Группы анаэробных гидролитиков и диссипотрофов объединяются в группировку первичных анаэробов, очень четко просматриваемую при анаэробных процессах как группировка бродилыциков, осуществляющая кислотогенную или, иначе, водородную фазу.
205
И гидролитики, и диссипотрофы в анаэробном сообществе не нуждаются во внешнем стоке электронов и осуществляют брожение за счет веществ, получаемых исключительно из субстрата. Поэтому большинство из них способно к выбросу молекулярного водорода, катализируемому выделяющей гидрогеназой. Особенности брожений связаны, как известно, с вариациями в использовании разных внутренних акцепторов водорода. Почти все продукты брожений представлены, помимо водорода, низшими жирными кислотами, спиртами и аналогичными продуктами, которые не могут быть сброжены далее.
Группировка вторичных анаэробов включает организмы с анаэробным окислительным обменом, обусловленным использованием несбраживаемых продуктов первичных анаэробов в качестве доноров электронов, и внешних неорганических акцепторов электронов в окислительно-восстановительных реакциях, приводящих к образованию полностью окисленного продукта разложения органического вещества - СО2 - и восстановленного неорганического соединения.
Важнейшими донорами электронов для вторичных анаэробов служат: 1) водород и/или НСООН; 2) ацетат и/или этанол; 3) летучие жирные кислоты. Эти соединения лежат на главных трофических маршрутах метаболизма сообщества. Вторичные анаэробы используют все продукты первичных анаэробов. Поэтому получается трофическая структура сообщества с продукт-субстратным взаимодействием как основным принципом организации. Продукты обобществляются, образуя пулы. Поскольку разные организмы образуют сходные продукты, то вместо цепей, получаются сети, когда в графе трофических отношений ребра от нескольких узлов сходятся вместе.
Пока мы разбирали лишь донор электрона. Но это составляет только полуэлемент окислительно-восстановительной реакции. Вторую половину составляет акцепторная реакция. Для аэробов акцептором служит кислород. Проблему составляет лишь его транспорт и сродство организмов к кислороду, разделяющее их на аэробные и микроаэробные, причем из-за малой растворимости кислорода дело состоит в транспорте его, т.е. физических условиях обитания организма. Для неорганических соединений
206
четко соблюдается термодинамическая последовательность окислительно-восстановительных потенциалов как предпочитаемых акцепторов; наименее выгодные термодинамически акцепторы используются в последнюю очередь. Поэтому развитие вторичных анаэробов возможно лишь в зоне термодинамической устойчивости восстановленного продукта реакции. Последовательность использования акцепторов электронов включает: 1) восстановление Fe3+, 2) восстановление нитратов или денитрификацию, 3) восстановление соединений серы в сероводород или сульфидогенез, 4) восстановление углекислоты в метан или метаногенез.
Каждый из этих процессов наблюдается в природе в определенных условиях, и их оценка служит предметом биогеохимии.
Вопрос состоит теперь в том, насколько общие закономерности биоэнергетики, установленные для отдельного организма, могут быть применены для сообщества в целом. Представляет ли сообщество единство, соответствующее "организму"?
Подобно тому, как внутри клетки микроорганизма сопрягаются энергодающие и энергопотребляющие реакции, в химической системе сопряженных окислительно-восстановительных реакций, осуществляемых микробным сообществом, возможно такое сочетание, которое в сумме дает энергетический выигрыш, достаточный для существования сообщества. Но в отличие от клетки, где есть переносчик энергии, в сообществе условия должны быть таковы, чтобы обеспечить выигрыш, достаточный для существования каждой отдельной группы или вида организмов.
Продукты первичных анаэробов не могут быть разложены далее с выигрышем энергии. Если условия складываются таким образом, что развитие первичных анаэробов проходит очень быстро, вследствие обилия доступных веществ, прежде всего растворимых полисахаридов, то накопление продуктов останавливает развитие сообщества. Типичным примером служит компостирование растительных остатков и его бытовые варианты в виде квашения капусты. В этом случае развитие первичных анаэробов останавливается не из-за использования субстрата, а из-за накопления продуктов, в первую очередь органических кислот. Снижение рН оказывается консервирующим фактором для анаэробов и
207
на диаграмме Eh-pH левый нижний угол оказывается запрещенным. Напротив, в аэробных условиях органические кислоты окисляются аэробными ацидофильными организмами, например, уксуснокислыми бактериями. Крайний случай представляет окисление органических веществ при рН 2-3 бактериями рода Acidiphilum, открытыми как спутники тионовых бактерий.
Как уже упоминалось, вторичные анаэробы в качестве субстратов-доноров электрона получают ограниченный набор соединений, разделяющихся на три категории: водород, ацетат, "летучие жирные кислоты" (ЛЖК). В последнюю группировку причисляются и нейтральные продукты брожения, как спирты. Соответственно этим категориям выделяются Н2-использующие (гидрогено-трофные) и ацетат-использующие (ацетотрофные) организмы. Анаэробное окисление ЛЖК включает два варианта: прямое окисление при достаточном окислительном потенциале акцептора или конверсию в водород и ацетат особой группой синтроф-ных организмов.
Прямое окисление ЛЖК известно прежде всего у факультативно анаэробных денитрификаторов, для которых окисление всех продуктов первичных анаэробов представляет вполне банальную вещь и не привлекает специального внимания. Классическим примером такого организма явился Paracoccus denitrificans, послуживший для К. Ван Ниля моделью для иллюстрации способности микробов осуществлять разные типы обмена (Клюйвер А., Ван Ниль К. 1959). Действительно, паракокк хорошо растет аэробно с широким набором органических веществ. Он может расти хемолитоавтотрофно, как водородная бактерия, и относится к гидрогенотрофам. Хорошо выделяется на ацетате, как ацетотроф. Меньшее внимание привлек его рост на ЛЖК. Те же субстраты паракокк использует и с нитратом как акцептором электрона. Подобными же свойствами обладает и широкий круг универсалов-псевдомонад, некоторые бациллы.
Прямое окисление водорода и ацетата осуществляют Fe3+-peдуцирующие бактерии, многообразие которых установлено лишь недавно. Внимание было сосредоточено на ацетотрофах и гидроге-нотрофах, а окисление ЛЖК для этой группы пока не исследовано.
Сенсацией явилось открытие Ф. Видделем (F. Widdel) в 1970-х гг. сульфатредукторов с полным окислением. До этого времени считалось,
208
что сульфатредукторы осуществляют неполное окисление лактата или этанола в ацетат, либо относятся к гидрогенотрофам с модельным организмом Desulfovibrio. Это мнение господствовало, хотя уже очень давно, начиная с работ Л. Рубенчика, была известна сульфатредукция на ацетате как мощный природный процесс. Сначала был открыт ацетотрофный Desulfobacter, осуществляющий полное окисление ацетата. Затем Виддель описал и чистые культуры сульфатредукторов, окисляющих пропионат, бутират и ряд других несбраживаемых соединений. Таким образом, сульфатредукторы разделились на группы ацетогенных (группа I) и осуществляющих полное окисление органического вещества (группа II, см. табл. 5).
Метаногены способны использовать из всего набора продуктов анаэробных превращений только три вещества: водород, ацетат, метилированные С1 - соединения. При этом, в отличие от суль-фидогенов, они не требуют притока окислителя извне, а могут обходиться СО2, образуемым при брожении. Поэтому метаногенное сообщество автономно. Продукт их обмена - метан - остается инертным в анаэробных условиях, несмотря на термодинамическую возможность окисления при сульфидогенезе. Наблюдаемый в природных условиях процесс анаэробного окисления метана пока не воспроизводится в лаборатории даже на уровне устойчивой накопительной культуры с сообществом. В природе установлено симбиотрофное анаэробное окисление СН4 парой метаноген + сульфаредуктор, образующей консорциум, за счет обращения в этих условиях реакции метаногенеза.
Итак, к сульфидогенезу или метаногенезу ведут два пути: водородный и ацетатный. Остальные пути считаются второстепенными по значимости. Между водородным и ацетатным путями обмена есть мостик, реализуемый группой гидрогенотрофных гомоацетатных бактерий, которые могут осуществлять хемолитоавтотрофно реакцию ацетогенеза, аналогичную метаногенезу:
4Н2 + 2СО2 = СН3СООН + 2Н2О.
Оказалось, что в некоторых условиях гомоацетатные организмы могут доминировать; наиболее ярким примером стало псйхрофильное сообщество тундры. В результате происходит перекачивание потока вещества с гидрогенотрофного пути на ацетотрофный.
209
