Пурпурные бактерии — МИКРОБИОЛОГИЯ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Пурпурные бактерии

Пурпурные бактерии — это грамотрицательные микроорганизмы, входящие в классы Alpha-, Beta- и Gammaproteobacteria (рис. 7.42) и осуществляющие аноксигенный фотосинтез.

Рис. 7.42. Место пурпурных бактерий в филуме Proteobacteria

Фотосинтетический аппарат у них расположен по внутриклеточных выростах ЦПМ различной формы. По традиции очень разнородную группу пурпурных бактерий делят на серных, которые откладывают элементарную серу внутри и вне клеток, и несерных, никогда серу не откладывающих. Так, представители семейства Chromatiaceae откладывают элементарную серу внутри клеток и способны к автотрофии. Организмы семейства Ectothiorhodospiraceae также могут расти автотрофно, но элементарную серу откладывают вне клеток. Среди них много морских и алкалифильных видов. Порядки Rhodospirillales, Rhodobacterales, Rhodocyclales относятся к так называемым пурпурным несерным бактериям, которые не накапливают серу внутри клеток и преимущественно растут фотогетеротрофно. Пурпурные бактерии — одноклеточные организмы разной формы и размеров, часто образующие устойчивые сочетания клеток (диплококки, тетрады, сеточки, таблички и т.д.) (рис. 7.43, табл. 7.7). Среди них встречаются неподвижные, иногда содержащие газовые вакуоли формы, и клетки, имеющие жгутики. Подвижные виды обладают активным фототаксисом.

Рис. 7.43. Представители пурпурных бактерий:

аChromatium okenii; бThiopedia rosea; вThiocapsa roseopersicina; гEctothiorhodospira shaposhnikovir, dRhodospirillum rubrum; eRhodopseudomonas spheroides; жRhodomicrobium vannielii; зRhodocyclus purpureus

Краткая характеристика некоторых пурпурных бактерий

Пурпурные несерные бактерии

Спириллы с полярными жгутиками

Rhodospirillum

Филум Proteobacteria Класс

Л Iphaproteobacteria

Палочки с полярными жгутиками, размножаются почкованием

Rhodopseudomonas

Палочки, размножаются бинарным делением

Rhodobacter

Rhodovulvum

Овальные клетки с перитрихиальным жгутикованием, образуют гифы, размножаются почкованием

Rhodomicrobium

Большие сферические клетки, ацидо- филы (pH = 5,0)

Окончание табл. 7.7

Кольцеобразные изогнутые клетки

Rhodocyclus

Филум Proteobacteria Класс

Betaproteobacteria

Пурпурные серные бактерии:

А. Откладывают серу снаружи

Спириллы с полярными жгутиками

Ectothiorhodospira

Спириллы, экстремальные галофилы

Halorhodospira

Б. Откладывают серу внутри клетки

Овальные палочки с полярными жгутиками и без газовых вакуолей

Диплококки и тетрады без газовых вакуолей, неподвижны

Сферические или овальные клетки без газовых вакуолей с полярными жгутиками

Крупные спириллы без газовых вакуолей с полярными жгутиками

Thiospirillum

Мелкие изогнутые клетки без газовых вакуолей

Thiorhodovibrio

Филум Proteobacteria

Крупные палочки-веретенца без газовых вакуолей

(1,5—1,7 мкм х 16—32 мкм)’

Rhabdochromatium

Gammaproteobacteria

Неправильные сферические или овальные клетки с газовыми вакуолями, неподвижны

Amoebobacter

Палочки с газовыми вакуолями и полярными жгутиками

Lamprobacter

Сферические или овальные клетки с газовыми вакуолями и полярными жгутиками

Lamprocystis

Неподвижные палочки с газовыми вакуолями, образующие сетку

Thiodiction

Неподвижные сферические клетки с газовыми вакуолями в плоских тетрадах

Пурпурные бактерии размножаются бинарным делением или почкованием. Некоторые виды могут образовывать цисты и экзоспоры. Клеточная стенка пурпурных бактерий грамотрицательного типа покрыта слизистым слоем или капсулой, у некоторых представителей имеется S-слой из гексагонально расположенных белков. В качестве запасных веществ у них обнаружены пол и — р-гид роке иал каноат ы и гликоген.

Данные бактерии формируют только ФС I, содержащую Бхл а, b и каротиноиды. Синтез бактериохлорофиллов подавляется кислородом, но может идти в темноте. Из переносчиков у пурпурных бактерий обнаружены цитохромы, FeS-белки и тиоредоксины, убихиноны и менахиноны. При циклическом фотофосфорилировании Бхл а реакционного центра возбуждается и передает электрон на бактериофеофитин (рис. 7.44). Электрон проходит через хинон и ряд переносчиков назад к Р870, восстанавливая его. При этом на уровне цитохромов образуется АТФ.

Рис. 7.44. Схема фотосинтеза у пурпурных несерных бактерий:

пунктирная линия — обратный перенос электронов; Р870 — бактериохлорофилл а;

Читайте также:  Фосфалюгель при панкреатите как принимать

Бфео — бактериофеофитин; Q — хинон

Из-за отсутствия ФС II эти микроорганизмы не могут использовать воду как донор электронов в нециклическом электронном транспорте и поэтому не выделяют кислород при фотосинтезе. Пурпурные бактерии не образуют НАДН непосредственно в световых реакциях фотосинтеза. Чтобы синтезировать восстановительные эквиваленты, им необходимо либо использовать в качестве донора электронов молекулярный водород, который может напрямую восстановить НАД + , либо осуществить обратный перенос электронов с затратой энергии. В этом случае электрон, потраченный на восстановление пиридиннуклеотида, может быть получен от доноров электронов с более отрицательным потенциалом, чем вода, и, таким образом, легче окисляемых. Для этих целей пурпурные бактерии обычно используют H2S, S° и другие восстановленные соединения серы, а также простые органические вещества.

Пурпурные бактерии предпочитают расти на свету в анаэробных условиях. Некоторые представители пурпурных нессрных бактерий способны к росту в темноте, в том числе в микроаэрофильных и аэробных условиях. Для большинства видов необходима высокая интенсивность света (« 500 люкс), только род Amoebobacter требует низкой освещенности (50—100 люкс) при пониженных температурах роста. Большинство пурпурных бактерий мезофилы, к психроактивным организмам относятся члены родов Amoebobacter и Lamprocystis, а термофильные виды входят в роды Halorhodospira, Rhodocista, Thermochromatium. Экстремальных термофилов среди пурпурных бактерий не обнаружено. В основном, это ней- трофильные микроорганизмы (pH 6—8), но есть кислото- (Rhodobacter acidophila) и щелочелюбивые (Ectothiorhodospira, Halospira). Эти же роды содержат экстремально галофильных представителей, синтезирующих осмопротекторы (глицин-бетаин, эктоин, трегалозу). Источниками углерода для пурпурных бактерий могут быть углекислый газ и органические вещества (в том числе (^-соединения). При автотрофном росте С02 фиксируется в цикле Кальвина, активность которого подавляется добавлением органики. В отсутствие света роль органических веществ как источника энергии увеличивается, происходят брожения разного типа. Сахара используются пурпурными бактериями через гликолиз или КДФГ-путь. У большинства из них имеется полный или незамкнутый ЦТК и глиокси- латный шунт. У ряда пурпурных несерных бактерий без глиоксилатного шунта (Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides) обнаружен цитра- малатный цикл, в котором ацетил-КоА превращается в глиоксилат в цепи реакций: ацетил-КоА + пируват —> цитрамалил-КоА —» цитрамалат —» меза- конат —> мезаконил-КоА —> 3-метилмалил-КоА —> глиоксилат + пропио- нил-КоА. Далее глиоксилат включается в ЦТК при участии малатсинтазы, а пируват регенерирует из проиионил-КоА через карбоксилазную реакцию: пропионил-КоА —> метилмалонил-КоА —» сукцинил-КоА —» сукцинат —> —> фумарат —> малат —> оксалоацетат —> ФЕП —> пируват. Некоторые пурпурные бактерии способны к анаэробному дыханию с сульфатом, нитратом, серой, Fe 3+ , СО или органическими соединениями в качестве акцепторов электронов. Для бактерий родов Thiocapsa и Chromatium показан хемоли- тоавтотрофный рост с молекулярным водородом и сульфидом в качестве доноров электронов. Пурпурные бактерии используют широкий спектр соединений азота, многие из них способны к азотфиксации. Представители несерной группы нуждаются в витаминах.

Пурпурные бактерии — это, в основном, водные микроорганизмы, обычно живущие в бескислородных водах с сероводородом. Они развиваются на глубинах, куда проникает свет, в редких случаях обнаруживаются на больших глубинах. Бактерии несерной группы предпочитают богатые органикой пресные водоемы, болотистые почвы и прибрежные морские воды, при этом они редко образуют скопления, придающие воде окраску. Пурпурные серные бактерии, наоборот, образуют видимые скопления в прозрачных водоемах на границе анаэробной зоны. Такие слои лучше формируются в меромиктических (с более высокой придонной соленостью) или в голомиктических (с сезонной стратификацией) водоемах и но берегам морей в лиманных областях. В прибрежных зонах морей пурпурные бактерии ответственны за «красные приливы». Представители рода Ectothiorhodospira тяготеют к соленым и щелочным местообитаниям, морским эстуариям. В глобальном круговороте серы пурпурные бактерии функционально тесно связаны с сульфатредукторами. Характерно сосуществование аналогичных видов пурпурных бактерий в одном и том же слое водоема за счет «разобщения» их активностей во времени. Так, Chromatium okenii и С. vinosum различаются по константе сродства и скорости окисления сульфида. В периодической лабораторной культуре второй организм вытесняет первый, а в природе они сменяют друг друга в течение суток: утром, когда сульфида много, С. okenii быстро окисляет сероводород, концентрация которого снижается в течение дня, и вечером С. vinosum начинает медленно окислять оставшееся малое количество H2S, а первый микроорганизм рост прекращает. Пурпурные бактерии обнаружены также в почве, но там их роль невелика.

Читайте также:  Коррекция бровей в Москве

Бактерии красного цвета

134-135

Молекулярные модели фотосистем

На схеме в упрощенной форме представлены бактериородопсин архебактерий Halobacterium halobium и фотосистема пурпурных бактерий Rhodopseudomonas viridis . Обе молекулы принадлежат к немногим трансмембранным белкам, структуры которых известны и могут служить в качестве модельных систем для подробного изучения фундаментальных механизмов энергетического обмена.

Бактерии семейства Halobacterium растут при крайне высоких концентрациях соли, например в морской воде. Плазматическая мембрана этих бактерий содержит белок. подобный родопсину глаза (см. с. 346) и потому названный бактериородопсином . Этот белок способен непосредственно использовать энергию солнечного света для создания электрохимического градиента (см. с. 128). В основе процесса, как и при зрительном процессе, лежит индуцируемая светом цис-транс -изомеризация ретиналя. Белковая часть молекулы бактериородопсина в основном состоит из 7 α-спиралей (голубого цвета), пронизывающих мембрану и образующих полый цилиндр. Остальная часть молекулы и боковые цепи аминокислот не представлены. Внутри цилиндра расположена молекула ретиналя (оранжевого цвета), ковалентно связанная альдегидной группой с ε-аминогруппой остатка лизина (красного цвета). В темноте ретиналь находится в полностью транс -форме, а альдиминная группа протонирована (см. с. 346). При освещении ретиналь перегруппировывается в 13- цис -форму, а альдиминная группа отдает протон, который «откачивается» наружу двумя аспартатными остатками (светло-голубого цвета; на рис. 2 внизу). После возвращения ретиналя в полностью транс -форму альдиминная группа снова связывает протон. Внутриклеточный протон ( 2 , вверху) переносится через другой аспартатный остаток (зеленого цвета) к ретиналю.

Б. Реакционный центр Rhodopseudomonas viridis

Фотосистема пурпурных бактерий Rhodopseudomonas viridis похожа по строению на фотосистему II высших растений. В отличие от растений в бактериальной системе донором электронов является не вода, а они поступают из электронпереносящей цепи, содержащей цитохром (на схеме не показано).

На схеме приведены только трансмембранные фрагменты бактериородопсина. О примерной толщине мембраны можно судить по липидным молекулам (слева и справа). Шесть трансмембранных спиралей из трех субъединиц (показаны окрашенными в различные тона голубого цвета) формируют внутримембранное пространство, которое наполнено цепями молекул пигментов (несколько пигментов, которые не принимают непосредственного участия в электронном транспорте, опущено). Принцип фотосинтетического электронного транспорта обсуждается на с. 130.

В Rh. viridis энергию света поглощают две соседние молекулы хлорофилла, образующие « специальную пару » (зеленого цвета, а ион Mg 2+ — красного). Максимум поглощения этих молекул находится при 870 нм, поэтому бактериальный реакционный центр обозначается также P 870 .

После возбуждения электрон переносится реакционным центром на смежную свободную от магния молекулу феофитина (оранжевого цвета) всего за несколько пикосекунд (1 пс = 10 -12 с), а затем в течение примерно 200 пс передается на прочно связанный хинон Q A (слева наверху, желтого цвета). В то же самое время снова заполняется электронная дыра в «специальной паре». Через примерно 0,2 мс возбужденный электрон достигает обмениваемого хинона Q B (справа наверху, желтого цвета), с которым покидает фотосистему.

Читайте также:  Метаплазия желудка; Медицинский портал

Бактерии, питающиеся железом, достанут из техногенных отходов высококачественные пигменты

Коллектив молодых ученых НИТУ «МИСиС» совместно с компанией «НВП Центр-ЭСТАгео» разработал новую технологию переработки металлургических и горнопромышленных отходов с помощью особых тионовых бактерий. Метод позволяет получить востребованные промышленностью высококачественные пигменты из материалов проблемных техногенных отвалов и утилизировать до 80% отходов.

Коллектив молодых ученых НИТУ «МИСиС» совместно с компанией «НВП Центр-ЭСТАгео» разработал новую технологию переработки металлургических и горнопромышленных отходов с помощью особых тионовых бактерий. Метод позволяет получить востребованные промышленностью высококачественные пигменты из материалов проблемных техногенных отвалов и утилизировать до 80% отходов.

В России ежегодно образуется около 6 млрд тонн металлургических и горнопромышленных отходов, при этом вторично используется только 15 % из них. Большая часть этого «мусора» не находит применения и отправляется в отвалы и хвостохранилища, создавая технические, технологические, экологические проблемы как для самих производств, так и живущих рядом людей. Металлургические компании платят по 0,5 рубля за хранение 1 тонны шлака в сутки.

При этом значительная часть отходов по содержанию железа зачастую сравнима с рудными концентратами и является ценным сырьем. Например, окалина прокатного и кузнечного производств может содержать до железа. Молодыми учеными кафедры физической химии НИТУ «МИСиС» совместно со специалистами компании «НВП Центр-ЭСТАгео» разработана биотехнология получения из таких техногенных отходов желтого пигмента для лакокрасочной и косметической промышленности.

Технология основана на методе, так называемого, бактериального выщелачивания. Особый род бактерий — тионовые или серобактерии — живут за счет того, что окисляют железо и серу в минеральном сырье. Они окисляют железо (из Fe2+ в Fe3+ ) в техногенных рудах, выделяя при этом энергию, необходимую для жизни этих микроорганизмов

«Чаще всего используются бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans и Acidithiobacillus thiooxidans. Их размер составляет от 0,6 до 1,2 микрометра. Данные бактерии живут в кислой среде (рН при температуре °С, — рассказывает руководитель научной группы, магистрант кафедры физхимии НИТУ „МИСиС“ Иван Кочетов. ¬- В результате окисления цветные металлы (вредные примеси) выщелачиваются в раствор, техногенный материал дезагрегируется и обогащается продуктами жизнедеятельности бактерий, их метаболитами — липидами и органическими кислотами, улучшающими его пластичность и стойкость, что приводит к образованию нового высококачественного продукта — биопигмента с размером частиц от 3 до 50 нанометров».

Пигмент можно использовать в лакокрасочной, косметической, автомобильной, строительной и других отраслях промышленности. Биохимические краски на основе такого пигмента в несколько раз превосходят по качеству обычные химические краски. Одна тонна пигмента, по данным научного коллектива, стоит порядка тысяч долларов, при этом стоимость одного литра бактериального раствора составляет всего 0,7 рубля.

«С помощь отжига желтого пигмента (при температуре примерно +800 °С) мы получим такой же пигмент, только красного цвета. При добавлении в бактериальный раствор красной кровяной соли (K3[Fe(CN)6]), в результате качественной реакции на ионы железа, мы получили берлинскую лазурь, которая после сушки станет синим пигментом», — добавляет Иван Кочетов.

Таким образом, из отходов металлургического производства ученые НИТУ «МИСиС» в лабораторных условиях получили пигменты трех различных цветов, установив экспериментальным путем, что из 1 литра бактериального раствора можно получить примерно грамма пигмента.

На 1 тонну пигмента уйдет примерно 330 тысяч литров раствора, это 230 тысяч рублей. Совокупная стоимость такой промышленной партии пигмента составит примерно 1 миллион 300 тысяч рублей (около 20 тысяч долларов).

В настоящий момент группа продолжает исследования на предмет адаптации технологии к промышленному формату, а также получения из железосодержащих техногенных отходов магнитных порошков.

Работы выполняются при финансовой поддержке Фонда содействия инновациям программы «УМНИК» (договор от 19.12.2019 № 14911ГУ/2019).

Ссылка на основную публикацию
Пульпит – Причины, симптомы и профилактика пульпита зуба — стоматологический портал
Кариес или пульпит: как отличить, рекомендации по профилактике Игнорирование белых пятен на эмали приводит к поверхностным кариозным дефектам, инфекция проникает...
Психостимулирующие лекарственные средства — Информация — медицинский портал Челябинска
Фармакологическая группа — Психостимуляторы Препараты подгрупп исключены. Включить Описание Психостимуляторы — группа психотропных препаратов, повышающих умственную и физическую работоспособность, улучшающих...
ПСИХОСТИМУЛЯТОРЫ и НООТРОПЫ
Разгон мозга: ТОП 12 ноотропов для концентрации и мотивации Идея выпить таблетку, которая активизирует ваш мозг и усилит умственные способности,...
Пульпит зуба — что это такое классификация, симптомы, лечение, цена
Пульпит зуба: что это такое, как лечить? Довольно часто от врача можно услышать: «У вас пульпит зуба». Что это такое?...
Adblock detector