2.2.3. Окислительно-востановительные условия
и отношение к кucлopoду

Распределение физиологических групп организмов в зависимости от рН среды согласуется с гидрохимическими характеристиками природных вод, описываемых в координатах Eh - рН. Границами поля служит устойчивость воды, определяемая выделением из нее кислорода при высоком Eh и водорода при низком Eh. Окислительно-восстановительные условия характеризуются значением Eh, связанным с доминирующей в данных условиях окислительно-восстановительной парой. Поскольку микроорганизмы получают энергию от окислительно-восстановительных реакций, возможность их развития зависит от Eh среды. В координатах Eh - рН для веществ вычислены термодинамические поля устойчивости. Хемотрофный организм может развиваться в области термодинамической устойчивости продукта реакции катаболизма и метастабильности субстрата. Отсюда следует приуроченность организмов к соответствующим полям в координатах Eh-pH.

Главными восстановителями в природных условиях являются Н₂ и H₂S, образуемые самими организмами; главным окислителем служит образуемый оксигенными фототрофами О₂. Организмы,

110

развивающиеся в областях высокого содержания H₂S, иногда обозначают как тиофилъные.

Наиболее важным является разделение микроорганизмов на физиологические группы по отношению к кислороду. Аэробы нуждаются в кислороде для дыхания. Среди них облигатные аэробы используют только О₂ как акцептор электрона. Микроаэрофилы требуют при этом пониженной концентрации О₂. Факультативные анаэробы могут переходить от дыхания кислородом к анаэробиозу. Анаэробы подразделяют на облигатные и аэротолерантные. Обладая метаболизмом только анаэробного типа аэротолерантные анаэробы могут расти в присутствии воздуха. Облигатные анаэробы чувствительны к токсическому действию О₂ и не только развиваются в условиях аноксии, но и требуют восстановительной обстановки.

Следует заметить, что все аэробы относятся к организмам, трофически зависящим от оксигенных фотосинтетиков, но этот факт маскируется большим резервуаром О₂ в воздухе, накопившимся за последний 1 млрд лет до концентрации 21% в атмосфере. Варьируя в зависимости от температуры, в равновесии с воздухом при температуре 25 °С находится 8 мг/л или 0,25 мМ растворенного О₂. Бактерии используют именно растворенный О₂, и поэтому зависят от обмена водной среды своего обитания с воздухом. Определяющим для аэробов служит транспорт газов между атмосферой и водой. С другой стороны, поскольку О₂ образуется при фотосинтезе, аэробные организмы, если они находятся в непосредственной близости от водорослей или цианобактерий, периодически в дневное время могут оказываться в условиях 100%-ного содержания О₂.

Токсичность кислорода определяется его реакционно-способными формами. Наиболее активной формой является синглетный кислород, ^*О₂. Его высокая реакционоспособность приводит к неконтролируемым реакциям окисления, которые могут разрушить компоненты клетки, но могут приводить и к окислению устойчивых веществ, таких как лигнин. Для гашения действия синглетного кислорода организмы образуют антиоксиданты, например, каротиноиды с цепью чередующихся двойных связей. Поэтому организмы, развивающиеся на ярком свету, например,

111

в высокогорных лишайниках, часто ярко окрашены. Токсическое действие света нередко обусловлено фотохимическим образованием токсичных форм кислорода, особенно радикала гидроксила. При дыхании происходит последовательное восстановление молекулы О₂:

образуется при окислении флавинами, флавопротеинами, хинонами, тиолами, железосерными белками; разлагается супероксиддисмутазой (СОД) по реакции:

разлагается пероксидазами, например, по реакции

или под действием каталазы разлагается с выделением О₂ по реакции:

неэнзиматический окислитель, восстанавливается до воды:

Восстановление О₂ осуществляется под действием ферментов оксидаз с наиболее важной из них цитохромоксидазой, представленной цитохромами а, о. Вовлечение кислорода в реакцию окисления веществ обусловлено действием ферментов оксигеназ, реагирующих либо с обоими атомами в молекуле О₂, как диоксиге-назы, либо лишь с одним, как монооксигеназы, и использующих для преодоления барьера активации внутренний восстановитель, например, НАДН. Под действием монооксигеназ один атом О₂ дает воду, а второй - гидроксильную группу (-ОН), например, при окислении углеводородов.

Неполностью восстановленные соединения кислорода токсичны вследствие высокой реакционной способности, и такие интермедиаты в клетке подлежат детосикации с использованием серии ферментов, как супероксиддисмутаза (СОД), пероксидаза, каталаза. Токсичность О₂ для организмов, не обладающих такими ферментами, обусловлена формированием реакционноспо-собных интермедиатов и вызывает гибель облигатных анаэробов на воздухе. Токсические свойства соединений кислорода реализуются в пищеварительной вакуоли фагоцитов, где генерируются

112

перекись водорода, синглетный кислород ^*О₂ , а миелопероксидаза продуцирует гиперхлорид НСlО.

Озон O₃ высокотоксичен, и озонирование воды употребляется в питьевом водоснабжении, а Н₂О₂ представляет известное обеззараживающее средство.

Таким образом, облигатные аэробы не только используют О₂ как наиболее выгодный окислитель, но и вынуждены защищаться от токсичных продуктов его восстановления. Обычным тестом на аэробность служит определение наличия каталазы по разложению Н₂О₂ суспензией бактерий с выделением пузырьков кислорода. Микроаэрофилы не обладают такой мощной защитной системой, но зато имеют высокое сродство к О₂, что позволяет им развиваться в области низкой концентрации, менее 1 мг/л, и полностью удалять кислород из среды. Типичным примером микро-аэрофилов могут служить водные спириллы. Аэротолерантные анаэробы способны защищаться от действия О₂, не образуя его токсических форм. Факультативные анаэробы способны переходить от одного типа обмена к другому, и эта группировка организмов имеет преимущества в условиях резких суточных колебаний О₂, например, в плотных массах водорослей. Результатом деятельности всех групп аэробов является удаление О₂ из среды их обитания. Поэтому внутри агрегатов аэробов создаются бескислородные условия - аноксия.

Использование кислорода как универсальный терминальный механизм в получении энергии позволяет свести функциональное разнообразие аэробов к вариациям в подготовительном механизме, который обеспечивает восстановление внутриклеточных акцепторов, как НАД или сукцинат, способные реагировать с электронтранспортной цепью. Отсюда универсальность механизмов дыхания распространяется и на цикл трикарбоновых кислот (ЦТК).

Однако использование О₂ влечет за собой и ряд ограничений. К ним следует отнести следующие:

• - зависимость от продукции О₂ оксигенными фототрофами;
• - зависимость от резервуара О₂ в воздухе и, соответственно, приуроченность к местообитаниям, находящимся в контакте с атмосферой;
• - малая растворимость О₂ в воде, особенно при повышении температуры, создает концентрационные ограничения;

113

• - исчерпание О₂ переводит систему в состояние анаэробиоза;
• - поступление CO₂ зависит от его транспорта из воздушного резервуара с замедлением диффузии в водной среде по сравнению с газовой в тысячу раз. В результате ключевым условием для развития аэробов становятся транспортные ограничения.

Зависимость аэробов от оксигенных фототрофов приводит к тому, что те из них, которые развиваются в непосредственной близости от продуцентов, должны обладать способностью выживать при 100%-ном насыщении воды пузырьками CO₂, т.е. в условиях гипероксии. Поэтому естественно, что большинство аэробных бактерий относится к довольно узкой филогенетической группировке части протеобактерий и грамположительных бактерий с точкой ветвления, близкой к цианобактериям. Остальные ветви, за исключением планктомицетов и цитофаг, представлены преимущественно анаэробами.

114