Процессы трансформации углеродсодержащих веществ

Углерод – основной строительный элемент, входящий в состав всех органических соединений. Процессы трансформации углеродосодержащих веществ объединяют в единый цикл все живые организмы планеты. В цикле трансформации углеродсодержащих веществ можно выделить два основных звена. Первым звеном является фиксация углекислого газа атмосферы и восстановление его до органических соединений в процессах хемосинтеза и фотосинтеза. Главенствующая роль в образовании органических соединений в процессе фотосинтеза принадлежит растениям, хотя сине-зеленые водоросли и фотосинтезирующие бактерии тоже вносят свой вклад в образование органических веществ.

Образовавшиеся органические вещества подвергаются сложнейшей переработке в организмах животных, растений и прокариот, после отмирания которых органический опад поступает в почву.

Второе, заключительное звено цикла углерода представлено разнообразными процессами минерализации органических соединений, осуществляемыми различными физиологическими группами микроорганизмов. В результате этих процессов происходит возврат углекислого газа в атмосферу, что и определяет содержание этого газа в ней на одном, хотя и минимальном уровне (0,33%).

Параллельно процессам трансформации углеродсодержащих веществ осуществляется и цикл трансформации кислорода. Так, процесс фотосинтеза растений и некоторых бактерий всегда сопровождается выделением кислорода в атмосферу, а процессы аэробной минерализации органических веществ, наоборот, протекают с поглощением кислорода из атмосферы и включением его в состав различных соединений.

Средняя годовая продукция органического вещества на планете составляет 33 х 10¹¹ кг. Основная масса этого вещества представлена различными органическими соединениями растительного происхождения. Это растворимые в воде вещества (сахара, органические кислоты, спирты), слаборастворимые (гемицеллюлоза), нерастворимые (крахмал, пектин, целлюлоза, воска, жиры, смолы, углеводороды) и особо трудноразлагаемое вещество – лигнин. По массе из вышеперечисленных веществ в растениях преобладают целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин.

Различный химический состав растительного опада и соответственно стойкость его к действию ферментов микробной клетки обуславливают постепенное разложение отдельных компонентов. Наиболее легко и быстро из веществ растительного опада разлагаются растворимые в воде соединения и прежде всего моно- и дисахариды. В аэробных условиях они окисляются в процессе дыхания микроорганизмов до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживаются с образованием органических кислот, спиртов и газов.

Разложение целлюлозы. Целлюлоза является самым распространенным органическим соединением в природе. В ее состав входит более 50% всего органического углерода. Синтезируют целлюлозу в основном высшие растения, в организме которых она составляет от 40 до 70%. Из низших организмов к синтезу целлюлозы способны некоторые грибы, а среди прокариот отдельные виды уксуснокислых бактерий (Acetobacter xylinum).

Разложение целлюлозы играет первенствующую роль в круговороте углерода, так как именно этот процесс обеспечивает возврат основной массы СО₂ в атмосферу. С разложением целлюлозы в почве связано образование гумусовых веществ и формирование почвенной структуры.

По химизму целлюлоза представляет собой высокомолекулярный линейный гомополисахарид, состоящий из глюкозных остатков. В одной молекуле целлюлозы может содержаться от 300 до 3000 и более молекул
β-D-глюкозы. Молекулы целлюлозы плотно соединены в пучки микрофибрилл, формирующих волокно.

Разложение целлюлозы происходит путем ферментативного гидролизов несколько стадий. Первоначально под действием фермента целлюлазы нерастворимая в воде целлюлоза превращается в целлобиозу. Далее целлобиоза ферментом В-гликозидазой расщепляется до глюкозы:

.

Глюкоза в аэробных условиях окисляется до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживается с образованием органических кислот (уксусная, янтарная, масляная, молочная, муравьиная), этилового спирта и газов (углекислого и водорода). Состав конечных продуктов определяется видом микроорганизма, ведущего процесс брожения.

В аэробных условиях разложение целлюлозы ведут микроорганизмы разных таксономических групп. В кислых лесных почвах ведущая роль в разложении целлюлозы лесной подстилки принадлежит грибам, относящимся к родам Trichoderma, Fusarium, Myrothecium, Penicillium и др. В степных и луговых почвах разложение целлюлозы в первую очередь осуществляют миксобактерии родов Archangium и Polyangium, цитофаги родов Cytophaga и Sporocytophaga, а также бактерии, входящие в состав родов Vibrio, Achromobacter, Pseudomonas и Bacillus. Помимо различных бактерий и грибов, в процессе аэробного разложения целлюлозы принимают участие актиномиценты, из которых наиболее активны представители родов Streptomyces, Micromonospora, Streptosporangium.

Анаэробное разложение целлюлозы ведут исключительно бактерии, подавляющее большинство их относится к обширную роду Clostridium. Типичным представителем анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий является Cl. omelianskii, выделенные и изученный в 1902 г. В.Л. Омелянским. Этот микроб имеет вид тонкой длинной палочки, в молодой культуре подвижен, при старении образует спору на одном из полюсов клетки, принимая характерную форму барабанной палочки. Cl. omelianskii – мезофил, оптимальная температура роста составляет 30–40 градусов. Среди анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий имеются и термофильные виды, наилучшим образом развивающиеся при температуре 60–65 градусов. К термофилам относится Cl. thermocellum, выделяющийся из прелого зерна и силоса, а также из разогревающихся масс навоза и компостов.

Бактерии, разрушающие целлюлозу, населяют пищеварительный тракт травоядных животных. Так, в рубце жвачных животных активное участие в разложении целлюлозы принимают бактерии Ruminococcus flavefaciens и Cl. cellobioparum.

Разнообразие микроорганизмов, участвующих в разложении целлюлозы, определяет масштабность этого естественного процесса, протекающего в самых различных условиях среды, при разной температуре и влажности, в аэробных и анаэробных условиях, при щелочном и кислом значении рН.

Разложение гемицеллюлозы. В природе гемицеллюлоза по количеству занимает второе место после целлюлозы. Она входит в состав межклеточного вещества растительных тканей и является опорным компонентом древесины. В древесине лиственных пород гемицеллюлоза составляет до 25%, в древесине хвойных – 12%. Гемицеллюлозу способны синтезировать и некоторые низшие организмы. У дрожжей и грибов гемицеллюлоза входит в состав внеклеточных полисахаридов.

С химической точки зрения гемицеллюлозы являются сложными полисахаридами, молекулы которых содержат пентозы (ксилозы, арабинозы), гексозы (глюкозы, маннозы, галактозы), а также уроновые кислоты (глюкуроновая кислота).

В природе в разложении гемицеллюлоз принимают участие многие микроорганизмы, синтезирующие ферменты ксиланазы. Ксиланазы обнаружены у дрожжей (Trichosporon), грибов (Aspergillus, Rhizopus, Fomes, Polyporus и др.), у большинства целлюлозоразрушающих бактерий (Clostrridium, Cytophaga, Sporocytophaga, Vibrio, Bacillus). Ферменты ксиланазы катализируют расщепление полисахаридной молекулы гемицеллюлозы до сахаров, которые окисляются или сбраживаются до конечных продуктов. Гемицеллюлозы разных растительных организмов в значительной мере различаются по своему химическому составу, а поэтому разложение их в почве протекает с различной скоростью и во многом зависит от условий окружающей среды (температуры, влажности, рН, аэрации и т.д.).

Разложение крахмала. Крахмал – главное запасное вещество растений. Состоит из двух глюканов – амилазы и амилопектина. Известно 3 типа ферментативных реакций распада глюканов. Это реакции фосфоролиза, гидролиза, трансгликозилирования.

1. Ферменты фосфорилазы освобождают из глюканов глюкозо-
1-фосфат, реакции могут проходить в местах свободных концов цепей амилазы.

2. Экзоферменты амилазы расжижают крахмал, образуя мальтозу, остатки глюкозы, расщепляют декстрины.

3. Трансгликозилазы действуют на крахмал, образуя кольцевые структуры из 6–8 остатков глюкозы.

Разложение лигнина. Лигнин по количеству в природе занимает третье место после целлюлозы и гемицеллюлозы. Он синтезируется только высшими растениями и является основным компонентом вторичных слоев клеточной оболочки. В молодых травянистых растениях содержание лигнина относительно невысокое и составляет всего 3–6%. По мере старения растений содержание его существенно возрастает. Особенно много лигнина находится в древесине лиственных (20–30%) и хвойных (50%) пород. Лигнин, заполняя пространство между волокнами целлюлозы, вызывает одревеснение клеточных стенок и придает им особую прочность.

Химический состав лигнина до сих пор окончательно не установлен. Известно, что у разных растений он неоднороден. Сложная структура лигнина определяется большим числом полимеризованных мономерных блоков, представляющих собой производные фенилпропана. Считается, что основным мономером скелета лигнина является конифериловый спирт. Лигнин нерастворим ни в воде, ни в органических растворителях.

В природе разложение лигнина происходит параллельно разрушению целлюлозы и гемицеллюлозы и осуществляется сложным комплексом высших базидиомицетных грибов, а также грамотрицательных бактерий родов Pseudomonas и Arthrobacter. Деструкторы лигнина синтезируют внеклеточные ферменты – полифенолоксидазы, катализирующие деполимеризацию молекул лигнина на простые ароматические вещества, такие, как ванилин, ванилиновая кислота или другие ароматические соединения. Разложение лигнина в почве происходит очень медленно, что приводит к накоплению лигнина и продуктов его разложения, которые служат основой для образования гумусовых веществ.

Разложение пектина. Пектин является основным компонентом срединных пластинок, соединяющих растительные клетки в ткани и придающих им плотность. Особенно большое количество пектинов содержится в плодах растений. Например, в антоновских яблоках пектины составляют до 30%.

С химической точки зрения пектины представляют собой неразветвленные полимеры галактуроновой кислоты. В растительных тканях имеются три типа пектиновых веществ: протопектин – нерастворимое в воде соединение, пектин – растворимый в воде полимер галактуроновой кислоты, содержащий метилэфирные связи, и пектиновая кислота - растворимый в воде полимер галактуроновой кислоты, лишенный метилэфирных связей.

На три вышеперечисленные формы пектинов действуют три группы экзоферментов, выделяемых микроорганизмами.

Протопектиназы катализируют разложение нерастворимого в воде протопектина с образованием растворимого пектина.

Пектинэстеразы гидролизуют метилэфирные связи в молекуле пектина, в результате чего образуются пектиновые кислоты и метиловый спирт.

Полигалактуроназы разрушают полимерную молекулу пектина или пектиновой кислоты на отдельные молекулы D-галактуроновой кислоты и целый ряд других соединений.

C₄₆H₆₈O₄₀ + 10H₂O 4CHO(CHOH)₄ + C₆H₁₂O₆ + C₅H₁₀O₅ + C₅H₁₀O₅+ 2CH₃OH + 2CH ₃COOH

Мономерные сахара в аэробных условиях окисляются микроорганизмами до углекислого газа и воды, а в анаэробных условиях сбраживаются по типу маслянокислого брожения. Конечными продуктами брожения являются масляная, уксусная кислоты и углекислый газ и водород.

В природе в процессе разложения пектиновых веществ принимают участие многие микроорганизмы – различные бактерии, плесневые и дрожжевые грибы. В аэробных условиях пектины разрушаются главным образом грибами родов Cladosporium, Herbarum, Alternaria, Rhodotorula, а также спорообразующими бактериями рода Bacillus (Вас. polymyxa, Вас. macerans), в анаэробных условиях – бактериями рода Clostridium.

Процесс разрушения пектиновых веществ лежит в основе промышленного получения волокна льна, конопли, кенафа, джута и других волокнистых растений.

Трансформация углеводородов. В углеводородах биогенного и абиогенного происхождения концентрируется значительная часть углерода, а поэтому процессы трансформации углеводородов имеют принципиальное значение в круговороте этого важнейшего элемента. Несмотря на высокую химическую устойчивость углеводородов все они, даже такие сложные, как нефть, каучук, парафин и др., могут быть использованы и трансформированы в процессах метаболизма определенными группами микроорганизмов.

Углеводороды представлены соединениями различной химической природы. Наибольшей устойчивостью обладают ароматические углеводороды – моноциклические (бензол, толуол, ксилол) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен). Разложение их протекает в аэробных условиях, так как для разрыва ароматического кольца необходим кислород. Под действием индуцибельных ферментов – оксигеназ в ароматическое кольцо включаются один или два атома кислорода, что приводит к образованию гидроксильных групп при одном или двух атомах углерода. Между этими двумя гидроксилированными атомами углерода и происходит обычно разрыв ароматического кольца (орторасщепление). Иногда разрыв ароматического кольца осуществляется между гидроксилированным атомом углерода и соседним с ним негидроксилированным (метарасщепление). Конечными продуктами при полном окислении ароматических углеводородов являются углекислый газ и вода. Промежуточными продуктами этого процесса нередко обнаруживаются спирты, органические кислоты, эфиры и другие соединения. Способностью разлагать ароматические углеводороды обладают многие микроорганизмы – некоторые аэробные бактерии родов Pseudomonas и Arthrobacter, нокардии (Nocardia corallina), а также грибы и дрожжи.

Алифатические углеводороды, особенно соединения с длинной углеродной цепью, содержащие до 16–34 атомов углерода, значительно легче разлагаются микроорганизмами. Процесс разложения алифатических углеводородов начинается с окисления концевого атома углерода при участии ферментов оксигеназ и далее протекает по типу окисления жирных кислот. При недостатке кислорода разложение алифатических углеводородов сопровождается накоплением промежуточных продуктов – жирных кислот, начиная с пропионовой кислоты. Разложение алифатических углеводородов в природе осуществляется многими микроорганизмами. Особо активно этот процесс ведут коринебактерии (род Corynebacterium), нокардии, псевдомонады и дрожжи родов Candida, Debaryomyces, Schwanniomyces. В круговороте углерода микробиологической трансформации подвергаются и газооброзные углеводороды (метан, этан, пропан, бутан). Микроорганизмы, потребляющие газообразные углеводороды в качестве источника углерода, получили название метилотрофов. Последние научные достижения подтвердили экологические аспекты деятельности метилотрофов.

Следует заметить, что часть углерода, имеющегося на нашей планете, почти не принимает участия в круговороте. Это так называемый условно захороненный углерод гумуса почвы, горючих сланцев, известняка, торфа, нефти, газа и каменного угля.

Однако гумус почвы, сформировавшийся тысячелетиями, хотя и очень медленно, но все же разрушается микроорганизмами и вовлекается в круговорот. Нефть, торф и газ, извлеченные из недр земли, также становятся доступными для разложения микроорганизмами. В ходе хозяйственной деятельности человека при сжигании горючих ископаемых в топках происходит быстрая минерализация соединений углерода, сопровождающаяся выделением углекислого газа, вступающего в круговорот. Углерод горючих сланцев и известняков, подвергающихся процессам выветривания и почвообразования, также постепенно вовлекается в общий круговорот.

Поиск по сайту: