Синтрофия
В биологии , синтрофия , [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] синтрофизм , [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ] или перекрестное кормление [ 1 ] (От греческого син -значения вместе, Trophe , означающий питание) - это совместное взаимодействие, по крайней мере, между двумя микробными видами для разложения одного субстрата. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 7 ] Этот тип биологического взаимодействия обычно включает перенос одного или нескольких метаболических промежуточных соединений между двумя или более метаболически разнообразными видами микробных, живущих в непосредственной близости друг от друга. [ 3 ] [ 5 ] Таким образом, синтрофия может рассматриваться как обязательная взаимозависимость и взаимный метаболизм между различными видами микробных препаратов, при котором рост одного партнера зависит от питательных веществ , факторов роста или субстратов , обеспечиваемых другими (ами). [ 8 ] [ 9 ]
Микробная синтрофия
[ редактировать ]Синтрофия часто используется синонимом для взаимного симбиоза, особенно между двумя разными видами бактерий. Синтрофия отличается от симбиоза таким образом, что синтрофические отношения в основном основаны на тесно связанных метаболических взаимодействиях, чтобы поддерживать термодинамически благоприятный образ жизни в данной среде. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Синтрофия играет важную роль в большом количестве микробных процессов, особенно в условиях ограниченных кислородов, метаногенных средах и анаэробных системах. [ 13 ] [ 14 ] В аноксических или метаногенных средах, таких как водно -болотные угодья, болоты, рисовые поля, свалок, пищеварительные тракты жвачных животных и анеробные дигестеры, используется для преодоления энергетических ограничений, поскольку реакции в этих средах приближаются к термодинамическому равновесию . [ 9 ] [ 14 ] [ 15 ]
Механизм микробной синтрофии
[ редактировать ]Основным механизмом синтрофии является удаление метаболических конечных продуктов одного вида, чтобы создать энергетически благоприятную среду для другого вида. [ 15 ] Это обязательное метаболическое сотрудничество необходимо для облегчения деградации сложных органических субстратов в анаэробных условиях. Сложные органические соединения, такие как этанол, пропионат , бутират и лактат , не могут быть непосредственно использованы в качестве субстратов для метаногенеза с помощью метаногенов. [ 9 ] С другой стороны, ферментация этих органических соединений не может происходить при ферментации микроорганизмов, если концентрация водорода не снижается до низкого уровня метаногенами. Ключевым механизмом, который обеспечивает успех синтрофии, является межвидовая перенос электронов. [ 16 ] Перенос электронов межвидового может проводиться с помощью трех способов: межвидовая перенос водорода , межвидовая передача формиата и межвидовая перенос электрона. [ 16 ] [ 17 ] Обратный электронный транспорт заметен в синтрофическом метаболизме. [ 13 ]
Метаболические реакции и энергия, связанная с синтрофической деградацией с помощью H 2 потребления: [ 18 ]
Классические синтрофические отношения могут быть проиллюстрированы активностью « Methanobacillus omelianskii ». Он был изолирован несколько раз от анаэробных отложений и осадка сточных вод и рассматривался как чистая культура анаэробного переоборудования этанола в ацетат и метана. На самом деле, однако, культура оказалась из метаногенного археона «организма MOH» и грамотрицательной бактерии «организма S», которая включает окисление этанола в ацетат и метан, опосредованный межвидовым переносом водорода . Люди организма S наблюдаются в виде облигатных анаэробных бактерий , которые используют этанол в качестве донора электронов , тогда как MOH - это метаногены , которые окисляют газовый водород для получения метана. [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]
Организм S: 2 этанол + 2 H 2 O → 2 ацетат − + 2 часа + + 4 ч 2 (ΔG ° '= +9,6 кДж на реакцию)
Штамм MOH: 4 H 2 + CO 2 → Метан + 2 H 2 O (ΔG ° '= -131 кДж на реакцию)
Совместная культура: 2 этанол + co 2 → 2 ацетат − + 2 часа + + Метан (Δg ° '= -113 кДж на реакцию)
Окисление этанола с помощью организма S стало возможным благодаря метаногену MOH, который потребляет водород, продуцируемый организмом S, путем превращения положительной свободной энергии Gibbs в свободную энергию отрицательной Gibbs. Эта ситуация способствует росту организма S, а также обеспечивает энергию для метаногенов путем потребления водорода. В будущем накопление ацетата также предотвращается сходной синтрофической взаимосвязи. [ 18 ] Синтрофическая деградация субстратов, таких как бутират и бензоат, также может произойти без потребления водорода. [ 15 ]
Пример деградации пропионата и бутирата при переносе межвидовых форм, выполненных взаимной системой Syntrophomonas Wolfei и Methanobacterium formicicum : [ 16 ]
Пропионат + 2h 2 o + 2co 2 → Ацетат - + 3formate - +3H + (Δg ° '= + 65,3 кДж/моль)
Butyrate+2H2O+2CO 2 → 2Acetate- +3Formate- +3H + Δg ° '= + 38,5 кДж/моль)
Прямая межвидовая перенос электронов (диета), которая включает в себя перенос электрона без какого-либо электронного носителя, такого как H 2 или формиат, в системе совместного культивирования Geobacter mettalireducens и Methanosaeto или Methanosarcina [ 16 ] [ 21 ]
Примеры
[ редактировать ]В жвачных веществах
[ редактировать ]Определяющей особенностью жвачных животных , таких как ковы и козы, является желудок, называемый рубцом . [ 22 ] Руман содержит миллиарды микробов, многие из которых являются синтрофическими. [ 14 ] [ 23 ] Некоторые анаэробные ферментирующие микробы в рубце (и других желудочно -кишечных трактах) способны разжигать органические вещества до коротких цепных жирных кислот и водорода. [ 14 ] [ 9 ] Накопление водорода ингибирует способность микроба продолжать ухудшать органическое вещество, но наличие синтрофических микробов, потребляющих водород, позволяет продолжать рост путем метаболизирования отходов. [ 23 ] Кроме того, ферментативные бактерии получают максимальный выход энергии, когда протоны используются в качестве акцептора электронов с одновременным производством H 2 . Организации водорода включают метаногены , сульфат-восстановители, ацетогены и другие. [ 24 ]
Некоторые продукты ферментации, такие как жирные кислоты , более двух атомов углерода, спирты дольше одного атома углерода, а также разветвленные и ароматические жирные кислоты, не могут быть непосредственно использовать в метаногенезе . [ 25 ] В процессах ацетогенеза эти продукты окисляются до ацетата и H 2 с помощью обязательных протонных бактерий в синтрофической взаимосвязи с метаногенной археей в качестве низкого парциального давления H 2 необходимы для того, чтобы ацетогенные реакции были термодинамически благоприятными (ΔG <0). [ 26 ]
Биодеградация загрязняющих веществ
[ редактировать ]Синтрофические микробные пищевые сети играют неотъемлемая роль в биоремедиации, особенно в условиях, загрязненной сырой нефтью и бензином. Загрязнение окружающей среды маслом имеет высокое экологическое значение и может быть эффективно опосредовано путем синтрофической деградации путем полной минерализации алкан , алифатических и углеводородных цепей. [ 27 ] [ 28 ] Углеводороды масла разбиваются после активации с помощью фумарата , химического соединения, которое регенерируется другими микроорганизмами. [ 29 ] Без регенерации микробы, разлагающие масло, в конечном итоге закончится фумарат, и процесс прекратится. Этот разрыв имеет решающее значение в процессах биоремедиации и глобального углерода. [ 29 ]
Синтрофические микробные сообщества являются ключевыми игроками в расщеплении ароматических соединений , которые являются общими загрязнителями. [ 28 ] Разложение ароматического бензотата в метан продуцирует промежуточные соединения, такие как формиат , ацетат , CO 2 и H 2 . [ 28 ] Создание этих продуктов делает термодинамически неблагоприятное деградацию бензоата. Эти промежуточные продукты могут метаболизировать синтрофически метаногенами и сделать процесс деградации термодинамически благоприятным [ 28 ]
Деградация аминокислот
[ редактировать ]Исследования показали, что бактериальная деградация аминокислот может быть значительно усилена в процессе синтрофии. [ 30 ] Микробы плохо растут на аминокислотных субстратах аланина , аспартата , серина , лейцина , валина и глицина, могут значительно увеличить их скорость роста с помощью Syntrophic H 2 . Эти мусорщики, такие как Methanospirillum и Acetobacterium , метаболизируют отходы H 2, полученные во время разбивки аминокислот, предотвращая токсическое наращивание. [ 30 ] Другим способом улучшения аминокислотной разбивки является межвидовая перенос электронов , опосредованный формиатом. Такие виды, как Desulfovibrio, используют этот метод. [ 30 ] Аминокислотные ферментирующие анаэробные анаэробные виды, такие как клостридий виды , пеппептрептококк Asacchaarolyticus , Acidaminococcus fermentans, как известно, аминокислоты, такие как глютамат с помощью водородных метаногенных партнеров, не проходя через обычный ферментации липкой . путь [ 14 ] [ 30 ]
Анаэробное пищеварение
[ редактировать ]Эффективная синтрофическая сотрудничество между окисляющими бактериями пропионата, ацетатными окисляющими бактериями, и метаногены, потребляющие ацетат H 2 /ацетат, необходимы для успешного проведения анаэробного расщепления для получения биометана [ 4 ] [ 18 ]
Примеры синтрофических организмов
[ редактировать ]- Syntrophomonas Wolfei [ 31 ]
- Syntrophobacter Funaroxidans [ 3 ]
- Пелотомакул термопропинич [ 3 ]
- Syntrophus aciditrophicus [ 15 ]
- Syntrophus buswellii [ 14 ]
- Syntrophus gendianae [ 32 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а беременный в Джентри, Терри Дж.; Пеппер, Ян Л.; Pierson, Leland S. (2015-01-01), Pepper, Ian L.; Герба, Чарльз П.; Джентри, Терри Дж. (Ред.), «Глава 19- Микробное разнообразие и взаимодействия в естественных экосистемах» , Микробиология окружающей среды (третье издание) , Сан-Диего: Академическая пресса, стр. 441–460, doi : 10.1016/b978-0- 12-394626-3.00019-3 , ISBN 978-0-12-394626-3 Получено 2023-12-27
- ^ Jump up to: а беременный Мариету, Анжелики (2021-01-01), Гадд, Джеффри Майкл; Sariaslani, Sima (Eds.), «Глава вторая - микроорганизмы восстановления сульфата в высокотемпературных нефтяных резервуарах» , Достижения в прикладной микробиологии , 116 , академическая пресса: 99–131, doi : 10.1016/bs.aambs.2021.03.004 343535055/bs.aambs.2021.03.004 , , PMID PMID 34353505/bs.aambs.2021.03.004, PMID 34353505/ Получено 2023-12-27
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и Schink B, Stams AJ (2013). «Синтрофизм среди прокариот» . В Розенберге Е, Делонг Эф, Лори С., Стейкбрандт Е (ред.). Прокариоты: прокариотические сообщества и экофизиология . Берлин, Гейдельберг: Спрингер. С. 471–493. doi : 10.1007/978-3-642-30123-0_59 . ISBN 978-3-642-30123-0 .
- ^ Jump up to: а беременный в Awake Y (2015-03–15). «Синтрофия в аареропном расщеплении » Аэробная биотехнология Императорская колледж Пресс. стр. 13–30. doi : 10.1142/ 9781732679910_ ISBN 978-1-78326-790-3 Полем Получено 2022-11-11 .
- ^ Jump up to: а беременный «Синтрофизм | Биология | Британская» . 2022-09-30. Архивировано из оригинала 2022-09-30 . Получено 2023-12-27 .
- ^ «Определение и смысл синтрофизма | Merriam-Webster Medical» . 2022-08-19. Архивировано из оригинала 2022-08-19 . Получено 2023-12-27 .
- ^ Hao L, Michaelsen TY, Singleton CM, Dottorini G, Kuukgaard RH, Albertsen M, et al. (Апрель 2020 г.). «Новые синтрофические бактерии в полномасштабных анаэробных усваивателях, удаленных Meterscriptomics Genome-Centrc » » ISME Журнал 14 (4): 906–9 Bibcode : 202014..14..906H Doi : 10.1038/ s41396-019-0571-0 PMC 7082340 31896784PMID
- ^ Дольдинг Дж (январь 2014 г.). «Синтрофия в микробных топливных элементах» . Журнал ISME . 8 (1): 4–5. Bibcode : 2014ismej ... 8 .... 4d . doi : 10.1038/ismej.2013.198 . PMC 3869025 . PMID 24173460 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Моррис Б.Е., Хеннебергер Р., Хубер Х, Моисл-Эйчингер С (май 2013). «Микробная синтрофия: взаимодействие для общего блага» . Обзоры микробиологии FEMS . 37 (3): 384–406. doi : 10.1111/1574-6976.12019 . PMID 23480449 .
- ^ Sieber JR, McInerney MJ, Gunsalus RP (2012). «Геномный понимание синтрофии: парадигма анаэробного метаболического сотрудничества». Ежегодный обзор микробиологии . 66 : 429–452. doi : 10.1146/annurev-micro-090110-102844 . PMID 22803797 .
- ^ McInerney MJ, Sieber JR, Gunsalus RP (декабрь 2009 г.). «Синтрофия в анаэробных глобальных углеродных циклах» . Текущее мнение о биотехнологии . 20 (6): 623–632. doi : 10.1016/j.copbio.2009.10.001 . PMC 2790021 . PMID 19897353 .
- ^ McInerney MJ, Rohlin L, Mouttaki H, Kim U, Krupp RS, Rios-Hernandez L, et al. (Май 2007). «Геном Syntrophus Aciditrophicus: жизнь на термодинамическом пределе роста микробных» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (18): 7600–7605. Bibcode : 2007pnas..104.7600M . doi : 10.1073/pnas.0610456104 . PMC 1863511 . PMID 17442750 .
- ^ Jump up to: а беременный McInerney MJ, Sieber JR, Gunsalus RP (декабрь 2009 г.). «Синтрофия в анаэробных глобальных углеродных циклах» . Текущее мнение о биотехнологии . Химическая биотехнология ● Фармацевтическая биотехнология. 20 (6): 623–632. doi : 10.1016/j.copbio.2009.10.001 . PMC 2790021 . PMID 19897353 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый и фон Worm P, Müller N, Plugge CM, Stams AJ, Schink B (2010). «Синтрофия в метаногенной деградации». (Эндо) Симбиотический метаногенный археи . Микробиологические монографии. Тол. 19. Берлин, Гейдельберг: Спрингер. С. 143–173. doi : 10.1007/978-3-642-13615-3_9 . ISBN 978-3-642-13614-6 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Джексон Б.Е., Макинерни М.Дж. (январь 2002 г.). «Анаэробный микробный метаболизм может достигать термодинамических ограничений». Природа . 415 (6870): 454–456. Bibcode : 2002natur.415..454J . doi : 10.1038/415454a . PMID 11807560 . S2CID 9126984 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Zhang M, Zang L (2019). «Обзор переноса электронов в анаэробном пищеварении» . IOP Conf. Ser: Earth Environ . 310 (4): 042026. BIBCODE : 2019E & ES..310D2026Z . doi : 10.1088/1755-1315/310/4/042026 . S2CID 202886264 .
- ^ Rotaru AE, Shresta PM, Liu F, Ueki T, Nevin K, Summers ZM, Lovley Dr (ноябрь 2012 г.). «Межвидовая передача электронов через водород и формиат, а не прямые электрические соединения в сокультурах Pelobacter carbinolicus и Geobacter sulfurreducens» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (21): 7645–7651. Bibcode : 2012apenm..78.7645r . doi : 10.1128/aem.01946-12 . PMC 3485699 . PMID 22923399 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Zhang Y, Li C, Yuan Z, Wang R, Angelidaki I, Zhu G (2023-01-15). «Механизм синтрофии, микробная популяция и оптимизация процессов для метаболизма летучих жирных кислот при анаэробном расщеплении». ХИМИЧЕСКИЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ ЖУРНАЛ . 452 : 139137. Bibcode : 2023Chenj.45239137Z . doi : 10.1016/j.cej.2022.139137 . ISSN 1385-8947 . S2CID 252205776 .
- ^ Wrede C, Dreier A, Kokoschka S, Hoppert M (2012). «Архея в симбиозах» . Археи . 2012 : 596846. DOI : 10.1155/2012/596846 . PMC 3544247 . PMID 23326206 .
- ^ Моррис Б.Е., Хеннебергер Р., Хубер Х, Моисл-Эйчингер С (май 2013). «Микробная синтрофия: взаимодействие для общего блага» . Обзоры микробиологии FEMS . 37 (3): 384–406. doi : 10.1111/1574-6976.12019 . PMID 23480449 .
- ^ Dubé CD, Guiot SR (2015). «Прямая межвидовая передача электронов в анаэробном пищеварении: обзор». Биогаза Наука и Технология . Достижения в области биохимической инженерии/биотехнологии. Тол. 151. С. 101–15. doi : 10.1007/978-3-319-21993-6_4 . ISBN 978-3-319-21992-9 Полем PMID 26337845 .
- ^ «Что такое рубца» . Animalmart.org . Получено 2022-11-21 .
- ^ Jump up to: а беременный Нг Ф., Киттельманн С., Патчетт М.Л., Аттвуд Г.Т., Янссен П.Х., Раконджак Дж., Gagic D (сентябрь 2016 г.). «Адгезин из водорода, использующего метаноген метанобро, метанобровибактер Methanobrevibacter M1, связывает широкий спектр микроорганизмов, продуцирующих водород» . Экологическая микробиология . 18 (9): 3010–3021. doi : 10.1111/1462-2920.13155 . PMID 26643468 .
- ^ Сапкота А (2022-07-12). «Синтрофизм или синтрофическое взаимодействие- определение, примеры» . Биологические примечания . Получено 2022-11-21 .
- ^ Kang D, Saha S, Kurade MB, Basak B, Ha G, Jeon B, et al. (Июль 2021 г.). «Операция с двойной стадией импульсной кормления усилила метанацию липидных отходов во время совместной дигезии с использованием акклиматизированных консорциумов». Возобновляемые и устойчивые обзоры энергии . 145 : 111096. DOI : 10.1016/j.rser.2021.111096 . ISSN 1364-0321 . S2CID 234830362 .
- ^ Stams AJ, De Bok FA, Plugge CM, Van Eekert MH, Dolfing J, Schraa G (март 2006 г.). «Перенос экзоцеллельного электрона в анаэробных микробных сообществах». Экологическая микробиология . 8 (3): 371–382. Bibcode : 2006envmi ... 8..371s . doi : 10.1111/j.1462-2920.2006.00989.x . PMID 16478444 .
- ^ Callaghan AV, Morris BE, Pereira IA, McInerney MJ, Austin RN, Groves JT, et al. (Январь 2012 г.). «Последовательность генома DesulfAtibacillum Alkenivorans AK-01: план анаэробного окисления алкана». Экологическая микробиология . 14 (1): 101–113. Bibcode : 2012envmi..14..101c . doi : 10.1111/j.1462-2920.2011.02516.x . PMID 21651686 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Ferry JG, Wolfe RS (февраль 1976 г.). «Анаэробная деградация бензотата в метана с помощью микробного консорциума». Архив микробиологии . 107 (1): 33–40. Bibcode : 1976mic.107 ... 33f . doi : 10.1007/bf00427864 . PMID 1252087 . S2CID 31426072 .
- ^ Jump up to: а беременный Callaghan AV, Morris BE, Pereira IA, McInerney MJ, Austin RN, Groves JT, et al. (Январь 2012 г.). «Последовательность генома DesulfAtibacillum Alkenivorans AK-01: план анаэробного окисления алкана». Экологическая микробиология . 14 (1): 101–113. Bibcode : 2012envmi..14..101c . doi : 10.1111/j.1462-2920.2011.02516.x . PMID 21651686 .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Zindel U, Freudenberg W, Rieth M, Andreesen Jr, Schnell J, Widdel F (июль 1988 г.). «Eubacterium acidaminophilum sp. Nov., Универсальный аминокислотный анаэрос, продуцирующий или использующий H2 или формиат». Архив микробиологии . 150 (3): 254–266. Bibcode : 19888mic.150..254z . doi : 10.1007/bf00407789 . ISSN 0302-8933 . S2CID 34824309 .
- ^ McInerney MJ, Bryant MP, Hespell RB, Costerton JW (апрель 1981). «Syntrophomonas wolfei Gen. Nov. Sp. Nov., Анаэробная, синтрофическая бактерия, окисляющая жирные кислоты» . Прикладная и экологическая микробиология . 41 (4): 1029–1039. Bibcode : 1981apenm..41.1029m . doi : 10.1128/aem.41.4.1029-1039.1981 . PMC 243852 . PMID 16345745 .
- ^ Schöcke L, Schink B (сентябрь 1998 г.). «Мембраносвязанная протон-транслокация пирофосфатазы синтрофуса Gentianae, синтрофически деградирующей бензоат-ферментирующей бактерии» . Европейский журнал биохимии . 256 (3): 589–594. doi : 10.1046/j.1432-1327.1998.2560589.x . PMID 9780235 .