Разложение целлюлозы.

Эффективный гидролиз целлюлозы требует взаимодействия не­скольких гидролаз, и поэтому организмы секретируют разные эн-доглюканазы и экзоглюканазы (целлобиогидролазы). Целлюлазная система целлюлолитических организмов всегда ассоциирована с другими гидролазами полисахаридов, особенно ксиланазами.

Целлюлазы содержат два домена: каталитический и связываю­щий. Целлюлозосвязывающий домен обеспечивает связывание с цел­люлозой. У грибов он содержит 33-36 аминокислот и очень консер­вативен. У бактерий этот домен варьирует и обнаруживается в целлюлазах, ксиланазах, хитиназах; он содержит около сотни ами­нокислот, у бацилл и клостридий - 130-170 аминокислот. От этого домена зависит специфичность энзима по отношению к форме поли­сахарида. Другим компонентом целлюлаз служит участок, обеспе­чивающий связь с клеткой целлюлозолитического организма, обычно богатый пролином.

Синергическое действие растворимых целлюлаз приводит к то­му, что смесь ферментов имеет более высокую активность, чем сумма их активностей. Предложено следующее объяснение синергическому усилению действия. Эндоглюканазы разрывают целлюлозную цепочку в местах нарушения кристаллической структуры. В этих разрывах появляются точки приложения для экзоглюканаз (или целлобиогидролаз). Гидролиз концов кристаллических участков обнажает новые места нарушения кристаллической структуры. Гид­ролиз целлобиозы (3-глюкозидазой приводит к появлению глюкозы как конечного продукта, ингибирующего гидролазы. В этой схеме независимо действующие ферменты без взаимодействия белок-бе­лок усиливают кооперативное действие.

 

Разложение древесины ксилофагами.

Разложение древесины с ее последующей гумификацией пред­ставляет длительный процесс с участием разных групп организмов и их сменой по ходу разложения. Ведущую роль в разложении играют грибы-ксилотрофы, которым приписывается 90% разлагаемой дре­весины. Поэтому лес можно обозначить как древесно-грибную сис­тему. В распространении грибов большую роль играют насекомые-ксилофаги, осуществляющие механический перенос зародышей грибов. Мицелиальное строение грибов дает им большое преимуще­ство перед бактериями, которые не могут перемещаться в мертвой древесине и обычно следуют за гифами грибов, образуя микофильную группировку, в которой специальную роль играют азотфиксаторы.

Апикальный рост грибов обеспечивает их перемещение внутри плотного субстрата и позволяет им образовывать мицелиальную сеть с проникновением в полости сосудов и трахеид. Транспорт ве­ществ осуществляется внутри гиф гриба благодаря порам между клетками гифы и активному перемещению внутри клеток. У неко­торых грибов, как у опенка, есть "транспортные гифы" в ризоморфах. Вокруг гиф имеются слизистые чехлы, удерживающие внеклеточ­ные гидролазы в непосредственной близости от гиф и ограничиваю­щие рассеяние продуктов гидролиза.

Срубленная древесина подвергается побурению, связан­ному с автолитическими процессами (прелость). На следующей ста­дии (подпар) проникают грибы, осваивающие экстрактивные вещест­ва паренхимных клеток. Затем начинается развитие собственно кси-лотрофов в виде белых пятен на буром фоне (мраморная гниль). Эта стадия сменяется мягкой гнилью, когда древесина теряет прочность. Далее развиваются типичные сапротрофы валежника. Стадии эти протекают несколько лет. За ними следует гумификация уже разло­женной древесины. Колонизация пней достигает максимума в 2-5 лет.

Колонизация древесины грибами отличается от разложения от­дельных компонентов ее тем, что осуществляется в ткани растения и требует гистологического подхода. Разные типы грибов различа­ются по стратегии колонизации. Из мест инфекции грибы проходят по сердцевинным лучам и только оттуда проникают в остальную древесину. Переход от одной древесной клетки к другой происходит у грибов через простые, полуокаймленные и окаймленные поры клеток ксилемы с образованием канала для микрогиф механически или с помощью ферментов (грибы бурой гнили), или же путем рас­пространения в срединной пластинке (грибы белой гнили). Возбуди­тели деструктивных гнилей, разлагающие целлюлозу, проникают в клетки древесины из сердцевинных лучей отдельными разветвлен­ными гифами, а лигнинразрушающие грибы - пучком гиф, который затем обильно разветвляется. Затем такой гриб заполняет полость клетки густым переплетением гиф, причем мицелий иногда собира­ется в клубки. Поскольку разложение субстрата достигается дейст­вием экзоферментов, дающих усваиваемые грибом низкомолеку­лярные продукты, стратегия гриба состоит в том, чтобы не допус­тить их рассеяния из ближайшего окружения гриба. Крупные моле­кулы экзоферментов сорбируются на деградируемом субстрате и в рыхлой слизи; мелкие молекулы должны свободно диффундировать от места их образования к грибу, и поэтому локализация микрооби­тания внутри клетки и участка ткани оказывается выгодной, чтобы свести к минимуму рассеяние вовне. Стратегия сводится к созданию микроусловий на расстоянии быстрой молекулярной диффузии, т.е. в сотни микрон. Вторая задача связана с транспортом веществ вдоль мицелия гриба, представляющего целостный организм, а не отдельную клетку.

 

Анаэробное разложение фенольных соединений.

В кислородной атмосфере микробная деградация ароматических соединений осуществляется грибами и бактериями, которые используют 0₂ для активации субстрата в реакциях оксгенирования. В результате действия моно- и диоксигеназ вследствие введения гидроксигрупп исходные вещества преобразуются в небольшое число
ключевых соединений, из которых наибольшее внимание уделяется катехину, протокатехиновой кислоте, гентизату. У них, в свою оче­редь, под действием оксигеназ подвергается разрыву ароматиче­ское кольцо вблизи гидроксигрупп. Образовавшиеся ненасыщенные органические кислоты подвергаются дальнейшему разложению обычно через ацетильные или сукцинильные производные. Каждая реакция оксигенирования в высокой степени экзотермична и обу­словливает выделение в виде тепла около 300 кДж/моль реактанта. Эта энергия не может быть использована организмом для синтеза АТФ. Подготовительные реакции оксигенирования составляют це­ну возможности дальнейшего использования продуктов окисления как субстрата энергетического обмена.

Очевидно, что, подобно гидролитикам, оксигенирующие орга­низмы образуют широкий спектр усвояемых растворимых ве­ществ, и это создает условия для обильного шлейфа диссипотро­фов, сопровождающих их деятельность. Нерастворимые полимер­ные ароматические вещества обусловливают структурную органи­зацию сообщества с доминирующей группировкой мицелиальных организмов, инициирующих распад твердых лигнифицированных остатков в опаде или мертвых растительных тканях. Вымываемые ароматические соединения и продукты их дальнейшего преобразо­вания в виде растворимого "водного гумуса", фульвокислот, фено­лов поступают в почвенный раствор или осадки водоемов. Высо­кая потребность в 0₂ для оксигенирования и его использование приводят к ограниченной доступности кислорода в плотных струк­турах растительного опада.

Ароматические продукты распада могут поступать в анаэроб­ные зоны и там разлагаться за счет восстановительных процессов. Образование СН₄ при разложении ароматических соединений было обнаружено еще в 1930-х годах на примере анаэробных очистных сооружений. Установленным фактом является способность ана­эробных организмов деградировать ароматические соединения.

 

ОРГАНО-МИНЕРАЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ В ПОЧВЕ.

На поверхности глинистых частиц почвы происходит связыва­ние органических веществ. Особое значение имеет прочное взаимо­действие гуминовых веществ с глинистыми минералами. Во взаимодействии с отрицательно заряженными минералами уча­ствуют аминогруппы, образующие ионную связь, металл-органиче­ские комплексы многовалентных металлов, как Fe, образующие мостик между отрицательно заряженной поверхностью глинистого минерала и карбоксильной группой гуминовой кислоты. Водород­ные связи определяют связывание полимеров, например реакцион­но-способной свежеобразованной бактериальной слизи, с поверхно­стью глинистых частиц, и поэтому биологическая активность в почве приводит к образованию стойких органо-минеральных соединений, чего не происходит, например, при смешении торфа с глиной. Орга­нические соединения на поверхности глин защищены как от химиче­ского, так и биотического окисления. Попавшие в межслойное про­странство даже такие легкодоступные вещества, как пептиды, ока­зываются недоступными для окисления. В крайнем выражении это ведет к образованию черных глинистых сланцев, вплоть до горю­чих. С другой стороны, образование органического покрова на по­верхности минерала предотвращает его дальнейшее разрушение при выветривании. Органические вещества, связываясь с Fe или А1 на поверхности кристалла, могут блокировать точки роста и предот­вращать укрупнение педогенных минералов.

Отсюда возникает связь между образованием глинистых мине­ралов при выветривании и геологическим захоронением С_орг, в свою очередь, ведущим к повышению окислительного статуса атмосфе­ры. В результате за 0₂ атмосферы отвечает выветривание с образо­ванием в конечном итоге глин, связывающих восстановленный С_орг с эквивалентным освобождением 0₂.