Г.А. Заварзин - Лекции по природоведческой микробиологии (1125587), страница 10
Текст из файла (страница 10)
— водородную метанобразующую бактерию, которая превращает Нз в инертный метан. Реакция выделения Н из этанола термодинамически невыгодна и становится возможной лишь при глубоком удалении Нз из сферы реакции. В результате суммарная реакция термодинамически возможна и способна обеспечить оба организма необходимой энергией. Реакция была названа межвидовым переносом водорода. За этой работой последовала целая серия других, и был разобран ряд реакций с бинарными культурами. Организмы, способные к развитию при условии, что Нз удаляется из сферы реакции, получили название сиптрофов и составили особую функциональную группу в сообществе. Межвидовой перенос водорода составляет промежуточное звено между первичными и вторичными аназробами.
Синтрофы развиваются совместно с Нз-использующими анаэ42 робными организмами гидрогенотрофами. Среди них важны две группы: литотрофные метаногены и литотрофные сульфидогены. Был описан целый ряд культур, в которых аназробное окисление субстрата обусловлено присутствием Нз-использующего компонента. Для термодинамической разрешенности за счет удаления Нз из сферы реакции важен тот нижний предел концентрации, до которого тот или иной организм способен удалять Нг Довольно быстро было установлено, что сульфатвосстанавливающне бактерии в этом отношении эффективнее метаногенов.
Но для независящего от внешних акцепторов сообщества важны метаногены, поскольку СОь служащий акцептором для них, образуется первичными анаэробами. Такая работа была выполнена с чистыми культурами метаногенов на основе использования высокочувствительного твердо- электролитного детектора Нз у нас в лаборатории Института микробиологии РАН. Концентрацию Нз измеряли в газовой фазе, которая предположительно находится в равновесии с жидкой по закону Генри (концентрация растворенного газа находится в равновесии с газовой фазой пропорционально парциальному давлению). Содержание газа измеряется в ррш (рапез рго ш1111оп), т.е. 10-6 по объему. Оказалось, что водородные метаногены имеют определенные порогщ до которых они могут снижать содержание Нн Для мезофильных МейапоЬас1ег(ит эта величина была около 5 ррш, а для Мейапозагппа — около 50 ррш.
Для термофильных МейопоЬас~егшт пороговая величина была существенно выше, чем для мезофильных, н составляла 20-30 ррш. Для метаногенного сообщества навоза (а оно представляет богатейший набор разных видов) пороговые концентрации точно соответствовали пороговым значениям для чистых культур водородных метаногенов. Повышение концентрации Нз служит сигналом разбалансированности в работе сообщества вследствие какого-либо стресса.
Определение нижнего порога концентрации Н, стало стандартным приемом и осуществляется очень просто — определяют концентрацию Нз в культуре в конце стационарной фазы роста при лимите по водороду. Выделение и потребление Нз осуществляется гидрогеназами, катализирующими обратимую реакцию Н = 2Н+ + 2е-. Следовательно, можно ожидать, что устанавливаются некоторые равновесные концентрации Нп Впервые такая равновесная концентрация была установлена при разложении метанола МегЬапозагс(па. При выделении чистой культуры метаносарцины Т.Н.
Жилина обнаружила в качестве упорного спутника Оези((ог(Ьг(о ги!яаг(з, который метанол не использует, а на Н2 растет. Оказалось, что метилотрофные метаногены при росте на метиламинах поддерживают стационарную концентрацию Н, за счет его выделения. Таким образом, в бинарной культуре Мейапозагс(па + с)ези(гог(Ьг(о метаноген выполнял роль синтрофа по отношению к сульфндогену.
43 ьл гя 11 я-1 01 ! с я 2.1.4. С-2 путь и ацетогенез ь4 я1Ь аф Сейчас известен ряд пороговых значений для разных групп вторичных Нз-использующих литотрофных анаэробов. Они располагаются в следующем порядке: Гомоацетатные Около 1000 ррах Метанобразующне 100-10 Сульфатвосстанавливающис 10-1 Жслсзовосстанавлнвающне 1-0,1 Аэробные водородные Менее 0,1 Межвидовой перенос водорода подвел черту под эпохой исключительного господства чистых культур в бактериологии, юридически закрепленного Иерусалимским кодексом номенклатуры бактерий, по которому узаконивались только "чистые культуры в международно признанных коллекциях".
Этот перелом проходил в 1980-х годах н до снх пор еще не вполне осознан представителями физиолого-биохимического направления и клеточной биологии. Для природоведческого направления общей микробиологии наряду с чистой культурой объектом исследования стало микробное сообщество, Термодинамический выигрыш при удалении продукта реакции может быть получен не только для Нь но и для других соединений. Из ннх особенное внимание привлек формиат, который обладает высокой растворимостью и не переходит в газовую фазу. Формиат образуется в ряде смешанных брожений, особенно у энтеробактернй и клостридий.
Он легко разлагается формиатлиазой по реакции НСООН = СОз + Н,. Чувствительность и легкость методик определения формиата не так удобны, как для Нь и отчасти поэтому ясности здесь нет. Мнение, что формиат может быть объектом межвидового переноса, сомнению не подвергается, но значение этого процесса в природе оспаривается. Главным продуктом первичных анаэробов и таких вторичных анаэробов, как гомоацетогены и сульфатредукторы с неполным окислением, является ацетат, и проблема его метаболизма оказывается центральной для сообщества. Концентрация ацетата в анаэробных осадках довольно высока и достигает миллимолярных значений.
Ацетат очень хорошо используется аэробными бактериями, если он выходит в область поступления кислорода. Формально можно указать на целый ряд анаэробных организмов, способных использовать ацетат. К ним относятся факультативно анаэробные бактерии, восстанавливающие железо или нитрат, некоторые сульфатредукторы, как Рези!~оЬасгег, железоредукторы, В фотической зоне ацетат и другие жирные кислоты хорошо используют различные аноксигенные фототрофы. В метантенках 70% метана образуются через ацетат, но пока, как уже отмечалось, известно только два ацетокластическнх метаногена — Мегйапозагста и Ме1Ьапогйг1х, причем второй обладает на порядок большим сродством к ацетату.
Далее, ацетат могут использовать сульфатредукторы с полным окислением жирных кислот. В накопительных культурах сульфатредукторов давно показано, что ацетат служит лучшим субстратом для сульфидогенеза и, вероятно, хорошо используется в природе. Наконец, серовосстанавливающие сульфидогены ориентированы на ацетат, и известны два характерных представителя — мезофильный Рези11оЬи1Ькз и умеренно термофильная Рези!~игеИа.
Недавно открытые железовосстанавливающие бактерии, например беоЬас1ег, используют ацетат как предпочтительный субстрат, но опять-таки пороговая концентрация для них не определена. Ацетат может использоваться синтрофно с выделением Нз по образцу других жирных кислот, как это показал Вигель для термофнльного метаногенного сообщества. Такая же ситуация имеет место для алкалофилов. Межвидовой перенос веществ и термодинамические ограничения, обусловленные концентрацией метаболнтов в анаэробном сообществе, демонстрируют значение кооперации в трофической системе, собранной из организмов с разной специализацией.
Эти организмы не только не конкурируют друг с другом, но жестко взаимозависимы. Рассматривая парные взаимодействия в трофической системе, удалось установить, что, как правило, наиболее тесные взаимодействия наблюдаются у организмов крайне удаленных друг от друга филогенетическн групп. Например, археи-метаногены зависят от грамположительных первичных анаэробов. Диссипотрофы-спирохеты зависят от грамположительных гндролитиков.
Анаэробное окисление метана, установленное геохимиками и долгое время не поддававшееся микробиологическому решению с поиском чистых культур, оказалось зависящим от консорциума микроорганизмов, в котором археи-метаногены из Ме01апозагс1па1ез занимают центральное положение в микроколоиии, а протеобактернн сульфатредукторы Рези!~озагс1ла — периферическое. Отсюда следует, что сообщество возникает комбинаторным путем по требованиям кооперации, а не обусловленной конкуренцией дивергенцией 13аварзин, 2000). Представленная картина возникновения сообществ на основе кооперативного взаимодействия между специализированными организмами, в предельном случае монотрофами, основана на традиции, восходящей к С.Н.
Виноградскому и М.В. Бейеринку. Существует и противоположный взгляд, восходящий к Л. Пастеру н Р. Коху, основанный на представлении о широкой приспособляемости организмов-полнтрофов. Он был сформулирован Г.А. Надсономс: "...мнк- с Надсон ГА. Микроорганизмы как геологические деятели. СПб. Типография Т.П. Сойкин, 1903. 98 с. Смс ГА. Надсон. Избр. тр.
Мс Наука, 19б7. Т. 1. 45 робы одинаковы, а условия различны; поэтому различны и результаты'*. Для аэробных органотрофов почвы такой взгляд развил Д.Г. Звягинцевз. Он исходит из того, что в почве содержится большой пул организмов, которые могут приспособиться к использованию разных веществ, когда они поступают в почву. Например, бациллы или псевдомонады способны расти на десятках или сотнях разных веществ, и, прежде чем специалист успеет размножиться, многочисленные универсалы используют поступившие субстраты. Кроме того, в почве микроорганизмы разделены пространственно и растут в виде микроколоний как чистые культуры.
Гидролитические ферменты обильны и устойчивы в почве, и продукты гидролиза общедоступны. Поэтому нельзя выделять организмы сахаролнтического, протеолитического, липолитического и т.д. путей. Почвенные организмы представляют не кооперативное сообщество, а комплекс (ассоциацию) независимых видов. Такие комплексы приурочены к определенным условиям и географическим зонам. Основной материал для исследования комплексов был получен в традициях санитарно-гигиенической школы высевом на плотные среды для индикаторных организмов. Другим методом служит мультисубстратиый анализ почвенной болтушки по системе "Эколог", разработанной П.А. Кожевиным. Метод заключается в исследовании немедленного использования почвенной микробиотой набора из ЗО-70 субстратов по образованию окрашенного формазана из тетразолия. При этом получаются статистически достоверные различия между разными образцами, которые, однако, трудно интерпретировать концептуально.
Эти крайние взгляды противопоставлены подходу С.Н. Виноградского и традиции общей микробиологии. Они основаны на материале доминирующей в почве группировки аэробных органотрофов. Для такой группировки возможен выбор между адаптацией уже накопившихся организмов и адаптивной динамикой размножающихся. 2.1.5. Экологические ниши Функциональная группа в сообществе соответствует фундаментальной экологической нише. Внутри каждой ниши (прямоугольника на наших схемах) действует правило Гаузе; только один вид может доминировать в данных условиях. Это правило совершенно аналогично законам рыночной экономики, где устойчивым конечным состоянием является монополия на товар. Конкуренция продолжается до вытеснения конкурентов, как это происходит в накопительной культуре.
Уцелевают спутники, которые составляют интереснейшую часть группировки функциональной ниши, осуществляя либо З Л Г Звягинцев. Почва я микроорганизмы. М.: Изд во МГУ, 1987. 256 с 46 удаление токсического побочного продукта, например альдегидов в метанотрофном сообществе, либо снабжая их факторами роста. Здесь рассмотрена функциональная ниша в сообществе, которая определяется взаимодействием с другими компонентами сообщества. Для взаимодействия существенны лишь некоторые внешние характеристики организмов, в то время как другие, обращенные во внутреннюю сферу клетки, второстепенны для деятельности сообщества.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
