Производство биогаза

     Продолжение таблицы 3

       

     В состав группы входят бактерии с разной морфологией: прямые или изогнутые  палочки разной длины; клетки неправильной формы, близкие к коккам; извитые  формы. У некоторых видов наблюдается  тенденция формировать нити или  пакеты. Клетки неподвижные или передвигающиеся  с помощью перитрихиально или  полярно расположенных жгутиков. У представителей рода Methanosarcina в клетках найдены газовые вакуоли. Для некоторых метаногенов характерна развитая система внутриклеточных элементарных мембран, являющихся результатом разрастания и впячивания в цитоплазму ЦПМ и сохраняющих с ней связь. У этой группы архебактерии обнаружены клеточные стенки трех типов: состоящие из псевдомуреина, построенные из белковых глобул и гетерополисахаридной природы. Недавно описан микоплазмоподобный метаноген, выделенный в род Methanoplasma, не имеющий клеточной стенки и фильтрующийся через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм.

     20–30% мембранных липидов метаногенов представлены нейтральными и 70–80% — полярными липидами. Последние — это в основном два типа простых эфиров глицерина и терпеноидных спиртов (C₂₀-фитаниловый и C₄₀-бифитаниловый), на основе которых образуются полярные фосфо- и гликолипиды. В зависимости от вида клеточные мембраны могут содержать оба типа эфиров или только один. Основными нейтральными липидами являются C₂₀-, C₂₅- и C₃₀-ациклические изопреноидные углеводороды, насыщенные или содержащие двойные связи. Запасных продуктов в виде поли-β-оксимасляной кислоты или гликогена в клетках не обнаружено.

     Метанобразующие бактерии — строгие анаэробы. Первые исследования чистых культур, выделенных из рубца жвачных животных, показали, что рост их возможен при начальном окислительно-восстановительном потенциале среды ниже — 300 мВ. Рост некоторых видов полностью подавляется при содержании в газовой фазе более 0,004% молекулярного кислорода. В последнее время, однако, описаны виды с относительно низкой чувствительностью к O₂. В их клетках найдена супероксиддисмутаза. Возможно, в природе такие виды могут сохранять жизнеспособность при кратковременных контактах с O₂ и возобновлять рост в анаэробных условиях [6].

     Большинство метанобразующих бактерий имеют  температурный оптимум для роста  в области 30–40°С, т.е. являются мезофилами, но есть виды, у которых оптимальная зона сдвинута в сторону более низких (25°С) или высоких (55–65°С) температур. Недавно выделен экстремально термофильный организм Methanothermus fervidus, растущий при 55–97°С (оптимум 80°С). Все известные представители этой группы — нейтрофилы с оптимальным pH в области 6,5–7,5. Среди метаногенов есть галофилы, требующие в качестве одного из оптимальных условий для роста содержания в среде до 65–70 г/л NaCl.

     В качестве источника углерода и энергии для роста метаногены используют узкий круг соединений. Наиболее универсальными источниками углерода и энергии для них является газовая смесь H₂ и CO₂. Более 3/4 известных видов утилизируют H₂ + CO₂. Некоторые метаногены приспособились к облигатному использованию этих соединений. Следующими по распространенности источниками углерода и энергии служат формиат, ацетат, метанол, метиламины и моноокись углерода.

     Около половины изученных видов не нуждаются  в каких-либо органических соединениях. Для роста многих культур в  атмосфере H₂ и CO₂ требуется внесение в среду органических веществ, стимулирующих рост или абсолютно для него необходимых. Это могут быть некоторые витамины группы B, ацетат, пируват, сукцинат, отдельные аминокислоты, дрожжевой экстракт или компоненты неизвестного состава, содержащиеся в природных средах обитания. Так, штаммы, выделенные из рубца жвачных животных, нуждаются в добавках рубцовой жидкости. Сложные органические соединения метанобразующие бактерии использовать не могут.

     В качестве источника азота метаногены используют аммонийный азот или некоторые  аминокислоты. Для ряда видов показана способность к азотфиксации. Источником серы могут служить сульфаты, сульфид  или серосодержащие аминокислоты.

     Большинство известных метаногенов способны расти хемолитоавтотрофно на смеси CO₂ + H₂ в качестве единственного источника углерода и энергии. Энергию получают, осуществляя следующую реакцию: 

      (7) 

     Как видно из этого уравнения, CO₂ служит не только единственным источником углерода, но и конечным акцептором электронов при окислении H₂. Около 90% использованной CO₂ восстанавливается до CH₄, что сопровождается синтезом АТФ, и только 10% или меньше включается в вещества клеток.

     Фиксация CO₂ у автотрофных метаногенов происходит по нециклическому ацетил-КоА-пути, функционирующему и у ацетогенных эубактерий (рис.10) [6].  

 

X₁-COOH — карбоксипроизводное; X₁-CHO — формилпроизводное;

X₂-CH₂ — метиленпроизводное; X₂-CH₃ — метилпроизводное;

Ф₁ — метилредуктазная система; Ф₂ — CO-дегидрогеназа;

ФЕП — фосфоенолпировиноградная кислота; ФГК — фосфоглицериновая кислота; ФГА — фосфоглицериновый альдегид;

Ф-6-Ф — фруктозо-6-фосфат; ЩУК — щавелевоуксусная кислота;

КоМ-S-CH₃ — метилкофермент М 

Рисунок 10 – Схема начальных этапов метаболизма CO₂ у Мethanobaircteus thermoautotrophicum 

     Ключевым  промежуточным соединением этого  пути является ацетил-КоА, синтезируемый  из двух молекул CO₂. Метильная и карбоксильная группы молекулы образуются разными путями. Метильная группа возникает при восстановлении молекулы CO₂ до уровня метанола, оставаясь при этом всегда связанной с переносчиком. Карбоксильная группа появляется в результате восстановления второй молекулы CO₂ до CO, катализируемого CO-дегидрогеназой. Метильные и карбоксильные группы связываются в реакциях трансметилирования и транскарбоксилирования с образованием активированной уксусной кислоты [6].

     Процесс осуществляется при участии уникальных ферментов. Из ацетил-КоА, в результате восстановительного карбоксилирования  образуется пируват и далее фосфоенолпировиноградная и щавелевоуксусная кислоты, которые  служат предшественниками аминокислот  и сахаров. Пути фиксации CO₂ ацетогенными эубактериями и метаногенными архебактериями различаются коферментами и некоторыми частными реакциями.

     Экзогенный  ацетат в конструктивный метаболизм включается через ацетил-КоА и  далее в серии реакций, функционирующих  в восстановительном ЦТК. Замкнутости  цикла препятствует отсутствие изоцитратдегидрогеназы.

     Восстановление CO₂ до CH₄ требует переноса 8 электронов. Образующиеся на этом пути промежуточные продукты находятся не в свободном состоянии, а остаются связанными с переносчиками. Согласно предложенной модели на первом этапе CO₂ связывается с переносчиком углерода, образуя карбоксипроизводное (X₁-COOH), которое восстанавливается до формилпроизводного (X₁-CHO). Второй этап метаногенеза включает перенос формильной группы на другой переносчик (Х₂), который проводит C₁-группу через две последовательные восстановительные реакции, приводящие к образованию метилпроизводного (X₂-CH₃). На уровне образования метиленпроизводного (X₂-CH₂) в процесс метаногенеза включается экзогенный формальдегид. Соединения, содержащие метильные группы (CH₃OH, CH₃COOH, CH₃NH₂ и другие метиламины), подключаются на уровне метилпроизводного. В этой же точке происходит разветвление анаболических и катаболических путей. Функция X₂ у метаногенов напоминает функцию тетрагидрофолата у ацетогенных эубактерий.

     На  третьем конечном этапе метаногенеза, наиболее изученном, метильные группы с переносчика поступают на кофермент  М (КоМ-SH). Образуется метил-КоМ. Далее  следует его восстановление, сопровождающееся распадом комплекса и выделением CH₄. Обе реакции катализируются метилредуктазной системой, представляющей сложный мультиферментный комплекс, в состав которого помимо фермента входят кофермент М, фактор F₄₃₀. Для активности системы необходимы АТФ, ионы Mg²⁺ и еще не идентифицированные кофакторы.

     У метаногенов обнаружено около 12 необычных  кофакторов, участвующих в первичном  метаболизме углерода и водорода.

     Кофермент М — 2-меркаптоэтансульфоновая кислота:

(8) 

     Наиболее  просто устроенный из известных коферментов. Переносчик и донор метильных  групп. Служит субстратом для метилредуктазной системы, катализирующей восстановление метил-КоМ до CH₄ [6],

     А — фактор F420; Б — фактор F430; В —метаноптерин;

     Г —метанофуран; R1-3 —различные боковые цепи  

     Рисунок 11 – Коферменты и простетические группы метанобразующих архебактерий 

     Фактор F₄₂₀ — производное 5-деазафлавина (рис. 11, А). В окисленном состоянии при нейтральном и щелочном значении pH имеет характерный максимум поглощения при 420 нм. Переносчик электронов с низким окислительно-восстановительным потенциалом (—380 мВ). Вероятно, выполняет функцию акцептора электронов от гидрогеназы.

     Фактор F₄₃₀ — никельсодержащий тетрапиррол (рис. 11, Б) компонент метилредуктазной системы, участвует в восстановлении метильной группы метил-КоМ до CH₄.

     Метаноптерин (рис. 11, В) участвует в переносе C₁-групп в процессе восстановления CO₂ до CH₄ на уровне метенил-, метилен- и метилпроизводных.

     Метанофуран (рис. 11, Г) также участвует в переносе C₁-групп в процессе восстановления CO₂ до CH₄.

     Фактор F_B необходим для функционирования метилредуктазной системы. Структура пока не установлена [6].

     Определенная  роль в процессе метаногенеза принадлежит  корринои-дам — производным аналогов витамина B₁₂. Их функции связаны с переносом метильных групп. Считают, что метаногены могут при определенных условиях образовывать активные B₁₂-зависимые метилтрансферазы, участвующие в синтезе метана.

     Как отмечалось выше, почти все метанобразующие  бактерии могут получать энергию  за счет окисления H₂, сопряженного с восстановлением CO₂. Опытами с меченым водородом показано, что H₂ в этом процессе служит только донором электронов, а источником протонов в молекуле метана является вода.

     Многие  виды для получения энергии могут  использовать формиат: 

        (9) 
 

     Для некоторых представителей показана способность образовывать метан  при использовании метанола: 

        (10) 

     а также метилированных аминов.

     У ряда метаногенов обнаружена способность  окислять окись углерода, что также  сопровождается синтезом метана: 

             (11) 

     Наконец, представители нескольких родов  могут использовать в качестве источника  энергии и углерода ацетат: