CC BY
43
УДК 631.46
МЕЗОФИЛЬНЫЕ И ТЕРМОТОЛЕРАНТНЫЕ АКТИНОМИЦЕТЫ В РАЗОГРЕВАЕМЫХ ПОЧВАХ1
А.И. Курапова, Г.М. Зенова, В.К. Орлеанский, А.С. Манучаров, Ж. Норовсурэн
(кафедра биологии почв)
Среди представителей спороактиномицетов, имеющих развитый воздушный мицелий и споры, преобладают мезофильные формы. Термофильные актино-мицеты описаны в составе рода Thermoactinomyces (ми-целиальные бактерии, имеющие эндоспоры и, согласно неформальным предложениям [11], выводимые из порядка Actinomycetales [1]; а также представители родов Thermomonospora, Microbispora, Saccharo-polyspora, Saccharomonospora и отдельные виды рода Streptomyces). У прокариот основные температурные точки роста (минимальная, максимальная и оптимальная температуры) значительно варьируют [4, 8]. У ме-зофилов оптимальная для роста температура лежит в интервале между 20 и 42°. Среди этих организмов имеются термотолерантные виды, способные выживать при температуре до 50°. Большинство термофильных видов растет при температуре до 70°. Таких значений температура достигает, например, в гниющем компосте и нагретом солнцем поверхностном слое почвы. У отдельных термофильных организмов, называемых экстремальными термофилами, температурный оптимум превышает 70° (80—105°). В природе такие значения температуры встречаются только в зонах вулканической активности [8].
Термофильные актиномицеты широко используются в биотехнологии как продуценты дегидрогеназ [10] и разлагатели полимеров [9]. Считается, что сами термофильные и термотолерантные организмы способны вносить существенный вклад в процессы са-
моразогревания субстратов и биологической порчи различных материалов.
Цель настоящей работы — сравнительное изучение степени распространенности и таксономического состава мезофильных и термотолерантных актиномице-тов в разогреваемых почвах и пленках водорослей вблизи горячих источников в районе вулканической деятельности.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования явились разогреваемые пустынные почвы Монголии, горно-луговые почвы Центрального Кавказа и пленки водорослей, сформированные на пеплах вблизи горячих источников п-ова Камчатка (таблица).
В наших исследованиях использованы почвы, поверхность которых может разогреваться до высокой температуры — почвы пустынных степей Монголии, разогревающиеся до 50—60°; почвы, формирующиеся на камнях в ущельях Центального Кавказа на высоте до 3500 м над ур. моря; пеплы под пленками водорослей вблизи горячих источников Камчатки с температурой до 49°. Логично было предположить наличие в этих почвах термотолерантных актиномицетов, способных развиваться при повышенных температурах.
Пустынные степи Монголии лежат в пределах внутреннего Центрально-Азиатского бассейна и относятся к ландшафтам Центральной Азии. На севере они ограничены отрогами Хангая, на юго-западе — хребтами Монгольского и Гобийского Алтая. Специфические черты почвенного покрова зоны пустынных степей Монголии следующие: малое развитие микрокомплексности в почвенном покрове, слабая гипсоностность почв, отсутствие в почвах фитогенного накопления солей [7]. Поверхность почвы в дневное время в летний период разогревается до 50—60°. Микробный мир пустынных степей Монголии изучен недостаточно,
Характеристика объектов исследования
Почва (или субстрат), горизонт и глубина отбора образцов, см Номер образца Район взятия образца, высота над уровнем моря
Бурая пустынно-степная, Ад, 0—10 117, 175, 179 Монголия, Южный Гоби, Булган сомон
Серо-бурая пустынная, В1, 6—18 315 Монголия, Южный Гоби, Ханбогд-Галбын Гоби
Горно-луговая, 0—5 Б1 Б2 Б3 Б4 Центральный Кавказ, ущелье Мижирт, 2350 м ущелье Укю, 3420 м ущелье Укю, 3500 м Безенгский ледник 2600 м
Пленки водорослей на пеплах вблизи горячих источников, 0—5 Пленки водорослей, гейзерит 1, 2, 3, 4; 5, 6; 7 п-ов Камчатка ручей Горячий термальные поля источник Печка
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 06—04—48165).
в то же время своеобразие биогеоценозов в зоне пустынных степей Монголии столь велико, что можно предположить значительное микробное разнообразие, присущее пустынным почвам. Объектами нашего исследования явились бурые пустынно-степные почвы, расположенные на территории хозяйства Булган сомон, Талын хотос, и серо-бурые пустынные почвы на территории Ханбогд-Галбын Гоби. Бурые пустынно-степные почвы отличаются щелочной реакцией по всему профилю, рН от 8,9 до 9,1. Содержание гумуса от 0,6 до 1%, максимальное содержание гумуса наблюдается в иллювиальном горизонте В1, что связано с особенностями распределения корневой системы растений. В этом же горизонте отмечена и максимальная емкость поглощения. Сумма легкорастворимых солей колеблется от 0,05% в верхней до 0,49—2,0% в нижней части профиля, где они представлены сульфатами и хлоридами натрия, что часто связано с присутствием этих солей в почвообразующей породе — меловых крас-ноцветных отложениях. Четко выражен карбонатный горизонт ВСа. В пределах хозяйства Булган сомон бурые пустынно-степные почвы распространены на плоских водораздельных межсай-ровых пространствах подгорной равнины. Серо-бурые пустынные почвы занимают в Монголии значительную площадь вдоль южной границы. Для них также характерны щелочная реакция среды по всему профилю (рН от 8,9 до 9,2), малое содержание гумуса (0,24—0,39%). Сумма легкорастворимых солей 0,07—0,13% в виде сульфатов и хлоридов натрия. Выражен карбонатный горизонт [3]. Отличаются крайне изреженной пустынной растительностью с господством полукустарничков и кустарничков.
Горно-луговые почвы Центрального Кавказа формируются на выщелоченных продуктах выветривания плотных пород, занимая вершины и верхние части склонов хребтов и гор всех экспозиций. Климатические условия развития этих почв характеризуются большим количеством выпадающих осадков, достигающим более 5000 мм в год. Осадки превышают испаряемость в 2—3 раза, что обусловливает промывной режим почв. Растительный покров представлен сообществами среднетравных субальпийских и низкотравных альпийских лугов. В основном это злаки, осоки, примулы, а также кустарнички—рододендроны, черника и др. Профиль горно-луговых почв слабо дифференцирован и имеет небольшую мощность, редко превышающую 60—70 см. Для этих почв характерно наличие мощной подстилки, прочно скрепленной корнями травяной растительности дернины до 10 см и более. Здесь выделяется хорошо выраженный гумусовый горизонт мощностью 15—20 см, с высоким содержанием гумуса, в котором преобладают фульвокислоты. В переходном горизонте содержание гумуса резко убывает. Плотность горизонтов невелика, это благоприятствует созданию аэробных условий в этих почвах. Для горно-луговых почв характерен суглинисто-глинис-тый состав с большим количеством щебня, сильная выщелочен-ность и кислая реакция среды. Поверхность почвы прогревается солнцем. Так, ущелье Укю носит название «теплый угол», потому что солнце, садясь за стоящие напротив вершины Каргашиль-ского хребта, светит практически до самого заката, и этот участок остается теплым даже во время наползающего во второй половине дня тумана в горах.
Объектом наших исследований явились также пленки водорослей, сформированные на пеплах вблизи горячих источников Камчатки. Камчатсткий полуостров находится в зоне повышенной сейсмической активности, здесь часты землетрясения и извержения вулканов. Территория характеризуется наличием многочисленных термальных полей и источников. Температура воды в сердцевине таких источников достигает 70—80°, а иногда и 100°. По мере удаления от центра источника за счет понижения температуры на поверхности пород, покрытых пеплом, начинает активно поселяться разнообразная растительность. Первыми поверхность пеплов заселяют водоросли как пионеры почвообразования, подготавливая субстрат для дальнейшего развития растительности.
Для выделения и дифференцированного учета актиномице-тов использовали метод поверхностного посева из разведений почвенных суспензий на плотные питательные среды — среду с пропионатом натрия [5] и минеральный агар 1 (Гаузе 1) [2]. В среды добавляли нистатин (50 мг/мл) для ограничения роста грибов и налидиксовую кислоту (5 мг/мл) для ограничения роста неми-целиальных бактерий. Посевы инкубировали 10—14 суток при температурах: 28° в одной серии опытов, 37° — в другой и 45° в
третьей серии опытов. Предварительную идентификацию акти-номицетов проводили при первичном микроскопировании колоний на чашках с питательной средой с последующим выделением в чистую культуру на среде овсяный агар [5]. Для предварительной идентификации использовали признаки согласно Определителю бактерий Берджи [6]: морфологические (наличие фрагментации мицелия, образование спор на субстратном и/или воздушном мицелии, число спор в цепочках, наличие одиночных спор, спорангиев) и хемотаксономические (присутствие Ь- или мезоизомера диаминопимелиновой кислоты (ДАПк) и дифференцирующих сахаров в гидролизатах целых клеток). Видовую идентификацию стрептомицетов проводили согласно Определителю актиномицетов [2] и Определителю бактерий Берджи [6].
Оптимальные и ограничительные для роста культур актино-мицетов температуры определяли по величине радиальной скорости роста колоний на среде минеральный агар 1 при температуре инкубирования 5, 15, 20, 28, 37, 45, 50°. Радиальную скорость роста колоний (Кг) рассчитывали по формуле
Кг = (а2— ^/(12— 1!), где ( и 12 — диаметр колонии в начальный и конечный моменты измерения соответственно, мм; ^ и 12 — время начального и конечного измерения, сут. Опыт проводили в 20-кратной по-вторности.
Рис. 1. Численность (^К мезофильных (I) и термотолерантных (II) актиномицетов в почвах пустынных степей Монголии (а), горно-луговой почве Центрального Кавказа (б) и пленках водорослей на пеплах вблизи горячих источников п-ова Камчатка (в).
117, 175, 179 — номера образцов бурой пустынно-степной почвы, 315 — серо-бурая пустынная почва; Б1, Б2, Б3, Б4 — номера образцов горнолуговой почвы; 1, 5, 6 — номера образцов, отобранных в пленках водорослей на пеплах вблизи горячих источников п-ова Камчатка; 7 — пленки водорослей на гейзерите. N — КОЕ/г почвы
а
117 175 179 315
100%
9%
Рис. 2. Доля (%) разных родов в комплексах мезофильных (I) и термотолерантных (II) актиномицетов в почвах пустынных степей
Монголии (а) и горно-луговой почве (б).
117, 175, 179 — номера образцов бурой пустынно-степной почвы, 315 — серо-бурая пустынная почва; Б1, Б2, Б3, Б4 — номера образцов горно-луговой
почвы. 1 — Streptomyces, 2 — Micromonospora, 3— олигоспоровые актиномицеты
Электронно-микроскопические исследования образцов гейзерита проводили в сканирующем электронном микроскопе ГЕМ-2, инструментальное увеличение 3000.
В почвах пустынных степей Монголии численность актиномицетов колеблется от тысяч до десятков тысяч КОЕ/г почвы в зависимости от типа почвы и исследуемого образца. Численность термотолерантных форм в этих почвах всегда немного выше, чем мезо-фильных. В серо-бурой пустынной почве (образец 315) численность термотолерантных актиномицетов на порядок превосходит численность мезофильных. Последнее можно объяснить тем, что на поверхности серо-бурой пустынной почвы образуется песчано-щебнис-тый «панцирь», который может нагреваться в дневное
время до 40—60°, а находящийся под ним слой почвы, который мы использовали для анализа, имеет температуру только на несколько градусов ниже. Таким образом, в почвах пустынных степей Монголии создаются условия, благоприятные для развития термотолерантных актиномицетов (рис. 1).
В образцах горно-луговой почвы, отобранных в ущельях Центрального Кавказа, численность актино-мицетов колеблется от тысяч до сотен тысяч КОЕ/г почвы в зависимости от места взятия образца, в разных ущельях, на разных высотах от уровня моря (рис. 1).
Численность актиномицетов в образцах, отобранных в пленках водорослей на пеплах вблизи горячих источников Камчатки, невелика и не превышает ты-
сяч КОЕ/г пепла (рис. 1). Численность термотолерантных форм в этих образцах недостоверно превышает численность мезофильных актиномицетов или меньше количества мезофилов.
Актиномицетный комплекс почв пустынных степей Монголии представлен родами Streptomyces, Micromonospora и актиномицетами олигоспоровой группы (рис. 2), включающей роды Actinomadura, Saccharopo-lyspora, Microtetraspora, Microbispora, среди которых доминируют представители рода Actinomadura. Среди ме-зофильных актиномицетов доминируют, как правило, стрептомицеты и олигоспоровые формы, микромоно-споры выявляются не во всех исследованных образцах. Термотолерантные актиномицеты характеризуются во всех исследованных почвах большим таксономическим разнообразием. Здесь часто в равных долях или с небольшим преимуществом стрептомицетов представлены все выявляемые таксономические группы (рис. 2). Термотолерантные микромоноспоры присутствуют во всех исследованных образцах пустынных почв Монголии в сопоставимых или равных со стрептомицетами долях в актиномицетном комплексе, а иногда и «вытесняют» стрептомицеты из комплекса (образец 117 бурой пустынно-степной почвы).
Актиномицетный комплекс горно-луговых почв представлен родами Streptomyces, Micromonospora и ак-тиномицетами олигоспоровой группы (рис. 2), включающей роды Actinomadura, Saccharopolyspora, Micro -tetraspora, Microbispora, среди которых доминируют представители рода Saccharopolyspora. Мезофильные ак-тиномицеты отличаются меньшим таксономическим разнообразием. Почти во всех образцах они представлены актиномицетами рода Streptomyces. Только в одном из исследованных образцов (Б3), который отобран в ущелье Укю на высоте 3500 м над ур. моря, среди мезофильных форм отмечены представители
рода Micromonospora (доля их составляет 25% от всех актиномицетов в комплексе мицелиальных прокариот) и олигоспоровые актиномицеты (составляющие 5% от всего актиномицетного комплекса исследуемого образца). Среди термотолерантных актиномицетов в горно-луговой почве Центрального Кавказа кроме стреп-томицетов обнаруживаются представители рода Micromonospora и олигоспоровые актиномицеты. В образце (Б3), отобранном в ущелье Укю, термотолерантные микромоноспоры по численности превосходят все другие обнаруживаемые роды и составляют наибольшую долю в актиномицетном комплексе (84%) (рис. 2), что, очевидно, связано с повышенной влажностью этого местообитания. Как известно, микромоноспоры являются влаголюбивыми мицелиальными бактериями с гидрофильными спорами.
В пленках водорослей на пеплах в зоне вулканической деятельности на Камчатке невелики численность актиномицетов (не превышает тысяч КОЕ/г субстрата) и таксономическое разнообразие мицели-альных прокариот. В большинстве исследуемых образцов мезофильные и термотолерантные формы представлены стрептомицетами. Микромоноспоры и олигоспоровые актиномицеты обнаруживаются только в отдельных образцах. Например, в образце (№ 5), отобранном на термальных полях, мезофильные формы представлены олигоспоровыми актиномицетами, среди термотолерантных актиномицетов обнаружены только представители рода Micromonospora (рис. 3). В образце гейзерита (№ 7), отобранном вблизи источника Печка в разрастаниях мха, термотолерантные актиномицеты по численности превосходят мезофильные формы (рис. 1, в). Мезофильные формы актиномицетов, выделенные из образца гейзерита, представлены стрептомицетами, среди термотолерантных актиномицетов преобладают олигоспоровые
Рис. 3. Доля (%) разных родов в комплексах мезофильных (I) и термотолерантных (II) актиномицетов в пленках водорослей на
пеплах вблизи горячих источников п-ова Камчатка. 1, 5, 6, 7 — номера образцов. 1 — 81гер1отусгз, 2— Micromonospora, 3— олигоспоровые актиномицеты
Рис. 4. Гифы мицелия и споры представителей рода Microtetraspora в образце гейзерита. Шкала на фотографии соответствует 15 мкм
формы, в основном представители рода Microtetraspora (рис. 4). Интересно отметить, что микромоноспор в этом образце выделено не было.
Из обследованных образцов почв выделены четыре культуры стрептомицетов. Две из них — Streptomyces alborubidus, штамм 1М, и & tenebrarius, штамм 3А, — выделены при инкубировании посевов при 28° из бурой пустынно-степной и горно-луговой почвы соответственно. Две другие культуры — S. sporocinereus, штамм 2М, и & aburaviensis, штамм 4К, — выделены при инкубировании посевов при 37° из бурой пустынно-степной почвы и из пленок водорослей на поверхности пеплов Камчатки соответственно. Культуры стрептомицетов, выделенные при 28°, имеют оптимальную радиальную скорость роста при 28— 37°, диапазон роста этих культур лежит в пределах температур 5—45°. Это мезофильные штаммы стрептомицетов. Термотолерантные штаммы стрептоми-цетов имеют оптимум роста при 37°, и диапазон их роста лежит в области 15—50° (рис. 5).
Таким образом, в разогреваемых почвах пустынных степей Монголии, горно-луговых почвах Цент-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. АгреН.С. Систематика термофильных актиномице-тов. Пущино, 1986. 130 с.
2. Гаузе Г.Ф., Преображенская Т.П., Свешникова М.А., Терехова Л.П., Максимова Т.С. Определитель актиномице-тов. М., 1983. 245 с.
3. Доржготов Д. Почвы Монголии (генезис, систематика, география, ресурсы и использование): Автореф. дис. ... докт. биол. наук. М., 1992. 340 с.
4. Жизнь микробов в экстремальных условиях / Ред. Д. Кашнера. М., 1981. 519 с.
5. Зенова Г.М. Почвенные актиномицеты редких родов. М., 2000. 81 с.
6. Определитель бактерий Берджи: В 2 т./ Под ред. Дж. Хоула и др. М., 1997. 800 с.
Рис. 5. Зависимость радиальной скорости роста колоний стрептомицетов (Ю от температуры культивирования.
1 — Streptomyces alborubidus, 2— S. tenebrarius, 3 — S. sporocinereus, 4 — S. aburaviensis
рального Кавказа, в пленках цианобактерий на пеп-лах вблизи горячих источников Камчатки обнаружены мезофильные и термотолерантные актиномицеты в сопоставимых количествах или с преобладанием термотолерантных форм, более разнообразных в таксономическом отношении по сравнению с ме-зофильными. Выявлены особенности распространения термотолерантных актиномицетов разных родов в исследованных почвах и субстратах. Установлено, что термотолерантные формы рода Streptomyces распространены во всех исследованных субстратах, за исключением некоторых образцов — пустынных почв (образец 117), где абсолютно доминируют термотолерантные представители рода Micromonospora и Actinomadura, и образца (№ 5) цианобактериаль-ных шлейфов термальных полей Камчатки, где комплекс представлен родом Micromonospora. Термотолерантные микромоноспоры распространены широко в пустынных и горно-луговой почвах. Выявлены специфические актиномицетные комплексы, представленные термотолерантными формами рода Micromonospora в цианобактериальных шлейфах термальных полей Камчатки и рода Microtetraspora в образцах гейзерита.
7. Почвенный покров основных природных зон Монголии. М., 1976. 273 с.
8. Современная микробиология. Прокариоты. Т. 2. / Отв. ред. Й. Ленгнлер, Г. Древс, Г. Шлегель. М., 2005. 449 с.
9. Kleeberg J, HetzC, Kroppenstedt R.M., Deckwer W.D. Diodegragation of Aliphatic-aromatic copolyestedt de Thermomonospora fusca and other thermophylic compost isolates // Appl. Environ. Microbiol. 1998. Vol. 64, N 5. P. 1731-1735.
10. OhshimaT., TakadaH, YoshimaT., EsakiN., SodaK. Destribution, Purification and characterization of thermophilic actinomycetes // J. Bacteriol. 1991. Vol. 173, N 3. P. 3943—3948.
11. Stackebrandt E, Rainey F.A., Ward-Rainey N.L. Proposal for a new hieraric classification system, Actinobacteria classic nov. // Int. J. Syst. Bacteriol. 1997. Vol. 47, N 2. P. 479—491.
Поступила в редакцию 16.11.07
MESOPHILIC AND THERMOTOLERANT ACTINOMYCETES IN WARMING SOILS
A.I. Kurapova, G.M. Zenova, V.K. Orleansky, A.S. Manucharov, Zh. Norovsuren
Mesophilic and thermotolerant actinomycetes were revealed in warming soils of desert steppes Mongolia, mountain meadow soils Central Caucasus, in cyanobacterial films on ashes near hot springs on peninsula Kamchatka. Thermotolerant actinomycetes were presented by more numbers and by more taxonomycal diversity than mesophilic actinomycetes. Thermotolerant Streptomyces was spread-ed in all researching patterns. Some patterns of soil Mongolia and cyanobacterial films on ashes of peninsula Kamchatka were exclusion. Thermotolerant Micromonospora and Actinimadura or only Micromonospora were dominanted in there patterns. Termotolerant Micromonospora and Microtetraspora were presented the specific complexes in cyanobacterial films on ashes and on the mineral geiserit on peninsula Kamchatka accordingly.
