Способы использования энергии бактериями

Питание бактерий

Питание бактерий – это процесс поглощения и усвоения бактериальной клеткой пластического материала и энергии в результате преобразовательных реакций [4] .

Питание является неотъемлемой функцией каждого живого организма. В процессе питания организм получает вещества, идущие на синтез клеточных структур и служащие источником энергии для всех процессов жизнедеятельности. Для питания микроорганизмов необходимы те же элементы, что и для животных, и растений. Первоочередные элементы питания – углерод, азот, кислород, водород, являющиеся основой всех органических веществ, которые входят в состав живой клетки как прокариоритеческих так и эукариоэтических организмов [5] .

Типы питания бактерий чрезвычайно разнообразны. Различаются они в зависимости от способа поступления питательных веществ бактериальной клетки, источников углерода и азота, способа получения энергии, природы доноров электронов [4] .

Содержание:

Способы поступления питательных веществ

По способам поступления питательных веществ бактерии подразделяются на:

• голофиты (греч. holos – полноценный и греч. phyticos – относящийся к растениям) – бактерии неспособные выделять в окружающую среду ферменты, расщепляющие субстраты, потребляют вещества только в растворенном, молекулярном виде;
• голозои (греч. holos – полноценный и греч. zoikos – относящийся к животным) – бактерии, обладающие комплексом ферментов, обеспечивающие внешнее питание – расщепление субстратов до молекул вне бактериальной клетки, после чего молекулы питательных веществ транспортируются внутрь бактерии[4] .

Гетеротрофные бактерии: культура Erwinia amylovora

Источники углерода

По источникам углерода различают:

• автотрофы (греч. autos– сам, trophe – пища) – бактерии, использующие в качестве источника углерода углекислый газ (CO₂), из которого осуществляют синтез всех углеродосодержащих веществ;
• гетеротрофы (греч.geteros– другой, trophe– пища) – бактерии, использующие в качестве источника углерода различные органические вещества в молекулярной форме (многоатомные спирты, углеводы, жирные кислоты, аминокислоты) [4] .

Наибольшая степень гетеротрофности отмечается у прокариот, живущих только внутри других живых клеток, в частности хламидий и риккетсий [4] .

Источники энергии

В зависимости от используемых источников энергии бактерии подразделяют на два типа:

• фототрофы – бактерии способные использовать солнечную энергию;
• хемотрофы – бактерии, получающие энергию при окислительно-восстановительных реакциях [4] .

Хемоорганотрофные бактерии

Pectobacterium carotovorum ssp. carotovorum вытекают из тканей капусты [6] .

Природа доноров электронов

• литотрофы (греч. litos – камень) – бактерии, использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества: водород (Н₂), сероводород (Н₂S), аммиак (NH₃), серу (S), углекислый газ(CО₂₎, ионы железа (Fe₂₊) и многие другие;
• органотрофы – бактерии, использующие в качестве донора электронов органические соединения (углеводы, аминокислоты) [4] .

В зависимости от источника энергии и природы донора электронов возможно четыре основных типа энергетического метаболизма: хемолитотрофия, хемоорганотрофия, фотолитотрофия, фотоорганотрофия. Таки образом, бактерии разделяют на:

• хемолитотрофы – бактерии, получающие энергию при окислительно-восстановительных реакциях и использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества;
• хемоорганотрофы – бактерии, получающие энергию при окислительно-восстановительных реакциях и использующие в качестве донора электронов органические соединения;
• фотолитотрофы – бактерии, получающие энергию в результате фотосинтеза (солнечная энергия) и использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества;
• фотоорганотрофы – бактерии, получающие энергию в результате фотосинтеза (солнечная энергия) и использующие в качестве донора электронов органические соединения [2] .

Источники углерода, энергии и доноров электронов

Каждый тип энергетического метаболизма осуществляется на базе различных биосинтетических способностей организма. Как отмечалось выше, прокариоты, прежде всего, делятся на автрофов и гетеротрофов. В последствие, те же микроорганизмы распределяются ещё по группам: фототрофы, хемотрофы, литотрофы, органотрофы [3] .

Следовательно, выделяется восемь сочетаний типов энергетического и конструктивного метаболизма, отражающие возможности способов питания прокариот:

Способы питания прокариот представлены в Таблице 1 [2] .

Всем перечисленным способам питания соответствуют реально существующие прокариоты. Однако число видов, относящихся к той или иной группе, далеко не одинаково. Большинство видов сосредоточено в группе с хемоорганогетеротрофным типом питания. В числе фотосинтезирующих прокариот (фототрофов) подавляющее число (все цианобактерии, большинство пурпурных и зеленых серобактерий) – фотолитотрофы [2] .

Кроме указанных восьми типов питания, отмечается существование миксотрофов – организмов, способных одновременно использовать различные возможности питания. Например, способные одновременно окислять органические и минеральные соединения или использующие в качестве источника углерода, как диоксид углерода, так и органические вещества [3] .

Источник

Био-электричество. Бактерии как альтернативный источник энергии

Статья журнала ВКС, №2 (87) октябрь 2016

Сейчас учёные работают над созданием замкнутой системы жизнедеятельности, необходимой для длительного полёта. В Институте медико-биологических проблем проводятся эксперименты, которые ещё совсем недавно показались бы фантастикой.

Средний микробный топливный элемент (МТЭ) даёт примерно 0,7 вольта. При сопротивлении около 100 КОм это можно сравнить с работой ½ пальчиковой батарейки, этого достаточно, чтобы, например, запитать светодиодную лампочку.

Заправка микробного топливного элемента (МТЭ)

Стерилизат активного ила

Поперечно-ободочная кишка человека может служить средой для работы микробных топливных элементов.

Сотрудники лаборатории «Микробная экология» готовят космическое испытание для бактерий

В аппарате «Фотон-М» размещают научную аппаратуру и биообъекты (пять гекконов, мух-дрозофил, семена растений и множество микроорганизмов), которым предстоит отправиться в двухмесячный космический полёт. Космический аппарат «Фотон-М4» предназначен для проведения в условиях микрогравитации экспериментов, обеспечивающих получение новых знаний по физике невесомости, отработку технологических процессов производства полупроводниковых материалов, биомедицинских препаратов с улучшенными характеристиками, а также проведение биологических и биотехнологических исследований.

Фотографии предоставлены Институтом медико-биологических проблем

Источник

Энергия под микроскопом. Как можно использовать микроорганизмы для получения топлива и еды

Как эти технологии работают и для чего их можно использовать, «Чердаку» рассказал Зоригто Намсараев, ведущий научный сотрудник лаборатории биотехнологии и биоэнергетики Курчатовского комплекса НБИКС-технологий, НИЦ «Курчатовский институт».

— Когда закончится нефть и прочие ресурсы?

— Если мы начинаем анализировать, сколько у нам осталось такого безбедного существования, как сейчас, то цифры в годах по большинству ресурсов получатся двузначные, хотя точные оценки разнятся. Например, России экономически рентабельных запасов нефти при нынешнем уровне добычи по разным оценкам хватит на 15—30 лет. В США собственные запасы нефти могут быть исчерпаны в течение примерно 10 лет, но благодаря большим инвестициям в технологии добычи тяжелой нефти и производства биотоплива есть вероятность, что у США этого энергоресурса хватит на более длительный срок.

Сейчас технологии сильно меняются, благодаря им мы добываем все более трудные для добычи запасы и в будущем, возможно, сможем отказаться от ископаемых ресурсов. Сначала человечество добывает только те ресурсы, которые проще всего получить. Это месторождения, которые находятся относительно неглубоко, — можно воткнуть трубу, чтобы нефть пошла самотеком. Это прибыльно и легко. Когда такие месторождения заканчиваются, мы переходим на те, что залегают глубже и обходятся дороже. Например, в Арктике есть крупные месторождения, но работать там очень сложно и затратно, хотя при определенном уровне цен и развития технологий это уже становится возможным. Оценить, на сколько лет хватит таких запасов, довольно сложно.

— Чем можно заменить ископаемое топливо?

— Топливо из ископаемых источников — это продукт фотосинтеза растений и микроорганизмов сотни тысяч и миллионы лет назад. Биомасса растений была захоронена в осадках и в ходе геологических процессов, протекавших миллионы лет, была переработана в нефть. Люди могут воспроизвести этот процесс, но за гораздо более короткое время. У нас есть ресурс, который можно использовать взамен ископаемых углеводородов, — углекислый газ из воздуха. Это практически бесконечный и возобновляемый источник сырья, ведь все то топливо, которое мы сжигаем, в конечном счете снова оказывается в атмосфере.

Есть самые разные технологии добычи CO₂ из воздуха. Перевод углекислоты из газообразного состояния в жидкие органические вещества — процесс энергозатратный. Вопрос, где эту энергию взять. Это может быть ядерная энергетика или возобновляемые источники энергии, например солнечный свет. Пока что самое простое и логичное решение — следовать природе, используя растения и фотосинтезирующие микроорганизмы, которые способны поглощать углекислый газ и накапливать его в виде биомассы.

Так как мы говорим о топливе, то нужно получать не просто абстрактную биомассу, а топливо именно в таком виде, в котором оно может использоваться уже существующими машинами, самолетами и так далее. Существуют разные технологии получения топлива из биомассы. Первое поколение биотоплива получают из продуктов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в пищу. Например, выращивают рапс, выдавливают из него масло, затем проводят реакцию переэтерификации и получают биодизельное топливо и глицерин как побочный продукт. Сейчас эта технология очень активно используется в Европе, которая стала крупнейшим производителем биодизеля.

Альтернативный способ — это получение этанола из пшеницы, сахарного тростника или кукурузы. Такая технология используется активно в США и Бразилии. В России, на Северном Кавказе, есть одно предприятие, которое занимается получением биотоплива из пшеницы по этой технологии. Проблема технологий первого поколения в том, что они не годятся для глобального решения задачи перехода на возобновляемое топливо. Если взять всю площадь пригодной для сельского хозяйства земли и засеять ее сельскохозяйственными культурами для биотоплива, то окажется, что этой площади не хватит, чтобы удовлетворить потребности человечества в топливе. А поскольку еще и численность населения Земли растет и нужно снабжать население продуктами питания, то окажется, что земля, пригодная для сельского хозяйства, с годами будет становится все дороже. Но сельское хозяйство — это не только земля, это и удобрения, и опять же топливо — для техники. Кроме того, к проблеме еды и энергии добавляется и проблема чистой пресной воды.

Есть биотопливо второго поколения — для него используется биомасса, непригодная в пищу. Это могут быть остатки соломы от сельского хозяйства, древесина, щепа, опилки и т.д. Для России это очень интересная и перспективная технология, учитывая наши огромные лесные ресурсы. Древесные отходы могут перерабатываться химически и биологически в спирт, который может добавляться в бензин либо в углеводороды. Кстати, СССР был мировым лидером в области технологий второго поколения. В нем действовало около 50 заводов по гидролизу древесины и получению этилового спирта. Сейчас из всего этого комплекса остался только один действующий завод в Кировской области, и есть планы запуска завода в Иркутской области. Для таких заводов можно использовать древесное сырье низкого качества, и это перспективно для тех регионов, где из-за слабо контролируемых рубок произошло снижение качества лесных ресурсов. Проблема с технологиями второго поколения та же самая — низкая эффективность в пересчете на площадь и неспособность заменить ископаемое топливо в глобальном масштабе.

Нужен резкий скачок в эффективности технологий сразу на несколько порядков. Плюс эти технологии должны быть достаточно устойчивы и эффективны, чтобы их можно было использовать в условиях изменяющегося климата. Все это сильно ограничивает возможные варианты и задает очень строгие требования к новым технологиям. Поэтому список их оказывается очень коротким, и при этом эти технологии находятся на очень раннем этапе развития.

— Но такие технологии есть?

— Сейчас активно работают над технологиями получения биотоплива третьего поколения. Это фотосинтезирующие микроорганизмы. Из-за микроскопического размера и высокой скорости роста они оказываются на несколько порядков более эффективными, чем растения. Эффективность такой технологии для получения, например, биодизеля, выше, чем у традиционного сельского хозяйства, примерно в 100 раз. К тому же микроводоросли способны существовать и в морской воде, непригодной для сельского хозяйства. Микроводоросли растут достаточно быстро, накапливая в себе большое количество полезных веществ. Проблема в том, что сейчас получение биотоплива из микроводорослей экономически невыгодно в сравнении с традиционным сельским хозяйством, в котором полностью выстроена инфраструктура по выращиванию и переработке биомассы. Сейчас микроводоросли используются для получения более дорогих продуктов, чем биотопливо, — это антиоксиданты, косметика, пищевые добавки, функциональное питание, корма для аквакультуры и т.д. В этих отраслях выращивание микроводорослей экономически рентабельно. Со временем, когда будет выстроена эффективная инфраструктура, себестоимость производства микроводорослей снизится и оно станет более конкурентоспособно.

Технология следующего уровня — это электробиосинтез. Существуют микроорганизмы, способные потреблять электрический ток напрямую, используя электроны в процессах своего метаболизма благодаря так называемому внеклеточному переносу электронов. Можно засунуть в жидкость, где живут микроорганизмы, два электрода, и на одном из них будут жить микроорганизмы. Это явление было открыто совсем недавно, в 2007 году. Исследования в этой области только начинаются, но они идут очень интенсивно.

— Что можно получить с помощью таких «бактерий на электричестве»?

— С их помощью сейчас можно получать метан, уксусную кислоту. Можно просто наращивать биомассу, получая белок. Пока не существует технологии, которая бы позволяла за счет таких микроорганизмов получать какие-то сложные соединения. Но это вопрос ближайших лет. Сначала нужно найти микроб, который бы не просто потреблял электроэнергию, но делал это максимально эффективно, а затем с помощью методов генной инженерии вставлять в его генетической код нужные гены, чтобы получать необходимый продукт.

В каких природных условиях могут существовать такие микроорганизмы, какую роль они играют, про это нам известно очень мало. Когда мы начали анализировать природные геохимические реакции, в которых могло бы возникать электричество так, чтобы микробы могли его использовать, оказалось, что список этих реакций очень большой. Это означает, что таких систем в природе очень много, просто мы их еще не научились распознавать. Например, есть очень сложные системы взаимодействия между микроорганизмами с использованием электрического тока.

— Какие микроорганизмы вы выращиваете тут, в лаборатории?

— Во-первых, микроводоросли. Они производят многие полезные соединения: пищевые добавки, красители, антиоксиданты, жирные кислоты. Разнообразие таких микроводорослей очень велико, и мы стараемся подобрать те виды, которые будут получать нужные нам вещества максимально эффективно. Наши сотрудники работают с разными штаммами, смотрят, какой из них будет расти более эффективно, какое содержание нужных веществ внутри микроорганизмов и так далее.

Во-вторых, нас интересуют микроорганизмы, способные потреблять электрический ток, особенно в сочетании с фотосинтезом. Существуют микроорганизмы, которые в ходе фотосинтеза могут использовать не только восстановленные соединения, такие как сероводород или железо, но также и использовать электроны с поверхности электрода. Это очень интересное явление, возможно эволюционно очень древнее, и тут, конечно, появляется множество вопросов: например, для чего нужна микроорганизмам такая способность, когда и как она впервые появилась, в каких условиях она активируется. Кроме того, это интересно и с практической точки зрения, так как электроэнергия — это самый удобный вид энергии, находящийся в распоряжении человечества, и технологии, позволяющие комбинировать электроэнергию и живые организмы, очень интересны для практического применения.

Екатерина Боровикова

Источник