Анаэробное разложение целлюлозы

Большинство представителей анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, найденных в природе, относят к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. Эти виды обитают в почвах, компосте, навозе, речном иле и сточных водах. Клостридии устойчивы к кислотности и распространены не только в нейтральных, но и кислых почвах. Типичный представитель рода, участвующий в разложении целлюлозы при температуре 30—40 °С, — Clostridium отеlianskii. Впервые вид выделен известным микробиологом В. Л. Омелянским в 1902 г. Этот микроорганизм имеет палочковидную форму (А—8×0,3—0,5 мкм), подвижен. Для него характерны толстые споры, поэтому спорообразующая клетка сильно раздувается и становится похожей на барабанную палочку. Разлагать целлюлозу может и другой мезофильный вид — С. cellobioparum.

Среди анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий, встречающихся в почве, навозе и компостах, есть и термофилы. Они активно сбраживают целлюлозу. Так, оптимальная температура для развития С. thermocellum около 60 °C, биологический максимум приближается к 70 °C; при 40, 45 °C эта бактерия развивается слабо. К термофильным целлюлозоразлагающим анаэробам относится и вид Thermoanaerobacter ethanolicus, выделенный из горячих источников. Мезофильные и термофильные анаэробные бактерии хорошо используют целлюлозу, но на обычных средах, содержащих простые сахара, они развиваются слабо, плохо переносят даже незначительно повышенные концентрации сахаров.

В рубце жвачных животных обитают специфичные облигатные анаэробные целлюлозоразлагающие бактерии. Они вызывают разложение целлюлозы кормов до глюкозы, которая затем сбраживается с образованием органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной, молочной, муравьиной, янтарной и др.), спиртов и газов (С0₂ и Н₂). Разложение целлюлозы в рубце животных осуществляется при участии кокковидных и палочковидных бактерий: Ruminococcus flavefaciens, Ruminococcus albus, Bacteroides succinogenes, Butyrivibrio fibrisolvens, Ruminobacter parvum. Бактерии рубца очень важны для нормального питания жвачных животных.

Кратко остановимся на биохимической стороне процесса распада целлюлозы. Это линейный гомополисахарид, состоящий из соединенных (3−1,4-гликозидными связями глюкозных остатков. Молекулярная масса полисахарида — до 500 000. В молекуле целлюлозы может содержаться до 14 000 молекул (З-Э-глюкозы. Целлюлозные волокна представляют собой пучки микрофибрилл и мицеллы (кристаллиты) — весьма плотно упакованные цепочки макромолекул, чередующиеся с некристаллическими или паракристаллическими участками. Последние в первую очередь подвергаются воздействию ферментов микроорганизмов.

Разложение целлюлозы с помощью микроорганизмов проходит в несколько этапов. Сначала идет ферментный гидролиз полимера. Ферментная система, осуществляющая разложение целлюлозы до глюкозы, носит название целлюлазного комплекса. В его состав входят: эндо-(3−1,4-глюканаза (1,4-(3−0-глюкан-4-глюкогидролаза), экзо-1,4-(3- глюканаза (целлобиогидролаза), экзо-1,4-(3-глюкозидаза (1,4-Э-глюканглюкогидролаза), целлобиаза ((3-глюкозидаза).

Процесс расщепления целлюлозы протекает следующим образом: при действии на целлюлозу фермента эндоглюконазы образуются олигосахара различной степени полимеризации, а также целлобиоза. Затем под влиянием эндоглюканазы и целлобиогидролазы олигосахара гидролизуются до целлобиозы. Целлобиаза катализирует расщепление целлобиозы на две молекулы глюкозы. Все ферменты целлюлазного комплекса бактерий, за исключением целлобиазы, внеклеточные. При аэробном разложении целлюлозы из образовавшейся глюкозы в основном получается два продукта — С0₂ и Н₂0. Могут накапливаться и небольшие количества органических кислот.

В последние годы у ряда анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий были обнаружены на поверхности клеток высокомолекулярные мультисубъединичные протуберантные структуры, ответственные за разложение целлюлозы, получившие название целлюлосом. Это связанный с поверхностью клетки комплекс, содержащий набор целлюлолитических ферментов, а также белки, не имеющие ферментной активности. Входящие в комплекс ферменты представлены эндоглюканазами, а также ферментами, играющими основную роль в разложении целлюлозы. Комплекс обеспечивает прикрепление клеток к целлюлозе и ее высокоэффективный гидролиз.

При анаэробном распаде целлюлозы первоначальный продукт ее гидролиза — глюкоза в дальнейшем подвергается сбраживанию, в результате чего возникает много органических веществ, состав которых различается у отдельных культур микроорганизмов:

Мезофилы:

Clostridium omelianskii Этанол, уксусная, молочная и муравьиная кислоты, С0₂, Н₂

С. dissolvens Этанол, уксусная, молочная и масляная кислоты, С0₂, Н₂

С. cellobioparum Этанол, уксусная, муравьиная и молочная кислоты, С0₂, Н₂

Термофилы:

С. thermocellum Этанол, уксусная, молочная, муравьиная кислоты, С0₂, Н₂

Thermoanaerobacter ethanolicus Этанол Раньше считали, что при брожении целлюлозы образуется метан СН₄. Однако позднее было показано, что метан выделяется не в результате деятельности бактерий, использующих полисахариды, а вследствие жизнедеятельности вторичного бактериального населения — микробного сообщества, утилизирующего продукты разложения целлюлозы. В конце этой пищевой цепи находятся метаногены (архебактерии), продуктом жизнедеятельности которых является метан.

Имеющиеся в растениях монои дисахариды, а также низкомолекулярные полисахариды (крахмал, инулин, камеди и т. п.) легко разрушаются различными микроорганизмами.