научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ВОДЫ НА ПРОДУКЦИЮ БИОМАССЫ RHODOCOCCUS ERYTHROPOLIS Биология

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ВОДЫ НА ПРОДУКЦИЮ БИОМАССЫ RHODOCOCCUS ERYTHROPOLIS»

БИОФИЗИКА, 2015, том 60, вып. 1, с. 136-142

= БИОФИЗИКА КЛЕТКИ =

УДК 577.356, 57.083.133

ВЛИЯНИЕ ИЗОТОПНОГО СОСТАВА ВОДЫ НА ПPОДУКЦИЮ БИОМАССЫ Rhodococcus erythropolis

© 2015 г. А.А. Самков, С.С. Джимак, М.Г. Барышев, Н.Н. Волченко, А.А. Худокормов, С.М. Самкова, Э.В. Карасева

Кубанский государственный университет, 350040, Краснодар, ул. Ставропольская, 149

E-mail: andreysamkov@mail.ru Поступила в p едакцию 24.04.14 г.

Обнаружено влияние изотопного состава воды на концентрацию клеточной биомассы нефте-окисляющей актинобактерии Rhodo^^us егуШгороШ ВКМ Ас-2017Д при культивировании на жидких питательных средах. Величина эффекта определялась условиями постановки экспериментов, включающими последовательное использование гидрофильного и гидрофобного питательных субстратов - сахарозы и гексадекана. Показано, что при инокуляции клетками Rhodo^^us erythropolis ВКМ Ас-2017Д, выращенными на средах с сахарозой и содержанием дейтерия в воде 71 и 98 ррт, аналогичных по минеральному и изотопному составу средам с гексадеканом, наблюдается существенное увеличение продукции клеточной биомассы по сравнению с контрольным образцом, в котором использовали воду с концентрацией дейтерия, равной 150 ррт.

Ключевые слова: дейтерий, родококки, клеточная биомасса, питательная среда, адаптация микроорганизмов.

Влияние физико-химических свойств ср еды на функционирование биологических систем привлекает в настоящее время все более пристальное внимание исследователей. Расширение поля задач в этой области связано со многими нерешенными вопр осами, возникшими пр и анализе результатов слабых воздействий на живую материю различных уровней организации. Изотопный состав воды является одним из важнейших физико-химических факторов, значение которого не вызывает сомнений [1,2]. Установлено, что биологические эффекты наблюдаются при небольших естественных вариациях изотопного состава воды как в сторону уменьшения, так и увеличения относительно стандартной средней океанской воды [2]. В результате многочисленных исследований воздействия воды с повышенным относительно природного содер жанием дейтерия на биологические системы были обнаружены р азличные дозо- и объ-ектозависимые эффекты как позитивного, так и, что более характерно, негативного характера [1,3-6].

В настоящее время получили значительное развитие исследования биологических эффектов воды с пониженным содержанием дейтерия. И с-следования, проведенные на различных живых организмах [6-9], показали преимущественно положительные эффекты. Однако, как и в случае с тяжелой водой, эффекты носили дозоза-

висимый характер [3,10,11]. Большое значение при этом имел выбор биообъекта.

Изучение механизмов влияния изотопного состава воды на работу биологических систем показало их сложность и разнообразие. Были высказаны пр едположения о воздействии дейтерия на системы водородных связей, обеспечивающие структуру и функции макромолекул. Отмечалось, что водородные связи с участием дейтерия несколько пр очнее обычных. П ри инкубации клетки в воде с измененным относительно первоначального соотношением D/H изменяется не только соотношение дейтериевой и протиевой воды внутри биологической системы как р астворителя, но также осуществляется изотопный обмен в гидроксильных, сульф-гидрильных, карбоксильных и аминогруппах молекул всех органических соединений [1,1214].

В связи с растущим количеством исследований биологических эффектов легкой воды интерес представляет изучение влияния такой водной среды на бактерии, в частности на ро -дококков. Данная гр уппа микроорганизмов эво-люционно адаптирована к утилизации и трансформации широкого круга соединений углево -дородной природы. Природными соединениями, утилизируемыми актинобактериями, в том числе представителями рода Rhodococcus, являются углеводо роды нефти, поступающие в био-

сфер у естественным или техногенным путем, а также различные другие природные биологически устойчивые соединения, в том числе гидрофобные. Основным местообитанием актино-бактерий являются почвы, гуминовые и другие органические соединения которых служат практически неисчерпаемым депо углерода, доступного для поддер жания жизнедеятельно сти данной группы бактерий. Для осуществления характерной для родококков экологической K-стратегии у них имеется соответствующий катаболи-ческий ферментный аппарат, а также система энергоэффективного транспорта углеводородных молекул в клетку, представленная продукцией биогенных поверхностно-активных веществ, развитой клеточной стенкой, гидрофо-бизованной миколовыми кислотами и другими соединениями [15-17]. Cпектр физиолого-био-химических особенностей актинобактерий обусловил их применение в качестве биологического агента в биотехнологии трансформации гидрофобных соединений и, прежде всего, в экологической биотехнологии. В настоящее вр е-мя родококки являются основой или, по меньшей мере, важным компонентом практически любого нефтеокисляющего биопрепарата или микробиологической технологии биоочистки углеводородзагрязненных почв и грунтов [18,19].

Родококки способны к утилизации как са-харозы, так и гексадекана в составе жидкой питательной среды. Известно, что при потреб -лении данных субстратов используются принципиально разные катаболические механизмы, включающие экспрессию соответствующих генов, работу ферментов и структурных компонентов клетки. В случае утилизации актино-бактериями гексадекана большое значение придается формированию и работе специфических атрибутов катаболизма углеводородов - развитой гидрофобной клеточной стенки, обеспечивающей солюбилизацию гидр офобного субстра -та, синтезу биогенных поверхностно-активных веществ, связанных с клеточной стенкой и/или поступающих в окружающую среду, и, наконец, катаболическим ферментам. Таким образом, при последовательной замене сахарозы на гек-садекан в среде культивирования бактериальной культуре требуются определенные структурно-физиологические и биохимические перестройки. В этой связи для выявления зависимости ответа растущей бактериальной культуры на изменение соотношения D/H воды жидкой питательной среды был поставлен эксперимент, совмещающий многоэтапную адаптацию культуры к условиям пониженного содержания дей-

терия и замену субстрата, ра ссматриваемую как стрессовый фактор.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Воду с пониженным содер жанием дейтерия производили на установке ЛВ-1 [10,20] в Бизнес-инкубаторе Кубанского государственного университета.

Опр еделение концентрации дейтерия в полученной воде было проведено на импульсном ЯМР-спектрометре JEOL JNM-ECA 400 MHz в Центр е коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» КубГУ по модифицированной методике ФР. 1.31.1999.00073 «Методика выполнения из-мер ений содержания дейтерия в воде, водно-органических и органических раствораx методом спектроскопии ядерного магнитного резо -нанса» [21].

В работе использовали штамм бактерий Rhodococcus erythropolis ВКМ Ас-2017Д, депонированный во Всероссийской коллекции микроорганизмов, используемый в научно-исследовательской и практической деятельности [22].

Для культивирования штамма использовали жидкую минер альную среду следующего состава (г/л): KNO3 - 4; Na2HPO4-12H2O - 1,4; KH2PO4 - 0,6; MgSO4 7H2O - 0,8; стандартный раствор микроэлементов (10 элементов) -1 мл/л ср еды. В качестве единственного источника углерода и энергии использовали гекса-декан (C16H34) или сахарозу в количестве 10 г/л среды. Растворы компонентов среды стерилизовали автоклавированием р аздельно при р аз-ных режимах, после чего в стерильных условиях смешивали в необходимой пропорции. Культивирование вели в колбах объемом 250 мл на орбитальном шейкере при 110 об/мин и 24°С.

Определение концентрации биомассы выполняли гр авиметрическим методом по усовершенствованной методике Brown [23]. Клетки осаждали центрифугированием на центрифуге РС-6МЦ при 3000 g и 10°С. При использовании гексадекана в качестве источника углерода и энергии, согласно правилам определения концентрации биомассы при культивировании на углеводородах [24], осажденные клетки дополнительно промывали гексаном для удаления остатков углеводо родного субстрата, адсор би-ровавшегося на поверхности микроорганизмов и посуды.

Оптическую плотность культур, растущих на сахарозе, измеряли в 3-миллиметровой кювете пр и X = 670 нм. Оптическая плотность использована для учета динамики роста кон-

Pис. 1. Схема пересевов родококка на cpеды c р азличными соотношениями D/H (ppm) и питательными субстр атами.

центрации биомассы по стандартной методике [25].

С татистическую обр аботку полученных данных о существляли методами вар иационной статистики с использованием t-кр итер ия Стьюден-та. Достоверным считали различие при p < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Была пр иготовлена сер ия жидких минер аль-ных сред, различающихся соотношением D/H в воде. Для этого в стер ильных условиях смешивали аликвоты ср ед, пр иготовленных на о с-нове исходной дистиллированной воды (150 ± 0,9 ррт) и воды с пониженным содержанием дейтерия (45 ± 1,7 ррт). Соотношение легкая вода/обычная вода вар ьир овали от 0 до 100% с шагом 25%. Таким обр азом, в экспер именте использовали пять образцов воды для приготовления сред с соотношениями D/H, равными

45 ± 1,7; 71 ± 2,1; 98 ± 1,4; 124 ± 1,7; 150 ± 0,9 ррт до стер илизации ра створ ов автоклави-рованием.

Схема эк спер имента п р иведена на р и с. 1. Клетки Rhodococcus erythropolis ВКМ Ас-2017Д были дважды стерильно отмыты от остатков ср еды культивир ования (питательного агар а) минеральной средой без источника углерода, пр иготовленной на воде с D/H 150 ррт. Клетки были использованы для инокуляции серии сред первого этапа эксперимента, где в качестве питательного субстрата использовали сахарозу. Клетки, выр о сшие на сахар озе, пр и известных соотношениях D/H в среде, были использованы для инокуляции серии ср ед втор ого этапа экспер имента, где в качестве субстрата был использован гексадекан, а водная фаза имела те же соотношения D/H, что и на предыдущем этапе.

На пер вом этапе эк спер имента клетки Rhodococcus erythropolis ВКМ Ас-2017Д куль

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»