МИКРОБИОЛОГИЯ, 2007, том 76, № 3, с. 293-305
= ОБЗОР
УДК 579.841.91.017.735(047)
УМЕРЕННО ГАЛОАЛКАЛОФИЛЬНЫЕ АЭРОБНЫЕ МЕТИЛОБАКТЕРИИ
© 2007 г. Ю. А. Троценко1, Н. В. Доронина, Ц. Д. Ли, А. С. Решетников
Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, Пущино Пущинский государственный университет Поступила в редакцию 02.09.2006 г.
Аэробные метилобактерии, использующие в качестве источников углерода и энергии окисленные и замещенные производные метана, повсеместно распространены в природе и участвуют в глобальном цикле углерода, являясь своеобразным биофильтром на пути поступления этих ^-соединений из различных экосистем в атмосферу. В обзоре рассмотрены новые данные об особенностях биологии умеренно галофильных нейтрофильных и алкалофильных метилобактерий, выделенных из биотопов с повышенной осмолярностью (моря, соленые и содовые озера, засоленные почвы, разрушающийся мрамор). Особое внимание уделено последним достижениям в изучении механизмов осмоадаптации аэробных умеренно галоалкалофильных метилобактерий: образованию осмопро-текторов, в частности, молекулярно-генетическим аспектам биосинтеза универсального биопротектора - эктоина. Обсуждаются перспективы дальнейших исследований физиолого-биохимиче-ских основ галоалкалофилии и использования галоалкалофильных аэробных метилобактерий для целей биосинтеза и биодеградации.
Ключевые слова: аэробные метилобактерии, гало(алкало)филы, таксономия, филогения, экофи-зиология и осмоадаптация, биоремедиация.
К умеренным галофилам принято относить микроорганизмы, оптимально растущие при 315% NaCl в среде [1, 2]. Это гетерогенная физиологическая группа микроорганизмов, принадлежащих к различным классам прокариот и эукариот. До 1980 года было описано только шесть умеренно галофильных видов (неметилотрофных) бактерий, которые были включены в Approved Lists of Bacterial Names [3]. Однако в настоящее время известно несколько десятков видов умеренно галофильных бактерий, принадлежащих к различным родам [2, 4]. Первыми среди галофильных метило-трофных изолятов оказались морские аэробные метилобактерии рода Methylophaga [5-8]. Позднее было продемонстрировано широкое распространение умеренно галофильных метилобактерий в различных биотопах и описаны представители новых таксонов.
Способность бактерий расти или выживать в соленой и щелочной среде имеет большое экологическое, промышленное и эпидемиологическое значение, поскольку галоалкалофилы/толеранты вызывают порчу материалов и пищевых продуктов, некоторые заболевания у человека и животных [9]. Соленые и щелочные места обитания присутствуют на всех континентах и заселены адаптирован-
1 Адресат для корреспонденции: (e-mail: trotsenko@ibpm.push-chino.ru).
ными к этим биотопам микробными сообществами. Интерес к галоалкалофильным/толерантным микроорганизмам обусловлен не только необходимостью понимания механизмов адаптации к высоким значениям солености и рН, но и перспективами их использования в биотехнологии. Многие полученные в культуре метилобактерии являются нейтрофилами. Однако в последние годы спектр известных галофильных и алкалофильных метилобактерий значительно расширен; установлено, что они являются участниками глобального цикла углерода в соленых и щелочных биотопах. Обладая минимальными ростовыми потребностями, га-лоалкалофильные метилобактерии удобны для исследования механизмов осмоадаптации. Ниже рассмотрены особенности биологии умеренно галофильных нейтрофильных и алкалофильных метилобактерий.
ЭКОЛОГИЯ ГАЛОФИЛЬНЫХ МЕТИЛОБАКТЕРИЙ
Морские экосистемы. Метанол, метилированые амины, хлор-, бром- и иодметан, диметилсульфид, диметилсульфоксид, метантиол, метансульфоновая кислота и другие ^-соединения присутствуют в морских экосистемах, образуются анаэробными микроорганизмами, водорослями, а также поступают в эти биотопы с осадками.
Первые галофильные метилобактерии были выделены из морских проб и представлены видами рода Methylophaga: М. marina, M. thalassica [8], M. sulfidovorans [10], M. limanica [11]. Недавно, с использованием метода in situ гибридизации с 16S pPHK-специфичными флуоресцентно-меченными олигонуклеотидными зондами (FISH), было показано широкое распространение бактерий рода Methylophaga в морских образцах. Так во всех 10 исследуемых пробах морских осадков побережья Франции in situ гибридизация с зондом МРН-730, специфичным для представителей Methylophaga, выявила присутствие метилобактерий этого рода. Более того, в 5 образцах с использованием другого видоспецифичного зонда МРН-994 обнаружены клетки М. marina [12]. Однако оценка численности бактерий рода Methylophaga в морских пробах не проводилась.
С зеленых морских водорослей Ulva lactuca и Cystoseira trinodes, отобранных в разных участках прибрежных зон Красного моря, нами также выделены метилобактерии, идентифицированные методами полифазной таксономии, включая се-квенирование генов 16S pPHK, как штаммы (КМ) вида М. marina (99% сходства). Как известно, аук-сотрофность по витамину В12 считалась одним из характерных признаков рода Methylophaga. Существенным отличием двух новых изолятов М. marina КМ3 и КМ5 оказалось отсутствие зависимости от ростовых факторов, в частности, от витамина В12 [13], что низводит этот признак на уровень фенотипического проявления.
Из лимана Азовского моря выделена нейтро-фильная умеренно галофильная метилобактерия, идентифицированная как представитель нового рода Methylarcula marina [14]. Новый род "Marino-sulfonomonas" предложен также для штаммов ме-тилотрофных бактерий, выделенных из водных образцов Плимутского пролива (Английский канал) и представленных видом "Marinosulfonomo-nas methylotropha" [15, 16].
Умеренный галоалкалофил Paracoccus haeun-daensis sp. nov. выделен из Японского моря [17], а факультативный нейтрофильный метилотроф Leisingera methylohalidivorans изолирован из морской воды побережья Калифорнии [18].
Таким образом, согласно немногочисленным литературным данным наиболее распространенными в морской среде являются умеренно галофильные метилобактерии рода Methylophaga. Можно полагать, что биоразнообразие метилобактерий морских экосистем этим не исчерпывается.
Содовые озера. Микробные сообщества эпи-континентальных содовых водоемов рассматривают как аналоги реликтовых центров разнообразия наземной микробиоты [19, 20]. Установлено, что микробные сообщества щелочных водоемов представляют многомерную кооперативную систему с
устойчивыми трофическими связями и почти замкнутым круговоротом веществ [21]. Следовательно, эти водоемы удобны для изучения филогении, биоразнообразия и механизмов выживания прокариот в условиях воздействия целого комплекса стресс-факторов и, прежде всего, существенного колебания значений температуры, рН, концентрации №С1 и общей минерализации среды.
В последнее десятилетие активно исследуются аталассические озера Африканского Рифта, Центральной Азии, Юго-Восточной Сибири, Южного Забайкалья и Северной Америки. Комплексные исследования этих экосистем выявили различные физиологические группы (гало)алкалофильных прокариот - цианобактерии, ацетогены, сульфат-редукторы, фототрофы, водородные и тионовые бактерии, натронобактерии, спирохеты и алкало-фильные термотоги [2, 21-28], а также аэробные метанотрофы [29]. Известно, что в содовых озерах образуются различные С1-соединения: метанол, формальдегид, формиат как интермедиаты окисления метана метанотрофами [30], а также метилированные амины - продукты разложения бетаина метаногенами [21]. Кроме того, некоторые С1-соединения поступают из атмосферы с дождем и снегом, например, метансульфоновая кислота [31]. Логично полагать, что аэробные метилобактерии также могут входить в состав алкалофиль-ных микробных сообществ содовых озер.
Действительно, из 35 проб щелочных озер Южного Забайкалья и Монголии нами были выделены накопительные бактериальные культуры, активно растущие на метаноле как источнике углерода и энергии при содержании №С1 3-9% и рН 9-10 и не требующие дополнительных ростовых факторов. Эти ассоциативные культуры были весьма стабильны, поддерживались при 4°С в жидкой среде в течение многих лет при пересеве один раз в год. При их высыхании культуральная среда становилась желеобразной из-за накопления экзополисахарида (ЭПС), очевидно, стабилизирующего клетки [32].
Выделение чистых культур метилобактерий из таких галоалкалофильных консорциумов осложнялось тем, что единичные колонии на агаризованных средах представлены несколькими морфотипами клеток, т.е. были ассоциациями разных видов бактерий. Полагая, что монокультуры нуждаются в ростовых факторах, поставляемых спутниками, мы использовали агаризованные среды с добавлением культуральной жидкости метанотрофов, ранее выделенных из тех же самых проб ила содовых озер. В результате удалось выделить 15 чистых культур грамотрицательных метилобактерий. Большинство из них были ауксотрофны по витамину В12, а два изолята нуждались в биотине.
В12-зависимые штаммы рода Methylophaga были представлены мелкими подвижными монотри-
хами. Характерной особенностью клеток было наличие обширного периплазматического пространства (~20 нм). Клетки с подобной ультраструктурой присутствовали во всех ассоциативных метилотрофных культурах, выделенных нами из проб ила различных содовых озер. Два В12-зависимых изолята идентифицированы как новые алкалофильные виды рода Methylophaga: М. а1саИеа и М. па^отеа [33, 34]. Напротив, два биотинзависимых галотолерантных факультативно метилотрофных изолята идентифицированы как новый вид Лпсу1оЬа^ег па^опыш [35]. Из этих же проб ила ранее были выделены метано-трофы [29]. По-видимому, эта трофическая связь обусловлена тем, что интермедиаты окисления метана (метанол, формальдегид и формиат) частично экскретируются метанотрофами в окружающую среду. Кроме того, многие штаммы рода Лпсу1оЬа^ег, будучи олиготрофами, могут использовать водород в качестве донора электронов, а CO2 как источник углерода. Такая метаболическая гибкость позволяет этим хемолитотрофам сосуществовать с истинными метилотрофами в экстремальных биотопах [36]. Интересно отметить, что Намсар
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.