ПРЕВРАЩЕНИЯ БЕЗАЗОТИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Основной источник пополнения запасов углекислоты в атмосфере — распад растительных тканей с высоким отношением С : N. Если бы не постоянно идущие процессы минерализации, производимые почвенными микроорганизмами, вся углекислота за несколько десятков лет могла бы быть исчерпана на фотосинтез.

Рассмотрим разложение этих веществ, последовательно по группам, в разных природных условиях — аэробных и анаэробных.

Разложение водорастворимых органических соединений происходит в первую очередь после отмирания растений. Потеря углеводов приводит к сужению отношения С : N в разлагающемся материале и торможению процесса распада. В аэробных условиях углеводы разлагаются бактериями в актах дыхания с образованием СО2 как конечного продукта деструкции. Грибы обычно окисляют

углеводы не до конца, а процесс идет с образованием недоокисленных продуктов, в первую очередь органических кислот: янтарной, лимонной, уксусной и др. Органические кислоты в большом количестве обра-

Рис. 49. Типы брожений

зуются при анаэробном распаде углеводов — брожении. В зависимости от возбудителей и конечных продуктов различают несколько типов брожений (рис. 49). При сбраживании глюкозы дрожжами образуется этиловый спирт, при молочнокислом брожении главным или единственным продуктом является молочная кислота, клостридии сбраживают глюкозу до масляной кислоты, пропионовые лактобациллы — До пропионовой и янтарной.

Гемицеллюлозы — это опорные вещества в растениях. Они входят в состав древесины. Ксилан — полимер ксилозы — занимает по количеству второе место после целлюлозы. В соломе злаковых его-

содержится 20%, в древесине хвойных 12, лиственных — до 25%. Гемицеллюлозы помимо растений имеются у грибов и дрожжей в составе их внеклеточных полисахаридов. Это полимеры сахаров и уро- новых кислот. Из сахаров в состав микробных гемицеллюлоз входят гексозы и часто пентозы. Например, полисахариды, из которых состоит капсула почвенных дрожжей рода Lipomyces, имеют в основной цепи повторяющиеся звенья из глюкуроновой кислоты и маннозы, а в боковых цепях — галактозу; внеклеточные полисахариды других дрожжей — рода Cryptococcus содержат глюкуроновую кислоту, маннозу и ксилозу. Разложение гемицеллюлоз — процесс неспецифический и может осуществляться, разными почвенными микроорганизмами: бактериями, грибами и актиномицетами. Ксиланаза — внеклеточный фер* мент, он есть у многих грибов и некоторых дрожжей, как, например, у обитателей лесной подстилки — дрожжей рода Trichosporon. На ксилане активно растут шампиньоны. Ксиланазу образуют и многие целлюлозоразрушающие бактерии.

Крахмал — запасной полисахарид растений, он накапливается главным образом в семенах и клубнях, где его содержание может достигать 70—80%. Крахмал, как и целлюлоза, относится к группе гомополисахаридов, или гомогликанов, так как он состоит только из молекул глюкозы. Растительный крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов — амилозы и амилопектина. Амилоза — полимер с неразветвленной цепью, скрученной витками, по 3 молекулы глюкозы в каждом. На ее долю в крахмале приходится 20—25%, а на долю амилопектина соответственно 75—80%. Амилоза растворима только в горячей воде. При реакции с иодом она дает синее окрашивание. Эта реакция используется для определения наличия у микроорганизмов амилолитической активности.

Микроорганизмы с высокой амилолитической активностью используются для промышленного получения амилаз. В спиртовой промыш

ленности для осахаривания крахмала картофеля или зерновых используют растительные амилазы (солод), а затем образующиеся сахара сбраживаются дрожжами до этилового спирта. В природе продукты аэробного расщепления крахмала быстро используются сопутствующими микроорганизмами и процесс заканчивается выделением СО2. В анаэробных условиях мальтоза и глюкоза сбраживаются с образованием органических кислот, спиртов и газов (рис. 50).

Пектины в растениях образуют межклеточное вещество, из которого              состоят так              называемые              срединные пластинки, соединяющие

между              собой отдельные              клетки.              Они придают растительным тканям

прочность. Особенно много пектина в ягодах и плодах. В антоновских яблоках содержание- пектина достигает 30%. В химическом отношении пектины — не- разветвленные полимеры галак- туроновой кислоты, карбоксильные группы которой ПОЛНОСТЬЮ’ или частично этерифицированы метанолом. Пектиновые вещества — это смесь нерастворимого в воде протопектина, растворимого пектина, слабо или полностью неэтерифицированных пектиновой и пектовой кислот и их солей. В составе срединных пластинок пектиновые вещества представлены главным образом нерастворимым              протопектином.              На              разные формы пектиновых

веществ              действуют              различные              ферменты микроорганизмов. Про-

топектиназы переводят нерастворимый протопектин в растворимые формы; пектинэстеразы разрывают эфирные связи, в результате чего образуются метанол и свободные пектиновые кислоты; полигалактуро-

4              4

назы разлагают цепь пектина на молекулы D-галактуроновой кислоты. Пектины способны разлагать очень многие почвенные микроорганизмы, а также некоторые фитопатогенные грибы и бактерии, которые

благодаря этому проникают в ткань растений и вызывают болезни типа гнилей. В почве в анаэробных условиях пектины разлагаются бактериями, в аэробных — главным образом грибами. Эти процессы лежат в основе обработки лубяных растений (льна, конопли) для получения прядильного волокна. Росяная мочка проходит на поверхности почвы в аэробных условиях и основными возбудителями процесса разложения пектина в этом случае выступают грибы. Водяная мочка заключается в погружении снопов растений на дно водоема. Здесь в анаэробных условиях процесс обеспечивается анаэробными маслянокислыми бактериями рода Clostridium (CL pcctinovorum, CL felsi- neum). Пектолитические ферменты, получаемые из почвенных микроорганизмов, находят широкое применение в технологических процессах при производстве консервированных продуктов из плодов и овощей. Препараты пектиназ внедряются в производство льняного волокна.

Целлюлоза — наиболее распространенное органическое соединение в природе, синтез ее по масштабам занимает первое место. Целлюлозу в основном создают высшие растения, которые на 40—70% состоят из целлюлозы. В хлопке содержание целлюлозы достигает 90%. Очень немногие грибы (например, представители класса Ооту- cetes) и отдельные виды бактерий (уксуснокислые Acetobacter xyli- пит) тоже синтезируют целлюлозу. Синтез целлюлозы сопряжен с ее разложением микроорганизмами. Разложение целлюлозы — едва ли не колоссальнейший по свошм масштабам естественный процесс. Именно в этом звене круговорота углерода почвенные микроорганизмы выступают как геохимические агенты, обеспечивающие возврат углерода в атмосферу в виде СО2, необходимой для фотосинтеза. В этом основное, но не единственное, важное значение микробного разложения целлюлозы. С этим процессом связано образование в почве гумусовых веществ и формирование почвенной структуры. Особенно важно подчеркнуть участие в этом процессе микроорганизмов, поскольку ни животные, ни растения, как правило, целлюлозу не способны разлагать. Даже жвачные животные, питающиеся растительным кормом с высоким содержанием целлюлозы, не могут ее усваивать без помощи тех микроорганизмов, которые живут в их пищеварительном тракте. Очень редко способность разлагать целлюлозу обнаруживается у беспозвоночных животных: у некоторых моллюсков (например, у виноградной улитки), у корабельного червя, у простейших из кишечника термитов, личинок жуков и т. п.

Целлюлоза представляет собой линейный гомополисахарид, состоящий из глюкозных единиц. Молекулярная масса до 500 000. В одной молекуле целлюлозы до 14 тыс. молекул p-D-глюкозы. Целлюлозные волокна включают микрофибриллы и мицеллы (кристаллиты) — плотно упакованные цепи макромолекул, чередующиеся с аморфными, или паракристаллическими, участками. Наличием этих участков в структуре целлюлозы объясняется ее набухаемость и некоторые другие свойства, отличающие целлюлозу от истинно кристаллических структур. Эти участки в первую очередь подвергаются фермептатив-

ному гидролизу. Разложение целлюлозы микробными ферментами протекает в несколько стадий. Первоначально гидролиз идет под действием фермента, называемого Сгфактором, а затем Сх-фермент превращает ее в целлобиозу. Далее р-глюкозидаза расщепляет целлобиозу до глюкозы (рис. 51). В природе разложение целлюлозы — сложный и комплексный процесс. Он совершается, по-видимому, при участии

Рис. 51. Схема разложения целлюлозы

микробных сообществ, в которых есть основной компонент, разлагающий молекулы целлюлозы, и микроорганизмы — спутники, использующие продукты распада. Некоторые базидиалыгые грибы имеют полный комплекс целлюлолитических ферментов.

Изучение процессов разложения клетчатки в природе было начато еще в прошлом веке под влиянием идей Пастера об анаэробных брожениях. Поэтому в первую очередь изучали анаэробное разложение целлюлозы. Биологическую природу этого процесса впервые установил Л. Попов в 1875 г. Позже В. Л. Омелянский подробно изучал анаэробный распад клетчатки и выделил возбудителей этого процесса, один из которых был назван в его честь Bacillus omelianskii. Это тонкие, до 12 мкм в длину, слегка изогнутые палочки с округлыми или овальными терминальными спорами («барабанные палочки»). При анаэробном разложении целлюлозы образуется много органических кислот (уксусная, янтарная, молочная, масляная, муравьиная), этиловый спирт, СО2 и водород. Поэтому анаэробное разложение целлюлозы сопровождается активным развитием сопутствующих микроорганизмов, часто азотфиксаторов. Сбраживание клетчатки происходит в природе и в условиях повышенных температур, например при разогревании торфа, соломы, компостов. В этом случае основной возбудитель процесса — термофильная бактерия Clostridium thermocellum. Выделенный из горячих источников анаэроб Thermoanaerobacter ethanolicus при сбраживании клетчатки образует большое количество этанола. Он использует кроме целлюлозы и продукты ее распада — целлобио- зу и глюкозу, в отличие от Clostridium thermocellum, рост которого подавляется продуктами распада целлюлозы. Их совместное культивирование дает возможность из целлюлозного сырья получать этиловый спирт путем экономичной ферментации при высоких температурах. Другая термофильная бактерия — Thcrmoanaerobiurn brockit не использует целлюлозу, но хорошо растет на целлобиозе, также продуцируя этанол. Этот микроорганизм выделяется из горячих источников вулканического происхождения и имеет температурный диапазон роста между 35 и 85° с оптимумом 65—70°.

В отличие от процесса анаэробного разложения целлюлозы, который осуществляется только бактериями, в аэробных условиях клетчатку разлагают многие микроорганизмы самых разных систематических групп: истинные бактерии, миксобактерии, актиномицеты и грибы.

В кислых лесных почвах, где клетчатка в значительной степени представлена мертвой древесиной, она более доступна для грибного разложения. Поэтому в лесах главная роль в превращении целлюлозы принадлежит грибам, в особенности почвенным микромицетам. Среди них наиболее активны такие типичные подстилочные сапрофиты, как Trichoderma viride, Chaetomium globosum, Myrothecium verrucaria, а также некоторые виды родов Penicillium и Aspergillus. Характерная особенность грибного разложения целлюлозы — выделение целлюлаз- ных ферментов в среду. Поэтому грибы представляют промышленный интерес для получения препарата целлюлаз после освобождения среды от мицелия. У бактерий целлюлазы — контактные ферменты, связанные, по-видимому, клеточной поверхностью. Они работают только in situ, и выделение ферментов из этих микроорганизмов представляет определенные трудности.

В почвах под травянистой растительностью — в степных и луговых ландшафтах — разложение целлюлозы осуществляют главным образом миксобактерии и цитофаги, а также истинные бактерии и актиномицеты.

Жиры входят в состав всех растительных и животных тканей. Некоторые органы растений, например семена, бывают очень богаты жирами. В почве, обогащенной гумусом и растительными остатками, липидная фракция может составлять 3% и более. Жиры разлагаются в почве микроорганизмами, обладающими липазной активностью. При разложении жиров образуются глицерин и жирные кислоты. В аэробных условиях глицерин быстро используется в метаболизме многих бактерий и грибов, а жирные кислоты более стойки и они накапливаются в почве. В анаэробных условиях жирные кислоты восстанавливаются до углеводородов. Липазы имеются у аэробных почвенных бак

терий, актиномицетов и грибов, а также у анаэробов из рода Clostridium.

Углеводороды в почве представлены газообразными (метан, этан, этилен и др.), алифатическими и циклическими соединениями. Об окислении метана говорилось выше. Алифатические углеводороды с длинной цепью окисляют многие бактерии и дрожжи. Из бактерий наиболее активны представители коринеформной группы, псевдомонады и нокардии, из дрожжей — виды родов Candida, Debaryomyces, Schwanniomyces. Большое значение имеет длина углеродной цепи: легче используются углеводороды, начиная с гексадекана. Утилизация углеводородов происходит в окислительных условиях, так как первый этап воздействия на углеводородную цепь — окисление концевого- углерода ферментами оксигеназами. Дальнейшее окисление протекает по пути, который известен как (3-окисление жирных кислот. При низком парциальном давлении кислорода происходит накопление промежуточных продуктов окисления углеводородов — жирных кислот, начиная с Сз (пропионовой кислоты).

Разложение микроорганизмами ароматических углеводородов в почве имеет очень большое значение в круговороте углерода, так как эти соединения входят в состав молекул лигнина. Способность разлагать ароматические углеводороды присуща многим грибам, некоторым аэробным бактериям и дрожжам. Из бактерий наиболее активны представители родов Pseudomonas и Arthrobacter. В анаэробных условиях ароматические соединения могут ассимилироваться (только на свету!) некоторыми фототрофными бактериями. Разложение циклических углеводородов начинается с гидроксилирования — включения в них оксигрупп и перевода в орто- или парадиоксифенилпроизводные. Далее следует разрыв кольца под действием оксигеназ, катализирующих окисление субстрата кислородом. Боковые цепи и заместители отщепляются, как правило, до разрыва кольца. Разрыв ароматического кольца происходит разными путями у разных микроорганизмов. Из почв были выделены бактерии, разлагающие полициклические соединения углеводородной природы — нафталин, антрацен и фенантрен. Промежуточным продуктом их распада является салициловая кислота.

Итак, большинство природных углеводородов частично или полностью окисляются микроорганизмами. Этот процесс важен в аспекте самоочищения почвы от загрязнений нефтью и продуктами ее переработки.

Лигнин (от лат. lignum — дерево, древесина) синтезируется только высшими растениями и в количественном отношении уступает только целлюлозе и гемицеллюлозам. В древесине лиственных пород деревьев его содержится 20—30%, хвойных — до 50%. Лигнин относится к инкрустирующим веществам клеточной стенки. Он вызывает одревеснение клеток и придает им большую прочность. Если целлюлозные микрофибриллы сравнить с арматурой железобетонных конструкций, то лигнину следует отвести роль бетона. Химическое строение лигнина окончательно не установлено. Известно, что в разных растениях он неоднороден. Сложность структуры определяется большим числом полимеризованных мономерных блоков, которые представляют собой производные фенилпропана. Основной мономер лигнина — конифериловый спирт; он составляет главный скелет лигнина хвойных. В лигнине лиственных пород есть еще синаповый спирт, а в лигнине из соломы злаков — кумаровый.

Лигнин не растворяется ни в воде, ни в органических растворителях,, дает цветные реакции, характерные для фенолов. В растительном организме — это конечный продукт обмена, выполняющий только механические функции. Разлагают его грибы и немногие бактерии. Процесс протекает очень медленно, поэтому промежуточные продукты разложения лигнина накапливаются в почве. Основные разлагатели лигнина — базидиальные грибы. Некоторые из них разрушают лигнин даже в живых растениях, например осенний опенок Armiilariella mellea. Древоразрушающие базидиомицеты, вызывающие белую гниль дерева, наиболее активные разрушители лигнина вместе с некоторыми подстилочными сапрофитами. Можно проследить сукцессию видов при разложении лигнина. Процесс начинается еще в растущем дереве, на котором поселяются базидиомицеты — паразиты родов Forties, Poly- porus, Armiilariella и др. На мертвой древесине появляется другая группировка грибов: это деревоокрашивающие грибы Ceratostomella, Cladosporium. Далее частично разрушенную древесину заселяют подстилочные сапрофиты — базидиомицеты с мелкими шляпочными плодовыми телами родов Colly bia, Marasmius, Phallus, Lepiota, Мусепа и, наконец, в поздней стадии происходит колонизация остатков почвенными грибами из группы несовершенных: Fusarium, Trichoderma, Aspergillus, Penicillium, Rhizocionia. В более поздних стадиях разложения лигнина участвуют и бактерии, причем только грамотрицательные- Древесина и опад лиственных деревьев разрушаются быстрее, чем хвойных. Разложение лигнина идет обычно параллельно с распадом целлюлозы. Оба эти процесса могут вызывать одни и те же организмы. Например, у Polyporus abictinus найдено до двух десятков внеклеточных ферментов, среди которых есть и целлюлазы, и полифенолокси- дазы, разлагающие лигнин, и, кроме того, ферментативный комплекс, воздействующий на пектины, крахмал, гемицеллюлозы. Несомненно, что в природе разложение лигнина совершается сложным комплексом микроорганизмов и высших грибов, и этот процесс идет значительно интенсивнее, чем при лабораторных анализах с чистыми культурами.