Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Экология микроорганизмов экстремальных водных систем: Учебное пособие

Голосов: 2

В учебном пособии изложены современные аспекты экологии микроорганизмов, даны определения и понятия микробной экологии. Рассмотрены вопросы структуры и функционирования микробного сообщества в экстремальных водных системах Байкальского региона (содово-соленые озера, холодные и горячие минеральные источники, озеро Байкал). Пособие содержит методы исследования экологии микроорганизмов. Предназначено для студентов биологических специальностей высших учебных заведений.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    от 45 до 60 оС и в диапазоне pH от 7,0 до 9,5 (Намсараев, 2003).
   Из термального источника Гарга (Северное Прибайкалье)
Т.Н. Назиной (2004) выделена новая термофильная спорообразую-
щая бактерия Geobacillus gargiensis, утилизирующая различные са-
хара, карбоновые кислоты и углеводороды. Оптимум температуры
развития культуры составлял 60-65 оС и pH 7,0-8,5.
   Широкое распространение аэробных термофильных органо-
трофных бактерий разных физиологических групп отмечено в азот-
ных термах Монголии, которые по физико-химическому составу
близки к водам азотных терм Прибайкалья. В данных исследовани-
ях показана роль температурного фактора для развития бактерий
различных физиологических групп. При температуре от 20 до
54,5 оС общее количество бактерий было выше, чем при 55-92 оС. В
теплых минеральных водах с температурой 20,4 оС установлено вы-
сокое содержание сапрофитов, отмечен сильный рост аэробных
целлюлолитиков. Для горячих минеральных вод с температурой 48-
56 оС характерна высокая численность сапрофитов – до 5440 кл/мл,
что объясняется наличием в воде достаточного количества легко-
разлагаемого органического вещества. В этих водах наблюдался
сильный рост фенолокисляющих бактерий. В небольшом количест-
ве обнаружены аэробные целлюлозоразлагающие бактерии (Геохи-
мия подземных вод МНР, 1976).


    3.2. АЛКАЛОФИЛЬНЫЕ И ГАЛОАЛКАЛОФИЛЬНЫЕ
              МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА


    Структура алкалофильного и галоалкалофильного
                 микробных сообществ

   Характерной особенностью содово-соленых озер является высо-
кая концентрация солей и щелочные условия. Это создает экстре-
мальные условия для развития биоты в водной толще и донных от-
ложениях. Физико-химические условия гиперсоленых содовых во-
доемов препятствуют развитию в них эукариотного сообщества,
при этом прокариотная микробная популяция представлена крайне
разнообразно. Описанию микрофлоры содовых водоемов как цело-
                              41


стных экосистем посвящено несколько обзоров (Jones et al., 1998;
Заварзин и др., 1999; Grant and Jones, 2000; Zavarzin and Zhilina,
2000; Заварзин и Жилина, 2000; Tiago, 2004; Tindall, 2004).
   Существуют различные классификации микроорганизмов по от-
ношению к рН (Krulwich, Guffanti, 1989; Wiegel, 1998; Хорикоши,
1999). По Вигелю, к алкалофилам относят микроорганизмы с опти-
мумом рН выше 8,5 и максимальным рН развития выше 10. Выде-
ляют также группы факультативных алкалофилов с минимальным
рН развития менее 8 и облигатных алкалофилов с минимальным рН
выше 8. К алкалотолерантам относятся организмы с оптимумом рН
менее 8,5 и максимальным рН развития выше 9 (Wiegel, 1998).
   Хорикоши называет алкалофильными микроорганизмы, которые
растут при щелочных значениях рН с оптимумом роста выше 8
(обычно между 9 и 10), способны к культивированию при значени-
ях рН>11, но не растут или растут медленно при значениях рН,
близких к нейтральной. Облигатные алкалофилы неспособны к рос-
ту при нейтральных значениях рН среды и обычно не растут при
рН<8. Алкалотолерантные организмы способны расти при щелоч-
ных значениях, но имеют оптимум для роста в кислой или ней-
тральной областях (Horikoshi, 1999; Grant and Jones, 2000).
   Исследования разнообразия микроорганизмов в сообществах со-
довых озер в последнее десятилетие велись по двум направлениям:
1) изучение культивируемых представителей различных трофиче-
ских групп; 2) изучение микробного сообщества при помощи моле-
кулярно-биологических методов (в частности денатурирующего
градиентного гель-электрофореза). Полученные данные обобщены в
нескольких обзорах и статьях (Duckworth et al., 1996; Jones et al.,
1998; Заварзин и др., 1999, Rees et al., 2004).
   За последние годы из содовых озер мира и, в частности, из озер
Забайкалья и Монголии выделяются новые микроорганизмы, обла-
дающие различными функциональными свойствами. Микробное
сообщество содовых озер представлено функциональными группи-
ровками продуцентов и деструкторов.
   Первичные и вторичные продуценты ОВ. Первичная продукция
в содовых озерах создается главным образом за счет активного раз-
вития галоалкалофильных форм цианобактерий – планктонных,
развивающихся в глубоких водоемах, и бентосных – обитателей
некоторых мелководных озер и лагун. Эти организмы способны
                                42


фиксировать углекислоту в органический углерод биомассы за счет
энергии солнца, тем самым обусловливая высокую продуктивность
содовых водоемов, достигающую 10 г С/(м2 сут) (Melack, Kilham,
1974; Grant, 1990).
    В озерах с низкой минерализацией доминируют представители
р. Arthrospira, Cyanospira и ряд одноклеточных цианобактерий
(Grant and Tindall, 1986; Jones et al., 1998). В содовых озерах Тувы
преобладают виды р. Oscillatoria (Герасименко и др., 1996). Пред-
ставители этого рода также широко распространены в низкомине-
рализованных озерах Забайкалья. Наряду с ними распространены
виды р. Anabaena, Arthrospira, Phormidium (Брянская, 2002).
    В высокоминерализованных озерах (например Магади) развитие
цианобактерий затруднено из-за низкой растворимости кислорода в
рассолах, поэтому массовое цветение наблюдается только в мелко-
водных лагунах или при опреснении водоемов в дождливый период.
Доминирующим продуцентом в Магади является Spirulina. В
оз. Магади определено также большое количество алкалофильных
цианобактерий,       относящихся        к    различным      таксонам:
р. Synechocystis,     Aphanothece,        Phormidium,     Oscillatoria,
Chamaesiphon и др. (Дубинин и др., 1995). В бентосных микробных
сообществах, обнаруженных в том числе в оз. Хилганта (Забайка-
лье), характерными представителями являются нитчатые цианобак-
терии Microcoleus, Phormidium и одноклеточные цианобактерии
(Герасименко и др., 1996).
    Кроме группы цианобактерий продуцентами органического ве-
щества являются аноксигенные фототрофные пурпурные бактерии,
развитие которых является одной из наиболее характерных особен-
ностей для содовых водоемов.
    Основная функция аноксигенных фототрофов в сообществе со-
довых озер – регенерация сульфата путем анаэробного окисления
сульфида, образуемого сульфатвосстанавливающими бактериями,
сопряженная с вторичной продукцией органического вещества
(Горленко, Брянцева, 2004).




                                  43


                                                            Таблица 3

             Скорости фотосинтеза и темновой фиксации
         в донных осадках содово-соленых озер (мг С/ кг сут)

 Озеро                  М,    Дата Фотосин- Аноксигенный Темновая
                        г/л          тез     фотосинтез фиксация

 Хотонтын нуур         360    09.99   10,9                      0,31
 Шара Бурдийн нуур     210    09.99   31,58          -           3,6
 Дзун Давст нуур       215    09.99 15,7-23,9        -       0,43-0,51
 Барун Давст нуур      212    09.99    40,5          -          1,08
 Хилганта               30    04.04                  -          1,36
 Дзун Улздийн нуур      50    09.99   2,02          0,3          1,2
 Гурваны нуур-2         50    09.99    1,9           -           7,3
 Бага нуур              56    09.99    7,5          3,7          1,4
 Цайдам нуур            20    09.99 3,2-3,6          -           0,3
 Гурваны нуур-1         20    09.99   18,2         1,36          1,6
 Дзун Эрэйниин нуур     19    09.99   10,8         0,92         0,82
 Горбунка               8,4   07.95   23,5         11,6          8,6
 Соленое               11,4   06.02   0,08      0,06-0,01      0,024
 Верхнее Белое          9,4   07.99   68,0         18,3         7,74
 Тосон                  7,6   09.99   16,8        11,63         1,63
 Мунхт нуур                   09.99    0,6           -          0,19
 Илим Тором             2,5   07.95   29,3          8,7         1,71


   Типичными для содовых озер являются серные пурпурные бак-
терии рода Ectothiorhodospira, которые окисляют сероводород в
сульфат с промежуточным отложением серы вне клетки. В слабо-
минерализованных содовых озерах обнаруживаются пурпурные
серные бактерии, относящиеся к родам Amoebobacter, Thiocapsa,
Thiolamprovum (неподвижные кокки с газовыми вакуолями),
Allochromatium, Marichromatium (мелкие неподвижные палочки без
газовых вакуолей), несерные пурпурные бактерии Rhodobacter,
Rhodovulum (Madigan, 2003).
   Массовое развитие аноксигенных фототрофных бактерий на-
блюдали в мелководной прибрежной зоне озер Юго-Восточного
Забайкалья в составе цианобактериальных матов толщиной от мил-

                                 44


лиметра и до нескольких сантиметров, а также на разлагающемся
растительном материале (Брянцева, 2000). Практически во всех озе-
рах присутствовали пурпурные серные бактерии семейств
Ectothiorhodospiraсеае и Chromatiaceae, несерные пурпурные бак-
терии и зеленые нитчатые бактерии рода Oscillochloris. Доминиро-
вали бактерии рода Ectothiorhodospira или представители семейства
Chromatiaceae. В оз. Хилганта встречаются представители родов
Allochromatium, Thiocapsa, Rhodovulum (Компанцева, 2001).
   К настоящему времени описано несколько новых родов пурпур-
ных бактерий – серные Thiordospira (Bryantseva et al., 1999),
Thioalkalicoccus (Bryantseva et al., 2000), Ectothiorhodosinus (Гор-
ленко и др., 2004), несерная Rhodobaca (Milford et al., 2000). При
исследовании центрально-азиатских содовых озер обнаружено мас-
совое развитие спиральной, в виде сжатой пружины, спорообразю-
щей гелиобактерии, отнесенной к новому роду – Helliorestis
daurensis (Брянцева и др., 1999). Бактерия растет оптимально при
pH 9,0 с пределами 7,5-10,0 и использует в качестве источника уг-
лерода только пируват или ацетат.
   Деструкционная часть микробного сообщества содово-соленых
экосистем представлена галоалкалофильными микроорганизмами,
относящимися к разным систематическим группам и физиологиче-
ски являющимися аэробами и анаэробами. Процесс деструкции ор-
ганического вещества является важнейшим процессом, определяю-
щим существование биологического круговорота элементов в при-
роде и обеспечивающим устойчивость биоценозов.

   Первичные деструкторы ОВ.
   Аэробные алкалофилы. Аэробные алкалофилы, населяющие со-
довые озера и способные использовать как продукты фотосинтеза,
так и продукты анаэробной деструкции, весьма разнообразны. Ал-
калофильные аэробные органотрофные бактерии преобладают в
низкоминерализованных содовых озерах. Большинство изолятов –
это грамотрицательные бактерии, представители γ3-подгруппы
Proteobacteria, относящиеся к членам семейства Halomonadaceae
(Romano, 1996, 2005). Другие грамотрицательные изоляты относят-
ся к группе 1 Pseudomonas. Эти изоляты в основном представляют
интерес для биотехнологической промышленности с целью получе-
ния щелочных ферментов (Grant and Jones, 2000). Грамположитель-
                                45


ные изоляты более распространены. Обнаружены микроорганизмы
с высоким и низким содержанием Г+Ц в ДНК. Бактериями с высо-
ким содержанием Г+Ц являются представители родов Arthrobacter,
Terrabacter и Dietzia. Бактериями с низким содержанием Г+Ц, в ос-
новном являются представители бацилл: Bacillus alcalophilus,
B. аgaradherens и B. clarkii (Nielsen, 1994; Jones et al., 1998).
   Организмы родов Deleya-Halomonas развиваются в условиях по-
вышенной солености, и поэтому ассоциация алкалофильных копио-
трофов с ним обоснована. Небольшая группа штаммов была отне-
сена к группе энтеробактерий Vibrio/Alteromonas. Грамположитель-
ные организмы, выполняющие деструкцию липидов и белков, отно-
сились к роду Bacillus (Jones, 1994). Из образцов содовых почв чаще
всего выделяются спорообразующие бациллы, относящиеся к груп-
пе Bacillus firmus – B. lentus. Среди алкалофильных бацилл описан
грамотрицательный вид – B. horti (Denariaz, 1989; Yumoto, 1998).
Выделение споровых организмов отчасти обусловлено тем, что они
имеют переживающие стадии, выдерживающие высушивание в
сильноминерализованном почвенном растворе, и поэтому сохраня-
ются в сухих образцах.
   Из оз. Богория (Африка) выделены бациллы, обладающие вне-
клеточными щелочными амилазами, активными при рН 10 и темпе-
ратуре 55 °С (Hashim et al., 2004). Также амилолитической активно-
стью обладает новый род Alkalimonas (Ma et al., 2004) и изоляты,
выделенные из оз. Элементейта (Кения), содовых озер Китая и
Эфиопии (Martins et al., 2001). Липолитические организмы в основ-
ном относятся к псевдомонадам, а штамм из оз. Натрон принадле-
жат к роду Stenotrophomonas (Dobson, 1996; Franzmann, 1998). Ли-
политики, выделенные из оз. Богория принадлежат р. Halomonas,
близкими Н. desiderata, и представителям рода Bacillus, близкими B.
halodurans, B. alcalophilus, B. licheniformis (Denariaz, 1986; Berendes,
1996).
   Таким образом, с функциональной стороны органотрофные ал-
калофилы способны использовать все природные субстраты. Дру-
гую группу аэробов составляют организмы «бактериального фильт-
ра», использующие продукты анаэробной деградации.
   Анаэробные алкалофилы. В процесс анаэробной деструкции ор-
ганического вещества вовлечены четыре основные трофические
группы микроорганизмов: гидролитики, которые разлагают органи-
                                  46


ческое вещество; копиотрофные бродильщики, использующие рас-
творимые соединения; диссипотрофные бродильщики, которые
утилизуют олигомеры; вторичные анаэробы, утилизующие продук-
ты брожения (Заварзин, 1993; Olliver, 1994).
   Анаэробные деструкторы содовых озер до начала 90-х гг. прак-
тически не исследовались. Их изучение было инициировано гипоте-
зой Г.А. Заварзина о микробных сообществах содовых озер как це-
лостной системы с присущими ей трофическими связями (Заварзин,
1970) и выполнено усилиями руководимой им лаборатории.
   Представление анаэробных алкалофилов содовых озер логично
начать с деструкторов полимеров. Основной полимер – целлюлоза,
которая является компонентом клеточной стенки цианобактерий.
Кроме того, в степные мелководные озера целлюлоза поступает с
береговым сносом.
   Разложение целлюлозы является важным процессом в функцио-
нировании микробного сообщества содовых озер. Возможность
развития целлюлозоразлагающего сообщества в условиях высокой
карбонатной щелочности и рН 10 была установлена получением
активных накопительных культур на целлюлозе из содового оз. Ма-
гади (Zhilina and Zavarzin, 1994). Филогенетический анализ накопи-
тельных целлюлозоразлагающих культур из озер Вади-эль-Натрун
позволил идентифицировать целлюлазные гены в этих культурах
(Grant et al., 2004).
   Чистая культура целлюлозолитической анаэробной алкалофиль-
ной бактерии Clostridium alkalicellulosi была выделена из проб низ-
коминерализованного содового озера Верхнее Белое (Жилина и др.,
2005). Организм – облигатный экстремальный алкалофил с оптиму-
мом роста при рН 9 и областью рН 8,0-10,2. Он оказался высоко-
специализированным к росту на целлюлозе, не использовал моно-
сахара, органические кислоты, белки или липиды как энергетиче-
ский источник для роста, а из дисахаридов использовал только цел-
лобиозу. Из большого списка углеводов он использовал только цел-
люлозу, целлобиозу, а также ксилан.
   Целлюлозолитики находятся в начале трофической цепи и дают
возможность развитию первичных анаэробов сахаролитического
пути в сообществе.
   Из сахаролитических анаэробов алкалофильного сообщества со-
довых озер были выделены спирохеты (Zhilina et al., 1996a; Кев-
                                47


брин, 1997: Hoover, 2003). В анаэробном сообществе спирохеты за-
нимают функциональное положение диссипотрофов – организмов,
гидролитическая активность которых невысока и ограничена водо-
растворимыми сахарами, используют низкомолекулярные вещества,
рассеиваемые из мест их разложения гидролитиками. Из оз. Верх-
нее Белое (Бурятия) выделены представители видов бактерий
Alkalibacter saccharofermetans (Garnova et al., 2004), Anoxynatronum
sibiricum (Garnova et al., 2003) и первый анаэробный алкалофильный
микроорганизм Clostridium alcalicellum, разлагающий целлюлозу
(Жилина, 2005). Сахаролитические бактерии занимают промежу-
точное положение между гидролитиками и вторичными анаэробами.
    Из проб оз. Верхнее Белое был выделен представитель аэротоле-
рантных анаэробных цитофаг Alkaliflexus imshenetskii, филогенети-
чески принадлежащий к группе Cytophaga / Flavobacterium /
Bacteroides на уровне самостоятельного рода (Zhilina et al., 2004).
Наличие клонов этой филогенетической группы в высокоминерали-
зованных содовых озерах было показано Humayoun et al. (2003);
Rees et al. (2004). Alkaliflexus imshenetskii способен разлагать очень
широкий круг полисахаридов, как запасных, так и входящих в
структурные компоненты, но выделенные штаммы оказались не-
способными гидролизовать целлюлозу, рост на волокнах которой
обнаруживался прямым наблюдением. Организм лучше всего рос
на крахмале и целлобиозе и значительно хуже на мальтозе и глюко-
зе. Он обладал выраженной ксиланолитической способностью и
гидролизовал помимо ксилана также крахмал, гликоген, декстран,
декстрин, пектин, пуллулан. Из сахаридов использовались арабино-
за, ксилоза, глюкоза, галактоза, манноза, целлобиоза, мальтоза, са-
хароза, трегалоза, N-ацетилглюкозамин. Слабый рост был отмечен
на биомассе спирулины без заметного разрушения клеток. Клеточ-
ная масса при культивировании и на свету, и в темноте была окра-
шена в розовый лососевый цвет благодаря синтезу каротиноидных
пигментов с максимумом поглощения при 485 нм. Однако флекси-
рубин как доминирующий пигмент многих цитофаг отсутствовал.

   Вторичные анаэробные деструкторы ОВ.
   Существует специализированная группа микроорганизмов, у ко-
торых ацетат является единственным продуктом метаболизма, – это
группировка ацетогенов. В культуру получен экстремально галоал-
                                 48


калофильный хемоорганотрофный ацетоген Natroniella acetigena
(Zhilina, 1996b). В трофической системе алкалофильного сообщест-
ва Natroniella утилизирует продукты гидролиза биополимеров, т.е.
является типичным диссипотрофом. Другой представитель ацето-
генных микроорганизмов – Tindallia magadiensis (Kevbrin, 1998).
Организм специализирован на сбраживании некоторых аминокис-
лот (аргинин, орнитин, цитруллин) и органических оксикислот и не
использует углеводы. Основными продуктами обмена являются
ацетат и аммоний. В качестве минорных продуктов образуются
пропионат и водород.
   В алкалофильном микробном сообществе деятельность ацетоге-
нов проявляется в полной мере, хотя гомоацетатные бактерии не
могут конкурировать с сульфидогенами за водород.
   Сульфидогенез в содовых водоемах служит наиболее характер-
ным процессом, функционирующим на терминальном этапе дест-
рукции ОВ (Горленко и др., 1999). Первым алкалофильным суль-
фатредуктором, выделенным в чистую культуру, является неспоро-
вый Desulfonatronovibrio hydrogenovorans, выделенный из оз. Мага-
ди (Кения) (Zhilina, 1997). Из оз. Хадын (Тува) выделен спорообра-
зующий сульфатредуктор Desulfonatronum lacustre (Пикута, 1998).
Открытие алкалофильных сульфатредукторов дает микробиологи-
ческое обоснование давно известному процессу сульфидогенеза в
содовых озерах как начальному этапу серного цикла с массовым
развитием пурпурных серных бактерий и заключительному этапу
анаэробного разложения органического вещества, в котором они
играют роль стока водорода.
   Метаногенные бактерии функционируют на заключительном
этапе анаэробной деструкции, находясь в тесном взаимодействии с
микроорганизмами, выделяющими водород. Метан в содовых озе-
рах образуется автотрофным и не конкурентным метилотрофным
путем, причем расход углерода ОВ на эти процессы минимален по
сравнению с сульфатредукцией (Намсараев и др., 1999). Алкало-
фильные метилотрофные метаногены включают ряд организмов,
принадлежащих к разным родам: Methanosalsum, Methanolobus
(Oremland and Boone, 1986; Mathrani, 1994; Liu, 1990; Sorokin, 2004,
2005). Из всех возможных путей метаногенеза именно метилотроф-
ный путь является наиболее энергетически выгодным в условиях
высокой минерализации (Oren, 1999).
                                49


                                                         Таблица 4

         Скорость сульфатредукции (с/р) и расход углерода
              в донных осадках содово-соленых озер

 Озеро                  Дата    М, г/л   С/р, мг S /     Расход,
                                            кг сут         мг С
 Хотонтын нуур          09.99    360      0,78-1,49     0,59-1,12
 Дзун Давст нуур        09.99    215      0,34-0,45     0,26-0,33
 Баруун Давст нуур      09.99    212     0,33-16,06    0,25-12,04
 Шара Бурдийн нуур      09.99    210      0,28-3,03     0,21-2,27
 Гурваны нуур-2         09.99     50        23,96          17,97
 Дзун Улдзийн нуур      09.99     50       1,87-3,4       1,4-2,5
 Хилганта               07.95     46       1,05-8,9      0,84-6,7
 Хилганта               04.04     30     1,45-38,33     1,08-28,7
 Горбунка               04.04     20         0,08          0,06
 Цайдам нуур            07.95     20      0,88-1,16     0,66-0,89
 Гурваны нуур-1         09.99     20     11,21- 4,28    8,41-10,71
 Дзун Эрэйниин нуур     09.99     19          9,8           7,4
 Дабаса нур             09.99     17      25,5-67,9    19,12-50,92
 Соленое                06.02    11,4     0,35-0,64     0,26-0,48
 Верхнее Белое          07.95    9,4         4,38          3,28
 Верхнее Белое          06.02    9,0     51,0-69,04    38,24-54,28
 Горбунка               07.95     8,3     0,15-1,26     0,11-1,02
 Сульфатное             06.02      8      2,4-35,43     1,8-26,57
 Нижнее Белое           06.02    3,8        30,97          23,23
 Илим Тором             07.95    2,5      0,39-29,0    0,29-21,75
 Барун Торей            07.95     1,8      0,6-1,38     0,45-1,03


   Алкалофильный аэробный бактериальный фильтр. Восстанов-
ленные газы (сероводород, аммиак и метан), образуемые анаэроб-
ными организмами при переходе в аэробную зону, могут служить
субстратами для литотрофных организмов, которые формируют
окислительный фильтр. Его исследовал на примере содовых озер
Кении и Забайкалья Д.Ю. Сорокин. Он обнаружил в них ранее не
известные экстремально алкалофильные тионовые бактерии, кото-
рые окисляют серные соединения, в том числе сероводород при pH
10, и алкалофильные водородокисляющие бактерии. Но неожидан-
                                50



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика