МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 5, с. 644-658
== ОБЗОР
УДК 579.873.8.017.73(047)
ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ В ИНСТИТУТЕ МИКРОБИОЛОГИИ РАН
© 2004 г. Е. А. Бонч-Осмоловская
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва Поступила в редакцию 17.05.2004 г.
Исследования явления термофилии в Институте микробиологии РАН были начаты в конце 1930-х - начале 1940-х годов прошлого столетия и имеют уже более чем 60-летнюю историю. Первые опыты по изучению метаболического разнообразия термофилов, их физиологии, биохимии и энзимологии в ИНМИ были проведены А.А. Им-шенецким и его сотрудниками Л.И. Солнцевой, С.З. Броцкой и Л.А. Кузюриной. В монографии А.А. Имшенецкого "Микробиологические процессы при высоких температурах" [1] обобщены экспериментальные материалы по исследованию целлюлолитических, амилолитических и протео-литических термофилов и их ферментов, проводится сравнение термофильных и мезофильных процессов, рассматриваются вопросы происхождения термофилов. В 1950 г. современные тому периоду представления о термофилии были представлены в монографии Е.Н. Мишустина "Термофильные микроорганизмы в природе и практике" [2], где помимо общих и частных свойств термофильных микроорганизмов рассматриваются их местообитания и области практического применения. В отличие от метаболического разнообразия, особенностям филогении термофилов и в том, и в другом издании придавалось малое значение; безусловной данью времени следует считать эксперименты и выводы о возможности адаптации мезофильных видов к высоким температурам. При рассмотрении термофилов в природе основное внимание уделялось почве и антропогенным биотопам (компостам, силосам, саморазогревающимся субстратам), а также пищеварительному тракту высших организмов. Первым пионерским исследованием микробиологии вулканических местообитаний следует считать работу С.И. Кузнецова по горячим источникам Камчатки [3]. В выводах этой статьи заложены все направления последующих исследований термофильных прокариот в их естественных местообитаниях, реализовавшихся в Институте микробиологии спустя несколько десятилетий: выявлено существование гипертермофильных прокариот, развивающихся при температурах выше 90°С, обнаружено участие термофильных микроорганизмов в восстановительной и окислительной частях
цикла серы, установлена связь между деятельностью микроорганизмов и минералообразованием в горячих источниках.
В последующие годы исследования термофильных микроорганизмов в ИНМИ не только продолжались, но были значительно расширены. В 1960-1970-е гг. они были сосредоточены в лаборатории физиологии и биохимии термофильных микроорганизмов, руководимой Л.Г. Логиновой, и нашли отражение в ряде монографий, выпущенных в эти годы [4-6]. Это направление было также представлено и в других лабораториях ИНМИ РАН, чаще всего в связи с исследованием уникальных местообитаний или процессов -высокотемпературных нефтяных месторождений, изучавшихся в отделе С.И. Кузнецова, или процессов выщелачивания сульфидных минералов, исследуемых в отделе Г.И. Каравайко. В 1980-1990-е гг. исследование термофильных микробных сообществ стало одним из важных направлений в отделе литотрофных микроорганизмов, руководимом Г.А. Заварзиным. Позднее из этого отдела выделилась новая лаборатория гипертермофильных микробных сообществ под руководством Е.А. Бонч-Осмоловской. Важным этапом стала проводившаяся в 1986 г. Всесоюзная конференция "Термофильные микроорганизмы: теория и практика", на которой Институт микробиологии представил более 30 устных и стендовых сообщений [7].
Таким образом, в последующие десятилетия исследования термофильных микроорганизмов, проводившиеся в ИНМИ РАН, развивали все те же направления, заложенные в 1940-1950-х гг.: биоразнообразие, экологию и биогеохимическую деятельность, физиологию и метаболизм, прикладные аспекты.
БИОРАЗНООБРАЗИЕ ТЕРМОФИЛЬНЫХ ПРОКАРИОТ
Исследование разнообразия термофильных прокариот в ИНМИ РАН было начато в 1970-е гг. Л.Г. Логиновой и ее сотрудниками - Л.А. Егоровой, Р.С. Головачевой, Г.И. Храпцовой, Т.И. Богдановой и др. Из горячих источников
Камчатки были выделены экстремально термофильные аэробные органотрофные бактерии Thermus flavus [8], а также новый вид Thermus ruber [9]. T. ruber послужил объектом исследования уникальной морфологии бактерий этой группы, способных в экспоненциальной фазе к образованию клубков клеток, объединенных общей внешней мембраной (рис. 1; [10]). В отличие от известных ранее видов этого рода, T. ruber рос оптимально не при 70-75, а при 60°С, то есть являлся умеренным термофилом. Впоследствии он был перенесен в новый род сем. Thermaceae - Meiother-mus [11]. Спустя почти 30 лет история исследования разнообразия этой группы микроорганизмов в ИНМИ РАН получила неожиданное продолжение в работах М.Л. Мирошниченко: из глубоководных гидротерм Тихого и Атлантического океанов были выделены два новых рода сем. Thermaceae: Oceanithermus profundus и Vulcanithermus mediatlanticus [12, 13]. Как и представители рода Meiothermus, новые микроорганизмы являются умеренными термофилами; как и все Thermaceae, они способны к диссимиляционной нитратредук-ции с образованием нитрита. Отличительной особенностью глубоководных видов является их ми-кроаэрофилия, впервые обнаруженная у Ther-maceaе.
Споровые аэробные термофильные микроорганизмы в ИНМИ РАН выделялись как продуценты различных ферментов, в первую очередь, гидролитических, а также в связи с использованием ими насыщенных углеводородов; источником выделения служили как антропогенные биоценозы, так и высокотемпературные нефтяные месторождения [14-16]. Позже Т.Н. Назиной для термофильных бацилл был предложен новый род Geobacillus [17].
Природные местообитания термофильных прокариот, ассоциированные с районами современной вулканической активности, характеризуются поступлением восстановленных неорганических соединений, которые могут служить субстратами для литоавтотрофных прокариот. Из гидротерм Камчатки В.Р. Крюковым была выделена аэробная водородная бактерия Calderobacterium hydrogeno-philum [18]. Новый организм оказался экстремальным термофилом с оптимумом роста при 74-78°С и облигатным автотрофом, растущим только на минеральной среде в атмосфере Н2 : О2 : СО2 в соотношении 7 : 2 : 1. Как выяснилось впоследствии, Calderobacterium является представителем древнейшей филогенетической ветви Aquifecales, включающей только термофильных прокариот, как литавтотрофных, так и органотрофных [19]. Способность к микроаэрофильному росту с молекулярным водородом была отмечена у упоминавшихся ранее новых глубоководных видов сем. Thermaceae [12, 13], а также у нового микроаэро-
Рис. 1. Ультратонкий срез агрегатов клеток Thermus ruber.
фильного организма Caminibacter profundus, также выделенного из глубоководных гидротерм [20].
Другим возможным неорганическим источником энергии для термофильных прокариот являются восстановленные соединения серы. В вулканических местообитаниях это - сероводород глубинного происхождения и продукты его неполного окисления; в рудных месторождениях и отвалах, где температура может повышаться до 60°С и выше, энергетическими субстратами для микроорганизмов служат сера и сульфидные минералы. Группа литоавтотрофных термофильных прокариот, участвующих в процессах выщелачивания, на протяжении долгих лет исследуется в лаборатории Г.И. Каравайко, причем особенно значительный вклад в исследование биоразнообразия был внесен Р.С. Головачевой [21], в частности, описаны новый род и вид Sulfobacillus thermosulfi-dooxidans [22, 23]. Это - споровая аэробная бактерия с температурным оптимумом развития при 50-55°С и рН оптимумом 1.9-2.4, окисляющая элементную серу, восстановленное железо и широкий спектр сульфидов и обитающая как в гидротермальных источниках, так и в зонах разогрева сульфидных и серных руд. Еще один вид этого же рода, Sulfobacillus sibiricus, был описан совсем недавно [24]. Р.С. Головачевой были выделены также термофильная железоокисляющая бактерия рода Leptospirillum [25] и термоацидофильные археи, окисляющие соединения серы и отнесенные к новому виду и роду Sulfurococcus mirabilis [26].
Термофильная бактерия, окисляющая растворенный вулканический сероводород и развивающаяся в горячих источниках в виде белых от образовавшейся серы "страусовых перьев", была описана С.И. Кузнецовым как "Thiospirillum pistiense" [3].
Этот организм развивается повсеместно в вулканических местообитаниях с температурой в области 70-75°С и чистая культура, выделенная значительно позднее из гидротерм Иеллоустоунско-го Национального парка, получила название Thermothrix thiopara [27]. Еще один вид - Thermo-thrix azorensis - был выделен Е.В. Одинцовой из гидротерм Азорских островов [28].
1970-е гг. ознаменовались усилением интереса к анаэробным микроорганизмам и разработкой в ИНМИ методов анаэробного культивирования [29]. Как и у аэробных термофилов, среди анаэробов было обнаружено значительное разнообразие как метаболических типов, так и филогенетических групп организмов. Органотрофные прокариоты с бродильным типом метаболизма, выделенные различными группами исследователей в Институте микробиологии РАН, представляли новые виды и роды бактерий и архей. Это -бактерии рода Thermoanaerobacter, выделенные из гидротерм Камчатки В.В. Кривенко, Е.А. Бонч-Осмоловской, А.И. Слободкиным - T. lactoethyli-cus [30], T. sulfurophilus [31], T. siderophilus [32]. Также из гидротерм Камчатки В.А. Светличным был выделен новый вид анаэробных органотроф-ных термофильных бактерий Dictiglomus turgidus [33], а также изолят, отнесенный к новому роду и виду "Anaerocellum thermophilum" [34] и обладающий высокой целлюлолитической активностью, который должен был, по-видимому, быть отнесенным к роду Caldocellulosiruptor [35]. Другие анаэробные органотрофные камчатские изоляты получены Д.Г. Заварзиной: это новый вид Thermoa-naerovibrio velox [36] и новый род и вид Thermove-nabulum ferriorganovorum [37]. Представители нового вида Thermosipho geolei [38] были выделены М.Л. Мирошниченко из высокотемпературного нефтяного месторождения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.