Szintrófia

Szerves vegyületeink bontásához a prokarioták nagy anyagcsere diverzitással rendelkeznek. A közösségeket alkotó fajok azonban ennek a kollektív anyagcsere aktivitásnak csak egy részével, és néha igen szűk tartományával bírnak.

Így az anyagok bontásának, átalakításának, a közösségi anyag és energiaáramlásnak a folyamata ezek egymásra épülésén és igen szerteágazó komplex kapcsolatrendszerén nyugszik.

A mikrobák a természetes környezetekben kevert tenyészetekben élnek, melyek a résztvevő fajok anyagcsere képességeinek egyszerű összeillesztésénél több, és olykor jóval összetettebb tulajdonságokkal jellemezhetők.

Ezen belül a szintrofikus kapcsolatok alatt olyan bontási folyamatokat értünk, amelyekben - a köztes anyagcsere termékek átalakítása - két vagy több mikroba faj együttműködésén alapul, és amelyet külön-külön, még a részreakciókat tekintve sem tudnak a partnerek végrehajtani. Ez a kölcsönös függőség abból következik, hogy a folyamatban részt vevő partnerek nem csak az adott szubsztrát bontásának anyagcseretermékeitől, hanem a részfolyamatok energetikai viszonyaitól is függenek.

De először is nézzük meg, hogy a szerves anyagok bontási folyamataiban hol is helyezkednek el ezek a szintróf szervezetek. (8.1/15. ábra)

8.1/15. ábra. A szerves anyagok anaerob bontásának folyamata

Anaerob környezetekben a bontás részben fermentációt, részben anaerob légzést folytató (pl. nitráttal, szulfáttal, vagy szén-dioxiddal, mint terminális elektronakceptorral légző) mikrobák részvételével folyik.

A szerves polimerek, vagy nagyobb molekulaméretű komplex szerves molekulák (mint poliszacharidok, zsírok, fehérjék, nukleinsavak) bontását az elsődleges fermentálók (pl.Clostridiumok) kezdik meg. Ezek a polimereket alkotóelemeikre bontják, majd az így kapott monomereket fermentálják. Az egyes prokariota szervezetek eltérő anyagcsere folyamataitól függően, mind a fermentációs utak, mind ezek végtermékei nagyon különbözők lehetnek.

Találunk köztük pl. egyszerű szerves savakat, alkoholokat, de képződhet CO₂és molekuláris hidrogén is. Ezek az elsődleges fermentációs termékek a későbbiekben aztán elektron donorként szolgálhatnak a másodlagos fermentáló vagy az anaerob légzést folytató (mint pl. a szulfátredukáló, vagy a metanogén) baktériumok számára. A szulfátredukálók ezeknek az elsődleges fermentációs termékeknek igen széles skáláját hasznosítják. A metanogének azonban sokkal szűkebb körben képesek erre. Ők ugyanis elektron donorként az ecetsavon kívül csak néhány C1-es vegyületet (pl. hangyasavat, metilalkoholt, stb) és hidrogént használnak. Az ecetsavból, széndioxidból és hidrogénből kiinduló metanogenezis mégis fontos szerepet játszik a szerves anyagok végső lebontásában. Ez pedig csak úgy lehetséges, ha az elsődleges fermentációs termékeket a metanogének számára is hasznosítható vegyületekké alakítják. És ezt a feladatot látják el a szintróf baktériumok (mint pl. a Syntrophus, a Syntrophobacter, Syntrophomonasnemzetségek tagjai), melyek az elsődleges fermentációs termékeket tovább fermentálva ecetsavat, szén-dioxidot és hidrogént hoznak létre.

A szintrófikus folyamatokban azonban a szintrófoknak és a metanogéneknek, illetve a szintrófok szubsztrát képzésének, és ezen anyagok metanogének általi továbbalakításának egyaránt meghatározó szerepe van. A metanogének folyamatos aktivitása eredményezi ugyanis a szintóf anyagcsere végtermékeinek a környezetben való alacsony koncentrációját és teszi lehetővé, hogy a másodlagos fermentálók anyagcsere folyamata energia felszabadulás mellett mehessen végbe.

De hogyan határozhatjuk meg ennek a mértékét?

A baktériumok energiát elektron átvitellel állítanak elő, miközben az egyik komponens oxidálódik, a másik redukálódik. Ezek egymáshoz viszonyított mértéket az oxidációs-redukciós (O/R) potenciál fejezi ki.

Standard oxidációs-redukciós potenciált, (E⁰) 1 atm. nyomás, 1 mol anyag, és 25^oC esetén mérünk.

E⁰c= E⁰_red+ E⁰_ox

De ha ezektől a standard értékektől bármelyik paraméter is eltér, akkor már aktuálpotenciálról (E) beszélünk, aminek a kiszámításához a Nernst egyenletet használjuk.

A Nernst egyenlet írja le, hogy a potenciál mennyiben változik annak hatására, ha a reakcióban résztvevő anyagoknak nincs mindegyike standard állapotban.

E=E⁰- (RT/nF)lnQ

(Az egyenletben E⁰a reakció standard potenciálja, R az egyetemes gázállandó (8.314 J/mol), T a hőmérséklet Kelvin fokban, n a reakcióban átvitelre kerülő elektronok mol-ban számolt mennyisége, F a Faraday állandó (95,484 C/mol), Q a reakcióállandó.)

Az egyenletben szereplőQ reakcióállandó (vagy hányados), a keletkezett anyagok koncentrációjának, illetve parciális nyomásának szorzata, elosztva a kiindulási anyagok koncentrációjának illetve parciális nyomásának szorzatával.

Ha a kiindulási anyagokat A és B-vel, a keletkezőket pedig C és D-vel jelöljük, akkor Q= [C]^cx [D]^d/ [A]^ax [B]^b

vagyis a potenciál a koncentrációk arányának egyértelmű függvénye.

A fenti két egyenletet összevetve jól látható, hogy ha az egyik végterméket – a mi esetünkben például a hidrogént - folyamatosan eltávolítjuk, s így a nyomását illetve koncentrációját folyamatosan a standard állapot alatt tartjuk, akkor - feltéve hogy minden más standard állapotban van - a Q értéke kisebb lesz, mint egy (Q<1). Ebből adódóan Q negatív, a potenciál pedig pozitív irányba tolódik el, ami egy energetikailag kedvezőbb, exergonikus folyamatra utal.

A standard potenciál (aminek a mértékegysége V) és a Gibbs féle szabadenergia (mértékegysége kJ) közötti összefüggést a

ΔG = -nFE ΔG⁰= -nFE⁰ egyenletek írják le.

Példaként nézzük meg a szintróf reakciók talán leggyakoribb formáját, a fajok közti hidrogén átvitelt.

Anaerob körülmények között a szénhidrátok bontása során redukálódott NAD⁺ a fermentációs termékek, (pl etilalkohol, butirát, propionát stb.) képződésekor oxidálódik. Egyes baktériumok azonban a NAD⁺regenerálását hidrogéntermeléssel biztosítják, ami energetikailag kedvezőbb, de csak rendkívül alacsony (általában 10^-6 atm.

alatti) parciális hidrogénnyomás, így pl. a metanogén (vagy más hidrogénhasznosító) baktériumok gyors hidrogén felhasználása mellett lehetséges.

Az etanolból való ecetsav és hidrogénképzés önmagában energetikailag kedvezőtlen (Δ G⁰¹= +19,4 kJ/reakció).

Ugyanakkor a molekuláris hidrogénnel, mint elektron donorral történő metanogenezissel összekapcsolva, tehát szintrofikus formában a folyamat exergonikus, s így a folyamatossága biztosított és mindkét baktérium számára előnyös.

Hasonlóképpen, a butirát oxidációjának reakciónkénti Δ G^0′= +48,2 kJ szabadenergia változás értéke mellett a Syntrophomonas wolfeimonokultúrában nem növekszik ezen az anyagon, de ugyanez a butirát a metanogénekkel szintofikus kapcsolatban kiváló energiaforrás számára. (8.1/16. ábra)

8.1/16. ábra. Az butirát bontás szintrofikus és nem szintrofikus útjának összehasonlítása

A másodlagos fermentálók és a metanogének anaerob viszonyok között lejátszódó szervesanyag bontó reakcióit és a hozzájuk tartozó szabadenergia változásokat (G0^0′) a 8.1/1. táblázat foglalja össze, míg ugyanezen folyamatoknál Δ G0^0′(kJ/rxn) értékét a parciális H₂nyomás függvényében a8.1/17. ábramutatja.

8.1/1. táblázat. Másodlagos fermentáló és metanogén baktériumok szintróf szerves anyag (etilalkohol, butirát, propionát) bontásának reakciói

Szabadenergia változás (kJ/reakció) Szerves anyagok (etilalkohol, butirát és propionát) anaerob bontása

ΔG⁰'/

8.1/17. ábra. A szabadenergia változás (ΔG′) értéke a H₂parciális nyomásának függvényében – az etilalkohol, butirát és propionát metanogenezissel összekötött oxidációja során

(10 mM etilalkohol, butirát, propionát és acetát koncentráció esetén)

A szintrofikus folyamatokba más hidrogénhasznosító szervezetek is beléphetnek. A metanogének kompetítorai lehetnek például egyes szulfátredukálók (pl.Desulfobacter,Desulfobacteriumgenus képviselői) és a homoacetogén baktériumok (pl. azAcetobacterium,Acetogeniumnemzetség tagjai) – melyek katabolikus anyagcseréje hidrogénből és szén-dioxidból kiinduló acetát szintézisen alapul. (8.1/2. táblázat).

A kinetikai állandók alapján, a szintrofikus hidrogénhasznosítás versenyében a szulfátredukáló > metanogén >

homoacetogén baktérium sorrend állítható fel. A hidrogén parciális nyomását a szulfátredukálók tartják a legalacsonyabb értéken, amit a metanogén, majd végül a homoacetogén baktériumok követnek, melyek katabolikus anyagcseréje hidrogénből és szén-dioxidból kiinduló acetát szintézisen alapul. (8.1/18. ábra). Azt azonban, hogy a különböző környezetekben melyik csoport válik dominánssá, több tényező (pl. pH, szulfát és acetát koncentráció) is befolyásolhatja. A nagy szulfáttartalmú tengeri üledékekben például a szulfátredukció dominál, míg a kis szulfáttartalommal jellemezhető édesvízi környezetekben a metanogenezis a meghatározó.

8.1/2. táblázat. A szintrofikus folyamatokban résztvevő acetogén, metanogén és szulfátredukáló szervezetek hidrogénhasznosító reakciói és azok szabadenergia változásának mértéke(kJ/mol H₂)

ΔG⁰'/ (kJ/mol H₂)|

Reakciók Mikroorganizmusok típusa

-26,1 4 H₂+ 2 HCO₃^-+ H⁺→ CH₃COO^-+ 4 H₂O

Acetogén

-33.3 4 H₂ + HCO₃- + H^{+ →}CH₄+ 3 H₂O

Metanagén

-38,0 4 H₂+ SO₄^2-+ H⁺→ HS^-+ 4 H₂O

Szulfátredukáló

8.1/18. ábra. A szabadenergia változás (ΔG′) mértéke a H₂parciális nyomásának függvényében szulfátredukció, metanogenezis és acetogenezis esetén

A termeszek emésztőrendszerében - a metanogének mellett - homoacetogén baktériumok találhatók nagy számban.

A kérődzők bendőjében azonban a metanogenezis az uralkodó. A bendő komplex mikroba közösségének tápanyagbontását vizsgálva láthatjuk, hogy növényi anyagokkal bekerülő cellulózt pl. elsősorban a nagy celluláz aktivitást mutatóFibrobacter succinogenesésRuminococcus albus, a keményítőt főként aSuccinomonas amylotica és aRuminobacter amylophilus, a pektint meg aLachnospira multiparusbontja építő egységeire, amelyeket aztán tovább fermentálnak. A másodlagos fermentálók, a szintófok pedig ezekből a metabolikus termékekből képeznek CO₂-t, H₂-t és acetátot, amit a metanogén baktériumok (pl.Methanobacterium omelianskii) igen gyorsan metánná alakítanak. (8.1/19. ábra)