Введение к работе
Актуальность темы. В «экстремальных» условиях среды микроорганизмы, как правило, подвергаются влиянию не одного, а нескольких стрессовых факторов, действующих одновременно или последовательно. Например, термофильные микроорганизмы подвергаются не только тепловому воздействию, но часто также высокой концентрации солей или кислой реакции среды.
Между тем, в многочисленных исследованиях последствий экстремальных воздействий, как правило, стрессовые факторы используют по отдельности, создавая условия «моностресса». Широко известны работы, посвященные таким стрессовым факторам, как гипертермия [Тэнси и Брок, 1981, Hottiger et al, 1987; Collinson and Dawes, 1992; Mutoh et al, 1995; Mojica et al, 1997; Kilstrup et al, 1997; Macario et al, 1999 и т.д.], факторам, вызывающим окислительный стресс [Fridovich, 1975; Wilkins et al, 1978; Гаенко с соавт., 1985; Imlay et al, 1988; Jamieson, 1995; Tran et al, 1993], гипо- или гиперосмотическим воздействиям [Larsen, 1962; Brown and Simpson, 1972; Shindler, 1976; Lukas et al, 1990; Van Zyl et al, 1990; Galinski and Truper, 1994] и др.
Однако, последствия воздействия на метаболизм единичных стрессовых факторов могут существенно отличаться от последствий, вызываемых одновременным их воздействием. Последнее явление пока еще изучено недостаточно. Наибольшее внимание уделяется таким сочетаниям, как гипертермия и неоптимальные концентрации NaCl [Кунтиков и Горленко, 1998; Leblanc et all, 2000; Periago et all, 2002a, 2002b], углеродное голодание, гипертермия и осмотические стрессоры [Мссапп, 1993; Murata, 1999; Herbert and Foster, 2001], осмотические стрессоры и Н2О2 [Hartke et all, 1995; Browne and Dowds, 2001], воздействие ультрафиолетового излучения иуглеродное голодание [Srinivasan and Kjelleberg, 2001] и др. Изучение же механизмов адаптации к совместному действию стрессоров находится на начальной стадии. Весьма распространенным сочетанием стрессовых факторов в естественных условиях обитания микроорганизмов является высокое осмотическое давление (в частности, избыток NaCl) и недостаток кислорода. Исследования в этом направлении были начаты в лаборатории нефтяной микробиологии ИНМИ РАН [Арзуманян с соавт., 2000]. Настоящая диссертация является продолжением и развитием этого направления.
Очевидно, что изучение влияния гипоксии и повышенных концентраций NaCl на микроорганизмы, выделенные из различных экосистем, а также механизмов адаптации к такому воздействию представляет большой научный интерес.
Цель и задачи исследования. Целью данного исследования явилось изучение последствий и механизмов адаптации к одновременному воздействию гипо- или гиперосмотического шока и гипоксии (или неблагоприятного рН) у микроорганизмов, изолированных из экотопов, где, как правило, эти стрессовые агенты являются факторами внешней среды.
Задачи исследования:
Изучение зависимости скорости роста микроорганизмов от повышенного содержания NaCl в условиях нормоксии и гипоксии.
Изучение влияния NaCl на дыхание микроорганизмов, выращенных в условиях нормоксии и гипоксии.
Изучение влияния комбинированного действия NaCl и гипоксии на ферменты, защищающие клетку от окислительного стресса (каталазу и супероксиддисмутазу).
Изучение изменений состава дыхательной цепи у микроорганизмов в условиях гипоксии и гиперосмотического шока.
Изучение возможности противодействия гипоосмотическому шоку у экстремально галофильных бактерий.
Научная новизна. Впервые детально изучены рост и дыхательная активность ряда эукариотных (Candida lipolytica, Rhodotorula aurantiaca, Candida rhagii, Debaryomyces hansenii) и прокариотных (Rhodococcus erythropolis, Shewanella sp., Halobacterium salinarum) микроорганизмов в условиях одновременного воздействия двух стрессовых факторов: гипо- или гиперосмотического шока и гипоксии (или неблагоприятного рН).
Впервые продемонстрировано ингибиторное действие соли на активность ферментов, защищающих клетку от окислительного шока (каталазы, супероксиддисмутазы), а также обнаружено в условиях гипоксии явление активации (индукции) каталазы, менее чувствительной к ингибиторному действию соли.
Впервые обнаружено явление переключения на альтернативные дыхательные механизмы, менее чувствительные к соли, в условиях одновременного воздействия гиперосмотического шока и гипоксии, на примере дыхательной цепи Debaryomyces hansenii.
Впервые обнаружено защитное действие протонов в условиях гипоосмотического шока на примере растущей культуры Halobacterium salinarum.
Научно-практическая значимость. Полученные результаты уточняют, а в ряде случаев раскрывают, механизмы защитных реакций микроорганизмов в условиях одновременного воздействия стрессовых факторов, характерных для их природных экотопов. Результаты работы позволяют дать рекомендации по более эффективному применению микроорганизмов в системах биологической очистки и повышения нефтеизвлечения в экстремальных условиях. Апробация работы. Материалы диссертации доложены на школе - конференции "Горизонты физико-химической биологии" (Пущино, 2000), 21st International Specialized Symposium on Yeasts "Biochemistry, Genetics, Biotechnology and Ecology of Non-conventional Yeasts (NCY)". (Lviv, Ukraine. August 2001), 1-м Съезде микологов России (Москва, 2002), XV Международной зимней молодёжной научной школе (Москва, 10-14 февраля 2003), 1-м Всероссийском конгрессе по медицинской микологии (Москва, 20-21 февраля 2003), 23rd International Specialised Symposium on Yeasts "Interactions between Yeasts and other
Organisms" (Budapest, Hungary. 26 - 29 August. 2003). 1-м Международном
конгрессе по биотехнологии, Москва, 2003; Int. Symposium for subsurface
Microbiology. ISEB XVIII. 2005.; Всероссийская молодежная школа-конференция
«Актуальные аспекты современной микробиологии», Москва, 2005.
Публикации. По теме диссертации, опубликовано 11 печатных работ, из них 5
экспериментальных статей и обзоров, а также 6 тезисов. .
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на-^С^траницах машинописного текста и содержит разделы: введение, обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты и обсуждение, выводы и список литературы (/^источников). Текст проиллюстрирован *(» рисунками и таблицей.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность руководителю работы д.б.н.. проф. Плакунову В.К., а также моим соавторам д.б.н., проф. С.С.Беляеву, д.б.н. В.Г.Арзуманян, и к.б.н. О.В.Гейдебрехту за консультации и помощь в работе, к.б.н. Е.П.Лукашеву за помощь при регистрации дифференциальных спектров цитохромов.
Работа проводилась при частичном финансировании в рамках проекта РФФИ 01-04-48275, подпроекта "Биотехнология повышения нефтеизвлечения" ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения", Государственных контрактов с Минпромнауки РФ № 43.106.11.0009 и № 43.073.11.2515 и Проекта MAC РФФИ, 01-04-48275,2003 г.
