научная статья по теме НАКОПЛЕНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ MN2+ КЛЕТКАМИ OSCILLATORIA TEREBRIFORMIS Биология

Текст научной статьи на тему «НАКОПЛЕНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ MN2+ КЛЕТКАМИ OSCILLATORIA TEREBRIFORMIS»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2013, том 82, № 5, с. 605-613

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.2:57.025

НАКОПЛЕНИЕ И ОСАЖДЕНИЕ Mn2+ КЛЕТКАМИ ОБСИЫТОМЛ ТЕЯЕБШЮЯМШ

© 2013 г. Л. М. Герасименко*, 1, В. К. Орлеанский*, Л. В. Зайцева**

* Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва ** Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН, Москва Поступила в редакцию 26.09.2012 г.

Показано, что цианобактерия ОясИШопа ?егеЬп/огт1$ устойчива к высоким концентрациям марганца и сохраняет жизнеспособность при содержании в среде 2.5 мМ МпС12. Клетки цианобактерии способны к значительному потреблению марганца из среды. При этом, независимо от концентрации, динамика поглощения Мп клетками была одинаковой во всех вариантах опыта. Максимальная концентрация марганца в биомассе накапливалась в течение 2—3 сут и зависела от содержания марганца в растворе и количества вносимой биомассы. Весь извлеченный из среды марганец для Os. ?егеЬп/огт15 можно разделить на Мп, поглощенный клеткой, Мп, связанный с клеточной стенкой, Мп, сорбированный гликокаликсом и Мп, осажденный химическим путем. Из общего количества потребленного марганца 21.25 ± 1.0 мг на долю биологического поглощения приходится 11.78 ± 0.98 мг, а на химическое осаждение 9.2 ± 0.8 мг. Выведение марганца из среды в 2.28 раза выше в присутствии цианобактерий, чем без них, и в большей мере этот процесс зависит от сорбции Мп экзоплисахари-дами. При концентрации марганца 1.3 мМ образовывался слоистый мат с прослоями карбоната марганца.

Ключевые слова: цианобактерии, марганец, потребление, осаждение, гликокаликс. БОТ: 10.7868/80026365613050030

Соединения марганца широко распространены в природе, и в их образовании и трансформации активную роль играют микроорганизмы [1]. Большинство горных пород содержит Мп в рассеянном виде. Однако существуют и скопления оксида марганца, в виде натеков, слоистых конкреций и прослоев в строматолитах.

В связи с широким распространением марга-нецсодержащих минералов давно возник вопрос

0 механизме их генезиса. Но до сих пор вопросы формирования Mn-пород и происхождения Mn-строматолитов и онколитов остаются неясными и спорными. Находки остатков микрофлоры, имеющей послойную локализацию, свидетельствуют об активном участии биологических процессов в формировании железо-марганцевых конкреций [2]. Онколито-водорослевая текстура с избирательным распределнием Fe и Mn в ушбаском горизонте Малого Каратау [3] также говорит об участии микроорганизмов в образовании Mn-стро-матолитов.

По морфологии и систематическому положению марганецокисляющие бактерии отличаются разнообразием. У всех этих бактерий есть слизистая капсула или слизистый чехол, как у нитчатой бактерии Leptothrix. Во всех случаях первичной является экзоплазматическая биоминерализация, которая включает ускорение процесса мине-

1 Автор для корреспонденции (e-mail: L_Gerasimenko@mail.ru).

рализации в присутствии выделяемых клеткой слизистых полисахаридов, и дальнейшее постепенное заполнение кристаллическим или аморфным минералом всего чехла или капсулы.

Все они являются органотрофами. Однако изучение марганецокисляющих бактерий, недавно обнаруженных в глубоководных гидротермах, показало, что значительная их часть относится к автотрофным микроорганизмам [1].

Для бактериальной клетки из всех форм марганца наиболее доступной является Mn+2. Однако он присутствует в экосистемах в крайне низких концентрациях. Поэтому клетка должна иметь эффективные системы для его поглощения внутрь, особенно в том случае, если организм обладает специфической потребностью в этом элементе. К таким организмам относятся цианобактерии, т.к. у них марганец входит в кислородвыделяющий комплекс [4]. Непрямое (без участия ферментов) окисление Mn+2 изучено только у одноклеточной цианобакте-рии Microcystis и у зеленой одноклеточной водоросли Chlorella [5]. В обоих случаях окисление идет на свету и связано с фотосинтезом, в процессе которого происходит насыщение среды кислородом и под-щелачивание ее до рН 10.

Бурное развитие цианобактерий, сопровождаемое накоплением кислорода в атмосфере, выдвинуло задачу борьбы с окислительным стрессом. При оксигенном фотосинтезе кислород

восстанавливается до супероксидного анион-радикала, а затем превращается в Н2О2. Поэтому Мп+2 в реакции с перекисью водорода стал необходимым химическим элементом для сохранения жизнедеятельности микробной клетки в окислительных условиях [5]. Все это говорит о том, что цианобактерии играли и играют не последнюю роль в круговороте Мп в природе.

Внутрь клеток цианобактерий ионы марганца поступают с помощью переносчика АВС-типа, который кодируется опероном шМ-СЛЬ [6], активно экспрессирующимся в условиях низкого содержания марганца (например, в морской воде). Таким образом, эта система регулирует накопление элемента в условиях его недостатка и позволяет клеткам создать концентрацию, необходимую для их жизнедеятельности. При высоком содержании марганца экспрессия оперона ингибируется, и марганец может накапливаться в довольно больших концентрациях, вплоть до значений, вызывающих гибель цианобактерий. Известно, что при повышенных концентрациях марганец может блокировать синтез белка [7]. Приспособившиеся на протяжении геологического времени к дефициту марганца в среде обитания морские организмы имеют ограниченные возможности для создания механизмов, блокирующих поступление марганца внутрь клетки.

Устойчивость цианобактерий к марганцу зависит не только от факторов внешней среды или от возраста культуры, но и от наличия специфических и неспецифических механизмов защиты клеток [8—10]. Неспецифическая устойчивость связана с детоксикацией металла в среде и на поверхности клетки до его проникновения внутрь. Эту барьерную функцию выполняют внеклеточные метаболиты, особенно углеводы, и клеточные оболочки [9]. Специфическую устойчивость обеспечивают различные белки, связывающие в цитоплазме значительные количества марганца [10]. Клетка, с одной стороны, борется против проникновения марганца, с другой, нуждается в его поступлении, так как он является необходимой частью многих ферментов.

Таким образом, наличие разнообразных механизмов взаимодействия цианобактериальной клетки с марганцем и учет древнейшего происхождения цианобактерий и их господства в эпоху формирования стоматолитов, позволяют ставить вопрос о роли этих организмов в осаждении марганца и участии в формировании Мп-содержащих строматолитов в далеком прошлом нашей планеты.

В данной работе с целью моделирования условий, благоприятных для образования стратифицированных Мп-содержащих цианобактериаль-ных матов — современных аналогов строматолитов, исследовано влияние МпС12 на рост ОнсйЫопа 1егеЬп/огш18, а также изучена способность клеток к накоплению марганца и их фоссилизация.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования использовали альгологически чистую культуру цианобактерии Oscillatoria terebriformis из рабочей коллекции цианобактерий лаборатории реликтовых микробных сообществ Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН (ИНМИ РАН). Организм выделен из цианобактериального мата гидротермального ручья Термальный (кальдера Узон, Камчатка). Выбор данной цианобактерии объясняется тем, что в природе она растет в условиях постоянного подтока соединений марганца и способна накапливать в своих клетках до 0.4% Mn при расчете на абсолютно сухую биомассу [11].

Культивирование цианобактерий осуществляли на среде Заварзина [12], имитирующей состав гидротермального источника и содержащей 1.8 мкМ Mn, в стерильных условиях при круглосуточном освещении (2 тыс. люкс) при 30°C. Для определения влияния Mn на рост цианобактерий в стандартную среду Заварзина, добавляли MnCl2 в концентрациях 0.25, 0.5, 1.3, 2.5, 5.0, 25 и 50 мМ, который вводили в питательные среды одновременно с внесением посевного материала. В контрольных вариантах Mn в среду дополнительно не добавляли. Определение накопления Mn клетками цианобактерий проводили при концентрациях хлорида марганца 0.25 и 1.3 мМ. Так как по данным [13] существует зависимость накопления Mn клетками бактерий от количества вносимой биомассы и количества раствора, были проведены две серии опытов. В первой серии биомассу цианобактерий, предварительно выращенную в оптимальной среде, собирали на планктонную сетку, трижды отмывали водой, растирали в фарфоровой ступе для получения однородной суспензии и вносили по 5 мл густой суспензии в чашки Петри с 20 мл среды (начальная биомасса 13.7 мг). Для второй серии подрощенную в чашках пленку цианобактерий переносили в конические колбы со свежей средой (500 мл) и определенным количеством хлорида марганца (начальная биомасса 237 мг).

Прирост биомассы определяли по весу абсолютно сухой биомассы (а.с.б.). Для этого из общей навески высушенного вещества вычитали вес поглощенного и адсорбированного клеками Mn.

Содержание марганца в культуральной среде, а также в биомассе O. terebriformis, озоленных путем мокрого сжигания в смеси азотной и хлорной кислот [8], определяли на атомно-адсорбцион-ном спектрофотометре ("Hitachi 270", Япония) в ГНУ Почвенного института им. В. В. Докучаева Россельхозакадемии.

Изучение морфологических изменений ци-анобактерий и элементный состав образующихся минералов проводили в Палеонтологическом институте им. А. А. Борисяка РАН (ПИН РАН) на сканирующих микроскопах CamScan-4, Cam-

bridge и EVO5O XVP, "Zeiss" (Германия) с микро-аналиатором INCA Oxford 350.

Статистическая обработка результатов. Для получения достоверных результатов эксперименты проводили в 3-х биологических и не менее чем в 3-х аналитических повторностях. В результатах работы представлены данные характерных опытов и относительные стандартные ошибки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Зависимость скорости роста цианобактерий от концентраций MnCl2. Клетки O. terebriformis оказались устойчивыми к высоким концентрациям марганца (рис. 1) и сохраняли жизнеспособность при содержании в среде 2.5 мМ MnCl2. Заметные изменения в поведении культуры цианобактерий при внесении различных концентраций хлорида марганца наблюдались уже на 7 день культив

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