МИКРОБИОЛОГИЯ, 2009, том 7S, № 4, с. 435-450
== ОБЗОР
УДК 579.8.41.91.017.735(047)
ТЕРМОФИЛЬНЫЕ И ТЕРМОТОЛЕРАНТНЫЕ АЭРОБНЫЕ МЕТАНОТРОФЫ
© 2009 г. Ю. А. Троценко*, К. А. Медведкова, В. Н. Хмеленина, Б. Ц. Ешинимаев
Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов
им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино Поступила в редакцию 29.07.2008 г.
В обзоре обобщены современные данные о таксономическом и структурно-функциональном многообразии аэробных метанотрофов, растущих при температурах 25-50°С (Methylococcus capsulatus), 30-62°С (Methylocaldum szegediense, Methylocaldum gracile и Methylocaldum tepidum), 50-65°С (Methy-lothermus thermalis), принадлежащих в основном Gammaproteobacteria. Рассмотрены особенности адаптации этих метанотрофов к температурным воздействиям на метаболическом и генетическом уровнях. Проанализированы недавние сенсационные сообщения об открытии и первичной характеристике термоацидофильных метанотрофов филума Verrucomicrobia, выживающих при экстремальных значениях рН (1-2) и температуры (65°С), граничащих с предельно низкими уровнями растворимости СН4 и 02. Обсуждаются возможности реализации биотехнологического потенциала термофильных и термотолерантных метанотрофов.
Ключевые слова: аэробные метанотрофы, термоадаптация, структурно-функциональные особенности, таксономия и филогения.
Биотопы, где постоянно поддерживается высокая температура, достаточно широко распространены на Земле. В таких высокотемпературных экосистемах, как действующие вулканы, горячие источники, термальные выходы, гейзеры, отходы ряда технологических процессов существуют различные физиологические группы термофильных микроорганизмов. В последние два десятилетия интенсивные исследования радикально изменили наши представления о таксономическом и структурно-функциональном разнообразии термофильных прокариот. Наряду с выделением термофильных метаногенов, карбоксидобактерий, сульфатредук-торов, серо- и железовосстанавливающих прокариот из гидротерм Кунашира, Камчатки (РФ), Иелло-устонского национального парка (США) и глубоководных термальных вентов Тихого океана [1-3], появляются сообщения о присутствии в этих экото-пах аэробных метанотрофов.
Эмиссия метана в атмосферу вызвана дисбалансом между процессами образования и окисления СН4. Несомненно, окисление СН4, осуществляемое метанотрофным сообществом ("бактериальным газовым фильтром"), - ключевой биохимический процесс, регулирующий поток этого парникового газа. Так, в почвенных и пресноводных экотопах метанотрофы потребляют до 80% биогенного метана [4]. В значительно меньшей степени изучены процессы
* Адресат для корреспонденции: (e-mail: trotsenko@ibpm. pushchino.ru).
окисления метана в экосистемах, характеризующихся высокими температурами.
Поскольку в состав гидротермальных флюидов, наряду с СО, С02 и H2S, входят заметные количества СН4, высказывались предположения о наличии в этих экозонах термотолерантных/термофильных метанотрофов. Как известно, растворимость газов в воде падает с повышением температуры, что может ограничивать рост метанотрофов. Однако установлено, что растворимость CH4 в природных водах с низкой ионной силой (<100 мМ) снижается только на треть при повышении температуры от 30 до 60°C [5]. Этим объясняется наличие процесса ме-танокисления в различных природных местообитаниях с повышенными температурами.
В 1966 г. Фостер и Дэвис [6] впервые описали умеренно термофильный штамм метанотрофных бактерий Methylococcus capsulatus Texas, оптимально растущий в интервале 30-60°С. С тех пор спектр термофильных и термотолерантных метанотрофов постоянно пополняется новыми таксонами [7, 8]. Из термальных источников Венгрии и Японии были выделены умеренно термофильные метанотрофы родов Methylocaldum и Methylothermus [9-12], а из гидротерм Забайкалья - термотолерантный представитель рода Methylocystis sp. Se48 [13]. Совсем недавно из разных географических зон изолированы термоацидофильные метанотрофы, отнесенные к филуму Verrucomicrobia, растущие до 65 °С. Так, "Acidimethylosilex fumariolicum" So IV выделен из грязевого вулкана Сол фата вблизи Неаполя [14].
Другой термоацидофильный метанотроф "Methy-lokorus infernorum" 4 изолирован из почвенного образца (10-15 см, pH 4.5, 63°C) вблизи геотермального источника в Новой Зеландии [15], а "Methyloacida kamchatkensis" Kami - из кислого термального источника на Камчатке [16].
Установлено, что метанотрофы находятся в симбиотических отношениях с различными беспозвоночными (моллюсками и губками), обитающими у гидротермальных выходов СН4 на дне морей и океанов [17-20]. Метанотрофы вместе с сульфид-окисляющими бактериями располагаются в специальных клетках-бактериоцитах жабр моллюсков, при этом моллюск-хозяин обеспечивает эндосим-бионтов субстратами (С02, СН4, 02), поступающими из воды гидротерм, а бактерии, в свою очередь, фиксируют углерод, снабжая хозяина углеводами и аминокислотами.
Наряду с природными биотопами, существуют термальные экосистемы, созданные человеком. Отходы животноводческих ферм (компост, навоз и силос) богаты органическим веществом и представляют собой своеобразный природный ферментер для аборигенной микрофлоры. Интенсивные микробиологические процессы разложения органики и образования метана происходят с выделением большого количества тепла. Подсчитано, что ежегодная эмиссия CH4 из компостируемых отходов достигает 7.4 х 106 т и соответствует 0.31-0.41% эмиссии метана с территории Германии [21]. Из таких искусственно создаваемых экосистем выделены умеренно термофильные представители рода Methylocal-dum [21, 22]. Более того, с использованием молекулярно-биологических методов показано присутствие термотолерантных и умеренно-термофильных видов Methylococcus и Methylocaldum в различных почвах с температурами in situ, намного ниже оптимальных для роста [23, 24]. Следовательно, термофильные/толерантные метанотрофы должны обладать высокой адаптабельностью и механизмами выживания при высоких и субоптимальных температурах.
ТАКСОНОМИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ
ТЕРМОТОЛЕРАНТНЫХ И УМЕРЕННО ТЕРМОФИЛЬНЫХ МЕТАНОТРОФОВ
Вслед за описанием термотолерантных штаммов Mc. capsulatus Texas и Bath [6, 25] были выделены и охарактеризованы три вида рода Methylococcus ("Mc. thermophilus", "Mc. ucrainicus" и "Mc. gracile") [26-27]. В настоящее время валидированные таксоны умеренно термофильных и термотолерантных метанотрофов включают роды: Methylococcus, Methylocaldum и Methylothermus (таблица). Ниже приведены их краткие характеристики.
Methylococcus capsulatus. Штаммы Texas и Bath имеют ВЦМ I морфотипа. Растут в диапазоне 30-
50°C, оптимально - при 42°C. Клетки - грамотрица-тельные неподвижные кокки, размножаются бинарным делением, характеризуются наличием капсулы, дополнительных слоев на внешней поверхности клеточной стенки (S-слоев), расположенных в тетрагональной (р4) симметрии, образуют покоящиеся формы - незрелые цисты типа Azotobacter [18]. В качестве источника углерода и энергии используют только метан или метанол (0.2%). Обладают нитрогеназной активностью и способны фиксировать атмосферный азот [28]. Клетки Mc. capsulatus содержат фосфатидилэтаноламин (74%), кардиолипин (5.8%), фосфатидилглицерин (13%) и фосфатидилхолин, тогда как фосфатидилмономе-тилэтаноламин и фосфатидилдиметилэтаноламин отсутствуют. В жирнокислотном профиле превалируют 16 : 1ю7с и 16 : 0 [18, 29]. Обладают растворимой и мембранной формами ММО. Реализуют доминирующий РМФ цикл, а также минорные сери-новый и РБФ пути Q-ассимиляции. ЦГК неполный из-за отсутствия активности а-кетоглутаратдегид-рогеназы, но в геноме есть соответствующий ген
kdh [30]. Ассимилируют NH+ посредством амини-рования пирувата с участием аланиндегидрогеназы и через глутаматный цикл [31-33]. Эти свойства, наряду с высоким содержанием Г + Ц в ДНК (6062 мол.%), более характерным для метанотрофов II типа, послужили основанием отнести Mc. capsulatus к типу "X". Ввиду метаболической мозаичности этот вид рассматривается в качестве своеобразного микробного "Розеттского камня" в метанотрофии и является одним из основных объектов молекуляр-но-генетических исследований [8].
Род Methylocaldum. Метанотрофы этого рода широко распространены в природе, их местообитания включают не только горячие источники, но также активный ил, пахотные земли, силос и навоз [22, 21]. Представители рода Methylocaldum (Md. sze-gediense, Md. gracile и Md. tepidum) отличаются от Methylococcus по последовательности 16S рДНК (<92% сходства) и содержанию Г + Ц в ДНК (5758 мол.%), не имеют sMMO [9, 10]. Md. gracile и Md. tepidum - термотолерантные метанотрофы, растущие в диапазоне температур от 20 до 47°C, оптимально - при 42°C. Голько Md. szegediense является умеренным термофилом, поскольку способен расти при 62°C (оптимум 55°C) с нижним пределом 37°C.
Характерным свойством представителей рода Methylocaldum является клеточный полиморфизм: присутствие в популяции, наряду с мелкими кокко-видными клетками, очень крупных кокков и палочек, причем некоторые имеют толстую капсулу, напоминая цисты типа 'Azotobacter', но, в отличие от типичных цист, сохраняют развитую систему ВЦМ. Полиморфизм сопровождается вариабельностью других фенотипических характеристик, а именно, изменчивостью морфологии колоний, пигментации
Основные свойства термофильных и термотолерантных метанотрофов филума Proteobacteria
Свойства Methylococcus capsulatus [6] Methylocaldum gracile [10] Methylocaldum tepidum [10] Methylocaldum szegediense [10, 22] Methylothermus thermalis [12] Methylocystis sp. Se48 [13]
Морфология Кокки Плеоморфные Плеоморфные Плеоморфные Округлые палочки Вибриоиды
Размер клеток (мкм) 0.7-0.9 х 0.7-0.9 0.4-0.5 х 1.0-1.5 1.0-1.2 х 1.0-1.5 0.6-0.8(1.0) х 0.6-0.8 х 1.0-1.2 0.6-1 х 1.2-1.7
х 1.0(1.8)-1.5(2.0)
Морфотип ВЦМ I I I I I II
sMMO + - - - - -
Подвижность - + + + - -
Цисты типа 'Azotobacter' + + + + - -
Цвет колоний Белый до Бурые Бурые до Бурые до светло- Светло- Белый
кремового коричневого коричневого коричневый
Диапазон t°С (оптимум) 30-55 (37-42) 20-47 (42) 30^7 (42) 37-62 (55) 37-65 (55
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.