Биология и экология бактерий, образующих магнитоупорядоченные соединения железа Филипа, Наталия Юрьевна

Введение к работе

Актуальность работы

Магнитоупорядоченные соединения - это соединения, для которых характерна упорядоченная ориентация магнитных моментов атомов (ионов, молекул) в их структуре. В настоящее время показана возможность образования таких соединений, в частности, ферромагнитных минералов (магнетита, пирротина и грейгита) прокариотическими, а магнетита - и эу-кариотическими организмами [Биогенный магнетит и магниторецепция, 1989]. Магнитотропные бактерии внутриклеточно синтезируют магнитоупорядоченные соединения железа и реагируют на изменения геомагнитного поля, передвигаясь вдоль его силовых линий (магнитотаксис) [Blakemore, 1975; 1979]. Кроме того, показано внеклеточное образование магнетит;! как в чистых кулыурах бактерий [t.ovley et al., 1987], гак и. сообществами мнк^оо^г^нпзмоб IBell el al. 1987' Слобо^пкин и т^п. 1995\

Супіічпвуют ли общие пути образования магнктоупорядоченных минералов железа {я частности, магнетита) для организмов разных уровнен развития, какое физиологическое значение имеет такой биогенез - вопросы, решение которых важно для расширения представлений о биоэнергетических и биохимических аспектах метаболизма и эволюционных процессах в биосфере. ;ак іс'ік вся эволюция жизни на Земле проводила под влиянием геомагнитного поля.

Прикладной аспект данного исследования связан с особенностями биогенных кристаллов магнетита. Они отличаются строго определенной кристаллографической формой с узким размерным распределением в пределах нескольких десятков нм, чистотой, высокой удельной площадью поверхности и специфической структурой. Это позволяет использовать такой магнитный материал для создания совершенных магнитных слоев в микроэлектронике, а также в качестве катализатора химических реакций, адсорбента-носителя для ферментов, антител, лекарственных препаратов [Mann et al., 1990; Matsunaga et al., 1990]. Такие широкие перспективы для кристаллов биогенного (бактериального) происхождения возможны при условии его биотехнологического получения.

Несмотря на большой интерес, который представляет биогенный магнетит с практической стороны, а также общебиологическое значение

познания процесса внутриклеточного биосинтеза этого минерала для фундаментальной науки, в нашей стране проведены единичные работы, свя-заїшьіе с их изучением [Сигалсвич, Кузнецов, 1986; Сигалевич, 1991; Вер-ховцева, 1992].

Относительно формирования мапштоупорядоченных соединений железа остается много неясных моментов, касающихся как физиологических аспектов этого биогенеза для прокариотических организмов, так и вопросов, связанных с экологией бактерий, участвующих в этом процессе в природе. В первом аспекте, в частности, нет окончательных представлений о необходимых органических субстратах, требуемых для образования маг-нигоупорядоченных соединений, зависимости магнитных свойств бактерий от соответствующего органического вещества в среде и т.д. В аспекте экологии нет подробных исследований по определению значений рН среды, оптимальных для биогенеза магшггоунорядочеиных соединений железа, а также представлений о вкладе отдельных физиологических-групп сообщества микроорганизмов, осуществляющих в природе такой процесс.

В связи с вышеизложенным не разработана стратегия и тактика выделения микроорганизмов, образующих магнитоупорядоченкые соединения железа.

Цель и задачи исследования

Целью настоящего исследования является изучение биогенеза мапштоупорядоченных соединений железа чистой культурой бактерий и сообществом микроорганизмов.

Исходя из поставленной цели, решали следующие задачи :

1. Определение экологических и микробиологических характеристик илов природных водоемов, в которых происходит образование магнито-упорядоченных соединений железа.

2. Исследование видового разнообразия и структуры сообществ микроорганизмов из ила, обладающего магнитными свойствами.

3. Выделение чистой культуры бактерий, образующей магнитоупоря-доченные соединения железа.

4. Изучение биогенеза мапштоупорядоченных соединений железа в накопительных культурах (влияние рН, Eh и органического субстрата на данный процесс).

Научная новизна работы

5. Рассмотрены наименее изученные вопросы относительно взаимодействия микроорганизмов с железом - образование магнитоупорядочен-ных соединений в процессе жизнедеятельности бактерий в чистой культуре и в микробиоценозе.

6. Впервые проведено детальное исследование влияния рН на биогенез магни гоупорядоченных соединений железа, а также рассмотрена роль окислительно-восстановительного потенциала в этом процессе.

7. Показана зависимость накопления магнитоупорядоченных соеди-иений железа ценозом микроорганизмов от исходного субстрата в среде.

8. Разработана "разделительная" система для магнитной сепарации баїстерий, внутриклеточно образующих магнитоупорядоченные соединения

/К5ЛСЗЭ.

5. Предложена схема синтрофкых взаимодействий в природном мик
робиоценозе, продуцирующем магнитоупорядоченные соединения железа.

Практическая значимость

Полученные данные представляют интерес для дальнейших исследований в области биоминералопта, для решения проблем охраны окружающей среды, в частности, для магнитной сепарации осадка в железообога-щенных сточных водах. Кроме того, результаты необходимы в биотехнологии для получения высокоочищенных магнитных препаратов с использованием высокопродуктивных штаммов бактерий, осуществляющих биогенез магнетита.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на IV Международной конференции "Циклы природы и общества" (Россия, Ставрополь, 1996), на Международных конференциях "Микробное разнообразие: состояние, стратегия сохранения, экологические проблемы" (Россия, Пермь,1996), "Проблемы загрязнения окружающей среды" (Россия, Москва, 1998); на Международном симпозиуме "Тяжелые металлы в окружающей среде" (Россия, Пущино, 1996); на региональных конференциях "Вузовская наука в решении экологических проблем Верхне-Волжского региона" (Россия, Ярославль, 1995), "Актуальные проблемы естественных и гуманитарных наук" (Россия, Ярославль, 1995), "Современные проблемы естествознания" (Россия, Ярославль, 1997).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 1 статья и 2 статьи находятся в печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 155 страницах машинописного текста и содержит 22 таблицы и 20 рисунков. Она состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Список цитируемой литературы включает 185 наименований (в том числе - 111 на иностранных языках).