11441 (600561), страница 2
Текст из файла (страница 2)
В составе клеточных стенок не обнаружен пептидогликан. У представителей рода Наlоbасtеriит клеточная стенка толщиной 15 — 20 нм построена из регулярно расположенных гексагональных субъединиц, состоящих в основном из гликопротеинов. Клеточная стенка галобактерий рода Наlососсиs имеет толщину 50- 60 нм и состоит из гетерополисахаридов (Егоров, 1976).
ЦПМ содержит около 1/3 липидов и 2/3 разных белков, включая обычные для эубактериальных мембран наборы флавопротеинов и цитохромов. Основная масса липидов экстремальных галофилов отличается от характерных для эубактерий липидов тем, что в их молекуле глицерин связан не с остатками жирных кислот, а с С20-терпеноидным спиртом — фитанолом. Фосфолипидные и гликолипидные производные глицеринового диэфира могут в определенных условиях составлять до 80 % общего содержания липидов в клетках. Помимо уникальных липидов клеточные мембраны экстремальных галофилов содержат много каротиноидных пигментов (основной — бактериоруберин), обусловливающих окраску колоний от розового до красного цвета, что имеет для галофилов немаловажное значение как средство защиты против избыточной радиации, поскольку для их мест обитания характерна обычно высокая освещенность.
При недостатке в среде О2 в ЦПМ галобактерий индуцируется синтез хромопротеина — бактериородопсина, белка, соединенного ковалентной связью с С20-каротиноидом ретиналем. Свое название хромопротеин получил из-за сходства с родопсином — зрительным пигментом сетчатки позвоночных. Оба белка содержат в качестве хромофорной группы ретиналь, различаясь строением полипептидной цепи. Бактериородопсин откладывается в виде отдельных пурпурных областей (бляшек) на ЦПМ красного цвета, обусловленного высоким содержанием каротиноидов. При выращивании клеток на свету в условиях недостатка О2 пурпурные участки могут составлять до 50 % поверхности мембраны. В них содержится от 20 до 25 % липидов и только один белок — бактериородопсин. При удалении из среды солей клеточная стенка растворяется, а ЦПМ распадается на мелкие фрагменты, при этом участки мембраны красного цвета диссоциируют, а пурпурные бляшки сохраняются и могут быть получены в виде отдельной фракции (Кузнецов, 1970).
Генетический материал экстремальных галофилов представлен в виде основной и сателлитных ДНК. Последние составляют от 11 до 30 % всей содержащейся в клетках ДНК и состоят из замкнутых кольцевых молекул. Основная и сателлитные ДНК различаются нуклеотидным составом: молярное ГЦ-содержание основной ДНК — порядка 66—68, а сателлитных — 57—60 %. Высокий уровень сателлитных ДНК — уникальная черта организации генетического материала экстремальных галофилов, значение которой пока не ясно. Предполагается, что сателлитные ДНК — не эписомы, а составная часть генома этих бактерий (Овчинников, 1982).
Экстремальные галофилы имеют сложные пищевые потребности. Для роста большинства видов в состав сред должны входить дрожжевой экстракт, пептон, гидролизат казеина, набор витаминов. Высокой требовательностью к среде отличаются представители родов Наlоbacterium и Наlососсus. Основным источником энергии и углерода служат аминокислоты и углеводы. Метаболизм глюкозы осуществляется по модифицированному пути Энтнера—Дудорова, отличающемуся тем, что глюкоза без фосфорилирования окисляется в глюконовую кислоту. Последняя превращается в 2-кето-З-дезоксиглюконовую кислоту, которая расщепляется на два С3-фрагмента: пировиноградную кислоту и глицериновый альдегид. Из глицеринового альдегида в результате нескольких ферментативных преобразований также образуется пировиноградная кислота. Дальнейшее ее окисление происходит в замкнутом ЦТК.
Основной способ получения энергии экстремальными галофилами — аэробное дыхание. В ЦПМ обнаружены цитохромы b, с, а также цитохромоксидаза о-типа (Ляликова, 1970). Электроны в дыхательную цепь поступают с НАД-зависимых дегидрогеназ. В анаэробных условиях в темноте источником энергии может служить анаэробное дыхание с использованием NO3- в качестве конечного акцептора электронов, а также процесс сбраживания аргинина и цитрулина. Свет служит дополнительным источником энергии, аппарат для использования которого подключается при недостатке O2.
Используемый галобактериями механизм преобразования солнечной энергии в энергию химических связей, пригодную для использования в биологических процессах, отличается от механизма фотосинтеза в растениях и зеленых водорослях, содержащих хлорофилл. Для этой цели в галобактериях используется бактериородопсин – вещество, сходное с родопсином, обеспечивающим зрительное восприятие у человека и животных. В клетках Н. salinarium и некоторых других галобактерий обнаружены 3 фотоактивных пигмента, все они ретинальсодержащие белки. Один из них, названный сенсорным родопсином (5-родопсин), обеспечивает фототактическую реакцию бактерий. Красный и желто-синий свет действуют на них как аттрактанты, синий и УФ — как репелленты. S-родопсин существует в двух спектрально различных формах, каждая из которых претерпевает фотохимические превращения. Поглощение фотона красного света приводит к генерированию сигнала, по которому бактерии начинают перемещаться в направлении к источнику света. При поглощении фотона синего света наблюдается противоположная реакция. Максимальный эффект в обоих случаях достигается при длине волны 565 и 370 нм соответственно. Фотосенсорная реакция обеспечивает оптимальную для клеток галобактерий пространственную ориентацию. Клетки покидают области, в которые проникает губительное коротковолновое излучение и с помощью жгутиков или газовых вакуолей концентрируются в зонах с благоприятным для них световым режимом. Этим достигаются и оптимальные условия для фотофосфорилирования, так как область спектра, вызывающая положительную тактическую реакцию, и спектр поглощения фотосинтетического пигмента совпадают (Шлегель, 1987).
Длительное время считали, что без участия хлорофилла фотосинтез не возможен. Способность некоторых экстремально галофильных археобактерий осуществлять фотосинтез бесхлорофилльного типа была обнаружена в начале 70-х гг. XX в. Д.Остерхельтом и В. Стокениусом, идентифицировавшими в ЦПМ Halobacterium salinarium бактериородопсин - белок, ковалентно связанный с каратиноидом, и показавшими способность этого белка к светозависимому переносу протонов через мембрану, приводящему в конечном итоге к синтезу АТФ. Фотофосфорилирование, обнаруженное у этих архебактерий,- единственный пример превращения энергии света в химическую энергию АТФ без участия электронтранспортной цепи.
Использование световой энергии для создания трансмембранного градиента протонов происходит с участием бактериородопсина и не связано с переносом электронов по цепи переносчиков. Этот хромопротеин с молекулярной массой 26 кДа содержит полипептидную цепь, построенную из 248 аминокислотных остатков и на 75 % состоящую из а-спиральных участков. Последние образуют 7 тяжей, ориентированных перпендикулярно плоскости мембраны. Ретиналь расположен параллельно плоскости мембраны и, следовательно, перпендикулярно белковым тяжам. Связь между ретиналем и полипептидной цепью осуществляется через Шиффово основание, образованное в результате взаимодействия альдегидной группы ретиналя с е-аминогруппой 216-го лизинового остатка.
Шиффово основание в темноте находится в протонированной форме. Поглощение кванта света бактериородопсином вызывает изменение конформации ретиналя и приводит к отщеплению Н+ от Шиффова основания.
Бактериородопсин, в молекуле которого Шиффово основание находится в протонированной форме, поглощает свет с длиной волны 570 нм, а в депротонированной — при 412 нм. Протон, отделившийся на свету от Шиффова основания, переходит во внеклеточное пространство, а Н+, протонирующий Шиффово основание, поглощается из цитоплазмы. Таким образом, под действием света бактериородопсин «перебрасывает» протоны с одной стороны мембраны на другую. В результате работы циклического механизма, получившего название бактериородопсиновой протонной помпы, при освещении по разные стороны мембраны возникает градиент концентрации Н+, достигающий 200 мВ, в создании которого участвуют электрический и химический компоненты. Разрядка А(1H+ с помощью Н+ — АТФ-синтазьг приводит к синтезу АТФ (Гусев, 2003).
Несмотря на кажущуюся простоту, очевидно, что бактериородопсиновая протонная помпа представляет собой сложную систему. Прежде всего, путь, который должен пройти Н+, чтобы пересечь мембрану, составляет не менее 5 нм, т. е. значительно превышает расстояние, на которое он может быть перенесен при любом конформационном изменении ретиналя. Это означает, что поглощение кванта света должно приводить к возникновению напряженной конформации всего бактериородопсинового комплекса, служащей в дальнейшем источником энергии для переноса Н+ против электрохимического градиента. В организации такого переноса принимают участие ориентированные поперек мембраны а-спиральные тяжи и мембранные липиды, формирующие протонные каналы, природа и механизм действия которых пока не известны.
Все эти данные говорят об обособленности группы галофильных микроорганизмов, их особом эволюционном пути, об их уникальности и необходимости изучения данных микроорганизмов, обитающих в соленых озерах, почвах и других субстратах (Власов, 1973).
1.3 Формирование условий среды обитания микроорганизмов
Средой обитания для микроорганизмов в водоемах является вода и донные осадки. Между ними существует постоянный обмен вещества и энергии. Поэтому формирование условий среды носит взаимозависимый характер (Кузнецов, 1970; Горленко и др., 1977; Романенко, 1985).
Формирование природной воды определяется взаимодействием ряда факторов: геоструктурных особенностей отдельных участков земной коры, образовавшейся в течение длительной геологической истории, современной физико-географической обстановки, взаимодействием породы, воды, газа и живых организмов (Самарина, 1977; Крамаренко, 1983). Испытывая влияние комплекса физико-географических факторов и гравитационного поля Земли, все воды подчиняются закону гидрохимической зональности, проявляющуюся как по площади, так и по вертикали водного слоя (Самарина, 1977). Суть данного закона заключается в том, что с переходом от климатических зон избыточного и нормального увлажнения (гумидный климат) к зонам скудного и малого увлажнения (аридный климат) изменяются параметры химического состава озерной воды. В степной и полупустынной зонах, где отмечается более засушливый климат, чем в лесной и тундровой зонах, вместо пресных озер встречаются солоноватые и соленые озера (Алабышев, 1932; Кузнецов, 1970).
Большое значение на формирование состава озерных вод оказывают кристаллические породы, слагающие положительные формы рельефа (Горленко и др., 1999). В процессе их химического выветривания, протекающих непрерывно и в огромных масштабах в природе, образуются растворимые соли. Наибольшей растворимостью обладают плагиоклазы, затем калиево-полевые шпаты и наименьшей - кварц (Самарина, 1977). В аридной и полуаридной зоне (рН>7) в процессе химического выветривания полевых шпатов ряд катионов (К+, Ка+, Са2+ и др.) частично удаляются в системе, где образуется глинистый материал. Образующиеся карбонатные и гидрокарбонатные соли щелочей и щелочеземель переходят в раствор, придающие воде соответствующую реакцию.
Состав озерных вод во многом определяется типом его питания. Водно-солевое питание озера получают за счет грунтовых вод и временных дождевых потоков. Грунтовые воды по составу различны, чаще преобладают гидрокарбонатные. Общая сумма солей достигает до 2,5 г/л.
Большое влияние на формирование и режим озер оказывает многолетняя и сезонная мерзлота. Она повышает уровень грунтовых вод, ускоряет процесс засоления почв, а, следовательно, и накопление солей в озерах.
Для бессточных водоемов степных районов роль атмосферных осадков в составе озерных вод оказывается лишь в многолетнем цикле (Богданова, 1973). Воды этих осадков имеют низкую минерализацию. Количество солей, вносимых атмосферными осадками на зеркало озер, составляет 0,01-0,50%. Незначительная мощность снежного покрова в степях предопределяет малую роль снега в водно-солевом балансе бессточных озер. Свежевыпавший снег имеет минерализацию 0,01-0,03 г/л. Талые воды и временные вешние потоки функционируют очень короткое время, чаще во второй половине апреля, и наблюдаются не каждый год. Эти воды характеризуются содержанием солей до 0,01-0,60 г/л. Состав их гидрокарбонатно-натриевый и кальциевый.
Дождевые воды более концентрированы, чем снеговые осадки. Они имеют гидрокарбонатно-натриевый, кальциевый или магниевый тип (Богданова, 1973). Общая сумма солей их составляет 6-150 мг/л.
В условиях аридного климата формирование химического состава воды и осадков характеризуется сложностью процессов, протекающих в водоемах. В этих бессточных озерах расход воды осуществляется путем испарения и превалирует над его притоком, что обуславливает концентрирование раствора. Общая сумма солей, формирующихся рассольных озер, нередко достигает сотен грамм на 1 литр. Наиболее важным в гидрохимии этих озер является насыщение их в процессе концентрирования рядом легко воднорастворимых солей, вследствие чего соли переходят в твердую фазу, и устанавливается равновесие.
При кристаллизации выделяются в первую очередь наименее растворимые соли. Состав солей рассольных озер весьма разнообразен, поскольку формируются соли (минералы) с неодинаковым количеством кристаллической воды, двойные и тройные соли и т.д. Наиболее распространенными являются NaС1 - галит, NаСl*Н2O - гидрогалит, Nа2SО4*10Н2O - мирабилит, Nа2СO3 - сода, Na2СO3*NаНСO3*3Н2O - трона, КСl*MgСl2 -карналлит, Nа2SO4- тенардит, МgSO4*7Н2O - эпсолит, СаSO4-2Н2O - гипс и др. (Алабышев, 1932; Кузнецов, 1970).
Важная роль в формировании химического состава воды принадлежит биогенным процессам. Живые организмы извлекают соли из воды даже при очень малых его концентрациях или осаждают такие элементы, как Са2+ , в виде карбонатов путем изменения физико-химических свойств самой озерной воды. Интенсивнее всего биологические процессы осуществляются в "малых озерах". В таких водоемах, хорошо прогреваемых и аэрируемых, наиболее активны биохимические процессы, обусловленные живыми организмами. Основная часть привноса биогенных веществ в водоемы связана с круговоротом углерода и серы, в процессе которого вовлекаются, прежде всего, главные компоненты воды - SO42-, СОз2- и НСОз2-. В результате биологического круговорота в водоемах присутствуют различные формы углерода (СО2, Сорг, СОз2-, НСОз-, СН4) и серы (SO42-, сера белка, Н2S, свободная S), изменчивы карбонатное и сульфидное равновесие, а также содержание связанных с ними равновесиями веществ. Образующиеся продукты в процессе деструкции ОВ (Н2S, S, СН4, СO2) частично выходят из общего круговорота веществ - поступают в атмосферу или консервируются в виде минералов, например FеS, либо участвуют в дальнейшем круговороте веществ, определяя особенности газового состава воды (Самарина, 1977).
В газовом составе озерных вод основную роль играют газы атмосферы, с которыми озерные воды находятся в тесном контакте, и газы биохимического происхождения. В озерах Забайкалья, различающихся по трофности, интенсивность газовыделения была 400 мл газа/(м2 сут.) (озеро Иван) и более 2 400 мл/(м сут.) (озеро Иргень) (Тополов, 1991). Компонентный состав газа в озерах был одинаков и состоял из N2, СН4, Н2, СO2, O2. Концентрация N2 и СН4 в исследованных озерах преобладала над остальными газами. Содержание СO2 и O2 определялось сезонными изменениями. Концентрация Н2 в газовом составе было наименьшим, либо отсутствовало в определенные сезоны года. Сезонный ход газоотделения во всех исследованных Иваново-Арахлейских озерах было одинаковым: в конце периода открытой воды и в начале подледного периода (август-декабрь) присутствовал метаново-азотный газ. Содержание СН4 в пробах достигало до 90%. В конце подледного периода и в начале периода открытой воды (декабрь-май) - азотно-метановый газ. Интенсивность газоотделения в Иваново-Арахлейских озерах коррелировала с численностью бактерий в осадках и содержанием в них ОВ. В прибрежной зоне озер плотность бактериального населения и интенсивность газообразования были выше, чем в центральной части озера. Межгодовые изменения состава газа были несущественными.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
