Введение к работе
Актуальность темы. Традиционно считалось, что мицелиальные бактерии (актиномицеты) не могут занимать природных экологических ниш, характеризующихся экстремальными условиями, и не являются чемпионами устойчивости к воздействию факторов внешней среды. В настоящее время ясно, что такое представление следует изменить. Возможность существования почвенных экстремофильных и экстремотолерантных актиномицетов (ацидотолерантных и алкалотолерантных, психротолерантных и термотолерантных, галотолерантных и галоалкалотолерантных, ксеротолерантных) не вызывает сомнения у специалистов (Goodfellow, Kim, 1999; Evtushenko et al., 2000; Звягинцев, Зенова, 2007).
Среди представителей спороактиномицетов, имеющих развитый воздушный мицелий и споры, преобладают мезофильные формы, оптимальный интервал для роста которых 20-35оС. Термофильные актиномицеты, способные расти при 50оС, описаны и подробно исследованы в составе рода Thermoactinomyces, согласно современной классификации выведенного из порядка Actinomycetales. Отдельные термофильные виды описаны в составе родов Actinomadura, Thermomonospora, Microbispora, Saccharopolyspora, Saccharomonospora и Streptomyces (Агре, 1986; Kim еt al., 1999).
Исследование закономерностей действия температурного фактора на жизнедеятельность микробных популяций имеет важное значение как с теоретической, так и практической точек зрения. Теоретически представляют интерес механизмы температурных адаптаций. С практической точки зрения важно знать, как адаптации к температуре влияют на интенсивность микробного дыхания, в ходе которого выделяется двуокись углерода. СО2, является одним из парниковых газов, изменение концентрации которых приводит к общему изменению климата. Поэтому актуальна проблема зависимости от температуры функциональной активности микробного населения почвы, в число которых входят грамположительные мицелиальные бактерии – актиномицеты.
Термофильные актиномицеты широко используются в биотехнологии как продуценты дегидрогеназ и как организмы, быстро разлагающие различные полимеры (Манучарова и др., 2008; Xiaoping Hu et al., 2010; Ganesh D. Saratale, Sang Eun Oh, 2011). Однако сведения о закономерностях распространения термофильных и термотолерантных актиномицетов в почвах весьма ограничены. Можно предполагать, что в почвах, подверженных периодическому прогреванию до высоких температур при недостатке влаги и питательных веществ, термофильные и термотолерантные актиномицеты, споры которых способны прорастать в экстремальных условиях при высоких температурах и низких значениях влажности почвы, могут составлять существенную часть прокариотного сапротрофного гидролитического блока микробного сообщества (Звягинцев и др., 2009; Kim et al, 2002; Kumar et al, 2004).
Целью работы явилась оценка распространения, метаболической активности и таксономической структуры комплексов термотолерантных актиномицетов в периодически прогреваемых почвах.
Задачи исследования:
1. Сравнительные характеристики численности и таксономического состава мезофильных и термотолерантных актиномицетов в пустынных, горной и вулканических почвах.
2. Наблюдение за динамикой численности и биомассы мезофильных и термотолерантных актиномицетов, развивающихся в почвенных микрокосмах в ходе сукцессии, инициированной увлажнением бурой пустынно-степной почвы.
3. Определение наличия одноклеточных и мицелиальных представителей филума Actinobacteria в прокариотном микробном сообществе пустынной почвы с использованием молекулярно-биологического метода - денатурирующего градиентного гель-электрофореза (ДГГЭ-метод).
4. Оценка биомассы метаболически активных одноклеточных и мицелиальных представителей филума Actinobacteria в прокариотных микробных комплексах исследуемых почв с использование молекулярного метода гибридизации in situ (метод FISH – fluorescent in situ hybridization).
5. Экофизиологическая характеристика культур термотолерантных актиномицетов, выделенных из исследуемых периодически прогреваемых почв.
Научная новизна. Выявлены и охарактеризованы экологические ниши термотолерантных актиномицетов. Расширены наши представления о биоразнообразии микробного комплекса почв. Установлено, что в периодически прогреваемых почвах (пустынных, вулканических, горной) формируются актиномицетные комплексы, в которых термотолерантные актиномицеты сопоставимы по численности и более разнообразны в таксономическом отношении по сравнению с мезофильными формами. Впервые в вулканических периодически прогреваемых почвах выявлены специфические актиномицетные комплексы, в которых термотолерантные формы представлены родами Micromonospora и Microtetraspora, мезофильные - родом Microbispora. Показано, что термотолерантные актиномицеты в периодически прогреваемых почвах растут, развиваются, образуют мицелий и проходят полный цикл развития. Впервые молекулярно-биологическими методами (методом FISH и DGGE) установлено присутствие в прокариотных микробных комплексах исследованных почв физиологически активных представителей филума Actinobacteria. Биомасса метаболически активных мицелиальных актинобактерий превышает биомассу метаболически активных одноклеточных актинобактерий. Впервые экспериментально показана ксеротолерантность умеренного термофильного стрептомицета. Установлено, что с повышением температуры культивирования от 28оС до 45оС в липидах мембран клеток умеренного термофильного стрептомицета повышается содержание насыщенных длинноцепочечных жирных кислот–гексадекановой, изо-гептадекановой, антеизо – гептадекановой и изо-октадекановой. Показано, что экониши термотолерантных стрептомицетов отличаются от экониш мезофильных культур не только по температурным показателям, но и по спектру потребляемых субстратов (гистидина, маннита, сахарозы).
Практическая значимость. Термотолерантные стрептомицеты, выделенные из исследуемых почв, проявляют антимикробные свойства, способность к разложению хитина и углеводородов при высокой температуре и, очевидно, могут служить объектами биотехнологии для получения термостойких биологически активных веществ. Знание закономерностей распространения и функционирования термотолерантных актиномицетов в периодически прогреваемых почвах будет способствовать созданию схем управления микробными популяциями в аридных почвах. Материалы исследования могут быть использованы в лекционных курсах по биологии почв и экологии.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на XIV, XV и XVII Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2007» (Москва, 2007), «Ломоносов-2008» (Москва, 2008) и «Ломоносов-2010» (Москва, 2010), на V Международной научной конференции «Вулканизм, биосфера и экологические проблемы» (Туапсе, 2009), на Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), на XI-th и XII-th Young Systematists’ Forum (Лондон, 2009, 2010) и на заседаниях кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 печатных работ, из них 4 экспериментальные статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из следующих разделов: введения, обзора литературы, экспериментальной части (объекты и методы исследования, результаты, обсуждение), выводов и списка литературы. Материалы диссертации изложены на ______ страницах текста, содержат ______ рисунков и ______ таблиц. Список литературы включает ______ источников, в том числе _____ на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору, д.б.н. Г.М. Зеновой, сотруднику Института микробиологии имени С.Н. Виноградского РАН к.б.н. В.К. Орлеанскому, сотрудникам кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ, особенно профессору, д.б.н. Д.Г. Звягинцеву, д.б.н. П.А.Кожевину, к.б.н. Н.А. Манучаровой, к.б.н. Т.А. Грачевой, к.б.н. А.В. Якушеву. Благодарю сотрудницу Биологического института АН Монголии д.б.н. Норовсурэн Ж., аспиранта Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино) А.В. Миронова и аспирантку кафедры земельных ресурсов факультета почвоведения МГУ И.З. Ибатуллину за предоставление образцов почв для исследования.
