Окисление отдельных органических веществ

Окисление углеводородов. Углеводороды относят к группе химически стойких органических веществ, которые, однако, могут разлагать многие микроорганизмы. Возможность усвоения микроорганизмами парафинов доказана русским ученым В. О. Таусоном. Установлено, что разрушать углеводороды в природе могут представители родов Arthrobacter. Methy/omonas, Xfethy/ococcus, Pseudomonas, Flavobacterium, Streptococcus, Nocardia. Mycobacterium, а также дрожжи рода Candida и ряд м и цел иальных грибов. Окисляясь, углеводороды не только обеспечивают микроорганизмы энергией, но и служат материалом для синтеза структурных компонентов клетки.

Среди алифатических углеводородов, подвергающихся микробиологическому воздействию, наибольший интерес представляют газообразные углеводороды. Большинство микроорганизмов, развивающихся на углеводородах данной группы, принадлежат к родам Methylomonas, Hyphomicrobium. Pseudomonas, Mycobacterium, Nocardia и др. К облигатным окислителям метана относят представителей семейства Methylomonadaceae, родов Methylomonas, Methylobacterium, Methylococcus, Merhylosinus и Me/hylocystis. Перечисленные вилы принадлежат к группе метилотрофных микроорганизмов. Они окисляют метан до метилового спирта.

Известны бактерии, использующие такие газообразные углеводороды, как этан, пропан, бутан. Эти микроорганизмы предложено применять для разведки месторождений нефти и газа, а также для борьбы со скоплением метана в шахтах.

Известно большое число микроорганизмов, способных развиваться на алканах, имеющих от одного до 34 атомов углерода. Описаны виды, обитающие на циклических (нафтеновых) углеводородах. Хорошо изучены бактерии, усваивающие моноциклические (бензол, толуол, ксилол) и полициклические (нафталин, фенантрен, антрацен) ароматические углеводороды. Это представители родов Arthrobacter, Pseudomonas, Nocardia, дрожжи и др.

Окисление углеводородов с участием микроорганизмов обычно происходит при помощи адаптивных ферментов. Конечные продукты окисления углеводородов — диоксид углерода и вода, однако обнаруживаются и промежуточные продукты — спирты, органические кислоты, эфиры и другие соединения. Следовательно, микроорганизмы способны использовать углеводороды разных классов простого и сложного строения. Считают, что практически все углеводороды, входящие в состав нефти, могут разлагаться в результате жизнедеятельности микроорганизмов.

Ряд бактерий, усваивающих углеводороды, обладает способностью связывать молекулярный азот атмосферы. Микроорганизмы, усваивающие углеводороды, широко распространены в почвах. В последнее время этой группе микроорганизмов уделяется большое внимание в связи с возможностью использования их для очищения почв и водоемов от загрязнений нефтью и продуктами се переработки.

Окисление жиров и жирных кислот. Жиры и жирные кислоты также подвергаются трансформации под влиянием микроорганизмов. Первая стадия расщепления жира — гидролиз, осуществляемый при действии фермента липазы. Сущность процесса может быть показана на примере гристеарина:

Так же происходит разрушение жиров и другого химического состава. Образующиеся в результате гидролиза глицерин и жирные кислоты претерпевают дальнейшие превращения вплоть до полного окисления. Высокомолекулярные жирные кислоты труднорастворимы и окисляются очень медленно.

Жиры, как и другие составные части растительных тканей, расщепляются с участием микроорганизмов почвы. Разрушителями жиров служат многие аэробные и анаэробные бактерии и грибы.

Наиболее энергично воздействует на жиры Pseudomonas fluorescens — бесспоровая подвижная палочка, образующая на питательной среде зеленоватый пигмент. В разложении жира также участвуют Pseudomonas pyocyanea, Serratia marcescens, представители родов Bacillus (В. mycoides, В. mesentericus), Clostridium (С. perfringens, С. sporogenes и др.) и многие другие микроорганизмы. Перечисленные виды не только разлагают жир на глицерин и жирные кислоты, но и окисляют последние до С0₂ и Н₂0. В разложении жира и жирных кислот принимают участие мицелиальные грибы родов Aspergillus, Penicillium и др.

Окисление этилового спирта до уксусной кислоты. Этиловый спирт окисляется до уксусной кислоты под влиянием уксуснокислых бактерий родов Gluconobacter и Acetobacter. Это грамотринательные хемоорганогетсротрофные, не образующие спор, палочковидные организмы, подвижные или неподвижные.

Уксуснокислые бактерии указанных родов различаются между собой по характеру жгутикования. У представителей рода Gluconobacter клетка двигаются при помощи трех—восьми полярных жгутиков, редко одного, есть и неподвижные формы. Для бактерий рода Acetobacter характерно перитрихальнос жтутикование, но также есть и неподвижные виды.

Уксуснокислые бактерии — строгие аэробы, поэтому они развиваются только на поверхности среды. Им присуще и образование пленок — одни виды организмов образуют тонкие пленки, состоящие из одного слоя клеток, у других пленки более толстые, иногда напоминающие папиросную бумагу. Отдельные виды имеют слизистые, толстые пленки. Уксуснокислые бактерии отличаются высокой устойчивостью к кислотам (могут расти в среде с начальным pH 4, при оптимуме pH 5—6). Виды данной группы микроорганизмов обнаруживают на поверхности растений (цветков, плодов), на разлагающихся растительных остатках и т. д.

Характерная особенность уксуснокислых бактерий — способность превращать этиловый спирт в уксусную кислоту:

Эти организмы используют для производства пищевого уксуса из вина и спирта. Два рода уксуснокислых бактерий различают по степени окисления органических субстратов. Так, бактерии рода Acetobacter (A. peroxydans) способствуют накоплению уксусной кислоты как промежуточного продукта и дальнейшему ее окислению до С0₂ и Н₂0 (бактерии еще называют псрсокислитслями). Виды рода Gluconobacter {G. oxydans) вызывают образование уксусной кислоты как конечного продукта реакции, обычно не подвергающегося последующему окислению (бактерии называют недоокислителями). Способность видов рода Acetobacter окислять уксусную кислоту до С0₂ объясняется наличием в их обмене веществ цикла трикарбоновых кислот. Уксуснокислые бактерии способны окислять не только этиловый, но и другие спирты, в том числе алифатические многоатомные.

Кроме указанных окислительных процессов, уксуснокислые бактерии могут вызывать окисление сорбита до сорбозы, маннита до фруктозы, глюкозы до глюконовой кислоты, глюконовой кислоты до кстоглюконовых кислот. Перечисленные превращения осуществляются по пснтозофосфатному пути представителями рода Gluconobacter. Особый интерес представляет окисление уксуснокислыми бактериями D-сорбита до L-сорбозы. Последняя требуется в больших количествах для синтеза витамина С.

Интересно отметить, что представитель рода Acetobacter — A. xylinum при росте на среде с глюкозой или другими источниками углерода способен формировать внеклеточную слизистую пленку, состоящую из чистой целлюлозы. Целлюлозные фибриллы представляют собой рыхлую массу, окружающую клетки. В культуре этот организм образует пленку толщиной I см и более, состоящую из целлюлозы и бактериальных клеток.

Окисление углеводов до лимонной и других органических кислот. Углеводы могут окисляться до лимонной кислоты и других органических кислот. При рассмотрении процессов дыхания и брожения было отмечено, что некоторые микроорганизмы не полностью окисляют те или иные органические соединения. В этом случае происходит накопление продуктов неполного окисления — оксалата, цитрата, сукцината, фумарата, малата, аконитата, глюконата и других кислот. Подобные процессы часто вызывают грибы. Так, виды родов Rhizopus и Мисог вызывают окисление углеводов главным образом до малата, в небольших количествах до сукцината, фумарата, малата, ацетата и муравьиной кислоты, а также этанола; родов Aspergillus и Penicillium — до глюконата, оксалата и цитрата.

Микробиологический синтез цитрата, глюконата, а-кетоглутарата, сукцината, фумарата, малата и ряда других органических кислот обычно осуществляется при интенсивной аэрации. Перечисленные кислоты служат промежуточными продуктами метаболизма соединений углерода, в том числе цикла трикарбоновых кислот.

Большое практическое значение имеет микробиологическое получение цитрата из углеводов с использованием гриба Aspergillus niger, превращающего почти 60% глюкозы в лимонную кислоту. Возможность такого процесса была установлена С. П. Костычевым и В. С. Буткевичем. Сейчас разработан и промышленный способ микробиологического получения лимонной кислоты, необходимой в медицине, фармацевтической, пищевой и химической промышленности, а также при дублении кож, в печатном деле и т. д.

В процессе окисления глюкозы наряду с цитратом всегда образуется глюконат, причем выход последнего зависит от штамма гриба и от pH среды. Попутно выделяются оксалат и сукцинат.

В России, США и Японии налажено производство итаконовой кислоты на основе деятельности Aspergillus terreus. И та коновая кислота — продукт превращения углеводов при участии и другого гриба рода Aspergillus — A. itaconicus. Итаконовую кислоту применяют в производстве синтетических смол, синтетических волокон, инсектицидов, красителей и других веществ.

В последнее время разработан способ получения цитрата из углеводородов (н-парафинов) с помощью дрожжей рода Candida. Указанные дрожжи используют также для получения изоцитрата, а-кетоглутарата, фумарата, малата и сукцината.