МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 1, с. 5-18
== ОБЗОР
УДК 574.5:579.[262+68]05(047)
ТЕРМОФИЛЬНЫЕ МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА ГЛУБОКОВОДНЫХ ГИДРОТЕРМ
© 2004 г. М. Л. Мирошниченко
Институт микробиологии РАН, Москва Поступила в редакцию 07.08.03 г.
Обзор представляет собой анализ новейшей литературы, посвященной исследованию филогенетического и функционального разнообразия термофильных прокариот (гипертермофильных архей, термофильных бактерий), обитающих в глубоководных термальных местообитаниях. Даются общая характеристика физико-химических особенностей исследуемого биотопа и некоторые механизмы адаптации обитающих в нем микроорганизмов. Отдельная глава посвящена филогенетическому анализу микробных сообществ глубоководных гидротерм и обнаруженным с помощью моле-кулярно-биологических методов некультивируемым формам. Последовательно рассматриваются физиологические группы термофильных микроорганизмов, обнаруженные в глубоководных гидротермах, представленные, как правило, новыми таксонами: метаногены, сульфат-, железо- и серо-редукторы, аэробные водородокисляющие прокариоты, аэробные и анаэробные органотрофы.
Ключевые слова: глубоководные гидротермы, барофилия, гипертемофильные археи, гипотеза "подземной биосферы".
Открытие в 1977 г. в районе Галапагосских о-вов глубоководных гидротерм (так называемых "черных курильщиков") оказалось мощным стимулом для развития глубоководной биологии и микробиологии гидротермальных систем. Исследования показали, что гидротермальные биотопы являются непревзойденными по скорости образования биомассы среди всех известных на Земле экосистем [1, 2]. В отличие от большинства биологических сообществ, где в основе трофической цепи находятся фотосинтетические микроорганизмы, первичными продуцентами органического вещества в глубоководных гидротермальных экосистемах являются хемолитоавтотрофные микроорганизмы [3-5].
Физико-химические процессы в глубоководных гидротермах уникальны и к настоящему времени достаточно хорошо изучены [3-6]. В зонах тектонической активности морская вода проходит через трещины океанической коры, поднимаясь с глубин в несколько километров, где она взаимодействует с горячими базальтовыми породами. Перегретый, но остающийся жидким из-за огромного гидростатического давления раствор (гидротермальный флюид), смешивается с холодной океанической водой в зонах разгрузки, что приводит к осаждению сульфида Са2+ и полиметаллических сульфида ("черный дым") с последующим образованием сульфидных построек ("черных курильщиков"), из которых гидротермальный флюид выбрасывается при температуре около 350°С. Возможно также смешение гидротермального флюида с холодной водой до достижения им оке-
анического дна. В этом случае происходит так называемое диффузное высачивание при значительно более низких температурах (10-20°С). Именно для таких зон характерно развитие обильной и разнообразной макрофауны, представленной сообществами беспозвоночных животных, - глубоководных оазисов жизни, так поразивших их первооткрывателей.
Вследствие выщелачивания базальтовых пород горячей морской водой гидротермальный флюид имеет химический состав, существенно отличный от состава холодной океанической воды. Для него характерны низкий рН (около 2), высокая концентрация растворенных газов (водорода, метана, сероводорода, углекислоты) и минералов (соединений кремния, железа, марганца, цинка и др.). Химический состав и температура флюида варьируют в зависимости от возраста гидротерм и их географического положения. Так, для одного из гидротермальных сайтов на Срединно-Атлантическом хребте (САХ) были определены следующие концентрации некоторых элементов и газов: Н2Б - 3-12 мМ/кг, СН4 - 25 мкМ/кг, железо -750-6500 мкМ/кг и марганец - 360-1140 мкМ/кг. Олово, медь и цинк имели концентрации 10360 нМ/кг, 10-40 мкМ/кг и 40-100 мкМ/кг соответственно. При этом в гидротермальном флюиде полностью отсутствуют ионы магния и сульфата [7].
Завершая краткую геохимическую справку, можно отметить, что с момента открытия первых глубоководных гидротерм в зоне Галапагосского
Рифта в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах обнаружены и исследуются около 40 активных гидротермальных участков.
Особенности микробных сообществ глубоководных гидротерм
Гидротермальный биотоп представляет собой сложную экосистему, в которой центральное место принадлежит микробному сообществу. Очевидно, что микроорганизмы этого биоценоза существуют в экстремальных условиях окружающей среды, подвергаясь воздействую высокого гидростатического давления, высокой температуры, повышенных концентраций тяжелых металлов, резких градиентов всех физико-химических параметров и концентраций веществ, необходимых для метаболизма.
Для глубоководных гидротерм характерны глубины от 800 до 3500 м, что соответствует гидростатическому давлению от 80 до 350 бар или 8-35 МРа. Была отмечена различная реакция глубоководных термофильных микроорганизмов на повышение давления. Деминг и Баросс определяют 4 типа таких реакций: для баротолерантных микроорганизмов скорость роста не зависит от давления; рост барофилов стимулируется при повышении давления; для барочувствительных организмов повышение давления приводит к ухудшению параметров роста (снижению урожая и увеличению времени удвоения), и, наконец, облигатные барофилы могут расти только при повышенном давлении [8].
Облигатным барофилом при температурах 102-106°C является Pyrococcus abussi, архея, обитающая на глубине 2000 м и не способная расти при температуре выше 102°C [9]. Примером баро-фильного организма является Methanococcus jann-aschii [10]. Время удвоения M. jannaschii уменьшается при давлении 40 МРа (давление в точке отбора пробы 26 МРа [11]).
Следует отметить, что, как правило, объектами подобных экспериментов являются организмы, выделявшиеся при атмосферном давлении. Единственное исключение составляет Thermococ-cus barophilus, выделенный при повышенном давлении [12]. Изучение этого организма показало, что он синтезирует специфические стрессовые белки (heat shock proteins) при росте при атмосферном давлении. Максимальная температура роста T. barophilus повышается при 40 МРа, а скорость роста удваивается.
Деминг и Бароссом было отмечено, что для многих барофильных организмов оптимальное давление для роста значительно выше давления, характерного для их местообитания. Например, Pyrococcus abyssi был выделен из образцов гидротермального участка с давление 20 МРа, тогда
как оптимальное давление для роста этого организма 40 МРа [8].
Повышенная температура, характерная для глубоководного биотопа, является еще одним стрессорным фактором, с которым сталкиваются обитающие в нем микроорганизмы. Большая часть описанных к настоящему времени таксонов из глубоководных местообитаний являются термофилами или гипертермофилами (табл. 2, 3). Архея Руго\оЬт/ытаги [13], установившая верхний температурный предел жизни (максимальная температура роста 113°С), была выделена именно из глубоководных гидротерм. Недавно из глубоководных гидротерм была выделена еще более высокотемпературная архея, способная расти при 121°С [108]. Можно предположить, что механизмы их термоадаптации являются общими для всех термофильных микроорганизмов, поэтому, не останавливаясь на них подробно, назовем лишь основные [14, 15]:
(1) многочисленные аминокислотные замены, стабилизирующие белки термофилов в условиях термической денатурации; (2) высокое содержание Г+Ц оснований, стабилизирующих активные конформации тРНК и рРНК; (3) высокая внутриклеточная концентрация солей, полиаминов, низко-молекулярных-ДНК-связывающих белков; (4) наличие обратной гиразы, стабилизирующей ДНК у большинства термофильных архей, и наличие ги-стонов у Euryarchaeota.
Предполагается, что термофильные и гипертермофильные организмы имеют высокоэффективные механизмы репарации ДНК, суть которых пока не изучена.
Особенности, позволяющие гидротермальным микроорганизмам адаптироваться к повышенным концентрациям тяжелых металлов, к настоящему времени также недостаточно изучены. Известные для мезофильных организмов механизмы, регулирующие внутриклеточные концентрации металлов на сублетальном уровне (специфические плазмиды и/или хромосомные гены, влияющие на мембран-транспортные системы или изменяющие энзиматически более токсичные формы металлов в менее токсические), не были обнаружены у глубоководных термофилов [16].
В микробной популяции глубоководных гидротерм можно условно выделить три категории микроорганизмов [7].
1. Мезофильные и умеренно термофильные эн-до- и экзосимбионты, связанные с гидротермальной фауной. Эндосимбиотические бактерии являются хемоавтотрофными бактериями, не поддающимися лабораторному культивированию [5, 17]. Лишь непрямые методы исследования позволили изучить некоторые физиологические аспекты симбиоза и понять способы получения энергии и ассимиляции углерода симбионтами [18-21, 104-107]. Большая
Таблица 1. Филогенетическое разнообразие термофильных прокариот в глубоководных гидротермах
Царство, домен Род Вид Места выделения Ссылка
Archaea; Euryarchaeota Methanothermococcus M. okinawensis Срединный разлом Окинава [44]
» Methanocaldococcus M. jannaschi Гуаймас [10, 53]
» M. fervens Гуаймас [51]
» » M. infernos Срединно-Атлантический хребет [50]
» M. vulcanius Восточный Тихоокеанский хребет [51]
» M. indicus Центральный Индийский хребет [52]
» Methanopyrus M. kandleri Гуаймас [49]
» Archaeoglobus A. profundus; A. veneficus Срединно-Атлантический хребет [57, 84]
» Geoglobus G. ahangari Гуаймас [68]
» Thermococcus T. profundus; T. siculi Срединный разлом Окинава [101, 99]
» » T. guaymaensis, T. aggregans Гуаймас [91]
» » T. peptonophilus Южная Марианская впадина [97]
» » T. fumicolans Северные Фиджи [94]
» » T. chitinophagus; T. hy-drothermalis; T. barossii Восточный Тихоокеанский хребет [76, 96, 92]
» T. gammatolerance Гуаймас [95]
» » T. barophilus Срединно-Атлантический хребет [12]
» Pyrococcus P. abissii Северные Фиджи [9]
» » P. glycovorans Восточный Тихоокеанский хребет [89]
» Palaecoccus P. ferrophilus Архипелаг Огасавара-Бонин (Япония) [90]
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.