Введение к работе
Мировой океан, согласно многим концепциям, был колыбелью жизни (Опарин, 1957; Bernal, 1961; Руттен, 1973) и в настоящее время характеризуется высокой продуктивностью за счет существования многочисленных, многозвеньевых трофически-х цепей с высоким уровнем специализации.
Ведущую роль в этих цепях играют микроорганизмы, которые составляют значительную часть всего разнообразия геномов, представленных на Земле. Природные микробные сообщества принимают участие в преобразовании энергии в общем энергетическом потоке авто- и гетеротрофных блоков различных- экосистем. Они занимают важное место в многомерной иерархической структуре системы живых организмов, объединяя функционально в единое целое множество разрозненных разнообразных природных процессов, включая круговороты наиболее важных элементов, благодаря уникальному многообразию типов питания и способности усваивать самые различные низко- и высокомолекулярные органические соединения.
Особое значение приобретает изучение закономерностей освоения микроорганизмами новых территорий с экстремальными условиями. Колонизирующая способность, стремление закрепиться на различных субстратах обеспечиваются высоким экологическим потенциалом в виде таких показателей как скорость деления, выживаемость, пищевые потребности, ферментативная активность, разнообразные механизмы адаптации. С эволюционной точки зрения - это значительный вклад в понимание биопоэза (биогенеза), истории ранней жизни, скорости ее распространения. С современных позиций - это поиск живых организмов, которые в условиях антропогенного воздействия на окружающую среду обладали бы широкими экологическими возможностями, высокой активностью при интродукции в различные местообитания.
Актуальность проблемы. Из существующих на Земле представителей микробного мира известные виды составляют лишь 5%. Учитывая масштабность той роли, которую играют микроорганизмы в функционировании биосферы и экосистем всех уровней, включая Мировой океан, вовлекаемый в интенсивную сферу человеческой деятельности, особо актуальными становятся исследования биологического разнообразия,
многофункциональности и экологических возможностей морских микроорганизмов. Опубликованный недавно Международный меморандум "Микробное разнообразие - XXI" (Амстердам, сентябрь, 1991 г.) подтверждает актуальность выбранного направления исследований. Благодаря углубленному изучению микроорганизмов различных местообитаний должен резко повыситься объем совокупного знания о функционировании микробоценозов. Такой подход будет содействовать оценке и возможному использованию потенциала микроорганизмов — в фундаментальных исследованиях, в области биотехнологии, сельского хозяйства, медицины, а также при решении вопросов охраны и рационального использования природных ресурсов.
Для многих специалистов несомненно, что роль микроорганизмов в поддержании гомеостаза биосферы носит исключительный характер, между тем существующих конкретных знаний в этой области недостаточно для того, чтобы прогнозировать их реакцию на изменяющиеся условия внешней среды. Актуальность' изучения поведения микроорганизмов в экстремальных условиях тесным образом связана с глобальными проблемами экологии, с сохранением всего биологического многообразия планеты Земля и ее Мирового океана.
Принимая во внимание уникальное видовое разнообразие морских микроорганизмов, возможность интродукции морских микроорганизмов в различные экосистемы (наземные и искусственно создаваемые человеком); слабую изученность биологической активности морских микробоценозов, участвующих в контаминации различных субстратов; ограниченные сведения о закономерностях функционирования микробных сообществ в зоне активного вулканизма островных экоснсте.м; немногочисленные данные о механизме бактериальной деструкции и трансформации полимерных субстратов морских макрофнтов, происходящих в экстремальных условиях приливно-отливной зоны; возможность микробиологической трансформации остатков морских растений, загрязняющих побережье и отходов переработки морской продукции в биологически активные соединения; интенсивное антропогенное воздействие на морские экосистемы, мы провели исследования, направленные на изучение потенциальных возможностей морских микроорганизмов, обеспечивающих их функционирование в экстремальных условиях на различных субстратах.
Связь работы с крупными программами. Материалы диссертационной работы получены при выполнении ряда научно-исследовательских
программ и проектов: Проект N 7 международной программы "Человек и биосфера (МАВ) по теме "Экология и рациональное использование осі ровных экосистем", 1976-1980; "Природные процессы в экосистема.ч Прити.хоокеанья. Разд. 2. Закономерности развития и функционирования микробоценозов в почвах и почвообразующих породах", N Гос. регистрации 77074617, 1976-1980; "Экология и функционирование почвенны.ч микроорганизмов и микрофауны в экосистемах Дальнего Востока", N Гос. регистрации 02860.050452, 1980-1985; "Выявление новых видов бактерий и микроартропод и возможность их использования в народном хозяйстве на основе изучения их физиолого-биохимических свойств", N Гос. регистрации 0182.3.055462, 1981-1985; "Микробиологическая конверсия биомассы с целью получения ценных продуктов из отходов, загрязняющих окружающую срслу", N Гос. регистрации 01.86.0.102167, 1986-1991, по постановлению ГКНТ N167, от 20.04.1984 и распоряжению АН СССР N 10103-1286 от 09.08.1984; задание отделения биохимии, биофизики и химии физиологически активных соединений по программе "Изучение живой природы, включая вопросы биотехнологии". Тема 6 "Биохимическая переработка растительного сырья", N Гос. регистрации 01.9.10.018229, 1989-1995; Тема 7. "Организация и устойчивость микробиологических систем и закономерности их антропогенных изменений", N Гос. регистрации 01.9.10.018230, 1989-1995; проірамма научно-технического сотрудничества предприятий Мннмедбпопрома СССР с НИИ ДВНЦ АН СССР, задание N5 "Поиск среди морских и термофильных микроорганизмов новых потенциальных продуцентов биологически активных веществ", 1987-1990. Утверждена 14.1.1987 г. Министерством медицинской, и микробиологической промышленности. Часть материалов получена при разработке наччных основ региональной программы "Продовольственный комплекс Дальнего Востока по реализации продовольственной программы СССР на период до 1990 года" и при выполнении межотраслевого координационного плана по развитию и формированию продовольственного комплекса Дальнего Востока (1981-1985 гг.), а также при выполнении научно-технического задания 0.74.01 (СЭВ) "Исследование мирового океана, его шельфов, окраинных и внутренних морей и освоение их минеральных и биологических ресурсов", 1980-1985; и хоз. договора "Влияние Тугурской ПЭС на экологию Тугурского залива и его береговых биогеоценозов" N 15.1.10.88 (1988-1991 гг.).
Цель її задачи исследований. Цель многолетних исследований, (1976 — 1996 гг.), заключалась в следующем: выявить биологические особенности и раскрыть механизмы адаптации морских микроорганизмов, обеспечивающие их расселение по различным биотопам и разработать научные основы практического применения потенциальных возможностей морских микроорганизмов в биотехнологии, сельском хозяйстве, при решении вопросов охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов.
Основные задачи исследований:
-
Провести анализ видового разнообразия физиолого-морфологических групп морских микроорганизмов и изучить особенности их метаболизма в экстремальных условиях прибрежных биотопов: зона пеплопа-да островных экосистем и приливно-отлпвная зона.
-
Изучить закономерности заселения вулканокластов (вулканогенных пород) и показать роль морских бактерий в первичном почвообразовании в районах с активной вулканической деятельностью; определить физнолого-биохимические свойства и кинетические характеристики первых колонистов, исследовать внутри- и межпопуляционные взаимоотношения при формировании первичных микробных сообществ в зоне пеплопада.
-
Установить механизм бактериальной деструкции полимерных субстратов, входящих в состав морских макрофитов (агар-агар, альгнно-вая кислота, ламинарии), определить специфические продукты трансформации и выявить среди обитателей литорали высокоактивные штаммы микроорганизмов-продуцентов гидролитических ферментов.
-
Показать способность морских микроорганизмов к росту на искусственных гидролизных средах, приготовленных из отходов целлюлозно-бумажной промышленности и провести поиск возможных путей микробиологической утилизации органических остатков морских водорослей и трав с целью получения биологически активных продуктов и соединений.
-
Показать эффективность использования морских микроорганизмов как индикаторов антропогенного воздействия на морские экосистемы при экологическом мониторинге, установить связь между структурой микробного комплекса литорали и характером антропогенного воздействия, дать микробиологический прогноз возможных экологических последствий в прибрежной морской зоне, после строительства приливной электростанции.
Изучены процессы первичной бактериальной колонизации, протекающие на пирокластических материалах в зоне активного вулканизма. Выявлены морфологические и физиолого-биохимическне особенности первых ннтродуцентов, описаны два новых вида бактерий (Flavobacterium vulcanense sp. nov., Micrococcus melaninogenerans sp. nov.).
Установлена важная роль адсорбции микроорганизмов в освоении и преобразовании пирокластических материалов. Активная адсорбция морских бактерий на пепловых частицах способствует адгезии других контаминирующих микроорганизмов и оказывает существенное влияние па характер микробной сукцессии при формировании первичных микро-боценозов. Доказано важное значение аутометаоолитов, как ведущего внутрипопуляционного фактора, регулирующего численность первичных микробоценозов. Выявлены закономерности роста популяций и смешанных бактериальных ассоциаций в условиях, имитирующих природные условия зоны пеплопада.
Показано, что в приливно-отливной зоне морей функционирует специализированная гр\ппа микроорганизмов - многопрофильных де-струкюров с высоким уровнем адаптации к экстремальным условиям среды обиіания. Доминирующее положение среди них занимают нокар-диоформные организмы с высокой гидролитической активностью. Выделены и описаны один новый вид бактерий (Arthrobacter rhodochrous sp. nov.) и подвид (Cytophaga albogilva subsp. agarovora), обладающие муль-тиферментнымн системами и участвующие в расщеплении труднодоступных полимерных соединений морских водорослей и трав. Выделена и описана новая культура бактерий Nocardia sp. А-7, синтезирующая фермент 1,3-Р-глюканазу. Описан новый механизм бактериальной деградации альгиновой кислоты (основного компонента бурых водорослей) с образованием 5-оксипиколиновой кислоты.
Установлена способность морских дрожжей к росту на искусственных гидролизных средах. Селекционирован новый штамм каротинсинте-зирующих дрожжей Rhodotorula glutinis R-2 (авт. св-во N 1085235 от 8.12.1983 г.), способный к росту на гидролнзатах древесины и сульфитном щелоке.
Установлено, что при поступлении аллохтонных органических соединений в прибрежные воды изменяется не только структура микробоцс-ноза, но и ферментативная активность отдельных физиологических групп, участвующих в деструкции макрофитов.
Практика многолетних исследований показала, что поиск высокоэффективных продуцентов гидролитических ферментов и биологически активных соединений следует проводить среди морских бактерий, обитателей разнообразных субстратов.
Бактерии, выделенные из вулканических пеплов могут быть рекомендованы как стимуляторы гумусообразования при рекультивации почв и для ускорения процессов почвообразования па нарушенных горными разработками территориях. Меламинсинтсзирующис бактерии могут быть использованы в медицине в качестве радиопротекторны.ч п антираковых агентов.
Проведены полупромышленные испытания по культивированию карогинсинтезирующнх дрожжей на сульфитном щелоке (Амурский ЦКК). Выпущена пробная партия кормовых дрожжей на основе смешанной культуры с промышленным штаммом. Материалы по использованию дрожжей с А-витаминной активностью в качестве кормовой добавки переданы на Хорский биохимический завод (Хабаровский край) и представлены в Главное управление микробиологической промышленности (N документа 16004-1159 от 20.04.82 Президиум ДВНЦ АН СССР).
Разработан способ получения кормовой добавки, обогащенной белком и каротином, из малоценного сырья (отходы агаровою производства, штормовые выбросы морских водорослей и трав), предложены различные способы обработки остатков морских растений для их микробиологической трансформации в бнотехнологическом производстве.
Составлен микробиологический прогноз возможных экологических последствий после изоляции части морского залива в связи со строительством приливной электростанции (Проект строительства Тугурскон ПЭС, Охотское море).
-
Микроорганизмы прибрежных экстремальных зон выполняют важную стабилизирующую функцию в разнообразных биосферных процессах благодаря высокому экологическому потенциалу, выражающемуся через лабильность метаболизма, гетерогенность популяций и уникальную способное п. к интродукции в-различные экосистемы, создаваемые природой и человеком.
-
В экстремальных условиях приливно-отливной зоны морей функционирует специфическая группа многопрофильных деструкторов, среди которых огромное множество потенциальных продуцентов разнообразных ферментов и биологически активных соединений.
-
В качестве эффективного показателя экологического состояния прибрежных морских мелководий и для выявления характера антропогенного загрязнения предлагается использовать анализ соотношения физиологических групп микроорганизмов и их ферментативной активности.
Личный вклад соискателя. Диссертантом сформулированы цель и задачи исследований, разработаны методы изучения механизмов адаптации микроорганизмов к экстремальным условиям двух мало изученных биотопов (зона пеплопада, супралнтораль). Автор принимал непосредственное участие в сборе образцов, выделении, изучении и идентификации микроорганизмов, в постановке экспериментов, анализе и обобщении полученных данных, определил направление их практической реализации.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы были доложены на рабочем совещании по проекту N7 Международной программы "Человек и биосфера" "Экология и рациональное использование островных экосистем", Владивосток, 1978; XIV Международном Тихоокеанском конгрессе, Хабаровск, 1979; Всесоюзном симпозиуме "Микробные сообщества и их функционирование в почве", Чернигов, 1979; Втором Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почвенных процессов", Таллинн, 1979; Всесоюзном симпозиуме "Микроорганизмы как компонент биогеоценоза", Алма-Ата, 1982; VII съезде Всесоюзного микробиологического общества, Алма-Ата, 1985; II Всесоюзном совещании "Техническая биоэнергетика, Саратов, 1985; VI Всесоюзном вулканологическом совещании "Вулканизм и связанные с ним процессы", Петропавловск-Камчатский, 1985; Конференции "Биоценоз в природе и промышленных условиях", Пущино, 1985; III
Всесоюзной конференции "Биосинтез ферментов микроорганизмами", Кобулсти, 1986; IV Всесоюзной конференции "Биосинтез ферментов микроорганизмами", Ташкент, 1988; Всесоюзной конференции "Биотехнология и биофизика микробных популяций", Алма-Ата, 1991; на научно-практической конференции "Проблемы зашиты окружающей среды и рационального использования природных ресурсов Дальнего Востока", Южно-Сахалинск, 1991; рабочем совещании по международному проекту "Промышленное развитие и охрана окружающей среды", Вашингтон, 1993; конференции "Интродукция микроорганизмов в окружающую среду", Москва, 1994; Международной конференции "Современные проблемы гидроэкологин", Санкт-Петербург, 1995.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе авторское свидетельство и монография.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитированной литературы из 540 наименований (218 на иностранном языке). Диссертация изложена на 412 страницах, иллюстрирована 41 рисунком и 60 таблицами.
Автор выражает глубокую признательность директору ИВЭП ДВО РАН академику РАН И.П. Дружинину за всестороннюю поддержку в работе, д.б.н. Т.В. Аристовской и д.б.н. Тен Хак Муну за ценные советы при обсуждении основной концепции исследований. Автор искренне благодарен д.б.н. С.Д. Шлотгауэр, д.б.н., проф. Н.К. Христофоровой, д.б.н. Л.Т. Крупской, д.г.-м.н. П.В. Ивашову за нелегкий труд по ознакомлению с работой и за полезные советы и пожелания. Автор благодарит за помощь и поддержку в работе сотрудников лабора горни геомикробиологии, ныне лаб. микробиологического превращения органических остатков ИВЭП ДВО РАН к.б.н. Л.А. Гаретову, м.н.с. О.В. Павлюшину, вед. инженеров Т.Ф. Касперскую и Н.Н. Иванову, а также коллег из других подразделений института. Особую благодарность автор приносит СИ. Ермоленко, Л.М. Чухлебовой, Э.В. Аднагулову за помощь в компьютерном и графическом оформлении работы.