Введение к работе
Актуальность проблемы Широкое применение в промышленности, присутствие в побочных продуктах коксо-, газо- и нефтеперерабатывающих производств, образование при сгорании различных органических материалов (каменного угля, нефти, газа, древесины, мусора и др ) привело к повсеместному распространению полициклических ароматических углеводородов в окружающей среде Физико-химические свойства соединений этого класса (гидрофобность. высокая сорбционная способность и стабильность) способствуют их аккумуляции в природных экосистемах Кроме того, полициклические ароматические углеводороды обладают токсичным, мутагенным, тератогенным и канцерогенным действиями на живые организмы Все вышеперечисленное послужило причиной выделения соединений этого класса в категорию приоритетных поллютантов (Mumtaz et al, 1995) Основную роль в разложении соединений данного класса в природе играет микробная деструкция (Sutherland et al, 1995) В настоящее время накоплен большой объем информации о способности бактерий использовать ряд полициклических ароматических углеводородов в качестве единственного источника углерода и энергии (Kanaly, Harayama, 2000, Habe, Omon, 2003) Наиболее изученными являются бактериальные генетические и биохимические системы катаболизма нафталина, который используется в качестве модельного соединения для изучения систем деструкции полициклических ароматических углеводородов (Боронин и др , 1989, Yen, Serdar, 1988, Bosch et al., 1999, Laune et al, 1999, Jones et al, 2003, Parales, 2003; Kulakov et al, 2000,2005)
В ряде случаев загрязнение экосистем полициклическими ароматическими углеводородами сопровождается засолением, которое может иметь природное или антропогенное происхождение, сформированное в результате разработки нефтяных месторождений и работы соледобывающих предприятий В этих условиях ведущими факторами формирования микробиоценозов становятся соленость среды и поллютант Микроорганизмы и их сообщества, способные к деструкции полициклических ароматических углеводородов при высокой солености среды, описаны в единичных сообщениях (Звягинцева и др , 2001; Плотникова и др., 2001, Mille et al, 1991, Dyaz etal, 2000, Hedludefa/, 2001, Kasai etal, 2002, Abed etal,
2006) Остаются малоизученными взаимодействия внутри таких сообществ, а
л -
4 также механизмы регуляции их состава, метаболической активности и устойчивости к высокому содержанию солей. Проведение исследований в этой области внесет существенный вклад в разработки новых стратегий биоремедиации экстремальных экосистем
Цель работы - исследование нафталинметаболизирующего консорциума микроорганизмов, выделенного из засоленной почвы
Задачи исследования
Выделить стабильное/устойчивое сообщество микроорганизмов, способное использовать нафталин в качестве единственного источника углерода и энергии в присутствии высоких концентраций хлорида натрия
Определить таксономическое положение бактерий сообщества на основе принципов полифазной таксономии
Изучить взаимоотношения бактерий в консорциуме при росте на нафталине в условиях высокой солености
Исследовать осмопротекторные соединения грамположительных галотолерантных и грамотрицательных умеренно галофильных бактерий, изолированных из консорциума.
Научная новизна. Определен состав консорциума бактерий,
осуществляющего разложение нафталина в условиях высокой солености среды (до
9 % хлорида натрия) Установлено, что в консорциум входят галотолераятные
бактерии-деструкторы нафталина и галотолерантные, умеренно галофильные
бактерии, не способные осуществлять разложение данного полициклического
ароматического углеводорода Показано, что катаболизм нафталина в консорциуме
осуществляют актинобактерии рода Rhodococcus На основании филогенетической
обособленности и фенотипических отличий описаны новый род и вид Salimcola
soctus sp. nov, gen nov, новые виды Rhodococcus naphthalenivorans sp nov и
Thalassospira permense sp nov Показано, что представители родов Salimcola и
Rhodococcus при высокой осмолярности среды накашшвают глутамат, эктоин и
гидроксиэктоин, выступающие в роли внутриклеточных осмопротекторов Для
представителей рода Rhodococcus подобная комбинация осмопротекторов
описывается впервые Экспериментально обосновано присутствие
протокооперативных взаимоотношений в консорциуме между бактериями-
5 деструкторами нафталина и бактериями-спутниками
Теоретическое и практическое значение работы. Полученные данные уточняют классификацию семейства Halomonadaceae и расширяют знания о разнообразии бактерий сообщества техногенных засоленных почв (г Березники, Пермский край) Результаты исследований могут служить основой для разработки методов мониторинга биоразнообразия данного микробиоценоза Результаты, касающиеся механизмов функционирования консорциума микроорганизмов, разлагающего полициклические ароматические углеводороды при высокой солености среды, могут быть использованы для усовершенствования методов биоремедиации экстремальных экосистем Создана рабочая коллекция галотолерантных/галофильных бактерий, перспективных для использования в биотехнологии Материалы диссертации используются в лекционных курсах на кафедрах микробиологии и иммунологии, ботаники и генетики растений Пермского государственного университета
Положения, выносимые на защиту
1. Выделенное из засоленной почвы нафталинметаболизирующее сообщество микроорганизмов является многокомпонентной системой, включающей галотолерантные бактерии-деструкторы нафталина, умеренно галофильные и галотолерантные бактерии-спутники
На основании фенотипических характеристик и филогенетического анализа описаны новые таксоны Sahmcola socius sp nov, gen nov, Rhodococcus naphthalemvorans sp nov и Thalassospira permense sp nov
В выделенном из засоленной почвы нафталинметаболизирующем консорциуме бактерий формируются взаимовыгодные отношения между галотолерантными бактериями-деструкторами нафталина и умеренно галофильными бактериями-спутниками
4 Умеренно галофильные бактерии-спутники и галотолерантные
бактерии-деструкторы нафталина в условиях высокой солености среды
накапливают низкомолекулярные органические соединения (осмопротекторы)
Апробация работы и публикации. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы реабилитации техногенных экосистем», Астрахань, 2004,
II Международной конференции «Микробное биоразнообразие состояние, стратегия сохранения, биологический потенциал», Пермь-Казань-Пермь, 2005, 9-й-10-й Пущинских школах-конференциях молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущино, 2005, 2006, Всероссийской молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии», Москва, 2005, Всероссийской молодежной школе-конференции «Генетика микроорганизмов и биотехнология», Москва-Пущино, 2006, IV Международном конгрессе «Биотехнология состояние и перспективы развития», Москва, 2007
По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах
Объем и структура диссертации. Работа изложена на f. страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц и 29 рисунков Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, трех глав экспериментальных исследований, заключения, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 229 литературных источника, из них 28 на русском языке и 201 зарубежный, и приложений
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН и является частью исследований, проводимых по теме «Биохимические и генетические системы трансформации сложных органических соединений бактерий, перспективных для биотехнологии» (номер государственной регистрации НИР 0120 0406511) Исследования поддержаны грантами РФФИ (№04-04-96042-р_урал_а, №07-04-96078-р_урал_а), Программой интеграционных фундаментальных исследований, выполняемых в УрО РАН совместно с учеными СО РАН (проект «Микробные сообщества экстремальных экосистем»)
Похожие диссертации на Нафталинметаболизирующий консорциум микроорганизмов, выделенный из засоленной почвы
