Глава 6 Биохимия микроорганизмов

 

Возможности микробов осуществлять химические ре­акции почти безграничны. Они способны создавать орга­нические вещества из простых элементов — в этом про­является их синтезирующая активность; могут также расщеплять самые сложные соединения на простые эле­менты и минеральные соли. Микробы осуществляют раз­личные функции, однако самая важная на Земле - это их участие в круговороте веществ.

6.1  Круговорот веществ в природе

Участие микробов в круговороте веществ в приро­де— необходимое условие существования жизни на Земле. Обеспечивая минерализацию углерода из органи­ческих соединений растений, микробы поддерживают равновесие углекислого газа. Почвенным бактериям и грибам принадлежит огромная роль в регенерации СО₂. В процессе минерализации органических форм углерода микробы почвы и воды не только переводят его обратно в СО₂, но возвращают в круговорот веществ и остальные биоэлементы — азот, фосфор и др., которые лимитируют рост растений. Микробы участвуют в круговороте Р, N, S и других элементов не менее интенсивно, чем в круго­вороте углерода.

Зеленые растения, фиксируя СО₂ при фотосинтезе, образуют прежде всего сахара и родственные им соеди­нения. Основная масса их временно отлагается в виде полимеров. Из-за преобладания полисахаридов среди продуктов ассимиляции у зеленых растений сахара игра­ют очень большую роль в качестве питательных веществ для всех организмов, зависящих от органических источ­ников питания.

ПРЕВРАЩЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ, НЕ СОДЕРЖАЩИХ АЗОТ

Углерод в природе претерпевает сложные превраще­ния в виде непрерывных процессов распада и синтеза, в которых принимают участие животные, растения и мик­роорганизмы.

Процессы брожения

К числу важнейших биохимических процессов, вызы­ваемых микроорганизмами, относятся различные виды брожения — спиртовое, молочнокислое и др.

Брожением называют анаэробное разложение угле­водов на продукты, которые далее не разлагаются без участия молекулярного кислорода. У различных организ­мов продукты брожения различны и зависят в основном от набора ферментов и от внешних условий.

Спиртовое брожение. Необходимую для жизнедея­тельности энергию дрожжи получают, расщепляя угле­воды на спирт и СО₂, т. е в процессе спиртового броже­ния. Спиртовое брожение протекает в анаэробных усло­виях или при ограниченном доступе воздуха. В присут­ствии же кислорода дрожжи ведут себя как аэробные организмы и необходимую энергию получают за счет ды­хания, окисляя энергетический материал до углекислого газа и воды. Поскольку этот путь энергетически более выгоден, то в аэробных условиях дрожжи хорошо раз­множаются. Поэтому при производстве пекарских или кормовых дрожжей применяют аэрацию, т. е. продува­ние среды воздухом.

Спиртовое брожение, лежащее в основе технологии получения спирта, пива, вина, кваса и других продук­тов, выражается в общем виде уравнением Гей-Люс-сака:

С₆Н₁₂0₆ -> СН₃СН₂ОН + 2СО₂.

Теоретически из 180 г глюкозы можно получить 92 г этилового спирта и 88 г углекислого газа. В действи­тельности наряду с ними образуются побочные продук­ты— глицерин, янтарная кислота и др. Процесс превра­щения сахара в спирт и углекислый газ сопровождается выделением тепла, т. е. является экзотермическим. На 1 грамм-молекулу сброженного сахара выделяется тепла 117,3-10⁶Дж.

Превращение сахара в спирт в результате жизнедея­тельности дрожжей является сложным ферментативным процессом, осуществляемым через ряд промежуточных стадий, каждая из которых катализируется особым фер­ментом. Большую роль в процессе спиртового брожения играет фосфорная кислота, обеспечивающая механизм переноса энергии.

Химизм спиртового брожения изучали русские уче­
ные Л. А. Иванов, С. П. Костычев и А. Н. Лебедев и за­
рубежные ученые Нейберг, Мейергоф, Гарден, Эмбден
и др.

На первом этапе процесса моносахариды (глюкоза) подвергаются фосфорилированию. При этом к молекуле сахара присоединяются два остатка фосфорной кислоты, которая в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) содержится в клетках дрожжей. В результате реакции образуется сначала глюкопиранозо-6-фосфат, а затем фруктофуранозо-1,6-дифосфат, и глюкоза приобретает строение фруктозы. При этом АТФ превращается в АДФ.

Из схемы видно, что глюкоза превращается в фрук­тозу и остатки фосфорной кислоты (обозначенные на схеме буквой Р) присоединяются к фруктозе на концах молекулы. Образовавшийся фруктофуранозо-1,6-ди-фосфат под влиянием фермента альдолазы, содер­жащейся в дрожжах, распадается на две молеку­лы •— 3-фосфоглицериновый альдегид и. фосфодиокси-ацетон:

Эти фосфотриозы (каждая содержит по три углерод­ных атома) под влиянием фермента триозофосфатизо-меразы легко переходят одна в другую.

Дальнейшим превращениям подвергается 3-фосфо­глицериновый альдегид. К нему присоединяется еще один остаток фосфорной кислоты и образуется дифос-фоглицериновый альдегид, который затем под действием фермента дегидрогеназы окисляется в 1,3-дифосфогли-цериновую кислоту. Активной группой этого фермента у дрожжей является НАД.

По мере использования 3-фосфоглицеринового альде­гида — фосфодиоксиацетон образует новые количества 3-фосфоглицеринового альдегида.

1,3-Дифосфоглицериновая кислота вступает в реак­цию с АДФ (образовавшейся на первой стадии процес­са), отдает ей один остаток фосфорной кислоты и пре­вращается в 3-фосфоглицериновую кислоту. Одновремен­но АДФ превращается в АТФ. Эту реакцию катализиру­ет фермент фосфаттрансфераза. Под действием фермен­та фосфоглицеромутазы 3-фосфоглицериновая кислота далее превращается в 2-фосфоглицериновую кислоту. 2-Фосфоглицериновая кислота под действием фермента фосфопируватгидратазы (енолазы) отдает молекулу воды и превращается в фосфоенолпировиноградную кисло­ту. Это приводит к накоплению энергии в остатке фос­форной кислоты. Фосфоенолпировиноградная кислота отдает остаток фосфорной кислоты молекуле АДФ, бла­годаря чему образуется АТФ и енолпировиноградная кислота. Последняя под действием фермента фосфо-трансферазы превращается в более устойчивую кето-форму—пировиноградную кислоту.

При спиртовом брожении пировиноградная кислота расщепляется на ССЬ и уксусный альдегид под действи­ем фермента пируватдекарбоксилазы:

СНзСОСООН - СО₂+СН₃СНО

Пировиноградиая   _{Уксусный альдагид}

Уксусный альдегид вступает во взаимодействие с НАД-Н₂. В результате образуется этиловый спирт и ре­генерируется молекула НАД. Восстановление уксусного альдегида катализирует фермент алкогольдегидрогена-за, коферментом которого является НАД:

 

 

        

Образованием этилового спирта заканчивается цикл спиртового брожения.

Молочнокислое брожение - разложение сахара под действием молочнокислых бактерий - происходит с обра­зованием молочной кислоты. Брожение открыто и впер­вые описано Пастером. Процесс протекает по уравнению

С₆Н,₂О₆ -> 2СН₃СНОНСООН.

Молочная кислота

Наряду с молочной кислотой образуются также по­бочные продукты. Это брожение чаще всего возникает в молоке, причем расщеплению подвергается молочный са­хар - лактоза.

По характеру брожения различают две группы мо­лочнокислых бактерий. Одни из них - гомофермен-тативные - образуют молочную кислоту почти как единственный продукт брожения. Другие же - гете-роферментативные наряду с молочной кислотой образуют значительные количества других продуктов: уксусную кислоту, этиловый спирт, углекислый газ, во­дород и некоторые ароматические вещества.

При молочнокислом брожении превращение сахара протекает так же, как при спиртовом брожении, до об­разования пировиноградной кислоты. Однако далее хи­мизм эти/ двух типов брожения расходится. Из-за отсут­ствия у гомоферментативных молочнокислых бактерий фермента пируватдекарбоксилазы пировиноградная кис­лота не распадается на ацетальдегид и углекислый газ, а восстанавливается в молочную кислоту по уравнению

СНзСОСООН + НАД-Н₂ ± СНзСНОНСООН + НАД.
Пировиноградная Молочная кислота

кислота

Эту реакцию катализирует фермент лактикодегидро-геназа и кофермент НАД. Как и при спиртовом броже­нии, в процессе окисления дифосфоглицеринового альде­гида НАД восстанавливается и превращается в НАД-Н₂. Передавая свой водород пировиноградной кислоте, она снова окисляется в НАД, а пировиноградная кислота восстанавливается в молочную кислоту.

 

Процесс гетероферментативного молочнокислого брожения изучен недостаточно. Бактерии, вызывающие это брожение, обладают ферментом пируватдекарбоксилазой, который вызывает распад пировиноградной кис­лоты на ацетальдегид и СО2. В качестве продуктов обра­зуются молочная кислота, этиловый спирт, может быть и уксусная кислота.

Наиболее важное техническое значение имеют сле­дующие молочнокислые бактерии:

сбраживающие лактозу и размножающиеся в моло­ке - молочнокислый и сливочный стрептококки. Они применяются для производства простокваши, творога, сметаны, масла и др.;

термофильные молочнокислые бактерии - использу­ются при изготовлении кисломолочных продуктов, дие­тических продуктов и сыров;

не сбраживающая лактозу палочка Дельбрюка - применяется для производства молочной кислоты и при изготовлении жидких дрожжей.

В силосовании кормов и квашении овощей активное участие принимает огуречная палочка.

Пропионовокислое брожение заключается в превра­щении сахара, молочной кислоты или ее солей в пропионовую и уксусную кислоты по уравнению:

Реакции сопровождаются выделением энергии. По химизму Пропионовокислое брожение сходно со спирто­вым и молочнокислым, и молочная кислота является как бы промежуточным продуктом. Вызывают это брожение пропионовокислые бактерии - короткие, бесспоровые, неподвижные, грамположительные палочки - анаэробы. Оптимальная температура развития их 30-35° С.

Маслянокислое брожение. Это сложный процесс пре­вращения сахара бактериями. Он протекает в анаэробных условиях с образованием масляной кислоты, угле­кислого газа и водорода.

С₆Н₁₂О₆ -> СН₃СН₂СООН + 2СО₂ + 2Н₂ + энергия. Сахар    Масляная кислота

В качестве побочных продуктов маслянокислого бро­жения получаются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт и уксусная кислота. Это брожение также было от­крыто Пастером в 1861 г.

Первые стадии маслянокислого брожения протекают так же, как спиртовое брожение. Происходит фосфори-лирование гексозы и распад ее на две молекулы фосфо-триоз, которые образуют затем ацетальдегид и COj.

В отличие от спиртового брожения, ацетальдегид да­лее конденсируется. При этом образуется соединение с четырьмя углеродными атомами:

СНзСНО + СНзСНО -> СН₃СНОНСН₂СНО.

Ацетальдегид Ацетальдоль

Образующийся ацетальдоль в дальнейшем превраща­ется в масляную кислоту:

СН₃СНОНСН₂СНО -> СН₃СН₂СН₂СООН.

Ацетальдоль    Масляная кислота

Маслянокислые бактерии являются строгими анаэро­бами и могут размножаться при полном отсутствии или при очень малом количестве кислорода. Оптимальная температура развития бактерий 30-40° С. Эти бактерии широко распространены в природе, их постоянным место­обитанием является почва, отложения озер, прудов, бо­лот, остатки растений, навоз и др.

Ацетоно-бутиловое брожение. Химизм этого броже­ния сходен с маслянокислым. В результате брожения об­разуются бутиловый спирт, ацетон, этиловый спирт, масляная и уксусная кислоты и выделяются газы - СО₂ и Н₂.

Возбудителями брожения являются подвижные па­лочки клостридиум и ацетобутиликум. Это - спорообразующие анаэробы, способные сбраживать углеводы и крахмал. Так как ацетон и бутанол широко применя­ются в различных отраслях народного хозяйства, ацетонобутиловые бактерии используются для их получения в промышленных масштабах.

Ацетоно-этиловое брожение. Углеводы разлагаются с образованием ацетона, этилового спирта, углекислого газа и водорода. В виде побочных продуктов ацетоно-этилового брожения образуется небольшое количество масляной, уксусной и муравьиной кислот.

Возбудители ацетоно-этилового брожения принадле­жат к факультативным анаэробным бактериям, образу­ющим споры. Длина палочек достигает 4—10 мкм. Оп­тимальная температура развития 40-42° С, оптималь­ная реакция среды для размножения равна рН 8-9, для брожения рН 6-8. Эти бактерии способны гидролизовать пектиновые вещества и сбраживать различные углеводы.

Брожение клетчатки. Этот вид брожения также ши­роко распространен в природе и заключается в разру­шении клетчатки в анаэробных условиях с образованием масляной и уксусной кислот, а также газов: СО₂, Н₂ или СН₄. Клетчатка (или целлюлоза) является очень слож­ным полисахаридом, химически очень устойчива. Под влиянием фермента целлюлазы клетчатка распада­ется на более простые соединения типа целлобиозы. В присутствии фермента целлобиазы целлюлоза пе­реходит в глюкозу, которая сбраживается.

Целлюлаза и целлобиаза содержатся у некоторых микроорганизмов - грибов и бактерий.

Сущность брожения клетчатки раскрыта В. Л. Оме-лянским (1902), который выделил две разновидности целлюлозных бактерий: одни бактерии вызывают броже­ние клетчатки с образованием в основном водорода (во­дородное брожение), а другие - метана (метановое бро­жение). В первом случае образуются в равном количе­стве уксусная и масляная кислоты, а газообразных продуктов немного. Во втором случае образуется преиму­щественно уксусная кислота и много газообразных про­дуктов.

Бактерии Омелянского - длинные тонкие палочки, анаэробы, способные к спорообразованию. Клетки со спорами имеют плектридиальную форму (барабанные палочки). Оптимальная температура развития 30-35°С.

В почвах широко распространены термофильные целлюлозные бактерии, также вызывающие брожение клетчатки.        

Брожение пектиновых веществ (близко к масляно-кислому брожению). Пектиновые вещества содержатся в значительном количестве в растениях и состоят из пек­тиновых кислот и углеводов. Гидролиз пектиновых ве­ществ может происходить при нагревании в присутствии кислот и под действием специфических ферментов. Эти ферменты - протопектиназа, пектиназа и пектаза - содержатся в растениях и во многих мик­роорганизмах. Под действием этих ферментов пектино­вые вещества расщепляются на составляющие компо­ненты, которые в свою очередь распадаются на более простые соединения: уксусную, масляную и муравьиную кислоты, этиловый спирт, СО2 и Н₂.

Возбудителями пектинового брожения являются под­вижные бактерии, относящиеся к факультативным анаэ­робам, образующим споры.

Пектиновое брожение в природе имеет огромное зна­чение, так как результатом его является разрушение растительных остатков. Эти процессы постоянно проис­ходят в почве и в воде.

Процессы окисления

Биохимические процессы, связанные с дыханием микроорганизмов, с использованием кислорода воздуха, относятся к окислительным процессам.

Во многих случаях конечными продуктами являются не только углекислый газ и вода, но и продукты непол­ного или частичного окисления органических веществ. Так, при окислении сахара получается лимонная и дру­гие органические кислоты, при окислении этилового спирта - уксусная кислота и т. д. Аэробные окислитель­ные процессы, вызываемые микроорганизмами, сложнее и разнообразнее, чем анаэробные, и многие из них до настоящего времени недостаточно изучены.

Продукты неполного окисления, образуемые одними микроорганизмами, в природных условиях используются другими микроорганизмами. Так, группы микроорганиз­мов, последовательно сменяющие одна другую, могут довести окисление органических веществ до- конечных продуктов - СО₂ и воды. При этом органическое вещест­во подвергается полной минерализации.

Окислительным процессам в природе подвержены все органические вещества, даже такие очень устойчи­вые в химическом отношении, как углеводороды, древе­сина, жиры, воски и парафины.

Окисление углеводородов. Углеводороды являются стойкими соединениями и могут окисляться лишь неко­торыми микроорганизмами.

Метановые бактерии, например, окисляют метан по уравнению

СН₄ + 20₂ -»- С0₂ + 2Н₂О + 9 • 10² Дж.

Метан.служит для бактерий источником энергии, а также материалом для построения органических ве­ществ клетки.

Некоторые виды микроорганизмов окисляют анало­гичным образом углеводороды жирного ряда - пропан, бутан, гексан и другие с образованием углекислого газа и воды:

. СН₃СН₃ + 3-уО₂->2СО₂ + ЗН₂О + энергия.

Бактериальному окислению могут подвергаться так­же углеводороды жирного ряда с более длинной цепью углеродных атомов. Так, русский ученый В. О. Таусон вы­делил из почвы различные бактерии, использующие в качестве единственных источников углерода углеводоро­ды нефти, бензина, керосина, различных парафинов и т. д. Эти вещества могут служить источником углерода для некоторых бактерий и грибов, и конечными продук­тами окисления также являются углекислота и вода. Так как в качестве промежуточных продуктов обнаруживают спирты и органические кислоты, считают, что процесс окисления насыщенных углеводородов связан с дегидро­генизацией их и образованием ненасыщенных соеди­нений.

Эти процессы вызываются аэробными микроорганиз­мами и связаны с потреблением кислорода. Более интен­сивно они происходят при хорошей аэрации или при наличии в среде веществ, способных отдавать кислород для этих окислительных процессов. Наиболее доступны для окисления углеводороды, содержащие гидроксильные и карбоксильные группы.

 

Окисление жиров и высокомолекулярных кислот жир­ ного ряда Жирные кислоты, входящие в состав различ­ных жиров, окисляются аналогичным образом. Попа­дая в почву и водоемы вместе с растительными и жи­вотными остатками, они разлагаются различными микроорганизмами: бактериями, актиномицетами и гри­бами. Наиболее энергично разлагают жиры некоторые пигментные бактерии - бактериум продигиозум (образу­ют красный пигмент), псевдомонас флюоресценс (зелено­вато-желтый пигмент). Это - палочковидные, неспорооб-разующие бактерии, многие устойчивы к низким темпе­ратурам. Микроорганизмы расщепляют жир на глице­рин и жирные кислоты и окисляют их до углекислоты и воды. Расщепление жира начинается с его гидролиза при помощи фермента липазы на глицерин и жирные кислоты:

Ж + ЗН₂0 ->• С₃Н₅(ОН)з + ЗС₁₈Нз₆0₂,
              Жир                                      Стеариновая кислота

Жирные кислоты постепенно окисляются до углекис­лоты и воды по схеме

С1₈Н₃бО₂ + 260₂-> 18СО₂ + 18Н₂О + энергия.

Окисление этилового спирта в уксусную кислоту

Процесс впервые был описан в 1862 г. Пастером, кото­рый обнаружил на поверхности скисшего вина и уксу­са палочковидные бактерии. Окисление этилового спир­та в уксусную кислоту называют уксуснокислым броже­нием; оно протекает по следующему суммарному уравнению:

СН₃СН₂ОН + О₂ -»- СНзСООН + Н₂О + энергия. Этиловый спирт Уксусная кислота

Реакция окисления этилового спирта протекает в две стадии. Вначале образуется уксусный альдегид, ко­торый затем окисляется в уксусную кислоту:

2СН₃СН₂ОН + O₂-v2CH₃CHO + 2Н₂О;

2СН₃СНО -f О_г -> 2СН₃СООН. 102

 

Уксуснокислое брожение вызывают уксуснокислые бактерии - палочковидные, бесспоровые, аэробные мик­роорганизмы.

В природе уксуснокислые бактерии широко распрост­ранены, встречаются на плодах, ягодах, в вине, пиве, квасе,и т. д. Они вызывают скисание вина и других на­питков.

.Уксуснокислые бактерии могут также окислять другие спирты и альдегиды, например пропиловый и бути­ловый спирты, с образованием соответствующих кис­лот - пропионовой и масляной.

Некоторые уксуснокислые бактерии окисляют саха­ра, имеющие альдегидную группу, до соответствующих кислот. Например, глюкоза может быть окислена уксус­нокислыми бактериями до глюконовой кислоты:

 

2СН₂ОН (СНОН) ₄СНО + О₂ ->- 2СН₂ОН (СНОН) ₄СООН

Глюкоза                          Глюконовая кислота

Это превращение глюкозы называется глюконо-вокислым брожением.

Некоторые уксуснокислые бактерии вызывают окис­ление многоатомных спиртов в кетоспирты или кетоса-хара.

Окисление шестиатомного спирта сорбита в сорбозу используется для синтеза аскорбиновой кислоты.

Таким же образом может осуществляться биохими­ческое окисление глицерина в диоксиацетон, представ­ляющий собой ценный продукт:

2СН₂ОНСНОНСН₂ОН + 0₂ -»• 2СН₂ОНСОСН₂ОН + 2Н₂О.
Глицерин Диоксиацетон

Уксуснокислое брожение вызывают уксусные бакте­рии, входящие в род ацетобактерий (Acetobacter). От­дельные виды отличаются один от другого подвижно­стью, размерами клеток, устойчивостью к спирту и др. Некоторые могут накапливать в среде до 9,5-11,5% ук­сусной кислоты. Оптимальная температура роста бак­терий 20-35° С. Бактерии часто встречаются в виде длинных нитей. Многие образуют пленку - сплошную или островками, тонкую или толстую, хрящевидную.

Окисление углеводов плесневыми грибами с образо­ванием органических кислот. Способностью окислять углеводы обладают многие плесневые грибы. При этом из моно- и дисахаридов, а также из других органических веществ образуются органические кислоты: уксусная, молочная, щавелевая, янтарная, фумаровая, яблочная, лимонная и др.

При окислении органических веществ плесневыми грибами часто образуется щавелевая кислота. Она мо­жет далее окисляться до СОг и воды. Мукоровые грибы образуют янтарную кислоту в качестве промежуточного продукта; из нее затем образуется фумаровая кислота.

Окисление микроорганизмами клетчатки и близких к ней соединений. В почве протекает важный процесс аэробного окисления клетчатки (целлюлозы), вызывае­мый бактериями, актиномицетами и грибами. Клетчат­ка сначала гидролизуется, а затем окисляется. Одновременно образуются высокомолекулярные органические кислоты и более простые оксикислоты.

При разложении клетчатки в качестве промежуточ­ных продуктов образуются растворимые сахара и орга­нические кислоты. Они служат питательными вещества­ми для почвенных бактерий и способствуют повышению плодородия почвы.

Почвенные бактерии и грибы могут кроме клетчатки окислять пентозаны, пектиновые вещества и лигнин. Пентозаны содержатся в растительных тканях наряду с клетчаткой и легко окисляются многими микроорганиз­мами до СО₂ и воды. Образующиеся при их гидролизе пентозы (сахара с пятью углеродными атомами) кроме аэробного окисления бактериями и грибами могут сбра­живаться некоторыми видами молочнокислых бактерий с образованием молочной и уксусной кислот.

Лигнин представляет собой сложное и стойкое сое­динение и входит в состав одревесневшей ткани расте­ний. Способностью разлагать его обладают лишь неко­торые грибы и бактерии. Химизм разложения лигнина неизвестен.

ПРЕВРАЩЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ АЗОТСОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ

В состав белков каждого живого существа входит азот, являющийся жизненно необходимым элементом. Общее содержание азота в растительных и животных Организмах достигает 10—25 млрд. т. На синтез клеточного вещества растений ежегодно расходуется до 1,5 млрд, т азота. В атмосфере содержится еще больше азота, так как воздух на ⁴/s состоит из этого газа. До 80 тыс. т молекулярного азота находится в воздухе над каждым гектаром земли.

В почве запасы азота также очень велики. Тем не менее низкие урожаи растений происходят от недостатка азота. Причина заключается в том, что лишь небольшая часть азотсодержащих соединений доступна для пита­ния растений. Для этой цели не годится не только моле­кулярный азот, но и органический, попадающий в почву в виде белковых соединений вместе с животными и рас­тительными остатками. Сложные соединения должны быть превращены в более доступные формы, усвояемые растениями, или минерализоваться.

Аммонификацией называются процессы пере­хода сложных азотистых продуктов в соединения ам­миака. Этим процессам принадлежит важнейшее место в круговороте азота в природе. Они осуществляются в результате жизнедеятельности различных бактерий, актиномицетов и плесневых грибов. При этом получают­ся различные конечные продукты.

Аммонификация мочевины происходит под действи­ем особых бактерий, открытых Пастером в 1862 г.,— уробактерий. Они относятся к аэробам и хорошо развиваются только в среде с резко щелочной реакцией. Источниками углеродного питания служат соли различ­ных кислот, моно- и дисахариды, декстрин и крахмал. В качестве источника азота они используют аммиачные соли или свободный аммиак. Дезаминирование мочеви­ны происходит под влиянием фермента уреазы.

Уробактерии играют большую роль в разложении мочевины. Содержащегося в ней азота образуется на земном шаре более 20 млн. т в год, и он был бы недосту­пен растениям, если бы не деятельность уробактерий. Они представляют собой палочковидные и шаровидные бак­терии. Палочковидные бактерии имеют длинные жгути­ки и образуют споры. Шаровидные уробактерии чаще объединены в пакеты по 4—8 клеток и также обладают длинными жгутиками.

Аммонифицирующие бактерии способны также ми­нерализовать очень стойкое и сложное соединение - хитин, входящее в состав клеточных оболочек многих

микроорганизмов и панцирных покровов насекомых.

Аммонификация белковых веществ происходит под действием особых гнилостных бактерий, а также акти-номицетов и грибов. Белковые вещества попадают в почву в очень больших количествах вместе с остатками растений, животных и микроорганизмов. Разложение белка происходит во всех почвах и водоемах.

Так как большинство протеолитических ферментов микроорганизмов активны в щелочной среде, то в этих условиях гниение активируется. При низкой температу­ре гниение замедляется, а в условиях вечной мерзлоты вообще не происходит.

Микроорганизмы, вызывающие гниение, чрезвычай­но широко распространены в природе. Их много в воде, воздухе и особенно в почве, где процессы гниения про­текают очень интенсивно. В кишечнике человека и жи­вотных постоянно обитает ряд гнилостных бактерий. Энергичному протеканию в нем гнилостных процессов благоприятствует щелочная реакция среды.

В минерализации органических веществ почвы гние­ние имеет громадное значение. Оно играет санитарную роль, обусловливая биологическую очистку почвы, раз­рушение трупов и всевозможных органических отбросов.

Среди аэробных бактерий, участвующих в аммони­фикации белков, широко распространена почвенная бактерия бациллус микоидес (Bacillus mycoides) - не­большая спороносная палочка, перитрих. Колонии этой бактерии напоминают мицелий гриба.

Картофельный бацилл бациллус мезентерикус (Вас. mesentericus) является небольшой палочкой, имеющей жгутики, часто образует цепочки. Сенная палочка ба­циллус субтилис (Вас. subtitis) очень широко распрост­ранена в природе и вызывает энергичную аммонифика­цию белка. Является короткой подвижной палочкой, образует споры.

Среди факультативно-анаэробных бактерий, вызы­вающих аммонификацию белков, известна палочка протеус вульгарис (Proteus vulgaris). Бактерии эти подвиж­ны, спор не образуют, легко меняют форму в зависимо­сти от типа питательной среды. Бактерии очень широко распространены в природе. При разложении белка об­разуют сероводород и индол, углеводы сбраживают с выделением СО₂, Н₂ и органических кислот.

Кишечная палочка эшерихия коли (Escherichia co ­ lt) также принимает активное участие в разложении белка, входит в состав микрофлоры кишечника челове­ка и животных.

Среди анаэробных бактерий аммонификацию белка вызывают гнилостные бактерии бациллус путрификус (Bacillus putrificus) и др. При спорообразовании у них образуются характерные плектридиальные формы, или «барабанные палочки». При разложении белков дают большое количество газов.

В разложении белков кроме бактерий деятельное участие принимают и другие организмы - актиномицеты и различные грибы.

Конечный продукт гидролиза белка - аминокисло­ты - диффундируют внутрь микробных клеток и там подвергаются дезаминированию. Этот процесс приводит к отщеплению аммиака, в результате чего образуются органические кислоты и спирты по уравнениям:

R - СНМН₂СООН + Н₂О ->- R — СНОНСООН + NH₃; R — CHNHjCOOH + '- 0₂ ч* RCOCOOH + NH₃; R — CHNH₂COOH + 2Н ->- R — СН₂СООН + NH₃;

При разложении белков образуются муравьиная, ук­сусная, пропионовая, масляная, валериановая и другие кислоты и высокомолекулярные спирты. В аэробных ус­ловиях кислоты полностью окисляются до СОг и Н2О; в анаэробных условиях полное окисление жирных кис­лот невозможно и они накапливаются в среде. Некото­рые из них разлагаются на углекислый газ и метан.

Распад содержащихся в белке диаминокислот при­водит к образованию ди ам инов, называемых также птомаинами, или трупным ядом. Он может вы­зывать отравление благодаря действию на организм ядовитых алкалоидов, входящих в его состав. Если в составе аминокислот содержится еще и сера (например, в цистине), то она при гниении выделяется в форме сероводорода или меркаптанов.

Большая часть получающихся при разложении бел­ка продуктов в аэробных условиях подвергается даль­нейшему окислению до СОа и Н2О. Такие продукты, как аммиак, сероводород и фосфорная кислота, могут ис­пользоваться микроорганизмами для построения белко­вых веществ своего тела.

Процесс гниения может развиваться также в пище­вых продуктах и вызывать их порчу.

ПРЕВРАЩЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Минеральные азотсодержащие вещества в почве под­вергаются воздействию большого числа микроорга­низмов.

Нитрификация, или окисление аммиака, вызывается особыми нитрифицирующими бактериями и приводит к превращению его в азотистую и азотную кислоту. Ин­тенсивная нитрификация происходит при аэробных ус­ловиях.

С. Н. Виноградский доказал, что процесс нитрифика­ции является двухфазным и каждая фаза обусловлива­ется деятельностью специфического микроба. В первой фазе происходит превращение аммиака в азотистую кислоту:

2NH₃ + ЗО₂ -> 2НМО₂ + 2Н₂О + 6,6- 1 0² Дж.

Этот процесс вызывают нитрозные бактерии. Вторая фаза нитрификации — окисление азотистой кислоты в азотную:

2.102 Дж.

Эта фаза нитрификации осуществляется группой нитратных бактерий. Нитрифицирующие бактерии явля­ются типичными представителями автотрофных микро­организмов. Они способны к ассимиляции углекислоты воздуха и необходимую им энергию получают в резуль­тате окисления аммиачных и азотистых солей. Даже небольшие количества таких органических соединений, как пептон, глюкоза и др., задерживают их развитие.

Нитрифицирующие микроорганизмы широко распро­странены в природе. В кислых почвах они почти не встречаются, в целинных почвах их мало и основное местообитание их - культурные почвы. Нитрификация энергичнее идет при широком притоке кислорода, опти­мальной температуре 30-37° С и влажности 60-80% от полной влагоемкости почвы. В процессе нитрифика­ции в почве образуются нитраты, которые являются лучшим источником азотистого питания растений.

Денитрификация. Часть нитратов в почве использу­ется высшими растениями, часть вымывается водой, некоторое количество изменяется под влиянием микро­бов. Эти изменения заключаются в восстановлении их до нитритов и аммиака или даже до свободного азота.

Превращение нитратов в нитриты осуществляется многими плесневыми грибами из рода мукор, пенициллиум и неспороносными бактериями. Наличие в почве органических веществ, особенно углеводов, способству­ет восстановлению нитратов. Аэрация почвы, наоборот, задерживает денитрификацию.

Денитрифицирующие микроорганизмы окисляют уг­лерод органических соединений, отнимая кислород от азотной кислоты, и получают при этом необходимую энергию.

Денитрифицирующие микроорганизмы широко рас­пространены, они встречаются в почве, навозе, сточных водах. Главная масса этих бактерий в почве находится на глубине 10-15 см. Развитию их способствует щелоч­ная реакция почвы, наличие влаги и ограниченный при­ток кислорода. Некоторые денитрифицирующие микро­организмы могут выделять из нитратов до 30-90% га­зообразного азота.

Обеднение почвы связанным азотом и переход сво­бодного азота в атмосферу уравновешиваются деятель­ностью другой группы микроорганизмов, которые фиксируют азот из воздуха и переводят его в связанном состоянии в почву.

Фиксация атмосферного азота. Фиксация атмосфер­ного азота осуществляется в связи с деятельностью различных микроорганизмов и имеет огромное значение в природе и сельском хозяйстве. Известны два вида микроорганизмов, фиксирующих азот: клубеньковы е, развивающиеся на корнях бобовых растений, исвободноживущие.

Клубеньковые бактерии по морфологическим признакам делятся на две группы - перитрихиальную и моно-трихиальную. В культуре клубеньковые бактерии имеют вид палочек или кокков, иногда наблюдается вздутие или ветвление; в клубеньках форма клеток меняется. Клубеньковые бактерии - аэробные организмы, для пи­тания используют углеводы растений и азот воздуха. Они широко распространены в почве, устойчивы к вы­сыханию и солнечной радиации, играют большую роль в обогащении почвы азотом.

Атмосферный азот могут фиксировать также некото­рые свободно живущие в почве бактерии и грибы. Пред­ставителями аэробных азотфиксирующих бактерий является азотобактер, анаэробных - клостридиум. Такие микроорганизмы широко распространены в почве. Ак­тивность их в значительной степени зависит от темпера­туры и климатических условий. Низкая температура и высушивание почвы задерживают их развитие, известко­вание почвы и снабжение ее фосфатами способствуют фиксации азота.

Азотфиксирующие микроорганизмы играют огром­ную роль в сохранении и пополнении азотистых запасов почвы. На этом основано применение их как препаратов для повышения урожайности почв.

ПРЕВРАЩЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ, ФОСФОРА И ЖЕЛЕЗА

Соединения серы, фосфора и железа, попадающие в почву вместе с растительными и животными остатками, претерпевают большие изменения.

Образование сероводорода. В почву попадает боль­шое количество серы, и при разложении органических остатков она освобождается обычно в форме сероводо­рода. Источником серы являются белки, разложение которых приводит также к разрушению содержащих се­ру аминокислот — цистина, цистеина и метионина. Под влиянием гнилостных бактерий при этом образуется се­роводород.

Сероводород образуется также при восстановлении солей серной, сернистой и серноватистой кислот, что вы­зывается особой группой десульфофицирующих (или сульфатредуцирующих) бактерий. К ним относятся спи-риллум десульфуриканс (Spirillum desulfuricans). Они

могут развиваться на средах, содержащих спирты и орга­нические кислоты, и восстанавливать сульфаты.

Восстановление сульфатов может быть выражено суммарными уравнениями:

С₆Н,₂Об + 6Н₂О -»- 6СО₂ + 12Н₂;

3H₂S0₄ + 12Н₂ -ч- 12Н₂О + ЗН₂;

С₆Н,₂О₆ + 3H₂SO₄ -» 6С0₂ + 6Н₂