Модельная деструкция цианобактерий и тканей высших растений гидролитическим комплексом микроорганизмов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

16. Rotsch, C. Dimensional and mechanical dynamics of active and stable edges in motile fibroblasts investigated by using atomic force microscopy [Text] / C. Rotsch, K. Jacobson, M. Radmacher // Proc.Natl.Acad.Sci.USA, Cell Biology. - 1999. - V.96. - P. 921-926.

17. Sneddon, I.N. The relation between load and penetration in the axisymmetric Boussinesq problem for a punch of arbitrary profile [Text] I.N. Sneddon // Int. J. Eng. Sci.- 1965. - V. 3. - P. 47-57.

18. Wilson, M.R. Interaction between ultrafine particles and transition metals in vivo and in vitro [Text] / M.R. Wilson, J.H. Lightbody, K. Donaldson, J. Sales, V. Stone // Toxicol. Appl. Phermacol. - 2002. - V. 184. -P. 172-179.

19. Wojcikiewicz, E. Force and Compliance Measurements on Living Cells Using Atomic Force Microscopy [Text] / E. Wojcikiewicz, X. Zhang, V. Moy // Biol. Proced. Online. - 2004. - V. 6(1). - P. 1-9.

© Скоркина М.Ю., Федорова М.З., Сладкова Е.А., Деркачев Р.В., Забиняков Н.А., 2010

УДК 612.1

Т.Ф. Черняковская

МОДЕЛЬНАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ЦИАНОБАКТЕРИЙ И ТКАНЕЙ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ ГИДРОЛИТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ МИКРООРГАНИЗМОВ

Исследована сукцессия аэробных и факультативно анаэробных сапротрофных прокариот в условиях повышенного увлажнения на специально разработанной установке. Деструкцию АпаЬепа и Phragmites ашйа^ осуществляет однотипное «бактериальное ядро». Комплекс микроорганизмов на тростнике включает также актиномицеты, дрожжи и мицелиальные микро-мицеты.

Ключевые слова: АпаЬепа, Phragmites адойа^, дрожжи, гидролитический комплекс прокариот, мортмасса, моделирование процесса деструкции.

T.F. Tshernyakovskaya

MODEL DESTRUCTION OF CYANOBACTERIUMS AND HIGH PLANTS TISSUES BY HYDROLYTIC COMPLEX OF MICROORGANISMS

Succession of aerobic and elective-anaerobic saprotroph procaryots was researched in increased moist condition by using special installation. Destruction of Anabena and Phragmites australis are carried out by equal «bacterial substance». Actinomycetes, yeasts and mycelial micromycetes are included in complex of microorganisms on Ph. australis too.

Key words: Anabena, Phragmites australis, yeasts, hydrolytic complex of procaryots, model destruction.

Микробиологическая деградация растительной мортмассы - глобальный биогеохимический процесс, определяющий в конечном итоге состояние наземного покрова и атмосферы Земли. Главный маршрут деградации растительного покрова - разложение скелетного материала наземных растений, представленного лигноцеллюлозой [6,8]. В наземных экосистемах этот процесс активно изучается [2,6,8]. Данные о микробиологической деструкции растительной мортмассы в водных экосистемах до сих пор остаются малоизученными. В этой связи особый интерес представляет деградация прокариотных фотосинтезирующих организмов - цианобактерий, широко распространенных в водных экосистемах и почвах.

Химический состав растений включает 2-15% белка и 10% растворимых соединений, 1060% целлюлозы, 10-30% гемицеллюлозы, 5-30% лигнина. Таким образом, в растительной морт-массе среди углеродсодержащих соединений преобладает лигноцеллюлоза. Она составляет около У всего углерода, ассимилированного растениями [6,7]. Клеточная стенка цианобактерий включает аминокислоты, жирные кислоты, липосахариды и др. Однако основным ее компонентом является муреин (вещество из группы пептидогликанов). Поверх оболочки клетки могут быть покрыты слизью, состоящей из набухающих в воде полисахаридов [4,9].

Целью настоящей работы является изучение сукцессии аэробных и факультативно анаэробных сапротрофных прокариот, а также дрожжей при разложении мортмассы прибрежно-водного

растения Phragmites australis (тростника обыкновенного) и цианобактерий p.Anabaena в модельном эксперименте в условиях повышенного увлажнения.

Для моделирования условий разложения растительного материала в водоеме на твердом грунте применяли установку: пластиковый цилиндр из химически инертного материала высотой 10-15 см, на нижний конец которого надета сетка, наполовину заполняли кварцевым песком (промытым и простерилизованным в сушильном шкафу при температуре 105°С в течение 8 часов). Листья тростника и биомассу цианобактерий распределяли по поверхности песка. Цилиндр помещали в кристаллизатор со стерильной водопроводной водой, налитой на несколько миллиметров ниже уровня поверхности песка. Сверху вся установка была закрыта стеклянным колпаком. Эксперимент выполнялся при температуре 20°С в течение14 суток.

Для изучения состава микробных сообществ проводились исследования общей численности и состава микроорганизмов на листьях Тростника обыкновенного и биомассе цианобактерий в начале эксперимента и через 14 суток, классическим чашечным методом из серийных разведений на широкий спектр сред с полимерами (среда Гаузе 1, среда Гетчинсона с КМЦ, среда с яичным желтком). Определяли общую численность выделенных бактерий и их амилолитическую, лецити-назную, липазную, протеазную активность [1]. Отдельно проводили учет грамотрицательных бактерий, грамположительных спорообразующих и коринеподобных бактерий на глюкозо-пептонно-дрожжевой среде, а также учет дрожжевых организмов на сусло-агаре.

Для проведения идентификации бактерии и дрожжи выделяли в чистую культуру, микроско-пировали и проводили физиолого-биохимические тесты [3,9].

Общая численность бактерий на живых цианобактериях и на листьях тростника составляла величины одного порядка. Таксономическая структура бактериальных сообществ исследуемого комплекса на этих субстратах различается незначительно. В обоих вариантах присутствуют эпи-фитные коринеподобные бактерии р.р. Micrococcus и Curtobacterium, а также эврибионты р. Rhodococcus. На тростнике обнаружены протеобактерии р. р. Methylobacterium и Azospirillum, на цианобактериях - р. Flavobacterium. Кроме того, на цианобактериях обнаружены единичные представители прокариот гидролитического комплекса - р. р. Cytophaga, Myxobacterium, Bacillus (табл. 1). С воздушно-сухими листьями тростника ассоциированы также дрожжи р. р. Rhodotorula,Cryptococcus, Trichosporon.

Таблица 1

Численность и таксономический состав сообщества прокариот, ассоциированных с цианобактериями

р. Anabena и Phragmites australis (живой материал)

Объект исследования Численность КОЕ/г Таксономический состав сообщества

Цианобактерии 4,81106 Бактерии:

р. Anabena Rhodococcus

Curtobacterium

Micrococcus

Flavobacterium

Cytophaga

Myxobacterium

Bacillus

Phragmites australis 3,(М06 Бактерии:

Rhodococcus

Curtobacterium

Micrococcus

Methylobacterium

Azospirillum

4,0-104 Дрожжи:

Rhodotorula,

Cryptococcus,

Trichosporon

Примечание: общая численность бактерий определялась на глюкозо-пептонно-дрожжевой среде; КОЕ/г - колонии, образующие единицы на 1 г исследуемого материала.

Через 14 суток после начала эксперимента установлено снижение общей численности микроорганизмов на цианобактериях на один порядок и увеличение их численности на один порядок на тростнике (табл. 2). Анализ таксономического состава сообществ прокариот позволил выявить на тростнике большее таксономическое разнообразие бактерий (12 таксонов в ранге рода), чем на цианобактериях (6 таксонов). На обоих субстратах обнаружены представители гидролитического

комплекса: протеобактерии р.р. Cytophaga, Myxobacterium и грамположительные спорообразую-щие бактерии р. Bacillus. На тростнике обнаружены также актиномицеты р. Streptomyces, которые всегда принимают активное участие в разложении фитомассы на поздних этапах сукцессии, так как осуществляют деструкцию сложных полимерных соединений, и бактерии-копиотрофы, ассо-циированые с гидролитиками и утилизирующие простые органические соединения (р. Aquaspirillum, Pseudomonas, Flavobacterium). Кроме того, на тростнике выявлены бактерии р. Azotobacter - типичные спутники гидролитиков, дрожжи р.р. Cryptococcus, Trichosporon и многочисленные представители микромицетов, которых мы не идентифицировали.

Таблица 2

Таксономический состав сообществ прокариот на мортмассе

_цианобактерий р. Anabena и Phragmites australis_

Объект исследования Численность КОЕ/г Таксономический состав сообщества

Цианобактерии р. Anabena 1,15-105 Бактерии:

Aquaspirillum

Pseudomonas

Curtobacterium

Cytophaga

Myxobacterium

Bacillus

Phragmites australis 1,2-107 Бактерии:

Aquaspirillum

Pseudomonas

Flavobacterium

Curtobacterium

Azotobacter

Cytophaga

Myxobacterium

Bacillus

Streptomyces

1,15105 Дрожжи:

Cryptococcus,

Trichosporon

Определяли способность микроорганизмов, ассоциированных с мортмассой тростника и цианобактерий, утилизировать полимеры. Установлено, что бактерии, осуществляющие деструкцию цианобактерий, обладают выраженной амилолитической и целлюлазной активностью. У микроорганизмов, развивающихся на мортмассе тростника, выявлена амилолитическая, целлюлазная и ли-пазная активности.

Таким образом, в ходе проведенного исследования нами апробирована методика постановки модельного эксперимента по разложению растительного материала в условиях повышенного увлажнения, проанализирован таксономический состав сообществ бактерий гидролитического комплекса на мортмассе Тростника обыкновенного и цианобактерий р. Anabena.

Установлено, что деструкцию цианобактерий осуществляет то же «бактериальное ядро», которое составляет основу микробного сообщества при деструкции высших растений. Это протеобактерии р.р. Myxobacterium и Cytophaga, осуществляющие гидролиз полимеров, а также ассоциированные с ними копиотрофы р.р. Aquaspirillium и Pseudomonas. Наши данные коррелируют с результатами анализа списков бактерий, характерных для воды, водорослей, водных сосудистых растений и наземных растений, исходя из которого становится ясно, что большинство видов протео-бактерий перешло вместе с растениями из водных в наземные экосистемы [2,7]. Самые древние прокариотные сообщества - цианобактериальные - относятся к докембрийскому периоду. Предполагается, что все бактерии, представляющие собой окружение центрального ядра, состоящего из фототрофных цианобактерий - первых продуцентов органического вещества - появились одновременно с цианобактериями [5]. Вероятно, прокариотный блок, ответственный за деструкцию полимерных соединений отмирающей фитомассы, начал формироваться уже в это время. В период господства цианобактерий целлюлозолитические организмы имели ограниченный источник субстрата. Вся обширная группировка наземных целлюлозолитических микроорганизмов и их сателлитов сформировалась после развития на Земле растительного покрова [6].

Выявленные нами различия в структуре исследуемых бактериальных комплексов проявляются на уровне крупных таксономических групп. Отмечено полное отсутствие в составе бакте-

риального сообщества на цианобактериях актиномицетов, дрожжей и грибов. По-видимому, это связано с различиями биохимического состава клеточной стенки цианобактерий и высших растений. Мицелиальные организмы - грибы, ответственные за разложение растительной мортмассы в биосфере, в палеонтологической летописи появляются одновременно с растениями или несколько раньше [5]. Среди прокариот мицелиальные организмы, характеризующиеся функциональным сходством с грибами, представлены актиномицетами. Их природное местообитание - почва, а основная экологическая роль - разложение органического вещества [8].

Проведенное исследование свидетельствует об отсутствии принципиальных отличий в структуре бактериальных комплексов, складывающихся в ходе деструкции наземных и разлагающихся в водоеме на твердом грунте прибрежно-водных растений. Вероятно, в ходе эволюции сложились достаточно стабильные сообщества прокариот, осуществляющих деструкцию биомассы растений. Мы предполагаем, что ожидать выявления каких-либо фундаментальных отличий в структуре сообщества прокариот при разложении растительного материала в водоемах и в наземных условиях на уровне эубактерий не следует.

Библиографический список

1. Головченко, А.В. Структура бактериальных комплексов пойменных ландшафтов реки Протвы [Текст] / А.В. Головченко, Т.Г. Добровольская, М.С. Федоритенко, Н.В. Добровольская, Д.Г. Звягинцев // Микробиология. - Т. 70, Вып. 5. - 2001.

2. Добровольская, Т.Г. Структура бактериальных сообществ [Текст] / Т.Г. Добровольская. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 283 с.

3. Добровольская, Т.Г. Методы выделения и идентификации почвенных бактерий [Текст] / Т.Г. Добровольская, И.Н. Скворцова, Л.В. Лысак. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 70 с.

4. Дьяков, Ю.Т. Введение в альгологию и микологию [Текст] / Ю.Т. Дьяков. - М.: Изд-во Изд-во Московского университета, 2000. - 120 с.

5. Заварзин, Г.А. Протеобактерии: Экологический принцип в систематике прокариот [Текст] / Г.А. Завар-зин // Природа. - №5. - 1990. - С. 8-17.

6. Заварзин, Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии [Текст] / Г.А. Заварзин. - М.: Наука, 2004.

- 348 с.

7. Звягинцев, Д.Г. Вертикальный континуум бактериальных сообществ в наземных биогеоценозах [Текст] / Д.Г. Звягинцев, Т.Г. Добровольская, Л.В.Лысак // Журн. общ. биологии. - 1991. - Т. 52. - № 2.

- С. 162-171.

8. Звягинцев, Д.Г. Биология почв [Текст] / Д.Г. Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. - М.: Изд-во Московского университета, 2002. - 445 с.

9. Определитель бактерий Берджи [Текст] / под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. - М.: Мир, 1997 - Т. 1. - 436 с. - Т. 2. - 362 с.

© Черняковская Т.Ф., 2010