СОДЕРЖАНИЕ 2
ВВЕДЕНИЕ 3
1. Сульфатредуцирующие бактерии из экстремальных местообитаний 5
1.1. Экология и физиология сульфатредуцирующих микроорганизмов 5
1.2. Разнообразие микроорганизмов глубинных экосистем суши 8
1.2.1. Экология и физиология сульфатредуцирующих бактерий, выделенных
из глубинных экосистем суши 11
1.3. Микробные сообщества и сульфатредуцирующие бактерии кислых
шахтных дренажей 15
1.4. Экобиотехнологии на основе сульфатредуцирующих бактерий 17
2. Материалы и методы исследования 19
2.1. Характеристика изучаемых штаммов и мест их выделения 19
2.2. Методы культивирования 24
2.3. Техника микроскопии 27
2.4. Определение границ устойчивости pH среды и температуры
культивирования 27
2.5. Определение оптимума pH среды и температуры культивирования 28
2.6. Определение круга используемых субстратов 28
3. Результаты и их обсуждение 31
3.1. Физиология бактерии Desulfotomaculum sp. FUp 31
3.1.1. Определение ростовых субстратов для Desulfotomaculum sp. FUp 32
3.1.2. Границы и оптимум температуры для роста Desulfotomaculum sp. FUp36
3.1.3. Границы и оптимум pH для роста Desulfotomaculum sp. FUp 38
3.2. Определение круга ростовых субстратов для Desulfovibrio sp. DV и Desulfovibrio sp. TomC 39
3.2.1. Доноры электронов для роста штаммов DV и TomC 39
3.2.2. Акцепторы электронов для роста штаммов DV и TomC 42
ВЫВОДЫ 46
ЛИТЕРАТУРА 47
Экстремальные экосистемы с пограничными значениями температуры, повышенным давлением, высокой соленостью, кислотными или щелочными условиями среды являются неблагоприятными для развития жизни. Тем не менее, такие местообитания населяют организмы, приспособленные к экстремальным условиям - бактерии и археи, реже представители эукариот, относящиеся к грибам и водорослям (Baker et al., 2004, Mendez-Garcia et al., 2015). Изучение экстремофилов является актуальной задачей для современной науки как для фундаментального развития знаний о биоразнообразии, так и для практического применения в биотехнологиях.
Одним и примеров экстремальных экосистем являются глубинные экосистемы суши, образующиеся в заполненных грунтовыми водами трещинах и пустотах горных пород. Молекулярные исследования последних лет указывают на огромное разнообразие жизни в подповерхностных экосистемах. Несмотря на прогресс в развитии молекулярных методов, наши возможности в анализе данных, полученных из геномов ограничены. На данный момент получение информации о метаболизме, изучение адаптаций и других важных характеристик организма возможно только в условиях культивирования in vitro. Ввиду труднодоступности подземной воды для отбора проб и сложности технологии выделения и культивирования микроорганизмов подземных экосистем, количество валидно описанных видов крайне невелико. Предполагаемая геохимическая роль и структура данных экосистем также остаются малоизученными.
Другим примером экстремальных местообитаний являются кислые шахтные дренажные воды (КШД), образующиеся в местах добычи и хранения отходов сульфидных руд. Несмотря на низкие значения pH и высокую концентрацию растворенных металлов, воды кислых шахтных дренажей являются местообитанием микроорганизмов, часть из которых способствует образованию КШД (серу- и железоокисляющие бактерии). Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ), способные осаждать тяжелые металлы выделяя сероводород при дыхании, также встречаются в кислых шахтных дренажных водах (Johnson et al., 2000; Карначук и др., 2009; Карначук и др., 2015, Марданов и др., 2017; Анциферов, 2018). Благодаря этому, СРБ из ацидофильных сообществ могут быть использованы в отчистке вод, загрязненных металлами и сульфатами.
Целью данной работы было изучение физиологии сульфатредуцирующих бактерий, выделенных из экстремальных местообитаний, для их таксономического описания и использования в биотехнологиях.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить круг доноров и акцепторов электронов и углерода для
роста штамма Desulfotomaculum sp. FUp из геотермального
местообитания.
2. Провести ряд экспериментов по определению границ и оптимума температуры для роста Desulfotomaculum sp. FUp.
3. Определить оптимум и пределы pH для роста Desulfotomaculum sp. FUp.
4. Дополнить перечень используемых доноров электронов и углерода для роста ацидотолератных Desulfovibrio sp. DV и Desulfovibrio sp. TomC.
5. Установить используемые штаммами Desulfovibrio sp. DV и Desulfovibrio sp. TomC акцепторы электронов.
Автор выражает благодарность научному руководителю канд. биол. наук Ю.А. Франк за руководство, помощь в планировании экспериментов и составление филогенетических деревьев; д-ру биол. наук, профессору О.В. Карначук за предоставленную возможность проведения исследований; А.П. Лукиной за помощь в проведении исследования, а также канд. биол. наук Д.В. Анциферову за предоставленные микрофотографии.
Работа была поддержана грантом РФФИ мол_а № 18-34-00322.
1. Desulfotomaculum sp. FUp использует органические кислоты (за
исключением пропионата), спирты (этанол, глицерол), сахара (глюкозу, фруктозу) в качестве доноров электронов и углерода. В качестве акцепторов электронов, помимо сульфата, Desulfotomaculum sp. FUp использует тиосульфат, сульфит и цитрат Fe(III). Нитрит, нитрат, элементная сера, Fe-NTA, арсенат и фумарат не поддерживают рост Desulfotomaculum sp. FUp.
2. Подтвержден рост Desulfotomaculum sp. FUp при температурах от 37 °С до 63 °С. При 27 °С и 64 °С рост отсутствовал. Наибольшая удельная скорость роста была отмечена при температуре 55 °С.
3. Был зафиксирован рост Desulfotomaculum sp. FUp при pH среды от 2.0 до 9.0, оптимальный pH находится в диапазоне от 5.0 до 7.0. Полученные данные могут быть использованы для разработки «технологического коридора» для применения этой бактерии.
4. Desulfovibrio sp. TomC использует формиат, пируват, малат и пальмитат в качестве доноров электрона и углерода. Штамм не растет с использованием сахаров (глюкоза сахароза), аминокислот (глицин, аланин), цитрата, ацетата, фумарата и пептона. Штамм Desulfovibrio sp. DV не использует пропионат, изобутират, цитрат натрия, аланин, глицин и сахарозу в качестве ростовых субстратов.
5. Desulfovibrio sp. DV и Desulfovibrio sp. TomC используют тиосульфат натрия, сульфит натрия и фумарат как конечные акцепторы электронов при дыхании. Штамм Desulfovibrio sp. DV также способен к нитратному дыханию.
