11828-1 (654316), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Трофическую цепь удобнее всего моделировать в накопительной культуре с нерастворимым субстратом, например целлюлозой, характерной прежде всего для наземных сообществ. Алкалофильные микробы разлагают целлюлозу в общих чертах так же, как нейтрофилы, но с участием других организмов и часто гораздо быстрее. Процесс начинают целлюлозолитические палочки, одевая частицы целлюлозы слизистым монослоем клеток. Продуктами разложения в первую очередь служат водород и ацетат, а углекислота уходит в карбонатный буфер.
По термодинамическим причинам водород должен быть удален из системы. Здесь возможны два пути: в присутствии окисленных соединений серы - сульфидогенез, а когда их недостаточно - ацетогенез. Для алкалофильного сообщества характерна водородная сульфатредукция. Хотя этот процесс как ведущий в содовых водоемах еще в 30-х годах описал Б.Л.Исаченко, выделить в культуру главного возбудителя долго не удавалось. Это было сделано у нас в лаборатории в 1995 г. Им оказался вибрион, использующий в качестве субстрата водород или формиат и восстанавливающий сульфат в сульфид. Сначала из оз.Магади выделили Desulfonatronovibrio hydrogenovorans, который затем обнаружили и в центральноазиатских озерах с меньшей минерализацией и совсем другим климатом. Тем не менее штаммы имели практиычески полную гомологию ДНК с африканскими. Отсюда возникают вопросы: приложим ли, согласно Конвенции по биоразнообразию, к микробам, распространяемым с пылью по всему свету, статус государственной собственности на генетические ресурсы? Не следует ли больше внимания уделить микробным сообществам в природе, для которых необходимы "заповедники" [Заварзин Г.А.,1990]?
Вслед за Desulfonatronovibrio мы описали еще один сульфатредуктор - более крупный вибрион Desulfonatronum. Клетки этого типа отчетливо наблюдаются в сообществе с целлюлозоразлагающими микроорганизмами на ранних стадиях процесса; позднее их сменяют споровые палочки, использующие ацетат.
В естественной среде ацетогенные (образующие ацетат) бактерии используют самые разнообразные субстраты, но для них характерен специфический метаболизм с участием фермента СО-дегидрогеназы. Описанная нами Natroniella acetogena из содовых рассолов оз.Магади стала объектом биохимических исследований группы алкалофильных гомоацетогенов. Она принадлежит к новой филогенетической ветви галоанаэробов, недавно выделенных в порядок Haloanaerobiales [Rainey F.A., Zhilina T.N., Boulygina E.S., Stackebrandt E., Tourova T.P., Zavarzin G.A., 1995]. Большинство этих организмов живет в гиперсоленой воде морского происхождения. Natroniella развивается при высокой концентрации NaCl (10-26%) и pH=10.
Следующую группу аммонифицирующих ацетогенов составляют организмы, сбраживающие аминокислоты. К ним относятся описанные нами в 1998 г. Tindallia magadiensis и Natronincola histidinovorans, основные продукты обмена которых - ацетат и аммиак. Эти организмы используют как субстрат брожения крайне ограниченное число соединений. Для Natronincola это лишь гистидин, что отражено в видовом названии, и глутамат. Tindallia специализирована на сбраживании органических оксикислот и некоторых аминокислот орнитинового цикла, в том числе аргинина, входящего в цианофицин - запасное азотистое вещество цианобактерий.
Среди анаэробов особое место занимают спирохеты. Эти организмы составляют отдельную филогенетическую ветвь (ранга порядка-класса) по классификации рРНК. Их присутствие в содовых озерах легко регистрируется с помощью микроскопа по характерной и очень своеобразной морфологии, но среди известных видов спирохет алкилофильные представители не были описаны. Из содовых озер нами выделено три вида галоалкалофильных спирохет: два из оз.Магади - Spirochaeta alkalica, S.africana и один - алкалофильная спирохета S.asiatica из оз.Хадын (Тува). Они сбраживают моно- и дисахариды и относятся к группе диссипотрофов, использующих рассеиваемые низкомолекулярные вещества (например, из мест гидролиза полисахаридов). Главными продуктами S.alkalica были ацетат и H2; S.africana - ацетат, этанол, H2; S.asiatica - ацетат, этанол, лактат, но не H2. Интересно, что спирохеты в отличие от целлюлозоразрушающих бактерий оказались очень устойчивыми по отношению к сероводороду.
Последние изученные нами из организмов обширной группы анаэробов, метаногены, действуют на заключительном этапе деструкции. В содовых водоемах, как и в галофильных сообществах морских систем, характерен метилотрофный путь метаногенеза. Выделенный из оз.Магади Methanosalsus zhilinaeae использует для образования метана метанол или метиламины. Пока предшественники этих соединений в алкалофильной системе неизвестны, но ими могут быть осмопротекторы типа бетаина, как это установлено для галофильных сообществ [Жилина Т.Н., Заварзин Г.А., 1991].
Часть 4
Восстановленные газы ( сероводород, аммиак и метан), образуемые анаэробными организмами при переходе в аэробную зону, могут служить субстратами для литотрофных организмов, которые формируют окислительный фильтр. Его исследовал на примере содовых озер Кении и Прибайкалья Д.Ю.Сорокин. Он обнаружил в них ранее не известных экстремально алкалофильных тионовых бактерий, которые окисляют серные соединения, в том числе сероводород при pH10, и алкалофильных водородокисляющих бактерий. Но неожиданной находкой стало открытие им алкалофильного метанотрофа, способного окислять как метан в углекислоту, так и аммиак в нитрит. По цитологии нитрификаторы и метанотрофы очень похожи - их клетки набиты слоями мембран, но у всех известных метанотрофов аммиак ингибирует окисление метана. Это первый случай такого совмещения функций. Другую группу алкалофильных метанотрофов и метилотрофов из центрально-азиатских озер описали Ю.А.Троценко и его сотрудники. Британские исследователи выделили разнообразных аэробных органотрофов из щелочных озер Африки. Все эти организмы принадлежат к группе протеобактерий.
Известно, что нередко вода в содовых озерах становится красной. И причин тому две. Во-первых, это вишнево-красные аэробные археобактерии Natronobacter и Natronococcus, открытые Б.Тиндаллом - пионером микробиологического исследования оз.Магади. Они живут под слоем троны на поверхности рассола. Красную окраску бактерий определяет родопсин, который дает им возможность дополнительного источника энергии. Но главная причина - аноксигенные пурпурные бактерии. Такие организмы образуют анаэробный окислительный фильтр, работающий на свету в отсутствие кислорода. Типичные обитатели содовых водоемов - пурпурные бактерии рода Ectothiorhodospira - способны окислять сероводород, откладывая капли серы вне клеток, до сульфата. Они могут также использовать водород и ацетат. В последние годы В.М.Горленко открыл еще целый ряд представителей аноксигенных алкалофильных бактерий. В их числе оказались очень изящные тонкие "пружинки" нового рода гелиобактерии "Heliospira daurica", составившей совершенно иную филогенетическую ветвь. Массовое развитие пурпурных бактерий делает их наиболее значительными во вторичной продукции органического вещества, сопряженного с регенерацией сульфата путем окисления H2S, который образуют сульфатредукторы.
В связи с серным циклом возникает вопрос: откуда появился в океане сульфат? Абиогенные процессы сколько-нибудь значительного количества сульфата не дают; в небольших количествах он образуется фотохимически. Для биотического появления сульфата есть два пути. Первый связан с аэробными тионовыми бактериями, использующими для окисления серных соединений кислород, который продуцируют цианобактерии (для алкалофильного сообщества они описаны Сорокиным). Второй - анаэробный, осуществляемый пурпурными бактериями. Отсюда можно спросить: был "содовый океан" зеленым или пурпурным? Эта идея весьма соблазнительна, так как образование сульфата могло бы предшествовать появлению кислорода в атмосфере. В модельных опытах удалось показать оба пути: и образование сульфата из внесенного сульфида после развития цианобактерий и окисления в сульфат тионовыми, и развитие пурпурных в анаэробных условиях, с сульфидом, как это хорошо известно. Однако в аэробных условиях в цилиндрах, развитие пурпурных бактерий жестко связано с развитием сульфатредуцирующих бактерий. Приходится признать, что пара - пурпурные фототрофы и сульфатредукторы - звенья одного цикла. Интересно, что и разложение целлюлозы резко ускорялось на свету при участии пурпурных бактерий; при этом, как показал в нашей лаборатории В.В.Кевбрин, не появлялись промежуточные продукты, например ацетат.
Итак, можно заключить, что алкалофильное сообщество высокоминерализованных озер представляет полноценную трофическую сеть и функциональную систему, что необходимо для замыкания основных биогеохимических циклов. В нем большую роль играет серный цикл.
Следующий вопрос касается филогенетического разнообразия. Эта работа выполнена вместе с Ф.Рейни (Брауншвейг) и Т.П.Туровой (Москва). Если суммировать полученные результаты и расположить на филогенетическом дереве выделенные и описанные виды, то оказывается, что все ветви имеют своих представителей среди алкалофилов. В особенности это характерно для протеобактерий, цианобактерий, грамположительных "клостридий" и "бацилл", архей Euriarchaeota, названных так из-за их широкой распространенности. Ограничений здесь нет даже для высокоминерализованных водоемов. Вместе с тем филогенетически алкалофилы отличаются от аналогичных нейтрофилов на уровне рода-вида, но не представляют самостоятельной филогенетической ветви, которая исключила бы возможность рассматривать это сообщество как источник разнообразия наземной биоты.
"Открыта" ли такая система для эвкариот? В высокоминерализованных водоемах обитают такие вторичные вселенцы, как зеленая одноклеточная водоросль Dunaliella, а в содовых озерах - D.viridis (этот организм выделили из оз.Магади в рассоле с 260г/л соды). Однако для происхождения наземной биоты гораздо важнее почвенные водоросли. В пробах из разных содовых озер постоянно находят в виде небольшой примеси очень мелкий зеленый кокк с хлорофиллами а и b, далеко уступающий по размерам живущим там цианобактериям. Он был описан как представитель рода почвенных водорослей Chlorella - C.minutissima, который ранее в таких условиях не обнаруживали. Присутствие этого вида может указывать на связь микрофлоры содовых озер с микрофлорой окружающей почвы.
Заключение
Благодаря системному подходу, примененному нами для изучения сообщества алкалофильных микроорганизмов, удалось показать, что даже в водоемах, насыщенных содой, алкалофильное сообщество содержит представителей основных филогенетических ветвей - цианобактерий, аэробных и анаэробных архей, Haloanaerobiales, Thermotogales, протеобактерий, спирохет, грамположительных организмов (Clostridiaceae, Bacillaceae) - и, будучи представлено аналогичными организмами, соответствует разнообразию нейтрофильных прокариот. При современном, еще не полном уровне знаний это алкалофильное сообщество составляет полноценную функциональную систему. Таким образом, полученные результаты не противоречат гипотезе первичного "содового океана" и позволяют рассматривать такое сообщество как аналог наземных сообществ раннего протерозоя.
Авторы выражают глубокую благодарность Л.М.Герасименко, В.М.Горленко, Д.Ю.Сорокину за предоставленные материалы.
Работа поддержана грантом РФФИ 99-04-48056 и подпрограммой "Биологическое разнообразие" проект N 3, грант N 1 программы ФЦНТП.
Список литературы
Крылов И.Н., Заварзин Г.А. Цианобактериальные сообщества - колодец в прошлое // Природа. 1983. N 3. С.59-69; Сергеев В.Н., Нолл Э.Х., Заварзин Г.А. Первые три миллиарда лет жизни: от прокариот к эвкариотам // Природа. 1996. N 6. С.54-67
Kempe S., Degens E.T. // Chem. Geol. 1985. V.53. P.95-108.
Заварзин Г.А. // Микробиология. 1993. Т.62. С.789-800.
Guerrero M.C., Tadeo A.B. // Microbial mats NATO AWI ser. V.635 (Ed. L.G.Stal, P.Caumette. Berlin: Springer-Verlag, 1994. P.85-90.)
Дубинин А.В., Герасименко Л.М., Заварзин Г.А. // Микробиология. 1995. Т.64. С.845-849.
Заварзин Г.А. Заповедники для микробов // Природа. 1990. N 2. С.39-45.
Rainey F.A., Zhilina T.N., Boulygina E.S., Stackebrandt E., Tourova T.P., Zavarzin G.A. // Anaerobe. 1995. V.1. P.185-199.
Жилина Т.Н., Заварзин Г.А. // Журн. общ. биологии. 1991. Т.52. С.302-318.
Zhilina T.N., Zavarzin G.A. // Curr. Microbiol. 1994. V.29. P.109-112.
Заварзин Г.А. Жилина Т.Н., Кевбрин В.В. // Микробиология. 1999. N 5. С. 579-599.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.nature.ru/
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
