Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биология морских гетеротрофных и алкалофильных сероокисляющих бактерий

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Сорокин, Дмитрий Юрьевич

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что облигатно гетеротрофные бактерии могут представлять значительную часть сероокисляющей популяции в морских водоемах и высокощелочных содовых озерах. Они включают 2 контрастные группы грамотрицательных эубактерий, различающиеся механизмом окисления СС и происхождением.

2. Гетеротрофовные бактерии, окисляющие серные соединения до тетратионата, включает представителей у-подкласса РШеоЬШепа. Морские нейтрофилы относятся к псевдомонадами, за исключением штамма с кокковидпой формой клеток, описанного как новый род С&епососсия. Алкалофильные представители из содовых озер относятся к группе ЯаЪтотш. Впервые доказано, что гетеротрофные СОБ данного типа способны окислять до тетратионата не только тиосульфат, но также сульфид и элементную серу. Впервые показана возможность окисления тиосульфата и сульфида бактериями этого типа в анаэробных условиях в ходе денитрификации с максимальной активностью в присутствии N20 в качестве акцептора электронов. Впервые получены доказательства возможности использования энергии окисления тиосульфата до тетратионата и литогетеротрофии для тетратионат-образующих гетеротрофных СОБ.

3. Группа морских нешрофильных и алкалофильных сульфат-образующих гетеротрофов представлена прямыми родственниками анаэробных несерных пурпурных бактерий, главным образом в а-3 подгруппе РгоЫоЪаМегш. В их составе описано 2 новых рода - уникальный сульфит-окисляющий нейтрофил &и.уИоЬас1ег и алкалофильная эритробактерия ПохетШгопоЬа^ег. Данные бактерии окисляют тиосульфат, сульфид, сульфит и элементную серу до сульфата в ходе гетеротрофного роста. Они обладают возможностью синтеза АТФ за счет окисления тиосульфата и могут расти литогетеротрофно с СС в условиях лимитированного снабжения органическим донором электронов.

4. В высокощелочных содовых озерах Забайкалья, Кении и США обнаружена неизвестная ранее алкалофильная ветвь облигатно автотрофных тионовых бактерий, способных к устойчивому росту и окислению СС в высокоминерализованных содовых средах при рН до 10.б(рост)-11.5(активность).

Нижний рН предел для роста=7.5. Всего в чистую культуру выделено около 100 штаммов, представленных 2 контрастными группами грамотрицательных эубактерий и отнесенных к новым родам ТШоа1каИт1сгоЫит и ТЫоа1ка1МЪгю в у-подклассе РШеоЬаЫегш. Численность данных бактерий в донных осадках содовых озер достигает 10б кл/мл сырого ила. Представители рода ТЫоа1каИт1сгоЫит отличаются высокой скоростью роста и узким набором окисляемых серных соединений. Род ТЫоа1каИу№гю обладает более широкими метаболическими возможностями, включая денитрифицирующие, тиоциаиат-окисляющие и экстремально натронотолерантные формы.

5. Гетеротрофные тетратионат-образующие и автотрофные алкалофильные СОБ могут найти применение в биотехнологии детоксификации промышленных отходов, в частности содержащих высокие концентрации сульфида.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Экспериментальные статьи

1. Сорокин Д.Ю. Бактериальное окисление тиосульфата в Черном море. Изв. АН СССР, сер.биол., 1991. С.255-266

2. Сорокин Д.Ю. Окисление восстановленных соединений серы в вулканически активных районах залива Пленти (Н.Зеландия) и Матупи Харбор (Папуа-Н.Гвинея). Изв. АН СССР, сер.биол., 1991. С376-387

3. Сорокин Д.Ю. Окисление тиосульфата и элементной серы в редокс-зоне Черного моря в зимне-весенний период. Океанология. 1992. Т.32. С.873-880

4. Sorokin D.Yu. Catenococcus thiocyclus gen.nov.sp.nov.- a new facultatively anaerobic bacterium from nearshore sulphidic hydrothermal waters. J.Gen. Microbiol. 1992. V.138. P.2287-2292

5. Сорокин Д.Ю. Окисление тиосульфата в тетратионат гетеротрофными бактериями из водных местообитаний. Микробиология. 1992. Т.61. С.756-763

6. Веденина И.Я., Сорокин Д.Ю. Синтез АТФ при окислении тиосульфата до тетратионата гетеротрофными бактериями. Микробиология. 1992. Т.61. С.764-769

7. Сорокин Д.Ю. Окисление тиосульфата в тетратионат гетеротрофными бактериями: влияние на рост и характеристика системы окисления. Микробиология. 1993. Т.62. С.223- 231

8. Бонч-Осмоловская Е.А., Мирошниченко МЛ., Пикута Е.В., Сорокин Д.Ю., Намсараев Б.Б. Бактериальная сероредукция в мелководных гйдротермах юго-западной части Тихого океана. Микробиология. 1993 .Т.62. № 3

9. Сорокин Д.Ю. Аэробная сероредукция как причина образования тиосульфата из элементной серы культурами грамположительных бактерий и дрожжей. Микробиология. .62. С.604-615 Ю.Сорокин Д.Ю. Влияние тиосульфата на гетеротрофную ассимиляцию углекислоты морскими тиосульфат-окисляющими гетеротрофными бактериями. Микробиология. 1993. Т.62. С.816-824

П.Сорокин Д.Ю., Лысенко А.М. Характеристика гетеротрофных бактерий из Черного моря, способных окислять восстановленные СС до сульфата. Микробиология. 1993. Т.62. С.1018-1031

1 З.Сорокин Д.Ю. Окисление восстановленных соединений серы в бухте Кратерная

Курильские о-ва). Микробиология. 1994. Т.63. С.370-374 1 З.Сорокин Д.Ю. Влияние тиосульфата на рост сульфатобразующих гетеротрофных бактерий из Черного моря в условиях проточной культуры. Микробиология. 1994. Т.63. С.457-465

14.Сорокин Д.Ю . Sulfitobacter pontiacus gen.nov. sp.növ - новая гетеротрофная бактерия из Черного моря, специализированная на окислении сульфита. Микробиология 1995. Т.64. С.354-365

S5.Sorokin Yu.I., Sorokin P.Yu., Avtleev V.A., Sorokin D.Yu., Hchenko S.V. Biomass, production and activity of bacteria in the Black Sea with special reference to sulfur cycle. Hydrobiologia. 1995. V.308. P.61-76

16. Сорокин Д.Ю. Окисление сульфида и элементной серы до тетратионата гетеротроны-ми бактериями. Микробиология. 1996. Т.65. С.5-9

17.Сорокин Д.Ю., Лысенко А.М., Митюпшна JI.JI. Выделение и характеристика алкалофильных хемоорганогетеротрофных бактерий, окисляющие восстановленные СС до тетратионата. Микробиология. 1996, Т.65. С.370-383

18.Sorokin D.Yu., Robertson L.A., Kuenen J.G. Sulphur metabolism of Catenococcus thiocyclus. FEMSMicrobiol. Ecol.l996.VA9. P.117-125

19.Пименов H.B., Русанов Н.И., Поглазова M.H., Митюпшна JIJI, Сорокин Д.Ю., Хмелина В.Н., Трощенко Ю.А. Бактериальные обрастания на коралловидных постройках в местах выходов метановых газовыделений в Черном море. Микробиология. 1997.7.66. С.421-428

20.Сорокин Д.Ю. О возможности процесса нитрификации в экстремально щелочных местообитаниях. Микробиология. 1998. Т.67. С.404-408

21.Сорокин Д.Ю., Митюпшна JIJI. Особенности ультраструкгуры алкалофильных гетеротрофных бактерий, окисляющих СС до тетратионата. Микробиология. 1998. Т.67. С.93-101

22.Sorokin D.Yu., de Jong A., Robertson L.A., Kuenen J.G. Purification and partial characterizaton of sulfide dehydrogenase from alkaliphilic obligately autotrophic sulfur oxidizing bacterium. FEBSLett. 1998. V.427. P.l 1-14

23.Sorokin D.Y., Muyzer G-, Brinkhoff Т., Kuenen G.J., Jetten M. Isolation and characterization of a novel facultatively alkaliphilic Nitrobacter species - Nb.alkalicus. Arch.Microbiol. 1998. V. 170. P.345-352

24.Сорокин Д.Ю., Веденина И.Я., Грабович М.Ю. Влияние сульфита на метаболизм ацетата у Sulfltobacter pontiacus при росте в непрерывной культуре. Микробиология. 1999. Т.68. С.19-26

25.Sorokin D.Yu., Tesku A., Robertson L.A., Kuenen J.G. Anaerobic oxidation of thiosulfate by obligately heterotrophic bacteria. FEMS Microbiol. Ecol. 1999. V.30. P.113-123

26.Sorokin D.Yu., Robertson L.A., Kuenen J.G. Isolation and characterization of alkaliphilic obligately autotrophic sulfur-oxidizing bacteria. Antonie van Leeuwenhoek 2000. V.77. P.251-260.

27.Sorokin D.Yu., Cherepanov A., de Vries S., Kuenen J.G. Identification of cytochrome с oxidase in the alkaliphilic, obligately chemolithoautotrophic, sulfur-oxidizing bacterium "Thioalkalimicrobium aerophilum" strain AL 3. FEMS Microbiol. Lett. 1999. V.179. P.91-99

28.Sorokin D.Yu., Lysenko A.M., Mityushina L.L., Tourova T.P., Jones BJE., Rainey FA., Robertson L.A., Kuenen J.G. Thioalkalimicrobium sibericum, Thioalkalimicrobium aerophilum., and Thioalkalivibrio versutus, Thioalkalivibrio nitratus and Thioalkalivibrio denitri-ficans gen. nov., sp. nov - new alkaliphilic obligately chemolithoautotrophic sulfur-oxidizing bacteria from soda lakes. Int. J. Syst. Evolut.Microbiol. 2000. V.50 (in press)

29.Sorokin D.Yu., Robertson L.A., Kuenen J.G. Chemostat study of alkaliphilic obligately chemolithoautotrophic sulfur oxidizing bacteria. FEMS Microbiol.Ecol. 2000. (in press)

ЗО.Сорокин Д.Ю., Брянцева И.А., Турова Т.П., Кузнецов Б.Б., Горленко В.М. Roseinatronobacter thiooxidans gen. nov., sp.nov. - новая алкалофильная аэробная бактериохлорофилл а-содержащая бактерия из содового озера. Микробиология. 2000. Т.69.С.1-9

31.Sorokin D.Yu., Kuenen J.G. A novel facultatively autotrophic hydrogen oxidizing bacterium from alkaline environment. Extremophiles. 2000. V.4, № 4.

32.Sorokin D.Yu., BJones., J.G.Kuenen. A novel methane-oxidizing bacterium from highly alkaline environment. Extremophiles 2000. V.4. P.145-155. 33.Sorokin D.Yu., Kuenen J.G., Jetten M. Denitrification at extremely alkaline conditions in obligately autotrophic alkaliphilic sulfur-oxidizing bacterium Thioalkalivibrio denitrificans. Arch. Microbiol. 2000. (in press) 34.Sorokin D.Yu., Kuenen J.G. Microbial thiocyanate utilization under highly alkaline condi tions. Appl. Environ. Microbiol. 2000 (in press).

35.Сорокин Д.Ю. Окисление соединений серы гетеротрофными микроорганизмами. Изв. АН СССР, сер.биол., 1991. С.558-569

36.Сорокин Д.Ю. Биологическое окисление атома серы в С-1 и органических соединениях. Микробиология. 1993. Т.62. С.981-993

37.Сорокин Д.Ю. Использование микроорганизмов для защиты окружающей среды от загрязнения СС. Микробиология, 1994. Т.63. С.949-972

38.Сорокин Д.Ю. Совмещенные микробио-химические процессы: роль в природе и использование в биотехнологии. Микробиология. 1997. Т.66. С.293-301

Тезисы конференций

39.Strous М., Robertson L.A., Sorokin D.Yu., Kuenen J.G. Thiosulfate oxidation by marine Pseudomonas str.ChG 3-3. Abstracts, Beijerinck Centennial: Microbial Physiology and Gene Regulation, Emerging Principles and Applications. 1995. The Hague, The Netherlands, P.472-473

40.Sorokin D.Yu., Robertson LA., Kuenen J.G. Sulfur cycling in Catenococcus thiocyclus. Abstracts, Beijerinck Centennial: Microbial Physiology and Gene Regulation, Emerging Principles and Applications. 1995. The Hague, The Netherlands, P.476-477

41 .Sorokin D.Yu., Van Steenbergen R., Robertson L.A., Jones B.E., Kuenen J.G. Isolation and characterization of alkaliphilic chemolithotrophs from soda lakes. Abstracts, 1" International congress on extremophiles. Estoril, Portugal. 1996. P.204

42.Sorokin D.Yu.-, Muyzer G., Kuenen J.G., Jetten M.S.M. Nitrobacter alkalicus, a novel alkaliphilic nitrite-oxidizing bacterium. INRA European Conference, 12-14.10.1998, Nar-bonne, France. P.347-351

43.Lomans В., Sorokin D.Yu., Jetten M., Kuenen J.G. The use of alkaliphilc bacteria for removal of inorganic compounds from waste streams. Abstracts, NVMM Conference, 2021.04.1999, Veldhoven, The Netherlands. P.28

44.Sorokin D.Yu., Jones В., Robertson L.A., Jetten M., Kuenen J.G. Biodiversity of alkaliphilic chemolithoautotrophic bacteria. Abstracts, ISME-8 Symposium, 9-14.08.1998, Halifax, Canada. P.307.

45.Tsapin A.I., Masuchi Y., Engler D., Nealson K., Gorlenko V., Sorokin D.Yu.

Biodiversity of alkaline Mono Lake. Abstracts, ASM 100-th General Meeting, 21-25.05.00, Los Angeles, Ca, US A, P.453 (№ 9).

Заявка на патент

45.Buisman C.J.N., Sorokin D.Yu., Kuenen J.G., Janssen A.J.H., Robertson L.A. Process for the conversion of thiosulfate and process for the purification of gases containing hydrogen sulfide. Dutch Patent Application BO 40542, 1995 \EU Patent Application 96201286, 1996.

Обзоры

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наши исследования показали широкое распространение облигатно гетеротрофных бактерий, способных к окислению серных соединений, в морских водоемах и в содовых озерах. Они представлены 2 контрастными группами грамотрицательных бактерий, имеющих разное происхождение и соответственно разные механизмы окисления СС. Тем не менее, в отличие от гетеротрофных нитрификаторов, представители обеих групп гетеротрофных СОБ обладают потенциальной способностью получать энергию за счет СС, Что в определенных условиях обеспечивает возможность литогетеротрофного роста, (использование энергии окисления неорганических серных соединений в ходе гетеротрофного роста). Важным дополнением к тому, что было ранее известно о тетратионйт-образующих гетеротрофах, являются сведения о том, что данные бактерии способны к окислению не только тиосульфата, но и сульфида и элементной серы, а также способность некоторых штаммов к анаэробному окислению тиосульфата и сульфида в ходе денитрифиакации. Сведения о сульфат-образующих Гетеротрофах также значительно расширены. Филогенетический анализ данной физиологической группы СОБ, как из морских систем, так и из содовых озер, ясно показывает родство с несерным пурпурным бактериям. По-видимому они являются прямыми аэробными потомками анаэробных несерных пурпурных бактерий, сохранивших систему окисления СС, но утративших способность к авто- и фототрофии. Несмотря на наличие литературных данных о существовании гетеротрофов со "смешанным" путем окисления серных соединений (образование тетратионата и сульфата), нам не удалось подтвердить данный факт. Необходимо также отметить, что среди выделенных облигатно гетеротрофных СОБ полностью отсутствуют грамположительные формы. Наши данные свидетельствуют о том, что грамположительные бактерии могут лишь косвенно участвовать в окислительной трансформации элементной серы путем ее активирования (аэробная сероредукция). В целом можно заключить, что облигатно гетеротрофные бактерии могут иметь гораздо белее существенное значение в окислении СС, чем это предполагалось ранее.

Наличие в содовых озерах неизвестной ранее группы алкалофильных облигатно-автотрофных СОБ существенно расширяет представления о физиологическом и таксономическом разнообразии СОБ в частности и хемолитоавтотрофов в целом. Данная группа обладает уникальными свойствами, неизвестными ранее у аэробных хемолитоавтотрофов - способностью к росту при рН 10-10.6 в карбонатных растворах вплоть до насыщения содой. В отличие от нейтральных и кислых сред, в сильно щелочных условиях сульфид является предпочтительным субстратом для алкалофильных СОБ. Кроме того, появляется дополнительный стабильный субстрат - полисульфид, который также очень активно окисляется алкалофилами как в аэробных, так и в анаэробных (N¿0) условиях. Одна из подгрупп алкалофильных СОБ является непосредственным родственником анаэробных серных пурпурных бактерий рода ЕсшЫо-гНойояра-а, что представляется прямым подтверждением ранее высказанного предположения о происхождении литоавтотрофных СОБ от серных пурпурных анаэробов. ^

Кроме чисто научного значения, данные экстремофильные СОБ представляют также исключительный интерес для биотехнологии удаления сероводорода из промышленных газов.