Введение к работе
Актуальность проблемы. Бесцветные серобактерии представляют одну из физиологических групп микроорганизмов, участвующих в окислительных реакциях геохимического цикла серы. Эти организмы являются важными компонентами водных биоценозов пресноводных и морских экосистем и характеризуются обильным развитием в водоемах с активными поступлениями сероводорода. Их массовое развитие сопровождается, как правило, формированием так называемых серных бактериальных матов на поверхности донных отложений или обрастаний на твердых субстратах и подводной растительности.
Изучение этой группы организмов представляет интерес в связи с уникальными свойствами ее представителей - гигантскими размерами клеток, своеобразием морфологии, разнообразием типов метаболиза.
Хотя функциональная роль бесцветных серобактерий изучена недостаточно, их участие в окислении токсичных серных соединений, прежде всего HgS, и в создании биогеохимического барьера в водоемах на границе H2S-O2 очевидно. Отсутствие знаний о метаболических возможностях большинства известных видов серобактерий не позволяет, однако, адекватно оценить их вклад в локальные и глобальные циклы серы и углерода и определить функции в различных экосистемах. Проблема охраны окружающей среды от токсичных соединений становится весьма актуальной вследствие возрастающего антропогенного загрязнения. В связи с этим дальнейшее изучение биоразнообразия серобактерий представляет большой научный интерес. Прикладные аспекты их изучения диктуются возможностью использования серобактерий для удаления загрязнения серными соединениями антропогенных систем: промышленных и бытовых сточных вод, воздушной среды производственных помещений и других объектов.
Значительный интерес среди бесцветных серобактерий представляют нитчатые серобактерии рода Thiothrlx. Интерес к этим микроорганизмам связан с рядом биологических особенностей: наличием сложного жизненного цикла, большим разнообразием ранее описанных "морфологических" видов, способностью к формированию эпифитных обрастаний. Их массовое развитие обнаружено не только в природных экосистемах, но и в очистных сооружениях, где они вызывают так называемое "вспучивание" активного ила и, несомненно, выполняют важную функцию устранения сероводородного загрязнения среды обитания.
Цель работы. Изучение таксономии, физиологии, метаболизма, функциональной роли в водных экосистемах нитчатых серобактерий морфологически сходных с Thiothrix .
Задачи работы :
-
Выделение чистых культур нитчатых сербактерий рода Thiothrix из пресноводных и морских местообитаний.
-
Изучение морфологических, физиолого-биохимических, ультраструктурных и генотипических особенностей выделенных штаммов.
-
Исследование механизмов окислительных реакций и ферментов, участвующих в метаболивме неорганических соединений серы.
-
Изучение особенностей углеродного метаболизма и его связи с окислением серных соединений.
-
Определение метаболической активности Thiothrix в природных экосистемах на примере бухты Кратерная ( Курильские о-ва, Тихий океан).
Научная новизна и практическая значимость работы.
Из бытовых и промышленных сточных вод выделены три штамма нитчатых бесцветных серобактерий, которые отнесены к новому виду рода Thiothrix - T.arctophila. Из морских эпифитных обрастаний выделены семь штаммов нитчатых серобактерий, морфологически сходных с Thiothrix. Таксономическое изучение выделенных штаммов позволило обосновать их принадлежность к нитчатым бактериям рода Leucothrix,ранее не относимых к серобактериям,и описать новый вид - L. thiophila. Сравнительный анализ 16S- рРНК известных видов родов Thiothrix и Leucothrix и новых иволятов показал, что штаммы L. thiophila составляют единую филогенетическую ветвь с единственным видом рода Leucothrix -L. тисог, эволюционно обособленную от рода Thiothrix. Новый вид Г. arctophiia филогенетически наиболее близок к недавно описанному виду Г. ramosa (Одинцова, Дубинина, 1990) в пределах достаточно обособленной ветви представителей рода Thiothrix. Оба вида входят в состав гамма подгруппы протеобактерий.
У выделенных новых- видов исследован механизм окисления восстановленных соединений серы. С помощью ингибиторного анализа и определения специфических ферментов серного метаболизма показано, что тиосульфат принимает участие в катаболических реакциях по механизму окислительного и субстратного фосфорилирования.
Впервые исследованы ферменты углеродного метаболизма в сравнительном плане при органогетеротрофном и литогетеротрофном росте нитчатых бактерий. Показано одновременное функционирование ЦТК и гли-оксилатного цикла. Отличительной особенностью ферментов ЦТК у новы>
видов является низкая активность дегидрогеназ. Перестройка ферментативной активности при переходе от органо- к литотрофии заключается в резком снижении активности гидратаз в ЦТК и направлении потока восстановительного эквивалента ( НАДН, НАДФНг ) в глиоксилатный цикл на биосинтетические процессы.
Показано массовое развитие эпифитных нитчатых серобактерий, морфологически сходных с Thlothrlx, на литорали Белого моря и в районе гидротермальных выходов бухты Кратерная в Тихом океане. В эпифитной популяции нитчатых серобактерий могут доминировать как виды рода Thlothrlx, так и новые сероокислящие бактерии рода Leucoth-rlx. Обнаружены низкие скорости фиксации СОг популяцией морских эпифитных серобактерий в бухте Кратерная, что свидетельствует о гетеротрофном метаболизме и их участии в аэробной деструкции органического вещества. Результаты определения скорости окисления H2S и тиосульфата в сообществе эпифитных нитчатых серобактерий показали, что ТЫо-thrlx при литогетеротрофном росте достаточно активно окисляет серные соединения и, выполняя роль барьера, препятствут диффузии сероводорода гидротермального происхождения в водную толщу. Полученные результаты важны для понимания роли нитчатых серобактерий в биогеохимическом цикле серы и углерода, а также для оценки их вклада в процессы окисления токсичных соединений серы и в сохранении благоприятного биологического режима водоемов.
Результаты исследований расширяют представления о биоразнообразии бесцветных серобактерий, их таксономическом составе и многообразии метаболических возможностей.
Полученные в работе результаты могут быть использованы при составлении определителей бактерий, для чтения курсов лекций по микробиологии в высших учебных заведениях, а также в биотехнологических исследованиях для очистки среды от токсичных соединений серы.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на совместном заседании лабораторий нефтяной микробиологии, микробной трансформации минералов и лаборатории экологии и геохимической деятельности микроорганизмов ИНМИ РАН,1995г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи и 1 тезисы.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 11-ти глав, заключения, выводов и списка литературы. Материалы изложены на /37 страницах машинописного текста, включая /б таблиц и |8 ри-