнина хвойных пород. Лигнин лиственных пород состоит из кониферилового и сина- пового спиртов, лигнин злаковых растений имеет еще и кумаровый спирт.

Лигнин устойчив к воздействию микроорганизмов, разлагается значительно медленнее, чем целлюлоза и гемицеллюлоза. В аэробном разложении лигнина могут принимать участие многие представители класса Basidiomycetes. Так, при умеренной температуре лигнин усваивают многие высшие грибы родов Clavaria, ArmillarieUa, Forties, Polystictus, Polyporus и Usti/ina. Активны по отношению к лигнину Fusarium lactis, F. nivala, Trichoderma lignorum, Alfern aria tenuis, Stremphy/iurn botryosum.

В почве есть аэробные бактерии рода Pseudomonas, участвующие в термофильном разложении лигнина. Бактерии рода Clostridium разлагают это соединение в анаэробных условиях. Считают, что лигнин может трансформироваться и актиномицетами.

Лигнин деполимеризуется до простых ароматических веществ, таких, как ванилин и другие метоксилированные ароматические структуры. Ферментная система микроорганизмов, воздействующих на лигнин, внеклеточная и представлена лигниназами — специфичными иероксидазами. В связи с тем что лигнин разрушается относительно медленно, он накапливается в почве, и продукты разложения служат основой при образовании гумусовых веществ.

Разложение пектиновых веществ. Межклеточные вещества растительных тканей — пектины — найдены в так называемых срединных пластинках, расположенных между отдельными клетками тканей растений. Первичные и вторичные клеточные стенки также содержат полисахариды пектинового типа. Пектиновые вещества — сложные полисахариды, полигалактурониды, это неразветвленные полимеры, состоящие из остатков D-галактуроновых кислот, соединенных 1,4-гликозидными связями.

Существуют три типа пектиновых веществ: протопектин — водонерастворимая составная часть клеточной стенки; пектин — водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, содержащей мстил- эфирные связи; пектиновая кислота — водорастворимый полимер галактуроновой кислоты, свободный от метилэфирных связей. Пектиновая кислота образована длинными пеночками галактуроновых кислот, способных после обработки кальциевыми солями к формированию твердого пектинового геля.

Бактерии и грибы воздействуют на пектин, протопектин и пектиновую кислоту в аэробных и анаэробных условиях. В почве обнаружено большое число микроорганизмов, разлагающих пектиновые вещества (до I млн клеток на I г почвы). Высокой псктинолитичс- ской активностью обладают представители семейства ВасШасеае — аэробные бактерии рода Bacillus (В. т асе га ns, В. polymyxa) и анаэробные рода Clostridium (С. pectinovorum, С. felsineum, С. aurantibu- tyricum, С. pectinolyticum, С. corallinum, C.flavum и др.), а также многие грибы. Пектины разлагаются и под влиянием фитопатогенных грибов (Botrytis cinerea, Fusarium oxysporum f. lycopersici) и бактерий Erwinia carotovora), использующих эту свою способность для проникновения в гкани растений.

Микроорганизмы синтезируют следующие экзоферменты (эстеразы и деполимеразы), катализующие распад пектиновых веществ:

  • протопектииазу, участвующую в разложении протопектина с образованием растворимого пектина;
  • пектинэстеразу, гидролизующую метил эфирную связь пектина с образованием пектиновой кислоты и метилового спирта;
  • пектиназу (полигалактуроназу), разрушающую связи между отдельными составляющими галактуроновой кислоты, пектина или пектиновой кислоты с образованием небольших цепочек и в конечном счете свободной D-галактуроновой кислоты.

При гидролизе пектиновой кислоты пектиназой на первых этапах аккумулируются только небольшие количества свободной D-галактуроновой кислоты. Обычно при участии ферментов разлагаются ди-, три-, тетра- и пентагалактуроновые кислоты. В последующих этапах гидролиза длинные молекулы распадаются иод влиянием каталитической деятельности пектиназы и накапливаются свободная D-галактуроновая кислота и другие соединения.

Распад пектиновой кислоты может быть выражен следующей схемой:

Продукты распада пектиновой кислоты (галактоза, арабиноза и др.) подвергаются окислению или сбраживанию при воздействии разнообразных микроорганизмов. При анаэробиозе это маслянокислые бактерии, относящиеся к роду Clostridium (С. pectinovorum, С. felsineum и др., рис. 40). Продуктами распада С. pectinovorum служат масляная и уксусная кислоты, а также газы Н2 и С02, а в культуре С. felsineum кроме указанных веществ образуется и небольшое количество ацетона и бутанола.

Разложение пектиновых веществ наблюдается при мочке лу- боволокнистых растений — льна, конопли, кенафа, джута, канатника и др. Целлюлозные волокна указанных растений склеены с окружающими их тканями пектином. Для отделения волокон необходимо разложение пектина, для чего используют пектинолитическос действие ферментов анаэробных бактерий.

Клетки Clostridium pectinovorum, х 4000 (по

Рис. 40. Клетки Clostridium pectinovorum, х 4000 (по: С. Робиноу)

При водной мочке после погружения в воду стебли льна набухают. При этом экстрагируются водорастворимые вещества (сахара, глюкозиды, таннины, растворимые соединения азота и пигменты) и начинают развиваться бактерии. Сначала размножаются аэробные формы, так как вода содержит кислород и питательные вещества, способствующие их развитию. Дрожжи и плесневые грибы развиваются на поверхности среды. Поглощение аэробными микроорганизмами из жидкости кислорода обусловливает создание в среде анаэробных условий. Начинают развиваться факультативно анаэробные бесспоровые бактерии, близкие к Escherichia coli. Постепенно в среде накапливаются органические кислоты (в том числе молочная) и выделяются газы С02 и Н2.

Отделение волокон происходит во время основной стадии брожения, когда анаэробные бактерии типа С. pectinovorum начинают расщеплять пектин. Накопление органических кислот приводит к прекращению деятельности С. pectinovorum. Последнего сменяет более кислотоустойчивый микроорганизм С. felsineum. В результате воздействия ферментов микроорганизмов двух указанных видов на пектиновые вещества паренхимной ткани ог коры и древесины отделяются пучки волокон.

На льнозаводах тепловую мочку льноволокна выполняют в особых чанах — мочилах при 32—38 °С в течение трех—пяти суток. Для ускорения мочки и увеличения выхода длинного волокна предложен препарат пектолитин, содержащий споры активного пектин- разлагающего микроорганизма — С. felsineum. Внесение пектолити- на в мочильную жидкость приводит к ускорению процесса в среднем на 27%, повышается и выход длинного волокна, его качество. В производство льняного волокна внедряют также препараты пекто- литических ферментов.

Применяют и аэробную мочку льна и других лубоволокнис- тых культур. В этом случае пектиновые вещества разрушаются аэробными микроорганизмами. Предварительно пектиновые вещества гидролизуются до галактуроновых кислот, галактозы, арабино- зы, ксилозы, уксусной кислоты и метанола, а затем начинается окисление (бактериями, дрожжами, грибами) возникших соединений до С02 и Н20.

Существует несколько способов аэробной мочки льна. Рас- спин, или росяная мочка, — самый старый и наиболее примитивный биологический способ получения волокна. При этом лен в осеннее время года расстилают на траве. Широкий доступ воздуха, систематичное и порой длительное отсутствие влаги, воздействие света и атмосферных осадков, суточные колебания температуры обусловливают длительность процесса (три—восемь недель) и преобладание в нем не бактерий, а плесневых грибов. Насчитывают до 80 видов грибов, участвующих в росяной мочке. Первое время после расстила стеблей на траве наблюдается развитие бактерий, а затем преобладают грибы — Rhizopus, Aureobasidium, Altemaria и Gonatobotrys. Развитие перечисленных представителей грибов указывает на оптимальную степень мочки льносоломы. Видовой состав микрофлоры при мочке определяется географическими и почвенно-климатическими условиями. При мочке расстилом существует опасность, что многие грибы (например, Cladosporium herbarum, Trichoderma lig- norum), появляющиеся на льносоломе после Rhizopus, Alternaria и других, разрушат целлюлозу, т. е. волокно. Особенно часто это происходит при псрслсживании разостланной соломы.

В благоприятных атмосферных условиях (теплая и влажная погода), сочетающихся с тщательным уходом за соломой (защита от спутывания, переворачивание рядков, своевременная уборка со стлища), расстил даст вполне удовлетворительное по качеству и выходу волокно.

Контрольные вопросы и задания

  • 1. Какие микроорганизмы служат возбудителями молочнокислого брожения?
  • 2. В чем сущность прогжоновокислого брожения? 3. Чем отличается окисление углеводов при участии микроорганизмов от различного типа брожений?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >