Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из групп, участвующей в окислительных реакциях геохимического цикла серы, являются бесцветные серобактерии. Их характеризует массовое развитие в природе с образованием своеобразных обрастаний на поверхности донных отложений или плотных скоплений на границе окислительно-восстановительной зоны в водной толще.
Несмотря на то что серобактерии известны давно и в последнее время наметился определенный прогресс в их изучении, знания по физиологии и таксономии этой группы организмов остаются весьма ограниченными из-за трудностей культивирования и часто основываются на результатах наблюдений за природными популяциями.
К некультивируемым организмам относятся и бесцветные серобактерии рода Thiodendron. Этот организм был описан Б.В.Перфильевым в качестве нового рода как микроб со сложным циклом развития, включающий стадии тончайших длинных нитей и подвижных вибрио-идных клеток. Thiodendron относится к очень редким микроорганизмам, и его единичные находки были обнаружены автором в мелководных соленых водоемах и минеральных сероводородных источниках. При окислении сульфида бактерии накапливают элементную серу и в определенных условиях формируют на поверхности грунта обрастания в виде гигантских сферических колоний с накоплением серы, или бактериальные серные маты.
Кроме автора, Thiodendron никем не был исследован. Ввиду отсутствия чистых культур физиология, роль в серном цикле и филогенетическое положение рода остаются неясными. В "Руководстве по систематике бактерий Берги" род Thiodendron, представленный единственным видом - Т. latens, на основании гифомикробиального строения и сложного жизненного цикла помещен в раздел "Почкующиеся и/или стебельковые бактерии" (Hirsch, 1989).
Цель работы. Изучение бесцветных серобактерий рода Thiodendron.
Конкретные задачи работы состояли в следующем :
-
Изучение распространения, условий местообитания и метаболической активности Thiodendron в соленых водоемах различного типа.
-
Выделение чистых культур серобактерий рода Thiodendron.
-
Исследование физиологических особенностей и роли неорганических соединений серы в метаболизме выделенных штаммов.
-
Выделение анаэробных спирохет из морских донных осадков, где не отмечалось развитие матов Thiodendron. Сравнительная характеристика спирохет, выделенных из различных экосистем. Последняя задача была поставлена в связи с обнаружением симбиотической при-
роды Thiodendron и отнесением основного компонента ассоциации, формирующей гигантские колонии, к свободноживущим спирохетам.
Научная новизна и практическая значимость работы. Установлено широкое распространение бактериальных матов, сформированных нитчатыми серобактериями рода Thiodendron, в соленых водоемах различного типа. С применением радиоизотопных методов показано, что маты Thiodendron характеризуются высокой скоростью окисления сульфида, высоким гетеротрофным потенциалом (усвоением глюкозы) и гетеротрофной фиксацией углекислоты.
Показано, что описанные ранее бактерии рода Thiodendron со сложным циклом развития в действительности представляют тесную ассоциацию свободноживущих спирохет и сульфидогенов с вибриоид-ной формой клеток. Спирохеты являются основным структурным и функциональным компонентом серных матов "Thiodendron". Из материала матов "Thiodendron" различных соленоводных экосистем выделены чистые культуры свободноживущих спирохет. На основании изучения фено- и генотипических свойств выделенные штаммы отнесены к новому роду в пределах пор. Spirochaetales - Perfilievia gen. nov. - с видовым названием P. russia gen. nov., sp. nov.
Из донных осадков Японского моря и бухты Кратерная выделены три штамма анаэробных спирохет, отличающихся по таксономическим и филогенетическим свойствам от Perfilievia russia. Они отнесены к новым видам рода Spirochaeta - S. orientalis sp. nov., S. crateria sp. nov. и S. gracilis sp. nov. Умеренно галофильный штамм SL из циано-бактериального мата Солар Лейк генетически и эволюционно удален от известных видов и может быть представлен в статусе нового рода в системе пор. Spirochaetales.
Показана способность чистой культуры P. russia к окислению сульфида в микроаэробных условиях с накоплением элементной серы в периплазме клеток. Представители всех новых таксонов спирохет способны осуществлять восстановление элементной серы до сероводорода. Процесс восстановления S0 является альтернативным механизмом стока восстановительных эквивалентов, образующихся в результате брожения.
В результате проведенных исследований впервые выявлено участие анаэробных свободноживущих спирохет в геохимических процессах цикла серы, сопряженных с деструкцией органического вещества. Полученные результаты значительно расширяют представления о разнообразии таксономического состава и метаболических возможностях группы свободноживущих спирохет и пор. Spirochaetales в целом.
Полученные в работе результаты могут быть использованы при составлении определителей бактерий, а также для чтения курсов лекций по микробиологии в высших учебных заведениях.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на семинарах финско-русской лаборатории биотехнологии Университета г.Турку (Финляндия, 1994, 1995 гг.), на совместном заседании лабораторий хемолитотрофных микроорганизмов, гипертермофильных микробных сообществ, экологии и геохимической деятельности микроорганизмов (ИНМИ РАН, 1996 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано две работы и одна сдана в печать.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, выводов и списка литературы. Материалы изложены на 153 страницах машинописного текста, включая 18 таблиц и 17 рисунков. Список литературы содержит 35 отечественных и 160 иностранных наименований работ.