МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 83, № 3, с. 255-270
= ОБЗОР
УДК 579.26+574.23
ТЕРМОФИЛЬНЫЕ ПРОКАРИОТЫ ИЗ ГЛУБИННЫХ ПОДЗЕМНЫХ МЕСТООБИТАНИЙ
© 2014 г. А. И. Слободкин1, Г. Б. Слободкина
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук Поступила в редакцию 11.07.2013 г.
Глубинная континентальная биосфера состоит из геологически изолированных друг от друга экосистем, различающихся по физико-химическим, геологическим и трофическим характеристикам. Большая часть глубинных экосистем существует в условиях повышенных температур (50—120°С), благоприятных для развития термофильных микроорганизмов. Аборигенность микроорганизмов, выделяемых из подземных местообитаний, во многих случаях вызывает сомнения, связанные с репрезентативностью и стерильностью отбора проб. Несмотря на значительное количество исследований, посвященных изучению микробных сообществ глубинной биосферы, количество культивируемых термофилов из подземных местообитаний, не связанных с месторождениями нефти, в настоящее время не превышает 30 видов. Более половины видов термофилов, выделенных из подземных местообитаний, принадлежит к типу ¥1гт1еШе$. Большинство подземных термофилов являются строгими или факультативными анаэробами, следует отметить достаточно широкое распространение способности к сульфат- и железоредукции. Основная часть подземных термофильных микроорганизмов — органотрофы, хотя имеются сведения и о хемолитоавтотрофных термофилах. В данном обзоре приводится информация о филогенетическом положении и физиологических характеристиках культивируемых термофильных прокариот, выделенных из различных глубинных подземных местообитаний.
Ключевые слова: термофильные микроорганизмы, подземная биосфера, глубинные местообитания.
DOI: 10.7868/S0026365614030161
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГЛУБИННЫХ ПОДЗЕМНЫХ МЕСТООБИТАНИЙ
Существование глубинной подземной биосферы, биологической основой которой являются прокариотные организмы, было осознано научным сообществом относительно недавно [1, 2]. Континентальные глубинные экотопы представляют собой подземные воды и вмещающие их горные породы. Подземные воды формируются путем инфильтрации атмосферных осадков и поверхностных вод или конденсации водяных паров атмосферы (вадозные воды), а также могут образовываться при дифференциации магматического очага (ювенильные воды). По условиям залегания подземные воды бывают поровые, пластовые и трещинные [3]. Подземная гидросфера не представляет собой единого целого, многие ее части территориально и геологически отделены друг от друга, а время существования изолированных по-ровых и трещинных вод может исчисляться десятками миллионов лет [4]. О границах подземной биосферы не существует единого мнения. Верхней границей глубинной континентальной
1 Автор для корреспонденции (e-mail: aslobodkin@hotmail.com).
биосферы, вероятно, следует считать зону, напрямую не зависящую от поступлений свежего органического вещества фотосинтетического происхождения и почвенных процессов (глубже 50 м в зависимости от слагающих пород), а нижней границей — зону существования жидкой воды с температурой около 100—120°С (средняя глубина около 4 км) [5]. Вследствие огромного объема подземной гидросферы, общая биомасса подземных микроорганизмов, по некоторым оценкам, может соперничать с биомассой всей флоры и фауны на поверхности Земли [1, 6]. Средний геотермический градиент земной коры равен 3°С/100 м, таким образом, в большей части подземной биосферы реализуются условия, благоприятствующие развитию термофильных микроорганизмов (оптимальная температура роста >50°С). Повышенная температура вместе с наличием восстановленных газов (Н2, СН4, Н28) способствуют поддержанию анаэробных условий в значительной части глубинных экосистем. Источниками углерода для аборигенных подземных микроорганизмов могут служить рассеянное органическое вещество горных пород (керроген), органические вещества нефти и природного газа, С02 небио-
генного происхождения, а также органические соединения (метан, углеводороды и др.), химически образующиеся при высоких температурах из неорганических веществ (процесс Фишера-Троп-ша). С точки зрения концентрации органических веществ, среди подземных экосистем четко выделяются пластовые воды нефтяных месторождений, содержащие значительные количества углеводородов и продуктов их деградации, тогда как, в общем, для подземных вод характерно низкое содержание углеродных соединений, иногда менее 1 ррт. К богатым органическим веществом местообитаниям следует отнести и антропогенные хранилища природного газа и радиоактивных отходов. Удивительным открытием, показывающим, насколько плохо мы знаем количества и потоки углерода в подземных экосистемах, явилось обнаружение нематод в глубинных местообитаниях Южной Африки [7]. Присутствие в глубинных континентальных экосистемах многоклеточных организмов-консументов, питающихся предположительно литоавтотрофными микроорганизмами, указывает на значительную продукцию микробной биомассы, источники углерода и энергии для которой в настоящее время неизвестны, а также предполагает наличие детритной цепи, основу которой должны составлять органотроф-ные микроорганизмы-деструкторы. В качестве самого распространенного неорганического донора электронов, способного служить основой существования глубинных автономных микробных сообществ, обычно рассматривают молекулярный водород, который может образовываться в процессах серпентинизации, термического разложения алканов и радиолиза воды [8—10]. Концентрации радиолитического водорода, образующегося за счет радиоактивного распада и, ТЬ и К, в трещинных водах, могут достигать молярных значений и намного превышают концентрации водорода в поверхностных экосистемах [11, 12]. В лабораторных экспериментах показано образование водорода из измельченного базальта и анаэробной воды, поддерживающее рост метаногенов [13]. Мезофиль-ные микробные экосистемы, базирующиеся на использовании водорода и содержащие метано-генные и ацетогенные микроорганизмы, были обнаружены в подземных водах, содержащихся в базальтовых и гранитных породах [13—15]. Кроме органических веществ и С02, акцепторами электронов для глубинных микроорганизмов могут служить кислород, нитрат, сульфат, тиосульфат, элементная сера и трехвалентное железо [14, 16, 17].
ТЕРМОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ГЛУБИННЫХ МЕСТООБИТАНИЙ
Филогенетическое разнообразие микроорганизмов, населяющих глубинные местообитания, исследуется как культуральными, так и молеку-лярно-экологическими методами и часто отражается в обзорных статьях [18, 19]. Молекулярные методы не позволяют однозначно судить о температурном диапазоне роста детектируемых микроорганизмов. Микробное разнообразие зависит от физико-химических, геологических, трофических характеристик глубинного экотопа и может составлять от нескольких десятков филотипов до двух и даже одного вида [20—22]. В подземных местообитаниях детектированы почти все известные к настоящему времени филогенетические типы бактерий и архей [20, 23—26]. Характерным для многих глубинных экосистем, является доминирование микроорганизмов, относящихся к филогенетическому типу Firmicutes; наиболее часто обнаруживаются представители спорообразующе-го, сульфатредуцирующего рода Desulfotomaculum, содержащего как мезофильные, так и термофильные виды [23, 27—29]. Аборигенность микроорганизмов, выделяемых из подземных местообитаний, во многих случаях вызывает сомнения, связанные с репрезентативностью и стерильностью отбора проб. С точки зрения микробиолога удобно классифицировать микроорганизмы, полученные из подземных местообитаний, по природному объекту и образцу из которого они были выделены — это позволяет понять способ отбора пробы и судить о возможной эндогенности изолята.
Пластовые воды нефтяных месторождений
Месторождения нефти и природного газа разительно отличаются от остальных экосистем подземной биосферы высоким содержанием органических веществ. Пластовые воды нефтяных месторождения являются наиболее изученными местообитаниями глубинных подземных микроорганизмов [30, 31]. Эндогенная природа прокариот, обнаруживаемых в нефтяных пластах, не поддается достоверной оценке, так как отбор проб практически всегда производится нестерильно, а сами пластовые воды контактируют с окружающей средой в результате процессов бурения и последующей эксплуатации (иногда включая закачку поверхностной воды). Однако микроорганизмы, обнаруживаемые в пробах из скважин, не подвергавшихся заводнению, в особенности в высокотемпературных пластах, могут, вероятно, рассматриваться как автохтонные. В высокотемпературных нефтяных пластах присутствуют аэробные, сульфатредуцирующие, железовосстанавли-вающие, метаногенные прокариоты и микроорганизмы с бродильным типом метаболизма, для
Таблица 1. Новые виды термофильных анаэробных микроорганизмов, выделенные из нефтяных месторождений
Филогенетический тип Роды Новые виды
Bacteria
Deferribacteres Deferribacter* Df. thermophilus
Firmicutes Caldanaerobacter*, Desulfotomaculum, Garciella*, Mahella*, Thermoanaero-bacter, Thermovirga* C. subterraneus, Dm. kuznetsovii, Dm. thermocister-num, Dm. salinum, G. nitratireducens, M. australiensis, Tb. brockii, Tv. lienii
Proteobacteria Desulfacinum*, Desulfonauticus, Petrobacter* Dc. infernum, Dn. autotrophicus, Pb. succinatimandens
Synergistetes Anaerobaculum* A. thermoterrenum
Thermodesulfobacteria Thermodesulfobacterium Td. thermophilum
Thermotogae Geotoga*, Kosmotoga*, Oceanotoga*, Petrotoga*, Thermosipho, Thermotoga Gt. petraea, Gt. subterranea, K. olearia, K. shengliensis, O. teriensis, Pt. miotherma, Pt. halophila, Pt. mexicana, Pt. mobilis, Pt. olearia, Pt. sibirica, Ts. geolei, Tt. elfii, Tt. hypogea, Tt. naphthophila, Tt. petrophila, Tt. subterranea
Archaea
Euryarchaeota Methanoculleus, Methanothermobacter, Methermicoccus*, Thermococcus Mc. receptaculi, Mt. crinale, Mm. shengliensis, Tc. sibiricus
Примечание. Ссылки на работы с описанием таксонов, представленных в данной таблице, могут быть найдены на интернет-ресурсе LPSN (http://www.bacterio.net) [41].
*
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.