Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Термофильные железовосстанавливающие прокариоты

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Термофильные железовосстанавливающие прокариоты"

На правах рукописи

СЛОБОДКИН Александр Игоревич

ТЕРМОФИЛЬНЫЕ ЖЕЛЕЗОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕ ПРОКАРИОТЫ

Специальность 03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук

МОСКВА-2008

003166134

Работа выполнена в Институте микробиологии им С Н Виноградского РАН

Научный консультант - д б н Е А Бонч-Осмоловская Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, член-корр РАН, профессор Л В Калакуцкий

Доктор биологических наук, профессор Г А Дубинина

Доктор биологических наук, профессор О В Карначук

Ведущая организация - биологический факультет Московского Государственного Университета им М В Ломоносова

Защита диссертации состоится 28 апреля 2008 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 002 224 01 при Институте микробиологии им С Н Виноградского РАН по адресу 117312 Москва, проспект 60-летия Октября д 7, кор 2

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института микробиологии им СН Виноградского РАН

Автореферат разослан «¿¿7» марта 2008 г

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 117312 Москва, проспект 60-летия Октября д 7, кор 2, Институт микробиологии им СН Виноградского РАН, Ученому секретарю диссертационного совета Т В Хижняк Факс (499) 135-65-30

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук

у>/С,

ТВ Хижняк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Железо - четвёртый по распространённости элемент земной коры и первый на Земле в целом Биогенный цикл железа, включающий в себя энзиматические и биотически опосредованные реакции, осуществляется прокариотами разных филогенетических и физиологических групп (Кузнецов и др 1962, Ehrlich 2002) Процессы микробного восстановления Fe(III) сопряжены с биогеохимическими циклами углерода, кислорода и серы и могут оказывать значительное экологическое воздействие на современную окружающую среду (Lovley 1991, Lovley et al 2004) В некоторых морских, пресноводных и почвенных экосистемах диссимиляционное восстановление железа(1П) микроорганизмами - основной процесс, обеспечивающий окисление органического вещества (Nealson & Saffanni 1994, Thamdrup 2000) Микробная железоредукция способна ингибировать процессы сульфатредукции и метаногенеза и вызывать образование ряда минералов, в частности магнетита и сидерита Ещё большую роль микробное восстановление трёхвалентного железа могло играть в древнейшей биосфере, где Fe(III), вероятно, являлось первым и некоторое время основным окислителем органического углерода (Walker 1987) Предполагается, что диссимиляционные железоредукторы участвовали в формировании такого глобального геологического феномена как месторождения докембрийских железистых кварцитов Выдвинута гипотеза о том, что диссимиляционное восстановление Fe(III) могло быть первым возникшим типом метаболизма (Lovley 2005) Способность микроорганизмов использовать соединения металлов в метаболических процессах привлекает внимание астробиологов (Nealson et al 2002) Микробная железоредукция оказывает влияние на хозяйственную деятельность человека Биокоррозия, оглеение почв, удаление органических загрязнителей и иммобилизация токсичных металлов в грунтовых водах, микробные топливные элементы -далеко не полный список прикладных аспектов железоредукции (Lovley 2004)

Большой интерес представляет восстановление Fe(III) термофильными прокариотами Современные гидротермальные экосистемы рассматриваются как реликты древнейшей биосферы Земли, процессы, протекающие в них, могут служить моделью для реконструкции древних биоценозов (Заварзин 2001) Гипотеза о существовании горячей подземной биосферы, с суммарным количеством биомассы, превосходящим наземную, предполагает активное участие термофильных микроорганизмов в современных глобальных

биогеохимических процессах (Gold 1992) Термофильные прокариоты могут

\

использовать различные неорганические акцепторы электронов в катаболических реакциях, однако, способность термофилов к диссимиляционному восстановлению Fe(III) к началу наших исследований не была известна

Железовосстанавливаюгцие микроорганизмы способны восстанавливать и ряд других элементов переменных валентностей, включая токсичные металлы и радионуклиды При восстановлении хрома, технеция, урана образуются слаборастворимые соединения, что может быть использовано для их иммобилизации в биотехнологических процессах или при биоремедиации Минералы, формирующиеся при микробном восстановлении металлов, имеют потенциал для применения в современных нанотехнологиях (Lloyd 2003)

Таким образом, изучение термофильных железовосстанавливающих микроорганизмов является актуальным для решения фундаментальных проблем, связанных с возникновением и эволюцией метаболических путей прокариот, вероятно, имевших термофильного предшественника Исследования термофильных железоредукторов важны для понимания функционирования биосфер Архея и Протерозоя, характеризовавшихся повышенными температурами и наличием значительных количеств Fe(III), а также биогеохимических процессов, происходящих в современных термальных экосистемах Процессы, осуществляемые железоредуцирующими термофилами, могут быть использованы при разработке новых природоохранных технологий, а также для получения биогенных минералов с новыми свойствами

Состояние вопроса

Участие микроорганизмов в процессах восстановления соединений железа известно с конца XIX начала XX веков (Рунов 1926) Долгое время считалось, что основной причиной понижения степени окисления Fe(III) является изменение физико-химических параметров среды за счёт жизнедеятельности микроорганизмов Существование энзиматических механизмов восстановления Fe(III) было продемонстрировано в 40-70 годы XX века Объектом этих исследований, в основном, были бактерии с бродильным типом метаболизма, для которых наличие трёхвалентного железа не являлось необходимым условием роста (Roberts 1947, Bromfield 1954, Ottow 1968) Способность микроорганизмов к облигатной железоредукции («железному дыханию») была впервые показана Балашовой и Заварзиным в 1979 г В этих экспериментах бактерия, идентифицированная как Pseudomonas sp, восстанавливала гидроксид железа и ферригидрит молекулярным водородом В

конце 80-х годов появились работы Лавли и др (Lovley et al 1987, Lovley & Phillips 1988) и Майерса и Нильсона (Myers & Nealson 1988), демонстрировавшие использование Fe(III) и Mn(IV) в качестве конечного акцептора электронов при росте микроорганизмов на несбраживаемых органических соединениях Бактерии, выделенные в результате этих исследований и отнесённые к родам Geobacter и Shewanella, стали в дальнейшем модельными объектами для изучения биохимических и физиологических аспектов микробной металлоредукцяи В случае с Geobacter интерес к исследованиям подогревался ещё и тем, что этот организм преобразовывал слабокристаллический оксид железа во внеклеточный магнетит До этого считалось, что формировать магнитные минералы, в виде относительно небольших по массе внутриклеточных включений, способны лишь магнетотактические бактерии (Blakemore 1975) Открытие способности микроорганизмов к образованию значительных количеств магнетита в результате диссимиляционного процесса в анаэробных условиях заставило по-новому взглянуть на проблемы, связанные с генезисом древних железистых кварцитов и магнетизацией современных почв Перед исследователями сразу встал вопрос, насколько широко может быть распространено диссимиляционное восстановление Fe(III) в различных физико-химических условиях Верхняя температурная граница микробной железоредукции была особенно интересна в связи с выдвинутой гипотезой о том, что в микробных сообществах Архея и Протерозоя, вероятно, состоявших в значительной степени из термофильных микрорганизмов и формировавших основу древнейшей биосферы; восстановление трёхвалентного железа могло быть первым глобально значимым механизмом окисления органического вещества (Walker 1987)

К началу наших исследований в 1993 г о существовании микробных процессов диссимиляционного восстановления Fe(III), идущих при повышенных температурах известно не было О восстановлении трёхвалентного железа термофильным археоном Sulfolobus acidocaldarius в микроаэрофильных условиях сообщалось Броком и Густафсоном в 1976 году (Brock & Gustafson 1976) Полученные данные демонстрировали биотический характер восстановления железа, однако, не позволяли однозначно судить об использовании Fe(III) в качестве акцептора электронов при росте данного микроорганизма В 1995 г нами были опубликованы данные, доказывающие существование диссимиляционного процесса восстановления Fe(III) термофильными микроорганизмами, идущего с образованием магнетита (Слободкин и др 1995) В том же году появилось сообщение о выделении

з

облигатно анаэробной бактерии Bacillus infernus, способной восстанавливать растворимые формы Fe(III) (Boone et al 1995) В последующие годы круг организмов, осуществляющих диссимиляционную железоредукцию, был расширен термофилами, выделенными из различных мест обитания (Greene et al 1997, Slobodkin et al 1997, Slobodkin et al 1999) Способность к восстановлению Fe(III) была выявлена у некоторых коллекционных культур гипертермофильных микроорганизмов, относящихся к различным физиологическим и филогенетическим группам бактерий и архей (Vagras et al 1998) На основании этого была выдвинута гипотеза о том, что такое широкое распространение способности к железоредукции среди гипертермофильных прокариот, которых принято считать филогенетически близкими к последнему общему предку всех живых организмов, указывает на то, что восстановление Fe(III) является древнейшим типом метаболизма

К настоящему времени известно около 30 видов железовосстанавливающих термофилов, относящихся к 19 родам Важными открытиями последних лет явились обнаружение способности гипертермофильных архей к использованию ацетата, ароматических соединений и длинноцепочечных жирных кислот за счёт восстановления Fe(III) (Tor et al 2001, Tor & Lovley 2001, Kashefi et al. 2002) и выделение железоредуктора, способного развиваться при температуре 121°С (Kashefi & Lovley 2003) Быстрыми темпами увеличиваются знания о филогенетическом разнообразии термофильных железоредукторов (Reysenbach et al 2006, Johnson et al 2006, Zavarzma et al 2007, Sokolova et al 2007)

Кроме Fe(III) термофильные микроорганизмы восстанавливают и ряд других переменно-валентных металлов - Mn(IV), Cr(VI), U(VI), Tc(VII), Co(III), Mo(VI), Au(I, III), Hg(II) Mapraneu(IV) и молибден(У1), используются в качестве акцептора электронов при росте (Greene et al 1997, Bnerley & Brierley 1982) Использование шестивалентного урана в качестве терминального акцептора электронов при росте показано нами в 2005 г (Khyniak et al, 2005) Физиологическая роль восстановления остальных металлов остается в основном невыясненной (Kashefi & Lovley 2000, Roh et al 2002)

Цель и задачи исследования

Целью настоящего исследования являлось выявление и изучение термофильных микроорганизмов, способных к восстановлению трехвалентного железа

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи

1 Показать принципиальную возможность диссимиляционного восстановления Ре(Ш) термофильными микроорганизмами

2 Исследовать распространение микроорганизмов, способных к восстановлению нерастворимых соединений трёхвалентного железа, в различных типах термальных экосистем

3 Выделить чистые культуры термофильных Ре(Ш)-восстанавливающих микроорганизмов, исследовать их фенотипические и генотипические свойства и установить таксономический статус

4 Изучить физиологические и биохимические механизмы восстановления железа(Ш) термофилами и определить функции железоредукции в процессах микробного метаболизма

5 Исследовать способность термофильных железоредукторов к восстановлению токсичных и радиоактивных металлов переменных валентностей

Научная новизна и значимость работы

Впервые показано, что термофильные микроорганизмы могут осуществлять процесс диссимиляционного восстановления трёхвалентного железа Данный факт расширяет круг возможных биогеохимических процессов, идущих с участием термофильных прокариот в наземных и глубинных системах современной биосферы, и может служить основой для моделирования микробных процессов, протекавших в древнейшие эпохи существования Земли или во внеземных условиях Открытие термофильного микробного окисления молекулярного водорода и ацетата, сопряжённого с использованием Ре(Ш) в качестве акцептора электронов, позволяет предположить значительную роль железоредукторов в трофических взаимодействиях в термальных биотопах, содержащих соединения трёхвалентного железа

Продемонстрировано, что продуктом микробного восстановления слабокристаллических форм Ре(Ш) в термофильных условиях является внеклеточный магнетит Полученные данные могут служить обоснованием участия термофильных железоредукторов в образовании месторождений докембрийских железистых кварцитов

Установлено, что термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Ре(Ш), широко распространены в термальных экосистемах Сообщения об обнаружении железоредуцирующих микроорганизмов в континентальных и глубоководных морских гидротермах являются приоритетными

Выделены в чистую культуру, охарактеризованы и валидированы новые таксоны железовосстанавливающих термофильных бактерий Thermoterrabacterium/Carboxydothermus femreducens sp. nov., Thermoanaerobacter siderophilus sp nov, Thermovenabulum fernorganovorum gen nov, sp nov, Deferribacter abyssi sp nov, Tepidimicrobium femphilum gen nov, sp nov

Впервые охарактеризованы физиологические стратегии восстановления нерастворимых форм Fe(III) и мембраносвязанные железоредуктазные активности у диссимиляционного железоредуктора с грамположительным типом клеточной стенки (Carboxydothermus femreducens) Обнаружено, что экзогенный сидерофор может стимулировать диссимиляционное восстановление Fe(III) в отсутствие свободного доступа клеток к нерастворимому акцептору по челночному механизму Впервые показана возможность трансформации слабокристаллического оксида Fe(III) в магнетит в результате образования низких концентраций сульфида гипертермофильными сульфатвосстанавливающими микроорганизмами

Впервые продемонстрировано восстановление технеция(УИ) термофильными бактериями Впервые обнаружена возможность микробного использования минерала урана в качестве акцептора электронов и продемонстрирована способность термофильных микроорганизмов получать энергию для роста при восстановлении U(VI)

Практическая ценность

Создана коллекция термофильных микроорганизмов, способных к восстановлению Fe(III), Cr(VI), Tc(VII), U(VI) Полученные штаммы могут служить основой для разработки биотехнологий иммобилизации растворимых соединений хрома, технеция и урана путём их энзиматического восстановления в менее токсичные и слаборастворимые формы

Обнаруженная способность Carboxydothermus femreducens восстанавливать минералы U(VI) показывает принципиальную возможность взаимодействия микроорганизмов с твердофазными соединениями урана, которая может происходить в уран-содержащих рудах или местах, загрязненных радионуклидами Эта возможность ранее была неизвестна и должна учитываться при разработке новых биоремедиационных технологий

Образование внеклеточных кристаллов магнетита термофильными прокариотами может быть использовано при создании новых наноматериалов

в

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных и российских конференциях и симпозиумах

1 International Conference on The Biology, Ecology and Biotechnology of Thermophilic Microorganisms Athens, GA, USA 1996

2 International Conference "Thermophiles'98" Brest, France 1998

3 3th International Congress on Extremophiles Hamburg, Germany 2000

4 International Conference "Thermophiles' 2001" New Delhi, India 2001

5 4 th International Congress on Extremophiles Naples, Italy 2002

6 Всероссийской конференции «Биоразнообразие и функционирование микробных сообществ водных и наземных систем Центральной Азии» Улан-Удэ 2003

7 International Symposium on Environmental Biogeochemistry Oirase, Japan 2003

8 8th International Conference on Thermophiles Research Gold Coast, Australia 2005

9 2nd FEMS Congress of European Microbiologists Madrid, Spain 2006 Публикации

Материалы диссертации содержатся в 57 печатных работах, включающих 26 экспериментальных статей, 3 обзора и 28 тезисов

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 частей, включающих 14 глав, заключения и выводов, изложенных на 336 страницах, включая 42 таблицы, 68 рисунков и списка литературы из 604 наименований, из них 61 на русском и 543 на английском языке

Место проведения работы

Основная часть работы была выполнена в Институте микробиологии им С Н Виноградского РАН Работы по термофильной микробной железоредукции были начаты в отделе микробных сообществ ИНМИ РАН под руководством академика РАН ГА Заварзина в 1993 г В 1995-1996 гг часть работы проводилась в Университете штата Джорджия, США в лаборатории проф. Ю Вигеля(1 Wiegel) С 1997 г основным местом исследований является лаборатория гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН, руководимая д б н Е А Бонч-Осмоловской В отдельных этапах работы принимали участие сотрудники и аспиранты лаборатории М JI Мирошниченко, Г Б Слободкина, Д Г Заварзина, С Н Гаврилов Электронно-

микроскопические исследования были выполнены в ИНМИ РАН H А Кострикиной Геносистематические исследования проводились ТП Туровой, H А Черных, A M Лысенко и Б Б Кузнецовым В исследованиях микробной железоредукции в нефтяных месторождениях принимала участие д б н Т H Назина Изучение глубоководных гидротерм стало возможным благодаря участию соискателя в рейсе французского научно-исследовательского судна "Atalante" с глубоководным спускаемым аппаратом "Nautile" (руководитель миссии - К Жантон (С Jeanthon)) Мёссбауэровские исследования минералов железа проводились H И Чистяковой и В С Русаковым (Физический факультет МГУ им MB Ломоносова) Биохимические исследования железоредуктазы выполнялись в Технологическом Университете г Дельфт, Нидерланды совместно с проф С де Врисом (S de Vnes) Восстановление соединений урана исследовалось совместно с Т В Хижняк (ИНМИ РАН) и Д Ллойдом (J Lloyd) в Университете г Манчестер, Великобритания Исследования восстановления ' '1 технеция проводили совместно с К.Э Германом и В В Перетрухиным в Институте физической химии РАН и в лаборатории проф M Симонофф (М Simonoff) в Университете г Бордо, Франция Помощь на разных этапах работы была также оказана со стороны проф Б Джонса (В Jones) Нидерланды, Б Кампбелл (В Campbell) Университет штата Делавер, США, профессоров H -К Биркеланда (N -К Birkeland) и Т Лиена (Т Lien) Университет г Бергена, Норвегия, проф И Шрёдер (I Shroeder) Университет Калифорнии, Лос-Анджелес, США и проф Ф Робба (F Robb) Университет штата Мэриленд, США Соискатель выражает глубокую благодарность всем упомянутым участникам данной работы

Основные защищаемые положения

1 Термофильные микроорганизмы способны использовать трёхвалентное железо в качестве акцептора электронов для роста

2 Термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Fe(III), распространены в различных типах термальных экосистем

3 Термофильные железовосстанавливающие микроорганизмы не являются единой филогенетической группой

4. Железовосстанавливающие термофилы сопрягают восстановление Fe(III) с окислением широкого спектра органических и неорганических веществ

5 Термофильные железовосстанавливающие бактерии способны энзиматически восстанавливать токсичные и радиоактивные металлы переменных валентностей

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Образцы осадков, воды, минеральных и биологических образований из различных природных и антропогенных систем, характеризующихся повышенными температурами, были отобраны автором в ходе экспедиций (Камчатка 1993, 1994 гг , о-в Кунашир 1998 г, Йеллоустонский национальный парк 1999 г, глубоководные гидротермы Восточно-Тихоокеанского поднятия 1999 г , Баргузинская долина 2003 г), либо любезно предоставлены соавторами публикаций или сотрудниками Лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН

Для получения и культивирования накопительных и чистых культур термофильных микроорганизмов использовали несколько сред разного минерального состава низкоминерализованная среда (модифицированная среда Пфеннига (Pfennig 1965), солоноватая среда, среда морской солёности (модифицированная DSMZ medium 399 [http //www dsmz de]) Если не оговорено отдельно, во все среды добавляли 200 мг/л дрожжевого экстракта, 1 мл/л раствора микроэлементов (Slobodkm et al 1997) и 1 мл/л раствора витаминов (Wolin et al 1963) Все среды готовили анаэробно с применением модифицированной техники Хангейта под С02 (100% в газовой фазе) При использовании соединений Fe(III) в качестве потенциального акцептора электронов восстанавливающие агенты в среды не вносили Если использовались среды, предварительно восстановленные Na2S*9H20, в них добавляли резазурин Нерастворимый оксид Fe(III) готовили путём титрования раствора FeCl3*6H20 (60 г/л) раствором NaOH (10% (вес/об)) до рН 8 0-9 0 Анализ образующегося в этих условиях нерастворимого осадка методом микродифракции электронов показал, что он представляет собой смесь минералов - ферригидрита (5Fe203*9H20) и протоферригидрита В дальнейшем в настоящей работе для обозначения данного вещества используется наиболее общий термин «слабокристаллический оксид Fe(III)», или иногда для краткости «ферригидрит» Культивирование накопительных и чистых культур проводили в пробирках Хангейта (Bélico Glass) объёмом 17 мл с 10 мл жидкой среды Газовую фазу заполняли 100% С02 Среды стерилизовали автоклавированием при 135°С (2 ати) в течение 60 мин Пересевы осуществляли анаэробно стерильными одноразовыми шприцами

Накопительные культуры железоредукторов получали путем инокуляции (10% об /об) образца в анаэробную среду, содержащую слабокристаллический

оксид Ре(ГИ) в качестве акцептора электронов В качестве донора электронов использовали молекулярный водород, ацетат или пептон О развитии железовосстанавливающих микроорганизмов в первичных накопительных культурах судили по образованию чёрного магнитного осадка после инкубации культур в течение 7-14 суток При дальнейших пересевах проводили микроскопические исследования роста и химическое определение образующегося Ре(П) Численность культивируемых Ре(Ш)-восстанавливающих микроорганизмов определяли методом последовательных 10-кратных серийный разведений в жидких средах, содержащих слабокристаллический оксид Ре(Ш)

Чистые культуры выделяли методом предельных разведений на жидкой среде с последующим получением отдельных колоний в анаэробной агаризовакной среде Диапазоны температуры, рН, концентрации ЫаС1, использование доноров и акцепторов электронов, чувствительность к антибиотикам определяли по описанным методикам (ЗЬЬоёкт е1 а1 1997, 1999) Описание новых таксонов железовосстанавливающих микроорганизмов осуществляли в соответствии с правилами, предъявляемыми Международным комитетом по систематике прокариот к описанию новых таксонов микроорганизмов

Количество клеток определяли прямым подсчётом с помощью световой микроскопии При подсчете клеток на средах со слабокристаллическим оксидом Ре(Н1) пробу разводили раствором оксалата аммония (рН 3,5) для растворения осадков соединений железа В некоторых экспериментах вместе с подсчётом клеток определяли также оптическую плотность культур при 600 нм Восстановление Ре(1И) в культурах микроорганизмов контролировали путём измерения концентраций образующегося Ре(П) Двухвалентное железо ! измеряли спектрофотометрически с 2,2'-дипиридилом или феррозином после 24-часовой экстракции образца объёмом 0,5 мл в 5 мл 0,6 N НС1 Анализ короткоцепочечных органических кислот, спиртов, Сахаров, проводили с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии Летучие жирные кислоты, спирты и молекулярный водород определяли методами газовой хроматографии

Применённые в работе биохимические, молекулярно-биологические, электронно-микроскопические, физические и радиохимические методы описаны в полном тексте диссертации и соответствующих публикациях

РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Обнаружение способности термофильных микроорганизмов к диссимиляционному восстановлению Ре(1П)

К началу наших исследований о способности термофильных микроорганизмов диссимиляционно восстанавливать Ре(Ш) не сообщалось Мы решили выяснить, существует ли при повышенных температурах микробный процесс окисления одного из ключевых метаболитов разложения органического вещества - ацетата, сопряженный с использованием нерастворимых оксидов Ре(Ш), являющихся наиболее вероятными формами трёхвалентного железа в гидротермальных системах В диапазоне температур развития мезофильных микроорганизмов подобный процесс идёт с образованием магнетита (Ьоу1еу е1 а1 1986), формирование каких минералов будет происходить при более высоких температурах, известно не было

Для получения культуры термофильных железоредукторов были использованы пробы осадков термальных источников Долины Гейзеров (Камчатка) Анаэробно приготовленная среда, содержащая ацетат в качестве потенциального донора электронов и слабокристаллический оксид Ре(Ш) в качестве потенциального акцептора электронов, была инокулирована 10% (об ) пробы и инкубирована в темноте при 70°С Через 48-72 часа культивирования наблюдалось уменьшение объема осадка слабокристаллического оксида Ре(Ш) и изменение его цвета с коричневого на черный Образовавшийся осадок был магнитным и содержал значительные количества Ре(П) Полученная накопительная культура микроорганизмов была очищена методом последовательных серийных разведений на среде того же состава Культура не теряла способности к образованию магнитного осадка после более 50 последовательных 5% пересевов Образование магнитного осадка и восстановление Ре(Ш) в культуре наблюдалось в интервале температур 55-76°С, с оптимумом при 70°С Восстановления Ре(Ш) не происходило при 80°С и ниже 50°С Потребление ацетата и сопутствующее накопление Ре(П) происходило в соотношении примерно 1 6 и согласовывалось с ростом числа клеток (Рис 1), при этом наблюдалось образование молекулярного водорода и его последующее потребление Культура образовывала магнитный осадок также при росте в среде, содержащей слабокристаллический оксид Ре(1П) и пептон (5 г/л), дрожжевой экстракт (0,6 г/л) или молекулярный водород (от 3 до 100% в газовой фазе) в качестве доноров электронов (Слободкин и др 1995)

Рис, 1. Рост (1) и концентрации ацетата (2), Fe(II) (3) и Нг (4) в культуре. Начальная концентрация СН3СОСГ- 7,3 mM (CH,C00Na*3H20 -1 г/л).

Рис. 2. Сканирующая электронная микрография магнитного осадка. Ионное напыление Pt-Pd. JEOL JSM-T300, 25 kV. Длина масштабной линейки - 100 мкм.

Филогенетический анализ фрагментов генов 16S рРНК, разделённых методом денатурирующего градиентного гель-электрофореза (ДГТЭ) показал, что полученная устойчивая железовоестанавливающая накопительная культура состоит из двух микроорганизмов - Caldanaerobacter sp. с ближайшим родственником Caldanaerobacter subterraneus (Fardeau et al. 2004) и Thermolithobacter sp. с ближайшим родственником Thermolithobacter ferrireducens (Sokolova et al. 2007); степень гомологии нуклеотидной последовательности в обоих случаях составила 99%. Caldanaerobacter sp. штамм SC44, был получен в чистой культуре и оказался способным восстанавливать Fe(III) с пептоном или молекулярным водородом, однако не использовал ацетат в качестве донора электронов для железоредукции. Преобладающий рост Thermolithobacter sp. был получен в литоавтотрофных условиях с H2/Fe(III). Очевидно, разложение ацетата бинарной культурой осуществляется при синтрофном взаимодействии двух микроорганизмов. Известна способность бактерий группы Thermoanaerobacter-Caldanaerobacter к синтрофному разложению ацетата в ассоциации с водород-использующим метаногеном (Шестакова 2007). Можно предположить, что Thermolithobacter

12

-----, - , --------------_- . . .. -

ер удаляет молекулярный водород, используя его в качестве донора электронов при восстановлении Ре(Ш) и делая термодинамически возможным разложение ацетата, которое осуществляет СаШапаегоЬас1ег БС44

По данным дифракционного рентгеновского анализа чёрное вещество осадка слагается магнетитом и сидеритом Среднее отношение магнетит/сидерит составляет 5 1 Электронномикроскопические наблюдения магнитного осадка установили, что он в основном представлен октаэдрическими и кубическими кристаллами, размером от 15 до 40 мкм (Рис 2) Кристаллы магнетита слагаются отдельными призматическими блоками кристаллитов (Слободкин и др 1995)

Таким образом, в исследованной культуре магнетит образуется за счет диссимиляционного восстановления слабокристаллического оксида Ре(Ш) железовостанавливающими микроорганизмами

2. Распространение железовосстанавливающих микроорганизмов в различных типах термальных экосистем

2.1. Наземные континентальные гидротермы. Основным источником трехвалентного железа в континентальных гидротермах являются отложения слабокристаллических оксидов Ре(Ш), как абиогенные, так и биогенные, образующиеся в местах выхода на поверхность глубинных гидротермальных вод, содержащих Ре(П) В водах геотермальных районов Камчатки общая концентрация растворённого железа может достигать нескольких десятков миллиграммов в литре для кислых источников и обычно не превышает одного миллиграмма в литре для вод со значением рН близким к нейтральному (Чудаев и др 2000) Мы показали присутствие термофильных железоредукторов, использующих молекулярный водород, ацетат или пептон в качестве донора электронов, в осадках пресноводных горячих ручьёв, гидротермальных источниках и геотермально нагреваемой почве, расположенных в различных географических регионах (Рис 3) Микроорганизмы, восстанавливающие слабокристаллический оксид Ре(Ш), были обнаружены не только в термальных системах с нейтральной реакцией среды, но и в кислых и слабо щелочных условиях (51оЬос1кт & \ЛАеде1 1997, Бонч-Осмоловская и др 1999) Численность железоредукторов в наземных пресноводных гидротермах достигала 107 клеток/см3 Из континентальных источников Камчатки, Баргузинской долины и Йеллоустонского национального парка нами были выделены железовосстанавливающие термофилы отнесённые к новым таксонам ТЪегто1еггаЬас(егшт /етгес1исеп$, ТЪегтоапаегоЬас1ег

siderophilus, Thermovenabulum ferriorganovorum, Tepidimicrobium ferriphilum (Slobodkm et al 1997, Slobodkm et al 1999b, Zavarzina et al 2002, Slobodkin et al 2006a)

100

90

80

и

70

60

40

30

--*--ЖГ1- 18 16^

5 ♦ ▲ 4 'V 26.15^14 ♦ 13 ^ 20 9 8 24 ж .21 .1 AAA ~ ♦

♦3 WWW W Ж 2 ^19 ♦ ♦ 25 22 10* ш 23

6

pH

10

Рис 3 Температура и рН образцов пресноводных гидротермальных осадков, из которых были получены устойчивые накопительные или чистые культуры термофильных железоредукторов Цифрами указаны места отбора проб 1 - Камчатка, Долина Гейзеров, 2-7 - Камчатка, кальдера Узон, 8 - Камчатка, влк Карычский, 9-10 - о-в Кунашир, 11 - Баргузинская долина, 12 - Исландия, Р1ш31У, 13 -Исландия, Hveгadge, 14 - Новая Зеландия, \Vaimangu, 15 - Новая Зеландия, ЯоЮгаа, 16-18 -Фиджи, о-в Уапиа Ьеуи, 19-26 - Йеллоустонский нац парк

2.2. Высокотемпературные нефтяные месторождения. Оксиды железа могут входить в состав геотермально нагреваемых нефтеносных пород, а концентрация растворенного железа в пластовых водах иногда достигает десятков миллиграммов в литре Термофильные микроорганизмы, способные к диссимиляционному восстановлению Fe(III), были найдены в пластовых водах морских нефтяных месторождений и в осадочных породах, которые были изолированы от поверхностных геологических и гидрологических процессов на протяжении миллионов лет (Boone et al, 1995, Greene et al 1997) Мы исследовали нефтяное месторождение Самотлор (Западная Сибирь), расположенное в глубине континента Присутствие термофильных железоредукторов было обнаружено в образцах пластовой воды, отобранных из трёх различных горизонтов, во всем диапазоне исследованных температур от 60 до 85°С (Табл 1) Численность водород-использующих

железовосстанавливающих термофильных микроорганизмов была относительно невелика и составляла от единиц до сотен кл/мл Чистые культуры термофильных бактерий родов ТкегтоапаегоЬааег и ТИегтоЩа и архей рода Пегтососсиз, выделенные из пластовых вод месторождения Самотлор, также оказались способными к восстановлению слабокристаллического оксида Ре(Ш) с образованием магнетита (ЗЬЬосИап е1 а1 1999а)

Таблица 1 Восстановление Ре(Ш) накопительными культурами и численность железовосстанавливающих термофилов в образцах пластовой воды из различных горизонтов нефтяного месторождения Самотлор

Горизонт, Темпера- Количество Количество образцов, в Численность Нг-

глубина, тура исследован которых обнаружено использующих

температура инкуба- -ных восстановление Ре(Ш) Ре(И1)-

ции, "С образцов сН2 с пептоном редукгоров, кл/мл

А4.5 1799-1801 м 45-60°С 60 3 3 0 10-100

65 3 3 1 н/о'

70 1 1 0 10-100

08-10 2090-2220 м 70-72°С 60 2 0 2 0

65 2 1 1 я/о

70 2 1 1 10-100

} 2274-2536 м 75-84"С 60 3 2 2 >100

65 3 2 2 н/о

70 3 3 2 <10

85 3 3 0 10-100

* н/о - не определялось

23. Глубоководные морские гидротермы. Поверхность активных гидротермальных построек часто бывает покрыта отложениями оксидов железа различного цвета - от черного до светло-коричневого, а содержание железа в гидротермальном флюиде достигает молярных концентраций Образование Ре(Ш) в этих системах может происходить в результате окисления оксигенированной холодной водой геотермально выщелачиваемого Ре(П) или за счёт идущей при температурах выше 300°С реакции восстановления сульфатов морской воды двухвалентным железом, содержащимся в базальте (ТаппавЛ & МоП1 1985) Несмотря на распространённость соединений Ре(Ш) в глубоководных гидротермах и их потенциальную доступность для использования в качестве акцептора электронов, до наших работ информация о наличии и численности термофильных железоредукторов в этих экосистемах отсутствовала Мы исследовали образцы, отобранные с гидротермальных полей

Восточно-Тихоокеанского поднятия (ВТП) в районе 13° Северной широты с глубины около 2600 м во время научной экспедиции AMISTAD (июнь 1999 г) Термофильные железоредукторы были обнаружено в гидротермальных постройках («черные курильщики»), разбавленном морской водой гидротермальном флюиде и чехлах альвинелид (Alvmella spp ) (Табл 2)

Таблица 2 Численность культивируемых железовосстанавливающих микроорганизмов в образцах из глубоководных морских гидротерм ВТП

Образец Численность железоредукторов, использующих различные

доноры электронов (клеток/см]

Пептон Ацетат Н2

Т инкубации, °с Т инкубации, °С Т инкубации, °с

52 65 80 90 52 65 80 90 52 65 80 90

Внешняя часть

гидротермальной 103 10' 10' 107 103 103 - - 102 103 103 ю3

постройки с АЫпеНа

врр

Внешняя часть

гидротермальной ю2 103 105 107 - ю2 ю2 101 - 10' 103 103

постройки

Внутренняя часть

гидротермальной ю1 10¿ 103 103 10' 10' 10'

постройки

Чехлы ЛЫпеНа >1 >1

Чехлы Щю - - - н/о - - - н'о - - - н/о

Разбавленный

гидротермальный н/о - >1 >1 н/о - - - н/о - - -

флюид

н/о - не определялось - отсутствие образования Ре(Н) через 14 суток инкубации

Оценка численности железовосстанавливающих термофильных микроорганизмов показала, что их количество в разных частях гидротермальной постройки варьирует от 10 до 107 клеток/см3 Наибольшая численность наблюдалась на внешней стороне «черного курильщика», покрытой колониями полихеты АЫпеЧа ротре]та, те в присутствии значительного количества органического вещества. Во всех исследованных образцах численность железовосстанавливающих микроорганизмов, способных использовать пептон, превышала численность ацетат- и водород-использующих железоредукторов Последние разведения каждого образца, в которых наблюдалось восстановление Ре(Ш), были проанализированы методом ДГТЭ Секвенирование и филогенетический анализ генов 168 рРНК показали

присутствие в них микроорганизмов, родственных археям рода Thermococcus, и бактериям родов Eferribacter, Bacillus, Slstonia, bfimtoga , а также клонам некультивируемых представителей Clostridiaceae и z-Proteobacteria Из разбавленного морской водой гидротермального флюида 13°N ВТП выделен гипертермофильный железовосстанавливающий археон Thermococcus sp штамм SN531 (Slobodkin et al 2001) Из другой глубоководной гидротермальной системы (Срединно-Атлантический хребет, поле Rainbow) нами был выделен новый ацетат-использующий термофильный железоредуктор, Eferribacter abyssi (Miroshmchenko et al 2003) Параллельно, американскими исследователями из глубоководных гидротерм были получены термофильные железовосстанавливающие археи Geoglobus ahangari и Aciduliprofundum boonei, а также бактерия Geothermobacter ehrlichii (Kashefi et al 2002, 2003, Reysenbach et al 2006)

2.4. Мелководные морские гидротермы. Мелководные морские гидротермы также являются местообитанием термофильных железоредуцирующих прокариот У некоторых микроорганизмов, выделенных из мелководных гидротерм без применения Fe(III), была обнаружена способность к диссймиляционному восстановлению трёхвалентного железа (Vargas et al 1998) Из прибрежных морских гидротерм о Кунашир нами были выделены чистые культуры Thermococcus SM402 и Thermococcus SM4022, восстанавливающие слабокристаллический оксид Fe(III) с пептоном в качестве донора электронов (Slobodkina et al 2004) По нашим данным, численность культивируемых литоавтотрофных железоредукторов в мелководных гидротермах Курильских островов составляет не менее 103 клеток/см3 Получены устойчивые ассоциации микроорганизмов, литоавтотрофно восстанавливающие слабокристаллический оксид Fe(III) с молекулярным водородом в качестве донора электронов при 65 и 85°С ДГТЭ анализ показал, что эти термофильные и гипертермофильные культуры содержали архей рода Thermococcus

2.5. Антропогенные экосистемы. Термофильные железоредукторы обнаружены в саморазогревающихся угольных и рудных отвалах, в анаэробных биореакторах, а также в воде и коррозионных отложениях труб тепловых сетей г Москвы (Bridge & Johnson 1998, Balk et al 2002, Розанова и др 2003) Из проб сброженного осадка из метантенка, работающего в термофильном режиме (Курьяновская станции аэрации, Москва), нами была получена устойчивая ассоциация гипертермофильных микроорганизмов, восстанавливающая

слабокристаллический оксид Fe(III) с пептоном в качестве донора электронов при 82°С и состоящая из архей рода Sulfophobococcus и бактерий родов Thermotoga и Thermodesulfobacterium (Слободкина и др 2004) Из муниципальных сточных вод той же станции нами была выделена бинарная культура бактерий (Thermincola sp + Petrobacter sp), растущая при 50°С и способная к окислению ацетата, сопряженному с восстановлением слабокристаллического оксида Fe(III) при относительно высокой начальной концентрации кислорода (14-18% 02 в газовой фазе) По мере удаления кислорода факультативно-аэробным Petrobacter sp, неспособным к железоредукции, в среде создавались анаэробные условия, необходимые для роста и восстановления Fe(III) Thermincola sp

Таким образом, наши исследования показали, что термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Fe(III), распространены в большинстве известных к настоящему времени типов термальных экосистем, расположенных в различных географических регионах Местообитания термофильных железоредукторов включают континентальные и островные пресноводные горячие источники, мелководные и глубоководные морские гидротермы, высокотемпературные нефтяные месторождения, пустынные почвы и антропогенные экосистемы Численность культивируемых железовосстанавливающих микроорганизмов варьирует от нескольких десятков клеток на миллилитр в пластовых водах Самотлора до 107 кл/мл в черных курильщиках Тихого океана (Табл 3)

Таблица 3 Максимальная численность культивируемых микроорганизмов, восстанавливающих слабокристаллический оксид FefHI), в различных типах термальных экосистем _ _

Термальная система Донор Численность, Т инкубации,

электронов (кл/см3) °С

Наземные континентальные Ацетат 10" 70

гвдротермы Водород 107 70

Пептон 107 70

Нефтяные месторождения Водород 10' 60-85

Морские глубоководные Ацетат 10J 50-65

гидротермы Водород 103 65-90

Пептон ю7 80-90

Морские мелководные Водород ¡о1 65

гидротермы Водород 103 85

Антропогенные экосистемы Ацетат >102 50

Пептон >102 85

3. Таксономия термофильных железовоссганавливающих микроорганизмов

3.1. Таксономическое положение термофильных прокариот, способных к железоредукции. Термофильные железовосстанавливающие микроорганизмы не представляют собой специфическую филогенетическую группу и обнаружены в 8 типах домена Bacteria и в двух типах домена Archaea. К настоящему времени способность к диссимиляционному восстановлению Fe(III) показана для 31 вида термофилов, относящихся к 19 родам (Lovley et al. 2004, Слободкин 2005). Наибольшее количество видов термофильных железоредукторов относятся к фирмикутам. Нами была установлена способность к восстановлению слабокристаллического оксида Fe(III) для 27 штаммов термофильных микроорганизмов, относящихся к 21 виду и 10 родам (Рис. 3).

Рис. 3. Таксономическое положение штаммов термофильных микроорганизмов, у которых была выявлена способность к железоредукции.

Пять штаммов были описаны и узаконены как новые таксоны -Thermoterrabactermm ferrireducens gen nov, sp nov, Thermoanaerobacter siderophilus sp nov, Thermovenabulum femorganovorum gen nov, sp nov, Deferribacter abyssi sp nov и Tepidimicrobium ferriphilum gen nov, sp nov Восемь штаммов термофильных железовосстанавливающих прокариот были идентифицированы как 'Carboxydothermus organotrophic' SNA, Thermmcola sp SBA6, 'Deferribacter autotrophicus' SL50, Thermococcus spp SN531 и SM 4022, Caldanaerobacter subterraneus spp SP47, SC44, Caloramator coolhaasit sp SP610 Способность к железоредукции была установлена также для 14 коллекционных штаммов, выделенных без использования трёхвалентного железа (рр Thermoanaerobacter, Caldanaerobacter, Thermotoga, Thermococcus) Следует подчеркнуть, что способность к железоредукции была выявлена нами у архей рода Thermococcus и бактерий родов Thermoanaerobacter и Caldanaerobacter Представители этих таксономических групп являются космополитными видами, достигающими высокой численности популяции во многих местообитаниях (Mvroshmchenko et al 2001, Slobodkin et al 2001) и, следовательно, их вклад в процесс восстановления железа(ПГ) в термальных экосистемах может быть значимым

3.2. Новые таксоны железовосстанавливающих бактерий. Основные характеристики типовых видов микроорганизмов, представляющих собой новые таксоны, приведены в Таблицах 4-6 Все бактерии имеют клетки палочковидной формы различного размера Thermoanaerobacter siderophilus и Thermovenabulum femorganovorum образуют округлые терминально расположенные эндоспоры Клеточная стенка у всех микроорганизмов, кроме Deferribacter abyssi, грамположительного типа Tepidimicrobium femphilum -умеренный термофил с температурным оптимумом около 50°С, остальные организмы - истинные термофилы с оптимумом температуры роста от 60 до 70°С Почти все организмы имеют оптимум рН в диапазоне 6-7, т е являются нейтрофильными, только Tepidimicrobium ferriphilum может расти до рН 9,5 (оптимум рН 7,6)

Все выделенные нами организмы относятся к домену Bacteria Deferribacter abyssi и 'Deferribacter autotrophicus' относятся к типу Defembacteres, а остальные к типу Firmicutes, классу Clostridia и порядкам Clostridials и Thermoanaerobacteriales

Организм, статус Морфология Тип клеточной стенки/спорообразование Т роста, °С ппп-ор1-тах рН роста ппп-ор1-тах

ТИегто1еггаЬас1епит /егпгеёисеп! £еп поу , $р поу (81оЬо£11ш1 е1 а1 1997) реклассифицирован как СагЬохус/оЛегтш /егпгеаисепз сотЬ поу (81оЬо(1к1п е1 а1 2006Ъ) Прямые или слабо изогнутые палочки, 0,3-0,4 х 1,6-2,7 мкм Рис 4 Г+/не обнаружено 50-65-74 5,5-6,2-7,6

ПегтоапаегоЬаМег 5ШегорШ1ш эр поу (51оЬос1Ьп е1 а1 1999Ь) Прямые или слабо изогнутые палочки, 0,4-0,6 х 3,5-9,0 мкм Рис 6 Г+/округлые эндоспоры в терминальном спорангии 39-70-78 4,8-6,4-8,2

ТЬегтоуепаЪиЫт [етог^апоиогит geп поу , ер поу (гауагапа ег а1 2002) Прямые или разветвленные палочки, 0,5-0,6 мкмх 1,5-7,0 мкм Рис 7 Г+/округлые эндоспоры в терминальном спорангии 45-64-76 4,8-6,8-8,2

йе/етЬааег аЬухм 5р поу (М^озЬшсЬепко е1 а1 2003) Прямые или изогнутые палочки, 0,4-0,5 х 1 5-2,0 мкм Рис 9 Г-/ке обнаружено 45-60-65 6 0-6 5-7 2

Терг&гмсгоЫит [етрЫит §еп поу , ер поу (31оЬо(1кт «а! 2006а) Прямые или слабо изогнутые палочки, 0,5-0,6 х 3,0-7,0 мкм Рис 11 Г+/не обнаружено 26-50-62 5,5-7,6-9,5

Процессы восстановления Ре(Ш) играют различную роль в метаболизме выделенных нами термофильных прокариот У йе/етЬаМег abys.ii восстановление Ре(Ш) является формой анаэробного дыхания сопряжённого с окислением органических веществ «Железное дыхание» осуществляет также СагЬохуЛоЖегтиэ ¡етгейисепь при литотрофном росте с использованием неорганических доноров электронов - молекулярного водорода или моноксида углерода При органотрофном росте СагЪоху¿схНегтш /етгес/исеж, Ре(Ш) стимулирует неполные окисления несбраживаемых органических веществ, идущих у этого организма по гомоацетатному пути ТЬсгтоапаегоЪас1ег ¡¡ёегорЪйив, ТкегтоуепаЪи1ит /егпо^апо\огит и ТерккписгоЪшт /етрМит имеют преимущественно бродильный тип метаболизма Однако, в присутствии

Рис. 4. Электронные микрографии ультратонких срезов клеток СагЬохус!о(Ьегтш /етге^сепя. Рост в среде со слабокристаллическим оксидом Ре(Ш) в качестве акцептора электронов.

Таблица 5. Таксономическое положение и местообитание новых железоредукторов

Организм Г+Ц Таксономическое положение (Bergey's Manual 2004) Местообитание

Carboxydothermus ferrireducens 4! 'Firmicutes' — 'Clostridia' -Clostridiales - Peptococcaceae Горячий ручей, Йеллоустонский национальный парк

Thermoanaerobacter siderophilus 32 'Firmicutes' - 'Clostridia' -'Thermoanaerobacteriales' -'Thertnoanaerobacteriaceae' Гидротермальный источник влк. Карымский, Камчатка

Thermovenabulum ferriorganovorum 36 'Firmicutes' - 'Clostridia' -'Thermoanaerobacteriales' -'Thermoanaerobacteriaceae' Гидротермальный источник, кальдера Узон, Камчатка

Deferribacter abyssi 31 'Deferribacteres' Глубоководная гидротермальная постройка, Срединно-Атлантический хребет

Tepidimicrobium ferriphilum 33 'Firmicutes' - 'Clostridia' -Clostridiales (XII кластер) Гидротермальный источник, Баргузинская долина

трёхвалентного железа, оно используется в качестве внешнего акцептора электронов, при этом значительно стимулируется рост и изменяется состав продуктов брожения Данный процесс может быть охарактеризован как «брожение с экзогенным акцептором электронов» или «облегчённое брожение» Помимо брожения ТЪегтоапаегоЬас1ег з^егорИИия и ТИегтоуепаЬи1ит ferr¡organovorum могут расти, потребляя молекулярный водород и используя Ре(Ш) в качестве акцептора электронов, а ТеракгтсгоЪшт /егпр}и1ит окисляет несбраживаемые аминокислоты и спирты в присутствии трёхвалентного железа

80

82

92

95

100

- СагЪоххбо&егтиз {егНгеЛисспь Л\У/А8-У7Т

> Аттат^хАе^епзи

. Иели1/иН»паси1ит мцгфсапл ■ йехи1/ыопН1си[ит гаяияи С>*п1/оютеси!ит АгляоЬеюмсит Оехи1/Ыснпаси1ит аиНгаЬси/я ТНегтоапаегоЫмег кпш

-ТксгтвапаеюЬжиг Лггтосортк

ТЬегнкхтапЫчиКг Ьгоск|/ ТЪепноапаегоЬаяег 1кегтоЬу(1голаУиг1еыз

ТЪетихииюоЬасипшп АетаюссЬагоЬ/Псвт

100 I-Зумгор/итюш н'е0я

I ..... Зушгор1шхроги ЬгуаЫн

. МоогеИа /Нгтоасеисо

—— С1о#ги1шю аси!шпс1 -Ооятикнт Ыаугквт

100 г

ВасШю $иЬи1и — ВаЫ1ш ш/ггпш .- СЬи>гоЬшт ЬткЫа

100

- СНгстайит млопил 010

Рис. 5 Дендро грамма, показывающая филогенетическое положение СагЬохус/о1Неггти /етге<1исеп5 и ближайших родственных организмов Масштабная тшейка -10% различия последовательностей

Организм Доноры электронов Акцеторы электронов Метаболизм

СагЬохус1о1Иегтш [егг,гесЫсет Глицерин, лактат, 1,2-пропандиол, глицерат, пируват, дрожжевой экстракт, глюкоза, фруктоза, манноза, Н2, моноксид углерода Ре(Ш), АХДС, БгОз2", фумарат Гомоацетагное использование органических субстратов Литоавтотрофный рост с Н2/ Ре(Ш) Литотрофный рост с СО/ Ре(Ш)

ТИегтоапаеюЬааег ьк1егорЫ1ив Пептон, дрожжевой экстракт, мясной экстракт, казеин, крахмал, глицерин, пируват, глюкоза, сахароза, фруктоза, мальтоза, ксилоза, целлобиоза, сорбит, Н2 Ре(Ш), АХДС, ЭОз2' ЭгОз2-, 8°, Мп02 Брожение Облегчённое брожение с Ре(Ш) Использование Н2 при восстановлении Ре(Ш)

ТЪегто\гепаЬи1ит /егпо^апоуогит Пептон, дрожжевой экстракт, мясной экстракт, казаминовые кислоты, крахмал, пируват, мелибиоза, сахароза, фруктоза, мальтоза, ксилоза, рибоза, Н2 Ре(Ш), АХДС, N03", БОз^Оз2", в0, Мп02, фумарат Брожение Использование Н2 при восстановлении Ре(Ш)

Ое/етЬааег аЬу!$1 Ацетат, сукцинат, пируват, пептон, триптои, дрожжевой экстракт, Н2 Ре(Ш), ЫОз', Э0 Анаэробное дыхание

ТерчЬткгоЫит /етрИЫит Петой, триптои, казаминовые кислоты, дрожжевой экстракт, мясной экстракт, Ь-валин, ЭЬ-аланин + глицин, ОЬ-аланин + Ь-пролин, н-пропанол Ре(Ш), АХДС, 5,032, Б0, ЭеОз2, фумарат Брожение Облегчённое брожение сРе(Ш) Неполное окисление аминокислот и спиртов при восстановлении Ре(1Н)

Рис. 6. Электронные микрографии ТкеппоапаегоЬаМег $1()егор11Ииз 8Я4Т. (а) Препарат негативно окрашенных клеток. (Ь) Клетка с перитрихальным жгутикованием (негативное окрашивание). Длина масштабной линейки - 1 мкм.

Рис. 7. Электронные микрографии ультратонких срезов вегетативной (а) и спорулирующей (Ь) клетки ТИеппоуепаЬиЫт/еггю/^апоготт 2-980\Длина масштабной линейки - 1 мкм.

СагЬофЮжкШя ряггвтя )М5, АГ IН4*4

ТЬгтеюютФвгкгЬт

таущ!ома 1ЬегтсрШчт Н-С-111, Х«9Ж ПгптттлЫши/егПагцтшятчя

СШкМнШгирвж Лттафх А^ии ММ »«ИМ*. 1Я&Ч

ЗтжуЛя&оге/арМй И5М »1*8.* М2М»! Ьк&м ¡фнш. ТН-Л. «Ж

ОфггЛажг гЫятфЫЫг ВМЛТ. ОТ«Й2

Рис. 8. Дендрограмма, показывающая филогенетическое положение ТНегтоуепаЬи1ит /егпо^апомогшп г-9801т. Масштабная линейка - 5% различия последовательностей.

и

109)_

— ГЪ»1^»5№5жайкг03М<&47т(Мзв331'1 51(ат «* (41615882)

ОоЛмАжЖг ЗетиЙлсалз Е6М «45вЭ'(Ае036!»0! <ЗсоЙ*с ИтарЬ&а МГ^Я1 (Л1г894СгЙ

беда«*» »яйвйовч РАЫг 0®5?44)

Рис. 9. Электронные микрографии негативно окрашенных клеток йе/етЬааег аЬуь-х! Жт. Длина масштабной линейки - 0,5 мкм.

Рис. 10. Дендрограмма, показывающая филогенетическое положение Ое/етЬасГег аЬуз$~1 Ж1. Масштабная линейка - 10% различия последовательностей.

1

с

СШПОит ¡га&йотт ОЗМ 5675т (Х80841) ТШ&пЛе рюоосШв АТСС 25539т (Х80833) - ТияяегеЯв сквОюрШ 135М 6911Т р<80227) ■ Ггаяивй» сгеаймв 6:4111 (X ?Ь«Ж>

- воеЬпдвпй жсМт/уЧса ВОН-У (АУ353»5в) ■ОозШит там>п!о*иггГ ОЗМ 8645 (Х77847) ОогШит ийиттзя К1 <гв8283) ТлркХткюЫит ЛлфМ&ив <АУ««7«| еиЬшЯопит впди&ит АТСС 4373Г (134812) ОовШШт ршю№/ват АТСС 33906' (ШС1491) ОонШит асШПс/АТСС 790вт (М5908<1! ГЬвтюПаЮЬаЫвгЬвтпж СГТЗт (АС 113543) СакяапаагоЬЮег вгогетм МУ10в7" (АДО2422) 'ЕиЬШвпшп №еткямюшз' (НООвБ)

Рис. 11. Электронные микрографии ультратонких срезов штамма Тер1<Ит'1СгоЫит /етрЫЫт ЯВ91Т, выращенного в среде с пептоном и Ре(Ш)-ЭДТА. (а) Делящаяся клетка. Длина масштабной линейки - 0,5 мкм. (Ь) Поперечный срез, показывающий слои клеточной стенки. Длина масштабной линейки - 0,1 мкм.

Рис. 12. Дендрограмма, показывающая филогенетическое положение ТерИт/сгоЬшт /егг1рЫ1ит 5В91Т внутри XI! кластера клостридий. Масштабная линейка - 5% различия последовательностей.

Таким образом, как и многие другие физиологические группы прокариот, термофильные железоредукторы - это группа, состоящая из микроорганизмов, не объединённых общностью происхождения Не являются железовосстанавливающие организмы и строго специфичными в физиологическом отношении все известные мезофильные и большинство термофильных железоредукторов, в том числе и «Ре(Ш)-дышащие», могут расти за счет других метаболических процессов Исключения составляют гипертермофилы Geoglobus ahcmgan (КаБЬей й а1 2002а) и 'Сео&егтоЬаШпит /етгес!исеп$' (КазИей е1 а1 2002Ь) не использующие другие акцепторы электронов, кроме Ре(Ш) Хотя многие микроорганизмы, способные восстанавливать Ре(Ш), принадлежат к широко распространённым родам культивируемых термофильных бактерий и архей, таких как ТИегтоапаегоЬаЫег, СаШапаеюЬааег, ТЬегто^а и ТИегтососсия, применение трёхвалентного железа в качестве потенциального акцептора электронов позволяет выделить и новые таксоны термофилов

4. Физиологические и биохимические механизмы восстановления Fe(III) термофильными прокариотами

Исследование взаимодействия микробной клетки с поверхностью твёрдого минерала представляет собой одну из наиболее интригующих и сложных задач современной физиологии микроорганизмов Детальные исследования физиологии и биохимии диссичиляционной железоредукции до настоящего времени проводились лишь для представителей мезофильных родов Shewanella и Geobacter, имеющих грамотрицательный тип клеточной стенки В ходе этих работ были открыты фундаментальные механизмы передачи электронов на нерастворимый акцептор с помощью веществ-переносчиков или электропроводящих пилей, контактирующих с минералами железа (Lovley et al 1998, Newman & Kolter 2000, Gorby et al 2006) К настоящему времени описано более 20 содержащих гем с белков, участвующих в транспорте электронов к Fe(III), однако, не известно ни одного фермента, которому может быть приписана функция терминальной железоредуктазы т vivo Информация о физиологии и биохимии диссимиляционного восстановления Fe(III) термофильными микроорганизмами ограничена единичными сообщениями (Vadas et al 1999, Childers & Lovley 2001, Feinberg & Holden 2006)

4.1. Литоавтотрофный рост СагЬохуйоА1егтт /етгейисет с Ре(Ш) в качестве акцептора электронов. Первичная продукция органического вещества за счет литоавтотрофных микроорганизмов является основой существования автономных микробных сообществ Выделенный нами С /егпгес/исем оказался способным к устойчивому росту в среде, содержащей слабокристаллический оксид Ре(Ш) (ферригидрит) в качестве акцептора электронов, молекулярный водород в качестве донора электронов, С02 в качестве единственного источника углерода Рост числа клеток сопутствовал образованию Ре(Н) и уменьшению концентрации Н2 в газовой фазе (Рис 13) Максимальная концентрация клеток достигала 6,0*107 кл/мл Среднее стехиометрическое отношение образовавшегося Ре(П) к потребленному Н2 составляло 2,4 Минимальный порог потребления Н2 в выросших 7-дневных культурах составлял 0,3 рртV (3,0*10"5 % об) и далее не снижался Слабокристаллический оксид Ре(Ш) восстанавливался в черный сильномагнитный осадок При отсутствии молекулярного водорода (газовая фаза 100% Ы2) или С02/КаНС03 (газовая фаза 100% Н2) роста и восстановления Ре(Ш) не происходило Таким образом, С ferr^reducens способен к железному дыханию и автотрофной фиксации С02 (БЬЬосИап й а1 1997, Гаврилов и др 2003)

Рис. 13 Литоавтотрофный рост С /етгес1исеп& в среде с ферригндритом, Н2 и С02

1 - рост,

2 - потребление водорода,

3 - образование Ре(Н)

20 40 60 80 100 120 140 160 Время, чаг

4.2. Влияние Ре(П1) на органотрофный рост термофильных бактерий.

Причинами стимуляции органотрофного роста микроорганизма при железоредукции, кроме использования железа(Ш) в энергетических процессах, могут бьггь ассимиляция дополнительного количества железа, либо снижение окислительно-восстановительного потенциала среды вследствие образования

Ре(П) (Така! е1 а1. 2000). Анализ влияния этих факторов проводится крайне редко. Наши эксперименты с растущими культурами С. ¡етгейисепь Ш11\$>-У7Т и Т. 51с1егорЫ1из 8В.4Т показали, что стимуляция органотрофкого роста этих микроорганизмов в присутствии Ре(Ш) вызвана использованием трёхвалентного железа в качестве акцептора электронов в катаболических процессах и не связана с влиянием на метаболизм образующегося Ре(И) или изменением окислительно-восстановительного потенциала среды. В присутствии Ре(Ш), максимальная концентрация клеток С. fernreducens увеличивалась в 3 раза, а Т. ¡¿ёегорЬИш - в 2 раза (Рис. 14); у обоих организмов изменялись также состав и соотношение продуктов брожения в сторону образования более окисленных метаболитов (Рис. 15) (81оЬос1кт й а1. 1997, Гаврилов и др. 2003). Экономический коэффициент роста С. /егп^исепэ увеличивался в присутствии экзогенных акцепторов электронов, но не коррелировал со стандартными свободными энергиями Гиббса реакций (Табл. 7). Таким образом, С. /егг1геЛисеп5 способен не только к железному дыханию, но и к использованию Ре(ТП) в качестве дополнительного акцептора электронов при органотрофном росте, сопряжённом с неполным окислением углеродного субстрата.

60 80 100 120 140 160 Время,час

40 60 80 100 120 140 160 180 Время, час

Рис. 14. Влияние Ре(Ш) на органотрсфный рост С. /егг1гес1исеп5 с глицерином и С02.

1 - среда с ферригидритом;

2 - среда с химически синтезированным магнетитом;

3 - среда с добавлением РевО,,;

4 - среда без железа, восстановленная сульфидом На (Е,,<0);-невосстановленная среда без железа (Е„-0).

Таблица 7. Экономический коэффициент (У) и стандартная свободная энергия Гиббса (ДО0 ) реакций окисления глицерина с использования различных акцепторов электронов при росте С. /егпгес1исепз_

Условия культивирования Дополнительные акцепторы элект ронов, кроме С02

без доп. акцептора фумарат АХДС цитрат Ре(Ш) ферригидрит

У, 1013 кл/моль потреблённого глицерина 5,43 10,2 7,01 5,55 7,46

ДС° кДж/моль глицерина -151,5 -193,0 -194,2 -248,3 -251,4

"Уравнения предполагаемых реакций окисления глицерина до ацетата: без доп. акцептора 4С3Н803 + 2НС03" -+ 7С2Н302" + 5Н+ + 4Н20

с фумаратом 8С3Н803 + 2НСО," + 4С4Н2042" — 13С2Н302- + 11Н+ + 4Н,0 + 4С4Н4О42' с АХДС 8С3Н803 + 2НС03" + 4АХДС — 1ЗС2Н302~ + 11+ 4Н20 + 4АХДСН2 с цитратом Ре(Ш) 8С3Н803 + 2НС03" + 8РеС6Н507 — 1ЗС2Н302" + 11Н+ + 4Н20 + 8РеС6Н607 с ферригидритом 8С3Н803 + 2НСО," + 24Ре(ОН)< — IЗС2Н302' + 11Н+ + 44НгО + 8Ре304

45 40

35 30

§25

ь

,.20

0

1 15

о.

10 5

0

0РОСТ ШПропионат □ Водород

□ Этанол ШИзобутират О Ре(Н>

.1

1

Ж

Пептон ♦ Рв(|||)

Пвгттон

Рис. 15. Влияние Ре(Ш) на рост и образование продуктов метаболизма у С. ferrireducens (А) и Т. siderophilus (Б). Показана максимальная концентрация клеток, наблюдавшаяся за 180 часов культивирования при подсчёте клеток каждые 24 часа.

4.3. Физиологические стратегии восстановления нерастворимого Ре(Ш)

СагЬохуйогкегтия ferrireducens. Исследование восстановления различных форм Ре(Ш) суспензиями целых клеток С. /егп^исепв показало, что данный организм обладает несколькими железовосстанавливающими активностями с различной специфичностью к растворимым и нерастворимым формам Ре(Ш). На проявление той или иной железовосстанавливающей активности влияют условия культивирования клеток, однако, способность к восстановлению

нерастворимого слабокристаллического оксида Ре(Ш) является конститутивной Наиболее эффективное восстановление нерастворимого оксида Ре(Ш) растущими культурами С /егпгес1исеп$ происходит в условиях пространственной близости клетки к поверхности минерала (Рис 16) Обнаружено, что добавление сидерофора десферриоксамина В (ДФО) может стимулировать диссимиляционное восстановление Ре(Ш) в отсутствие свободного доступа клеток к ферригидриту Механизм стимуляции заключается в многократном использовании сидерофора в качестве челночного медиатора, переносящего ион Ре3+

о 20 40 60 80 100 120 140 160

20 40 60 80 100 120 140 160

¡Г

/

//

Н

—ч

25

20 ■

15-

--------1 ¡ЗГЮ-

Ж-

т-1-1-1-1-1-г

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Время (час)

/

— -4

/

Л

л-—4

----

О Щ--1-1-1-1-1-г

_____6

0 20 40 60 80 100 120 140 160 Время (час)

Рис 16 Рост и образование Ре(П) культурой С /егпге<1исгп5 при наличии (А) и в отсутствие (включение Ре(Н1) в гранулы альгината) (Б) контакта клеток с ферригидритом, на средах 1 - с 0,2 мМ АХДС, 2 - с 0,2 мМ ДФО, 3 - без экзогенных медиаторов железоредукции

4.4. Биохимические механизмы восстановления Fe(III) у Carboxydothermus ferrireducens. У железовосстанавливающих бактерий с грамотрицательным типом клеточной стенки большую роль в транспорте электронов к Fe(III) играют периплазматические белки (Myers & Myers 1992, Lovley et al 2004) Биохимические механизмы диссимиляционной железоредукции у грамположительных железоредукторов, лишённых периплазмы, практически не исследовались В нашей работе мы исследовали грамположительную железоредуцирующую бактерию С ferrireducens После разрушения клеток наибольшая железовосстанавливающая активность отмечалась с Ре(1П)-ЭДТА в качестве акцептора и НАД(Ф)Н в качестве доноров электронов Около 80% НАД(Ф)Н-зависимых Ре(Ш)-ЭДТА-редуктазных активностей содержалось в мембранной фракции клеток (Табл 8) Обработка мембран лаурил мальтозидом приводила к полной солюбилизации белков обладающих НАДН-зависимой и 70%-й солюбилизации белков обладающих НАДФН-зависимой Ре(1П)-ЭДТА-редуктазной активностью После очистки с помощью ионообменной хроматографии, фракция, содержащая НАДН-зависимую активность, была сконцентрирована в 8, а фракция, содержащая НАДФН-зависимую активность - в 11 раз, при выходе порядка 10% для обеих активностей В состав ферментного комплекса, восстанавливающего Ре(1П)-ЭДТА, входят цитохромы с-типа и белок с молекулярной массой около 115 кДа, состоящий из двух полипептидов (Гавриловидр 2007)

Таблица 8. Распределение Рс(Ш)-ЭДТА-редукгазной активности по клеточным фракциям С ferrireducens

Фракция Белок, НА ДН-зависимая активность НАДФН-зависимая активность

мг Удельная, Е*/мг белка Общая Е % Удельная, Е/мг белка Общая Е %

Целые и разрушенные клетки

Целые клетки 4060 0,0 0 0 0,0 0 0

Разрушенные клетки 4172 32,92 137336 100 52,07 217205 100

Растворимая и мембранная фракции

Растворимая фракция 310 43,07 13361 21 27,27 8460 12

Мембранная фракция 1942 25,61 49734 79 33,11 64309 88

Растворимая и нерастворимая фракции лаурилмальтозидного экстракта мембран

Растворимая фракция экстракта 250 20,33 5079 100 19,93 4977 70

Нерастворимая фракция экстракта 100 0,0 0 0 21,8 2180 30

*Е- количество фермента, катализирующее образование 1 наномоль Fe(II) за мин при 65°С

4.5. Неэнзиматическое восстановление Ре(П1): образование магнетита в результате гипертермофильной микробной сульфатредукции.

Восстановление Ре(ПГ) может происходить как вследствие энзиматических процессов, так и за счет химического восстановления трехвалентного железа продуктами микробного метаболизма Хорошо известно образование сульфидов железа в результате диссимиляционной сульфатредукции Формирование оксидов железа, в частности магнетита, при восстановлении слабокристаллического оксида Ре(Ш) растущими культурами микроорганизмов до последнего времени однозначно рассматривалось как указание на деятельность диссимиляционных железоредукторов Мы обнаружили, что при повышенной температуре образование магнетита может быть вызвано также деятельностью сульфатвосстанавливающих микроорганизмов и происходить в результате восстановления слабокристаллического оксида Ре(Ш) образующимися ионами сульфида

1,%

М , мМ

Рис. 17. Относительные интенсивности (I) парциальных спектров ядер 57Ре в слабокристаллическом оксиде Ре(Ш) и магнетите (РезОл), образованном при росте А /и^1с1и5 в присутствии и отсутствие лактата в среде культивирования и разных концентрациях сульфата

3042 (ммоль/л)

В наших экспериментах гипертермофильный археон Archaeoglobus /и1&с1ш рос в среде, содержащей сульфат и слабокристаллический оксид Ре(Ш), используя молекулярный водород в качестве единственного донора электронов, при этом происходило образование черного сильномагнитного осадка А /и^Шия рос только в присутствии сульфата Роста микроорганизма и образования Ре(И) не происходило, если в среде присутствовал молибдат, специфический ингибитор

ферментов диссимиляционного восстановления сульфата Исследование осадка методом мессбауэровской спектроскопии показало присутствие в нём магнетита и сидерита Образования сульфидов железа обнаружено не было С увеличением начальной концентрации сульфата относительное содержание магнетита возрастало пропорционально этой концентрации и уменьшалось при добавлении лактата. (Рис 17). Контрольные эксперименты показали, что в исследованных условиях образование магнетита происходит при добавлении в стерильную среду раствора Ыа^ 9Н20 Для образования магнетита кроме сульфида были необходимы также повышенная температура (80°С) и наличие молекулярного водорода (Слободкин и др 2004, СЬиГуакоуа & а1 2004, 2005, Чистякова и др 2005)

Таким образом, результаты проведённых нами исследований позволяют сделать ряд заключений о потенциальной экологической функции термофильных железоредукторов и механизмах восстановления нерастворимых оксидов Ре(1П) в термальных экосистемах Важным физиологическим свойством железоредуцирующих термофилов является наличие у них способности к литоавтотрофному росту, неизвестной для мезофильных нейтрофильных железовосстанавливающих микроорганизмов Следовательно, железоредукторы могут быть не только деструкторами, но и продуцентами органического вещества Порог потребления Н2 чистой культурой СагЬоху<1о1}1егти$ /етгейисет составляет 0,3 р р т V, что, вероятно, позволяет водородиспользующим железовосстанавливающим микроорганизмам успешно конкурировать за этот субстрат с другими группами термофильных гидрогенотрофов

Наиболее эффективное восстановление нерастворимого оксида Ре(Ш) грамположительным железоредуктором СагЪохуЛо^егтт /етге^сепэ происходит в условиях пространственной близости клетки к поверхности минерала Челночные переносчики электронов, а также экзогенный сидерофор ДФО стимулируют диссимиляционное восстановление Ре(ГО) в отсутствие свободного доступа клеток к ферригидриту Способность к восстановлению слабокристаллического оксида Ре(1П) у СагЬоху^Легтш/етгес1исею является конститутивной, основная часть Ре(П1)-восстанавливающей активности локализована в мембранах, в переносе электронов к Ре(Ш) участвуют цитохромы с-типа Восстановление нерастворимых соединений Ре(Ш) у этого микроорганизма осуществляется, очевидно, сложным мультиферментным комплексом. К настоящему времени нам удалось солюбилизировать и частично

охарактеризовать мембраносвязанную белковую фракцию, обладающую Ре(Ш)-ЭДТА-редуктазной активностью Очистка белка, выполняющего функцию терминальной Ре(И1)-редуктазы in vivo, затруднена, в частности, из-за практически полной потери Ре(Ш)-восстанавливающей активности со слабокристаллическим оксидом железа(Ш), происходящей при разрушении клеток

Восстановление железа(Ш) микроорганизмами может происходить не только в результате прямых энзиматических, но и биотически опосредованных процессов Нами обнаружено, что при повышенной температуре, в присутствии слабокристаллического оксида Fe(III), в результате продукции ионов сульфида сульфатвосстанавливающими микроорганизмами, происходит не образование сульфидов железа, как этого можно было бы ожидать, а формирование магнетита Этот феномен должен учитываться при объяснении возможных путей генезиса магнетита в термальных, особенно морских экосистемах, а также в лабораторной практике при исследованиях микробной железоредукции

5. Восстановление хрома(УХ), технеция(\'П) и урана(У1) термофильными

бактериями

Многие диссимиляционные железоредукторы способны также энзиматически восстанавливать ряд других металлов с переменной валентностью, однако функции восстановления этих металлов в метаболизме клетки остаются, в основном, неизвестными (Lloyd 2003) Наши исследования восстановления Cr(VI), Tc(VII) и U(VI) термофильными микроорганизмами были вызваны, главным образом, задачами прикладного характера, имеющими целью иммобилизацию токсичных металлов и радионуклидов путём их перевода в менее растворимую восстановленную форму

5.1. Восстановление Cr(VI). Растущие культуры грамположительных железоредукторов Carboxydothermus ferrireducens и Thermoanaerobacter siderophilus оказались неспособны восстанавливать Cr(VI) Однако клеточные суспензии этих организмов восстанавливали Cr(VI) в Сг(Ш) с пептоном, сорбитом и пируватом в качестве донора электронов Суспензии клеток термофильных микроорганизмов, неспособных к диссимиляционному восстановлению Fe(III) - Mirella glycerim, Archaeoglobus fulgidus и Thermococcus pacißcus, также могли восстанавливать хромат с различными донорами электронов

Из муниципальных сточных вод нами была выделена умеренно-термофильная, факультативно-анаэробная бактерия, способная к восстановлению Cr(VI) (штамм SKC1), идентифицированная как Bacillus thermoamylovorans В процессе роста штамм SKC1 восстанавливал хромат, используя L-арабинозу в качестве донора электронов Увеличение начальной концентрации Cr(VI) приводило к увеличению лаг-фазы, снижению скорости роста и уменьшению конечного числа клеток Штамм SKC1 восстанавливал Fe(III) цитрат и Ре(Ш)-ЭДГА, но не слабокристаллический оксид Fe(III), при этом стимуляции роста микроорганизма не происходило (Слободкина и др 2007)

Восстановление Tc(VII). Растущие культуры железоредуктора Carboxydothermus ferrireducens и другой грамположительной бактерии -Tepidibacter thalassicus (Slobodkin et al 2003), неспособной к диссимиляционному восстановлению Fe(III), не восстанавливали семивалентный технеций с молекулярным водородом или органическими донорами электронов Однако суспензии клеток этих организмов, в присутствие молекулярного водорода, восстанавливали Тс(УП) в Tc(V) и Tc(TV) с образованием серо-чёрного нерастворимого материала (Рис 18)

100

-А--—$-

4

---А----А

о-6

з

Рис 18 Удаление 59Тс из раствора суспензией клеток Т thalassicus (1) и С ferrireducens (2) с H¡ в качестве донора электронов Концентрация белка - 220 мкг/мл (1,2*109кл/мл) 3-клетки без донора, 4 - неино купированная среда (Нз) Начальная концентрация Tc(VII) - 40 мкмоль/л

80

г?

а 40

о

О

0 4 8 12 16 20 24 28

Время, чае

Кроме молекулярного водорода С /етгеёисет восстанавливал пертехнетат с лактатом, глицерином и дрожжевым экстрактом, а Т ЖаШзкиз - с пептоном в качестве доноров электронов Основная часть (82-84%) 99Тс была связана с биомассой клеток Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ выявили присутствие на поверхности клеток технеций-содержащих частиц, размером 0,2-0,4 мкм, вероятно, представляющих собой агрегаты более мелких кристаллов Тс-содержащие частицы наблюдались только на поверхности бактериальных клеток, элементный состав клеток с прикрепленными к ним Тс-содержащими частицами указывал на то, что клетки не были лизированы (СЬегпуЬ е1 а1 2007)

5.3. Восстановление урана(УТ). Растущие культуры железоредуктора СагЪохуйоЛегтиз ferrlreducens восстанавливали растворимый уранилсульфат с образованием нерастворимого осадка, содержащего четырехвалентный уран Кроме растворимых форм урана, С /егпгеЛисепя использовал слаборастворимый фосфат урана(У1) в качестве акцептора электронов при росте с глицерином в качестве донора электронов (Рис 19)

-ил/1) -и(У1) + -без акцептора б/а + ИагЭ -Ре(И1) -фумарат

Рис 19 Рост и восстановление и(У1) С ferr¡reducens Урамфит (2,5 ммоль и(УГ)/л), ферригидрит(90 мМ Ре(Н0), фумарат (20 мМ)

—О— Без бактерий С Гетге<1исепз

20 40

Время, час

Восстановлению U(VI) сопутствовало увеличение числа клеток, а урожай клеток был примерно в 2,5 раза выше в присутствие урана, чем в его отсутствие В отличие от роста С fernreducens с другими акцепторами электронов, рост с U(VI) начинался после лаг-фазы продолжительностью около 15 часов Фосфат урана, используемый в качестве акцептора электронов, был идентифицирован с помощью дифракционного рентгеновского анализа как урамфит [(NH4)(U02)(P04)*3H20], а серый осадок, образующийся в результате микробного восстановления этого минерала, - как минерал четырёхвалентного урана - нингиоит [CaU(P04>2*H20] (Khyniak et al 2005)

Таким образом, термофильные прокариоты могут энзиматически восстанавливать соединения хрома(У1), технеция(УП) и урана(У1) Восстановление Cr(VI) в метаболизме Bacillus thermoamylovorans SKC1 выполняет функцию детоксикации Суспензии клеток диссимиляционного железоредуктора Carboxydothermus fernreducens и бродилыцика Tepidibacter thalassicus восстанавливают семивалентный технеций, вероятно в результате неспецифических биохимических реакций При исследовании микробного восстановления шестивалентного урана нами было обнаружено, что Carboxydothermus fernreducens использовал слаборастворимый фосфат U(VI), — минерал урамфит, в качестве акцептора электронов для роста. Ранее о возможности микробного восстановления нерастворимых соединений актинидов известно не было, и считалось, что в местах загрязнённых радионуклидами, твердофазный уран, присутствующий в осадках, устойчив к микробному восстановлению Это первое сообщение о способности термофильного микроорганизма получать энергию для роста при восстановлении шестивалентного урана в диссимиляционном процессе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Восстановление трёхвалентного железа микроорганизмами - бурно развивающаяся область исследований Открытый около 100 лет тому назад процесс микробного восстановления Ре(1Г1) сейчас снова находится в фокусе интересов научного сообщества Только за последние 5 лет опубликовано около 200 работ, посвящённых различным аспектам восстановления Ре(Ш) В

настоящее время не вызывает сомнений, что микробная железоредукция является глобальным биосферным процессом и вносит значительный вклад в окисление органического вещества в водных, почвенных и подземных экосистемах.

Результаты наших исследований доказывают существование физиологической группы термофильных железовосстанавливающих прокариот Нами впервые обнаружено, что термофильные микроорганизмы могут осуществлять процесс диссимиляционного восстановления трёхвалентного железа Открытие термофильного микробного окисления молекулярного водорода и ацетата, сопряжённого с использованием Ре(Ш) в качестве акцептора электронов, позволяет предположить значительную роль железоредукторов в трофических взаимодействиях в термальных биотопах, содержащих соединения трёхвалентного железа Биогенное образование магнетита при повышенных температурах обосновывает возможность участия термофильных микроорганизмов в формировании месторождений железистых кварцитов

В природных условиях, при нейтральной реакции среды, соединения трёхвалентного железа существуют в виде нерастворимых оксидов Наши исследования показывают, что термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Ре(Ш), распространены_ в большинстве известных к настоящему времени типов термальных экосистем и являются постоянным компонентом термальных биоценозов. Их численность в различных биотопах варьирует в широких пределах и очевидно лимитируется не только концентрацией доступных для использования соединений железа, но и наличием донора электронов

В филогенетическом отношении термофильные железоредукторы не объединены общностью происхождения Способность к восстановлению слабокристаллического оксида Ре(Ш) распространена среди представителей различных таксонов термофильных бактерий и архей Использование трёхвалентного железа в качестве селективного фактора при получении накопительных и чистых культур приводит как к выделению микроорганизмов новых таксонов, так и к обнаружению железоредукторов, принадлежащих к известным родам, в том числе таким космополитным как 7ЪегтоапаегоЬа&ег и ТЪегтососси5 Недостаток данных о биохимических механизмах не позволяет однозначно заключить, является ли железоредукция свойством, появившимся один раз и распространившимся за счёт латерального переноса генов, или оно многократно и независимо возникало в процессе эволюции микроорганизмов

Железовосстанавливающие термофилы сопрягают восстановление Ре(Ш) с окислением широкого спектра органических и неорганических веществ Микроорганизмы этой физиологической группы используют в качестве доноров электронов все основные группы соединений, образующихся при распаде микробной мортмассы (Рис 20) Таким образом, при повышенных температурах в зонах отложения окисного железа может происходить полная минерализация органического вещества За счёт использования ювенильных газов, таких как молекулярный водород и моноксид углерода, автотрофные железовосстанавливающие микроорганизмы могут осуществлять и первичную продукцию органического вещества Следовательно, термофильные железовосстанавливающие прокариоты могут создавать основу для устойчивого функционирования анаэробных микробных сообществ, в том числе и автономных

Способность термофильных железоредукторов к восстановлению переменно-валентных металлов открывает возможности дня практического использования этой микробной группы Становится всё более очевидным, что термофильные железовосстанавливающие прокариоты, возможно, осуществлявшие процессы восстановления Ре(Ш) в значимых масштабах в древнейшие эпохи существования Земли, являются одновременно и перспективными кандидатами для применения в современных биотехнологических процессах

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

Пвпкды

Полисахариды (крахмал)

Сахара

Пептиды

| Жирные | кислоты'

Глицерин

Орг. кислоты, спирты

А м инобснслоты

Ацетат.

0е/егг1ЬасГег

(Негт и .4 ТНегтоап>

Ткегтососси.к

Лвготрофы:

Гетеротрофы:

ТИегтоапае-гоЬааег ТИегт о\>епа-

•хус!о1Иегт и

Ое/егпЬас1ег

ТНегт огоца ТИегтоапае\ Ьас1ет

ТИегтососп Ткегто\епа-Ьи1ит

>(к £гт ш

К) В К Н И Л ЫIЫ Е ГАЗЫ

Восстановив;»!? ге<Ш| ""-рмсфч и-нмчи прокариотами

выводы

1 Впервые показано, что термофильные микроорганизмы могут осуществлять процесс диссимиляционного восстановления трёхвалентного железа Данный факт расширяет круг возможных биогеохимических процессов, идущих с участием термофильных прокариот, в наземных и глубинных системах современной биосферы и может служить основой для моделирования микробных процессов, протекавших в древнейшие эпохи существования Земли

2 Термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Fe(III), распространены в большинстве известных к настоящему времени типов термальных экосистем, включая наземные и морские гидротермы, подземные термальные воды и антропогенные экосистемы

3 Термофильные железовосстанавливающие микрорганизмы не являются единой филогенетической группой Установлена способность к восстановлению слабокристаллического оксида Fe(III) у представителей различных таксонов термофильных бактерий и архей, включающих порядки Clostridiales, Thermoanaerobactenales, Thermotogales, Deferribactertales и Thermococcales Описаны и узаконены новые таксоны железоредукторов Carboxydothermus ferrireducerts sp nov, Thermoanaerobacter siderophilus sp nov, Thermovenabulum ferriorganovorum gen nov, sp nov, Deferribacter abyssi sp nov, Tepidimicrobium femphtlum gen nov , sp nov

4 Термофильные железовосстанавливающие прокариоты способны к органотрофному и литоавтотрофному росту Таким образом, в термофильном микробном сообществе железоредукторы могут потенциально выполнять как продукционную, так и деструкционную функции Возможность окисления молекулярного водорода и ацетата, сопряжённого с использованием Fe(III) в качестве акцептора электронов, предполагает значительную роль железоредукторов в трофических взаимодействиях в термальных биотопах, содержащих соединения трехвалентного железа

5 Физиологические и биохимические механизмы восстановления Fe(III) у термофильных микроорганизмов различны Использование трёхвалентного железа в качестве акцептора электронов у термофилов может быть сопряжено как с процессами анаэробного дыхания, так и брожения Восстановление нерастворимых соединений Fe(III) у

грамположительной бактерии СагЬохус1о1Ьегти.$/етгесЬ/сею происходит наиболее эффективно в условиях пространственной близости клетки к поверхности минерала, в переносе электронов к Ре(Ш) участвует сложный мультиферментный мембраносвязанный комплекс

6 При повышенных температурах микробное образование магнетита может быть обусловлено не только энзиматической активностью железовосстанавливающих прокариот, но также являться результатом биотически опосредованных процессов, вызываемых сульфатвосстанавливающими микроорганизмами

7 Термофильные бактерии способны энзиматически восстанавливать соединения хрома (VI), технеция (VII) и урана (VI) Восстановление этих металлов в метаболизме клетки может выполнять диссимиляционную или детоксикационную функции В качестве акцептора электронов для роста микроорганизмы могут использовать слаборастворимые соединения урана

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Экспериментальные статьи

1 Слободкин А И, Ерощев-Шак В А , Кострикина Н А, Лаврушин В Ю , Дайняк ЛГ, Заварзин ГА (1995) Образование магнетита термофильными анаэробными микроорганизмами // Доклады Академии Наук Т 345 С 694697

2 Slobodkin A, Reysenbach A-L, Strutz N, Dreier M, Wiegel J (1997) Thermoterrabacterium ferrireducens gen nov, sp nov , a thermophilic anaerobic dissimilatoiy Fe(III)-reducing bacterium from a continental hot spring // Int J Syst Bactenol V 47 P 541-547

3 Slobodkin AI, Wiegel J (1997) Fe(III) as an electron acceptor for H2 oxidation in thermophilic anaerobic enrichment cultures from geothermal areas // Extremophiles V 1 P 106-109

4. Slobodkin A, Reysenbach A-L, Mayer F, Wiegel J (1997) Isolation and characterization of the homoacetogemc thermophilic bacterium Moorella glycerim sp nov //Int J Syst Bactenol V 47 P 969-974

5 Бонч-Осмоловская E A , Мирошниченко M Л , Слободкин А И, Соколова Т.Г , Карпов Г А, Кострикина Н А , Заварзина Д Г , Прокофьева М И , Русанов ИИ, Пименов НВ (1999) Биоразнообразие анаэробных литотрофных прокариот в наземных гидротермах Камчатки // Микробиология Т 68 С 398-406

6 Slobodkin A , Jeanthon С , L'Haridon S , Nazina T , Miroshnichenko M, Bonch-Osmolovskaya E (1999) Dissimilatoiy reduction of Fe(III) by thermophilic bacteria and archaea m deep subsurface petroleum reservoirs of Western Siberia // Curr Microbiol V 39 P 99-102

7 Slobodkm AI, T P Tourova, В В Kuznetsov, N.A Kostnkina, N A Chernyh andEA Bonch-Osmolovskaya (1999) Thermoanaerobacter siderophilus sp nov, a novel dissimilatory Fe(III)-reducing, anaerobic, thermophilic bacterium // Int J Syst Bacterid V49 P 1471-1478.

8 Slobodkin A , Campbell В , Сагу S С , Bonch-Osmolovskaya E , Jeanthon С (2001) Evidence for the presence of thermophilic Fe(III)-reducing microorganisms m deep-sea hydrothermal vents at 13°N (East Pacific Rise) // FEMS Microbiol Ecol V 36 P 235-243

9 Zavarzma D G , Tourova T P , Kuznetsov В В , Bonch-Osmolovskaya E A , Slobodkin A I (2002) Thermovenabulum ferriorganovorum gen nov, sp nov , a novel thermophilic, anaerobic, endospore-formmg bactenum // Int J Syst Evol Microbiol V 52 P 1737-1743

10 Гаврилов С H , Бонч-Осмоловская Е А , Слободкин А И (2003) Физиология органотрофного и литотрофного роста термофильных железовосстанавливающих бактерий Thermoterrabacterium ferrireducens и Thermoanaerobacter siderophilus //Микробиология Т 72 С 161-167.

11 Slobodkm АI, Tourova Т Р, Kostrikina N A, Chernyh N А, Bonch-Osmolovskaya Е А , Jeanthon С and Jones В Е (2003) Tepidibacter thalassicus gen nov, sp nov, a novel moderately thermophilic, anaerobic, fermentative bactenum from a deep-sea hydrothermal vent // Int J Syst Evol Microbiol V 53 P 1131-1134

12 Miroshnichenko M L , Slobodkin AI, Kostrikina N A , LHandon S , Nercessian О , Spring S , Stackebrandt E, Bonch-Osmolovskaya E A and Jeanthon С (2003) Deferribacter abyssi sp nov, an anaerobic thermophile from deep-sea hydrothermal vents of the Mid-Atlantic Ridge // Int J Syst Evol Microbiol V 53 P 637-1641

13 Слободкин А И, Чистякова H И, Русаков В С (2004) Высокотемпературная микробная сульфатредукция может сопровождаться образованием магнетита //Микробиология Т 73 С 553-557

14Слободкина ГБ, Слободкин А.И, Турова ТП, Кострикина НА, Бонч-Осмоловская Е А (2004) Обнаружение культивируемой гипертермофильной археи рода Sulfophobococcus в метантенке, работающем в термофильном режиме //Микробиология Т 73 С 716-720.

15 Slobodkma G В , Chernyh N А, Slobodkin AI, Subbotma IV, Bonch-Osmolovskaya Е А, Lebedmsky А V (2004) PCR-based identification of hyperthennophilic archaea of the family Thermococcaceae И Appl Environ Microbiol V 70 P 5701-5703

16 Chistyakova NI, Rusakov V S , Zavarzma D G, Slobodkm AI, Gorohova T V (2004) Mossbauer study of magnetite formation by iron- and sulfate-reducmg bacteria //Hyperfine Interactions V 156/157 P 411-415

17 Toffin L, Bidault A , Pignet P , Tindall В J, Slobodkra A , Kato С , Prieur D

(2004) Shewanella profunda sp nov , isolated from deep marine sediment of the NankaiTrough //Int J Syst Evol Microbiol V 54 P. 1943-1949

18 Khijniak T V, Slobodkin AI, Coker V , Renshaw J С , Livens F R, Bonch-Osmolovskaya EA, Birkeland N-K, Medvedeva-Lyahkova NN, Lloyd JR

(2005) Reduction of uranmm(VI) phosphate dunng growth of the thermophilic bacterium Thermoterrabacterium ferrireducens II Appl Environ Microbiol V 71 P 6423-6426

19 Chistyakova NI, Rusakov V S , Zavarzina D G , Gorohova T V , Slobodkin A I (2005) Mossbauer spectroscopy in studying magnetite formed by iron- and sulfate-reducing bacteria //Czechoslovak Journal of Physics V 55 P 781-790

20Чистякова НИ, Русаков ВС, Слободкин АИ, Горохова ТВ (2005) Мессбауэровские исследования процессов образования магнетита сульфатвосстанавливающей архебактерией // Известия РАН Серия физическая Т 69 С 1539-1543

21 Голованов ДЛ, Верба МП, Дорохова МФ, Слободкин А И (2005) Микроморфологическая и микробиологическая диагностика почвообразовательных процессов в пустынных почвах Монголии для целей их классификации // Почвоведение №12, С 1450-1460

22 Slobodkin А I, Tourova Т Р , Kostrikina N А , Lysenko А М , German К Е , Bonch-Osmolovskaya Е А , Birkeland N -К (2006) Tepidimicrobium ferriphilum gen nov , sp nov , a novel moderately thermophilic, Fe(III)-reducing bacterium of the order Clostridials Int J Syst Evol Microbiol V 56 P 369-372

23 Slobodkin AI, Sokolova T. G Lysenko A M , Wiegel J (2006) Reclassification of Thermoterrabacterium ferrireducens as Carboxydothermus ferrireducens comb nov , and emended description of the genus Carboxydothermus Int J Syst Evol Microbiol V 56 P 2349-2351

24 Гаврилов С H, Слободкин А И, Робб Ф Т, Де Врис С (2007) Характеристика мембраносвязанных Ре(Ш)-ЭДТА-редуктазных активностей термофильной грамположительной железовосстанавливающей бактерии Thermoterrabacterium ferrireducens //Микробиология Т 76 С 164-171

25 Chernyh N А , Gavnlov S N, Sorokin V V, German К Е , Sergeant С , Momque Simonoff М, Robb F, Slobodkin AI (2007) Characterization of Technetmm(VII) Reduction by Cell Suspensions of Thermophilic Bacteria and Archaea //Appl Microbiol Biotechnol V 76 P 467-472

26 Слободкина Г Б, Бонч-Осмоловская Е А, Слободкин А И (2007) Восстановление хромата, селенита, теллурита и железа(Ш) умеренно-термофильной бактерией Bacillus thermoamylovorans штамм SKC-1 // Микробиология Т 76 С 602-607

Обзоры

27 Слободкин АИ, ДГ Заварзина, ТГ Соколова, ЕА Бонч-Осмоловская (1999) Диссимиляционное восстановление неорганических акцепторов электронов термофильными анаэробными прокариотами // Микробиология Т 68 С 600-622

28 Бонч-Осмоловская Е А, Мирошниченко М Л., Соколова Т Г , Слободкин А И (2004) Термофильные микробные сообщества новые физиологические группы, новые местообитания II Труды Института микробиологии им С Н Виноградского Выпуск XII С 29-40 Наука Москва

29 Слободкин А И (2005) Термофильная микробная металлоредукция // Микробиология Т 74 С 581-595

Тезисы конференций

30 Slobodkm А, Reysenbach A-L , Wiegel J Thermoterrabacterium ferrireducens gen nov, sp nov and Clostridium glycerinum sp nov. new anaerobic glycerol-utihzing thermophiles Abstracts of International Conference on The Biology, Ecology and Biotechnology of Thermophilic Microorganisms "Thermophiles'96", 4-9 September 1996, Athens, GA, USA p 117

31 Slobodkm A , Wiegel J Fe(III) Reduction with Oxidation of H2 by Enrichment Cultures of Thermophilic Microorganisms Abstracts of International Conference on The Biology, Ecology and Biotechnology of Thermophilic Microorganisms "Thermophiles'96", 4-9 September 1996, Athens, GA, USA p 123

32 Bonch-Osmolovskaya E, Miroshnichenko M, Sokolova T, Slobodkm A Lithotrophic Thermophilic Anaerobes from Kamchatka Thermal Areas Abstracts of International Conference "Thermophiles'98", 6-11 September 1998, Brest, France p B-02

33 Slobodkm A, Chernyh N , Kuznetsov В , Tourova T Thermoanaerobacter siderophilus sp nov. a Novel Dissimilatory Fe(III)-reducing Anaerobic Thermophilic Bacterium Abstracts of International Conference "Thermophiles'98", 6-11 September 1998, Brest, France p B-Pll

34 Zavarzma D G , Slobodkm AI, Tourova T P., and Bonch-Osmolovskaya E A Distribution and Diversity of Thermophilic Fe(III)-reducmg Procaryotes in Terrestrial Hydrothermal Springs of Kamchatka and Kuril Islands Abstracts of IX th International Congress of Bactenology and Applied Microbiology, 16-20 August 1999, Sydney, Australia, p 89

35 Bonch-Osmolovskaya E A , Chernyh N A , Miroshnichenko M L, Slobodkm AI, Sokolova T G, Nazina T.N, Hippe H, Jeanthon С Thermophilic and Hyperthermophilic Bacteria and Archaea from Deep Subsurface Oil Reservoir of Western Siberia Abstracts of 4th International Symposium on Subsurface Microbiology, August 22-27, 2000, Vail, Colorado, USA, p 56

36 L'Handon S, Bonch-Osmolovskaya E A , Hippe H, Miroshnichenko M L , Nazina T N , Slobodkm AI, Stackebrandt E , Jeanthon С Enrichment, Isolatoin and Characterization of Thermophilic Microorganisms from a High Temperature Petroleum Reservoir m Western Siberia Abstracts of the 3th International Congress on Extremophiles, September 3-7, 2000 Hamburg, Germany, p 73

37 Jeanthon С , Bulygina E A , Chernyh N A, Corre E , Hippe H , Lebedinskn A V , L'Handon S , Lysov Y P , Miroshnichenko M L, Mirzabekov A D , Nazina T N, Nercessian О G,, Slobodkm A I, Stackebrandt E , Bonch-Osmolovskaya E A Cultural and Molecular Diversity of Microbial Communities from a High Temperature Petroleum Reservoir in Western Sibena Abstracts of the 3th

International Congress on Extremophiles, September 3-7, 2000 Hamburg, Germany, pp 49-50

38 Fedosov DV, Gavrilov SN, Bonch-Osmolovskaya EA, Slobodkin AI Lithotrophic Growth and Metabolism of Dissimilatory Fe(III) reducing Thermophilic Anaerobic Bacteria Abstracts of the 3th International Congress on Extremophiles, September 3-7,2000 Hamburg, Germany, p 136

39 Zavarzina D G , Tourova T P , Bonch-Osmolovskaya E A , Slobodkin AI Thermovenabulum reducens gen nov, sp nov, a novel thermophilic anaerobic dissimilatory Fe(III)-reducing bacterium Abstracts of the 3th International Congress on Extremophiles, September 3-7,2000 Hamburg, Germany, p 68

40 Slobodkin A I, Campbell B., Cary S C , Bonch-Osmolovskaya E A , Jeanthon C Enumeration and Phylogenetic Analysis of Thermophilic Dissimilatory Fe(III)-reducing Microorganisms in Deep-Sea Hydrothermal Vent Chimney of the East Pacific Rise Abstracts of the 3th International Congress on Extremophiles, September 3-7, 2000 Hamburg, Germany, pp 65-66

41 Slobodkin A I, Gavrilov S N, Zavarzina D G , and Bonch-Osmolovskaya E A Distribution, Diversity, and Physiology of Thermophilic Iron(III)-Reducmg Prokaryotes Abstracts of International Conference "Thermophiles 2001" (Biology and Biotechnology of Thermophilic Microbes), December 3-7, 2001, New Delhi, India, p 2

42 Bonch-Osmolovskaya E A , Miroshnichenko M L , Sokolova T G , , Zavarzina D G , and Slobodkin AI Novel Anaerobic Lithotrophic Thermophilic Prokaryotes from Terrestrial and Deep-Sea Volcanic Habitats Abstracts of International Conference "Thermophiles 2001" (Biology and Biotechnology of Thermophilic Microbes), December 3-7, 2001, New Delhi, India, p 3

43 Slobodkin A I, Tourova T P , Kostnkina N A , Chemych N A , Bonch-Osmolovskaya E A , Jeanthon C , Jones B E Tepidibacter thalassicus gen nov , sp nov, a novel moderately thermophilic, anaerobic, fermentative bacterium from deep-sea hydrothermal vent Abstracts of the 4 th International Congress on Extremophiles, September 22-26,2002, Naples, Italy, p 180

44 Gavrilov S N, Bonch-Osmolovskaya E A , Slobodkin AI Cr(VI) reduction by anaerobic thermophilic Bacteria Abstracts of the 4 th International Congress on Extremophiles, September 22-26, 2002, Naples, Italy, p 377

45 Slobodkma G B , Subbotma IV , Lebedinskii A V., Slobodkin AI, Bonch-Osmolovskaya E A , Chernych N A PCR-based detection and identification of hyperthermophilic Archaea of the family Thermococcaceae Abstracts of the 4 th International Congress on Extremophiles, September 22-26, 2002, Naples, Italy, p 181

46 Bonch-Osmolovskaya E A , Mirochnichenko M L , Zavarzina D G , Sokolova T G , Slobodkin AI Metabolic diversity of anaerobic moderately thermophilic bacteria from terrestrial and deep-sea volcanic habitats Abstracts of the 1st FEMS Congress of European Microbiologist, June 29 - July 3, 2003, Ljubljana, Slovenia, p 41

47 Gavrilov S N , Slobodkin A I, Bonch-Osmolovskaya E A Reduction of Cr(VI) and U(VI) by anaerobic thermophilic bacteria Abstracts of the lsl FEMS Congress of European Microbiologist, June 29 - July 3, 2003, Ljubljana, Slovenia, p 330

48 Слободкин А И, Чистякова Н И, Русаков В С , Бонч-Осмоловская Е А Образование магнетита из аморфного оксида железа (III) при восстановлении сульфата гипертермофильной архебактерией Archaeoglobus fulgidus Биоразнообразие и функционирование микробных сообществ водных и наземных систем Центральной Азии* Материалы Всеросийской конференции г Улан-Удэ Издательство БГСХА 2003 г с 115-117

49 Чистякова Н И, Заварзина Д Г, Русаков В С, Слободкин А И, Горохова Т В Мёссбауэровские исследования процессов синтеза магнетита железо- и сульфат- восстанавливающими бактериями П Выездная секция по проблемам магнетизма в магнитных пленках, малых частицах и наноструктурных объектах Труды международного семинара Астрахань Изд-во Астраханского гос Ун-та 2003 С 84-85

50 Slobodkin А I, Chistyakova N I, Rusakov V S , Bonch-Osmolovskaya E A Formation of magnetite from amorphous Fe(III) oxide during sulfate reduction by hyperthermophilic archaebactenum Archaeoglobus fulgidus II Abstracts of 16th International Symposium on Environmental Biogeochemistry. September 1-6, 2003 Oirase in Towada Hachimantai N P, Aomon Prefecture, Japan, p 125

51 Chistyakova NI, Rusakov V S , Zavarzma D G , Slobodkin AI, Gorohova T V Mossbauer study of magnetite formation by iron- and sulfate-reducing bactena // Abstracts of International Conference on the Application of the Mossbauer Effect 21-25 September 2003 Muscat, Sultanate of Oman

52 Gavnlov S N , Slobodkin AI, Bonch-Osmolovskaya E A , de Vnes S , Robb F Characterization of membrane-bound Fe(III) reductase activities from thermophilic gram- positive dissimilatory iron-reducmg bacterium Thermoterrabactenum ferrireducens II Abstracts of 5th International Conference onExtremophiles September 19-23,2004 Cambndge,Marylend,USA P 111

53 Slobodkin A Reduction of radionuclides by thermophilic bactena II Abstracts of 8th International Conference on Thermophiles Research. September 18-22, 2005 Gold Coast, Australia P 55

54 Gavnlov S N , German К E , Bonch-Osmolovskaya E A, Slobodkin AI Reductive precipitation of technetium by a thermophilic gramtype positive dissimilatory Fe(III)-reducer Thermoterrabactenum ferrireducens II Abstracts of 2"d FEMS Congress of European Microbiologists July 4-8, 2006 Madnd Spam P 167

55 Slobodkma G В , Slobodkin A I, Bonch-Osmolovskaya E A Isolation and charactenstics of chromate-reducmg moderately thermophilic bactenum Bacillus thermoamylovorans strain SKC1 // Abstracts of 2nd FEMS Congress of European Microbiologists July 4-8, 2006 Madnd Spain P 81

56 Slobodkin A I, Slobodkma G В , Bonch-Osmolovskaya E A Novel thermophilic Fe(III)-reducing, radiation-resistant bacteria of the order Clostridials II Abstracts of 2nd FEMS Congress of European Microbiologists July 4-8, 2006 Madrid Spain P 81

57 Gavnlov S N, Kostnkma N A , Bonch-Osmolovskaya E A , Slobodkin A I Physiological strategies for Fe(III) oxide reduction by a thermophilic bacterium Carboxydothermus ferrireducens И Abstracts of 9th International Conference on Thermophiles Research September 24-27, 2007 Bergen, Norway P 143

Подписано в печать 14 03 2008 г Печать трафаретная

Заказ № 160 Тираж 120 экз

Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш, 36 (495) 975-78-56, (499) 788-78-56 www autoreferat ru

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Слободкин, Александр Игоревич

ЧАСТЬ 1. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы.

Цель и задачи работы.

Научная новизна и значимость работы.

Практическая ценность.

Основные защищаемые положения.

Публикации.

Структура и объём.

ЧАСТЬ 2. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА(Ш) МИКРООРГАНИЗМАМИ: ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Глава 2.1. Типы микробной металлоредукции: определение понятий.

Глава 2.2. История исследований микробного восстановления Ре(Ш).

Глава 2.3. Экологические и прикладные аспекты микробного восстановления Ре(Ш).

2.3.1. Возможная роль микробной железоредукции в древней биосфере.

2.3.2. Восстановление Ре(Ш) в водных экосистемах.

2.3.3. Восстановление Ре(Ш) в почвах.

2.3.4. Восстановление Ре(Ш) в подземных водах.

2.3.5. Прикладные аспекты микробной железоредукции.

Глава 2.4. Нетермофильные железовосстанавливающие микроорганизмы.

2.4.1. Места обитания и численность.

2.4.2. Филогенетическое разнообразие.

2.4.3. Физиология.

Глава 2.5. Механизмы микробного восстановления Ре(Ш).

2.5.1. Стратегии восстановление нерастворимых соединений Ре(Ш).

2.5.2. Восстановление и вторичное образование минералов железа и марганца.

2.5.2. Перенос электронов к Ре(Ш).

Глава 2.6. Восстановление Ре(Ш) термофильными микроорганизмами.

2.6.1. Места обитания и численность термофильных железоредукторов.

2.6.2. Филогенетическое разнообразие термофильных железоредукторов.

2.6.3. Физиология термофильных железоредукторов.

2.6.4. Биохимия восстановления Fe(III) термофилами.

2.6.5. Трансформация соединений железа.

Глава 2.7. Микробное восстановление хрома(У1), технеция(УП) и урана(У1).

2.7.1. Восстановление Cr(VI).

2.7.2. Восстановление Tc(VII).

2.7.3. Восстановление U(VI).

Глава 2.8. Восстановление других металлов термофильными микроорганизмами.

Резюме.

ЧАСТЬ 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Глава 3.1. Материалы и методы исследования.

Глава 3.2. Обнаружение способности термофильных микроорганизмов к диссимиляционному восстановлению Fe(III).

Глава 3.3. Распространение железовосстанавливающих микроорганизмов в различных типах термальных экосистем.

3.3.1. Наземные континентальные гидротермы.

3.3.2. Высокотемпературные нефтяные месторождения.

3.3.3. Глубоководные морские гидротермы.

3.3.4. Мелководные морские гидротермы.

3.3.5. Пустынные почвы.

3.3.6. Антропогенные экосистемы.

Глава 3.4. Таксономия термофильных железовосстанавливающих микроорганизмов.

3.4.1. Таксономическое положение термофильных прокариот, способных к железоредукции.

3.4.2. Новые валидированные таксоны железовосстанавливающих бактерий.

3.4.2.1. Общая характеристика новых валидированных таксонов.

3.4.2.2. Thermoterrabacterium ferrireducens gen. nov., sp. nov. и его последующая реклассификация как Carboxydothermus ferrireducens comb, nov.1.

3.4.2.3. Thermoanaerobacter siderophilus sp. nov.

3.4.2.4. Thermovenabulum ferriorganovorum gen. nov., sp. nov.

3.4.2.5. Deferribacter abyssi sp. nov.

3.4.2.6. Tepidimicrobium ferriphilum gen. nov., sp. nov.

3.4.3. Другие термофильные прокариоты способные к железоредукции.

Глава 3.5. Физиологические и биохимические механизмы восстановления Fe(III) термофильными прокариотами.

3.5.1. Литоавтотрофный рост Carboxydothermus ferrireducens с Fe(III) в качестве акцептора электронов.

3.5.2. Влияние Fe(III) на органотрофный рост термофильных бактерий.

3.5.3. Физиологические стратегии восстановления нерастворимого Fe(III) Carboxydotherm us ferrireducens.

3.5.4. Биохимические механизмы восстановления Fe(III) у Carboxydothermus ferrireducens.

3.5.5. Неэнзиматическое восстановление Fe(III): образование магнетита в результате гипертермофильной микробной сульфатредукции.

Глава 3.6. Восстановление хрома(У1), технеция(УП) и урана(УТ) термофильными бактериями.

3.6.1. Восстановление хрома(У1).

3.6.1.1. Восстановление Cr(VI) коллекционными культурами термофилов.

3.6.1.2. Восстановление Cr(VI) Bacillus thermoamylovorans SKC 1.

3.6.2. Восстановление технеция(УН).

3.6.3. Восстановление урана(У1).

Введение Диссертация по биологии, на тему "Термофильные железовосстанавливающие прокариоты"

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Железо - четвёртый по распространённости элемент земной коры и первый на Земле в целом. Биогенный цикл железа, включающий в себя энзиматические и биотически опосредованные реакции, осуществляется прокариотами разных филогенетических и физиологических групп (Кузнецов и др. 1962, Ehrlich 2002). Процессы микробного восстановления Fe(III) сопряжены с биогеохимическими циклами углерода, кислорода и серы и могут оказывать значительное экологическое воздействие на современную окружающую среду (Lovley 1991, Lovley et al. 2004). В некоторых морских, пресноводных и почвенных экосистемах диссимиляционное восстановление железа(Ш) микроорганизмами - основной процесс, обеспечивающий окисление органического вещества (Nealson & Saffarini 1994, Thamdrup 2000). Микробная железоредукция способна ингибировать процессы сульфатредукции и метаногенеза и вызывать образование ряда минералов, в частности магнетита и сидерита. Ещё большую роль микробное восстановление трёхвалентного железа могло играть в древнейшей биосфере, где Fe(III), вероятно, являлось первым и некоторое время основным окислителем органического углерода (Walker 1987). Предполагается, что диссимиляционные железоредукторы участвовали в формировании такого глобального геологического феномена как месторождения докембрийских железистых кварцитов. Выдвинута гипотеза о том, что диссимиляционное восстановление Fe(III) могло быть первым возникшим типом метаболизма (Lovley 2005). Способность микроорганизмов использовать соединения металлов в метаболических процессах привлекает внимание астробиологов (Nealson et al. 2002). Микробная железоредукция оказывает влияние на хозяйственную деятельность человека. Биокоррозия, оглеение почв, удаление органических загрязнителей и иммобилизация токсичных металлов в грунтовых водах, микробные топливные элементы - далеко не полный список прикладных аспектов железоредукции (Lovley 2004).

Большой интерес представляет восстановление Fe(III) термофильными прокариотами. Современные гидротермальные экосистемы рассматриваются как реликты древнейшей биосферы Земли; процессы, протекающие в них, могут служить моделью для реконструкции древних биоценозов (Заварзин 2001). Гипотеза о существовании горячей подземной биосферы с суммарным количеством биомассы, превосходящим наземную, предполагает активное участие термофильных микроорганизмов в современных глобальных биогеохимических процессах (Gold 1992). Термофильные прокариоты могут использовать различные неорганические акцепторы электронов в катаболических реакциях, однако, способность термофилов к диссимиляционному восстановлению Fe(III) к началу наших исследований не была известна.

Железовосстанавливающие микроорганизмы способны восстанавливать и ряд других элементов переменных валентностей, включая токсичные металлы и радионуклиды. При восстановлении хрома, технеция, урана образуются слаборастворимые соединения, что может быть использовано для их иммобилизации в биотехнологических процессах или при биоремедиации. Минералы, формирующиеся при микробном восстановлении металлов, имеют потенциал для применения в современных нанотехнологиях (Lloyd 2003).

Таким образом, изучение термофильных железовосстанавливающих микроорганизмов является актуальным для решения фундаментальных проблем, связанных с возникновением и эволюцией метаболических путей прокариот, вероятно, имевших термофильного предшественника. Исследования термофильных железоредукторов важны для понимания функционирования биосфер Архея и Протерозоя, характеризовавшихся повышенными температурами и наличием значительных количеств Fe(III), а также биогеохимических процессов, происходящих в современных термальных экосистемах. Процессы, осуществляемые железоредуцирующими термофилами, могут быть использованы при разработке новых природоохранных технологий, а также для получения биогенных минералов с новыми свойствами.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Целью настоящего исследования являлось выявление и изучение термофильных микроорганизмов, способных к восстановлению трёхвалентного железа.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Показать принципиальную возможность диссимиляционного восстановления Ре(Ш) термофильными микроорганизмами.

2. Исследовать распространение микроорганизмов, способных к восстановлению нерастворимых соединений трёхвалентного железа, в различных типах термальных экосистем.

3. Выделить чистые культуры термофильных Ре(Ш)-восстанавливающих микроорганизмов, исследовать их фенотипические и генотипические свойства и установить таксономический статус.

4. Изучить физиологические и биохимические механизмы восстановления железа(Ш) термофилами и определить функции железоредукции в процессах микробного метаболизма.

5. Исследовать способность термофильных железоредукторов к восстановлению токсичных и радиоактивных металлов переменных валентностей.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Впервые показано, что термофильные микроорганизмы могут осуществлять процесс диссимиляционного восстановления трёхвалентного железа. Данный факт расширяет круг возможных биогеохимических процессов, идущих с участием термофильных прокариот в наземных и глубинных системах современной биосферы, и может служить основой для моделирования микробных процессов, протекавших в древнейшие эпохи существования Земли или во внеземных условиях. Открытие-термофильного микробного окисления молекулярного водорода и ацетата, сопряжённого с использованием Ре(Ш) в качестве акцептора электронов, позволяет предположить значительную роль железоредукторов в трофических взаимодействиях в термальных биотопах, содержащих соединения трёхвалентного железа.

Продемонстрировано, что продуктом микробного восстановления слабокристаллических форм Ре(Ш) в термофильных условиях является внеклеточный магнетит. Полученные данные могут служить обоснованием участия термофильных железоредукторов в образовании месторождений докембрийских железистых кварцитов.

Установлено, что термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Fe(III), широко распространены в термальных экосистемах. Сообщения об обнаружении железоредуцирующих микроорганизмов в континентальных и глубоководных морских гидротермах являются приоритетными.

Выделены в чистую культуру, охарактеризованы и валидированы новые таксоны железовосстанавливающих термофильных бактерий: Thermoterrabacterium /Carboxydothermus ferrireducens sp. nov., Thermoanaerobacter siderophilns sp. nov., Thermovenabulum ferriorganovorum gen. nov., sp. nov., Deferribacter abyssi sp. nov., Tepidimicrobium ferriphilum gen. nov., sp. nov.

Впервые охарактеризованы физиологические стратегии восстановления нерастворимых форм Fe(III) и мембраносвязанные железоредуктазные активности у диссимиляционного железоредуктора с грамположительным типом клеточной стенки (Carboxydothermus ferrireducens). Обнаружено, что экзогенный сидерофор может стимулировать диссимиляционное восстановление Fe(III) в отсутствие свободного доступа клеток к нерастворимому акцептору по челночному механизму. Впервые показана возможность трансформации слабокристаллического оксида Fe(III) в магнетит в результате образования низких концентраций сульфида гипертермофильными сульфатвосстанавливающими микроорганизмами.

Впервые продемонстрировано восстановление технеция(УП) термофильными бактериями. Впервые обнаружена возможность микробного использования минерала урана в качестве акцептора электронов и продемонстрирована способность термофильных микроорганизмов получать энергию для роста при восстановлении U(VI).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Создана коллекция термофильных микроорганизмов, способных к восстановлению Fe(III), Cr(VI), Tc(VII), U(VI). Полученные штаммы могут служить основой для разработки биотехнологий иммобилизации растворимых соединений хрома, технеция и урана путём их энзиматического восстановления в менее токсичные и слаборастворимые формы.

Обнаруженная способность СагЬохуйойьегтт /егпгес1исет восстанавливать минералы и (VI) показывает принципиальную возможность взаимодействия микроорганизмов с твердофазными соединениями урана, которая может происходить в уран-содержащих рудах или местах, загрязнённых радионуклидами. Эта возможность ранее была неизвестна и должна учитываться при разработке новых биоремедиационных технологий.

Образование внеклеточных кристаллов магнетита термофильными прокариотами может быть использовано при создании новых наноматериалов.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Термофильные микроорганизмы способны использовать трёхвалентное железо в качестве акцептора электронов для роста.

2. Термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Ре(Ш), распространены в различных типах термальных экосистем.

3. Термофильные железовосстанавливающие микроорганизмы не являются единой филогенетической группой.

4. Железовосстанавливающие термофилы сопрягают восстановление Ре(Ш) с окислением широкого спектра органических и неорганических веществ.

5. Термофильные железовосстанавливающие бактерии способны энзиматически восстанавливать токсичные и радиоактивные металлы переменных валентностей.

ПУБЛИКАЦИИ

Материалы диссертации содержатся в 57 печатных работах, включающих 26 экспериментальных статей, 3 обзора и 28 тезисов.

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, 3 частей, включающих 14 глав, заключения и выводов, изложенных на 336 страницах, включая 42 таблицы, 68 рисунков и списка литературы из 604 наименований, из них 61 на русском и 543 на английском языке.

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Слободкин, Александр Игоревич

выводы

1. Впервые показано, что термофильные микроорганизмы могут осуществлять процесс диссимиляционного восстановления трёхвалентного железа. Данный факт расширяет круг возможных биогеохимических процессов, идущих с участием термофильных прокариот, в наземных и глубинных системах современной биосферы и может служить основой для моделирования микробных процессов, протекавших в древнейшие эпохи существования Земли.

2. Термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Fe(III), распространены в большинстве известных к настоящему времени типов термальных экосистем, включая наземные и морские гидротермы, подземные термальные воды и антропогенные экосистемы.

3. Термофильные железовосстанавливающие микрорганизмы не являются единой филогенетической группой. Установлена способность к восстановлению слабокристаллического оксида Fe(III) у представителей различных таксонов термофильных бактерий и архей, включающих порядки Clostridiales, Thermoanaerobacteriales, Thermotogales, Deferribacteriales и Thermococcales. Описаны и узаконены новые таксоны железоредукторов: Carboxydothermus ferrireducens sp. nov., Thermoanaerobacter siderophilus sp. nov., Thermovenabulum ferriorganovorum gen. nov., sp. nov., Deferribacter abyssi sp. nov., Tepidimicrobium ferriphilum gen. nov., sp. nov.

4. Термофильные железовосстанавливающие прокариоты способны к органотрофному и литоавтотрофному росту. Таким образом, в термофильном микробном сообществе железоредукторы могут потенциально выполнять как продукционную, так и деструкционную функции. Возможность окисления молекулярного водорода и ацетата, сопряжённого с использованием Fe(III) в качестве акцептора электронов, предполагает значительную роль железоредукторов в трофических взаимодействиях в термальных биотопах, содержащих соединения трёхвалентного железа.

5. Физиологические и биохимические механизмы восстановления Fe(III) у термофильных микроорганизмов различны. Использование трёхвалентного железа в качестве акцептора электронов у термофилов может быть сопряжено как с процессами анаэробного дыхания, так и брожения. Восстановление нерастворимых соединений Ре(Ш) у грамположительной бактерии СагЪохуйоНгегтт /егпгеёисепз происходит наиболее эффективно в условиях пространственной близости клетки к поверхности минерала, в переносе электронов к Ре(Ш) участвует сложный мультиферментный мембраносвязанный комплекс.

6. При повышенных температурах микробное образование магнетита может быть обусловлено не только энзиматической активностью железовосстанавливающих прокариот, но также являться результатом биотически опосредованных процессов, вызываемых сульфатвосстанавливающими микроорганизмами.

7. Термофильные бактерии способны энзиматически восстанавливать соединения хрома (VI), технеция (VII) и урана (VI). Восстановление этих металлов в метаболизме клетки может выполнять диссимиляционную или детоксикационную функции. В качестве акцептора электронов для роста микроорганизмы могут использовать слаборастворимые соединения урана.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты наших исследований доказывают существование физиологической группы термофильных железовосстанавливающих прокариот. Нами впервые обнаружено, что термофильные микроорганизмы могут осуществлять процесс диссимиляционного восстановления трёхвалентного железа (Слободкин и др. 1995). Открытие термофильного микробного окисления молекулярного водорода и ацетата - ключевых метаболитов разложения органического вещества в анаэробных условиях, сопряжённого с использованием Fe(III) в качестве акцептора электронов, позволяет предположить значительную роль железоредукторов в трофических взаимодействиях в термальных биотопах, содержащих соединения трёхвалентного железа. Биогенное образование магнетита при повышенных температурах обосновывает возможность участия термофильных микроорганизмов в формировании месторождений железистых кварцитов, глобального по масштабу геологического феномена, генезис которого является предметом многолетних дискуссий (Кузнецов и др. 1962, Cloud 1973, Nealson & Myers 1990, Заварзина 2004). Потенциально, вклад в образование полосчатых железорудных формаций при повышенных температурах, могли вносить не только диссимиляционные Fe(III)-восстанавливающие микроорганизмы, но и гипертермофильные сульфатредукторы, активность которых, как было обнаружено нами, приводит к образованию магнетита за счёт биотически опосредованного процесса (Слободкин и др. 2004).

В природных условиях, при нейтральной реакции среды, соединения трёхвалентного железа существуют в виде нерастворимых оксидов. Наши исследования показывают, что термофильные прокариоты, способные к восстановлению нерастворимых соединений Fe(III), распространены в большинстве известных к настоящему времени типов термальных экосистем и являются постоянным компонентом термальных биоценозов (Slobodkin & Wiegel 1997, Бонч-Осмоловская и др. 1999, Slobodkin et al. 1999а, Slobodkin et al. 2001). Местообитания термофильных железоредукторов включают континентальные и островные пресноводные горячие источники, мелководные и глубоководные морские гидротермы, высокотемпературные нефтяные месторождения, пустынные почвы и антропогенные экосистемы, расположенные в различных географических регионах. Численность культивируемых железовосстанавливающих микроорганизмов в различных биотопах варьирует в широких пределах, от нескольких десятков клеток на миллилитр в пластовых водах Самотлора до 107 кл/мл в чёрных курильщиках Тихого океана, и, очевидно, лимитируется не только концентрацией доступных для использования соединений железа, но и наличием донора электронов. В целом, термофильные железоредукторы являются численно значимой микробной группой во многих анаэробных экосистемах.

В результате наших исследований и работ ряда зарубежных и отечественных авторов стало очевидно, что в филогенетическом отношении термофильные железоредукторы не объединены общностью происхождения - способность к восстановлению слабокристаллического оксида Ре(Ш) распространена среди представителей различных таксонов термофильных бактерий и архей (Ьоу1еу е! а1. 2004, Слободкин 2005, \Veber et а1. 2006). Использование трёхвалентного железа в качестве селективного фактора при получении накопительных и чистых культур приводит как к выделению микроорганизмов новых таксонов, так и к обнаружению железоредукторов, принадлежащих к известным родам, в том числе таким космополитным как ТИегтоапаегоЬаМег и Ткегтососст (1л et а1. 1997, 81оЬоёкт е1 а1. 1999а,Ь, 81оЬос1кт е1 а1. 2001, И-оЬ е1 а1. 2002). Среди выделенных нами новых организмов преобладают представители Р1птсШе$ (рр. СагЪохуйо1Негтш, Thermovenabulum, ТергйтюгоЫит), что, вероятно, связано с широким распространением среди бактерий, принадлежащих к этому филогенетическому типу, термофилии и способности устойчиво расти в лабораторных условиях (81оЬос1кт е1 а1. 1997, Ътъхтлш е1 а1. 2002, 81оЬос1кт е1 а1. 2006а,Ь). Присутствие в наземных гидротермах фирмикут, способных к железоредукции, отмечено и другими исследователями (СоНепко е1 а1. 2004, ЭокоЬуа е1 а1. 2004, гауатпа е1 а1. 2007, 8око1оуа & а1. 2007). Кроме Пгт^сШея в пресноводных гидротермах восстанавливать Ре(Ш) могут бактерии, относящиеся к АдшАсае и археи р. РугоЪасиЫт (Уа^аэ et а1. 1998, Така1 е1 а1. 2003, А§шаг е1 а1. 2004, Feinberg е1 а1. 2008). В морских гидротермах обращает на себя внимание род Ое/егпЬаМег (тип Ве/етЬаМегез), члены которого - О. ^егторкИиз, £).

И. аиШгорМст' способны к анаэробному дыханию с различными неорганическими акцепторами электронов, включая трёхвалентное железо (вгееп е1 а1. 1997, 81оЬос1кт е1 а1. 2001, М^озИшсИепко е1 а1. 2003Ь). При более высоких температурах в этих экосистемах железоредукцию могут осуществлять археи родов Ткегтососсив,

Ferroglobus, Geoglobus, относящиеся к эвриархеотам (Slobodkin et al. 2001, Tor et al. 2001, Kashefi et al. 2002a).

Железовосстанавливающие термофилы сопрягают восстановление Fe(III) с окислением широкого спектра органических и неорганических веществ. Микроорганизмы этой физиологической группы используют в качестве доноров электронов все основные группы соединений, образующихся при распаде микробной мортмассы (Рис. 3-1). Таким образом, при повышенных температурах в зонах отложения окисного железа может происходить полная минерализация органического вещества. Важным физиологическим свойством железоредуцирующих термофилов является наличие у них способности к литоавтотрофному росту, неизвестной для мезофильных нейтрофильных железовосстанавливающих микроорганизмов. За счёт использования ювенильных газов, таких как молекулярный водород и моноксид углерода, автотрофные железовосстанавливающие микроорганизмы могут осуществлять и первичную продукцию органического вещества. Следовательно, термофильные железовосстанавливающие прокариоты могут создавать основу для устойчивого функционирования анаэробных микробных сообществ, в том числе и автономных. Метаболические свойства термофильных железоредукторов хорошо вписываются в концепцию «Fe(III) - первый глобальный окислитель органического вещества», предложенную для биосферы Архея (Walker 1987).

В метаболизме выделенных нами термофильных прокариот восстановление Fe(III) выполняет диссимиляционную функцию. В зависимости от организма и донора электронов процесс железоредукции может быть охарактеризован либо как анаэробное дыхание, либо как брожение с экзогенным акцептором электронов. В любом случае происходит использование трёхвалентного железа в качестве внешнего акцептора электронов, которое обуславливает рост или приводит к значительной его стимуляции (Гаврилов и др. 2002). Недостаток данных о биохимических механизмах не позволяет однозначно заключить, является ли железоредукция свойством, появившимся один раз и распространившимся за счёт латерального переноса генов, или оно многократно и независимо возникало в процессе эволюции микроорганизмов. Распространённость этого свойства у рано обособившихся представителей гипертермофильных бактерий и архей указывает на возможную древность механизмов железоредукции; предполагается даже, что восстановление Fe(III) могло быть первым возникшим типом метаболизма (Vargas et al. 1998, Lovley 2005). С другой стороны, наличие разных стратегий железоредукции, основанных либо на прямом контакте клетки с нерастворимым акцептором, либо на использовании веществ-медиаторов, говорит о том, что этот процесс может происходить за счёт принципиально различных биохимических систем. Наши исследования физиологических и биохимических механизмов восстановления Fe(III) термофильной бактерией Carboxydothermus ferrireducens, а также работы зарубежных авторов с рядом термофильных и гипертермофильных прокариот (Гаврилов и др. 2007, Feinberg et al. 2008, Kashefi et al. 2008), показывают, что и среди термофилов реализуются разные стратегии восстановления нерастворимого оксида Fe(III). Таким образом, к настоящему времени понятно, что для ответа на вопрос о происхождении железоредукции требуются углублённые исследования на уровне организации генома.

Способность термофильных железоредукторов к восстановлению переменно-валентных металлов открывает возможности для практического использования этой группы микроорганизмов. Процессы микробного восстановления переходных металлов при повышенных температурах изучены пока очень фрагментарно (Kashefi & Lovley 2000, Roh et al. 2002, Moon et al. 2007). Результаты наших исследований по восстановленнию соединений токсичных металлов и радионуклидов, таких как хром(У1), технеций(УН) и уран(У1) показывают потенциал термофильных микроорганизмов для разработки новых технологий охраны окружающей среды и получения новых материалов (Khijniak et al. 2005, Слободкина и др. 2007, Chernyh et al. 2007). В ходе этих работ, ориентированных на возможное биотехнологическое применение, мы открыли интересный феномен использования слаборастворимых соединений актинидов в качестве акцептора для микробного роста (Khijniak et al. 2005), который поднимает целый ряд вопросов фундаментального характера, связанных с взаимодействием прокариотной клетки с нерастворимыми минеральными веществами. Таким образом, становится всё более очевидным, что термофильные железовосстанавливающие прокариоты, возможно, осуществлявшие процессы восстановления Fe(III) в значимых масштабах в древнейшие эпохи существования Земли, являются одновременно и перспективными кандидатами для применения в современных биотехнологических процессах.

ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

3 О н А

Ж Е Л Е 3 О Р Е Д У к Ц и и

Ое/егг1Ьас1ег СагЬоху<1о-¡кегтих ТИетоапаегоЬаМег

Ткегто^а

ТИегтососсиз

РугоЬаси1ит

Сео^/сЛи

ТИегтоуепа

ЬиЫт

Оео1ИегтоЬас1сг АпаегоЬгапса СаШапаегоЬа с1сг ТерШт кгоЫит

ЮВЕНИЛЬНЫЕ ГАЗЫ

Рис. 3-1. Восстановление Ре(Ш) термофильными прокариотами

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Слободкин, Александр Игоревич, Москва

1. Арискина Е.В., Вацурина A.B., Сузина Н.Е., Гавриш Е.Ю. (2004). Кобальт- ихромсодержащие включения в клетках бактерий. // Микробиология. Т. 73. С. 199-203.

2. Аристовская Т.В. (1980). Микробиология процессов почвообразования. Л. Наука.

3. Балашова В.В., Заварзин Г.А. (1979). Анаэробное восстановление окисного железаводородной бактерией. // Микробиология. Т. 48. С. 773-778.

4. Бонч-Осмоловская Е.А., Мирошниченко М.Л., Черных H.A., Кострикина H.A.,

5. Пикута Е.В., Рейни Ф.А. (1997). Восстановление элементной серы умеренно термофильными органотрофными бактериями и характеристика Thermoanaerobacter sulfurophilus sp.nov. // Микробиология. Т. 66. С. 581-г587.

6. Бонч-Осмоловская Е.А., Мирошниченко, М.Л., Слободкин А.И., Соколова Т.Г.,

7. Карпов Г.А., Кострикина H.A., Заварзина Д.Г., Прокофьева М.И., Русанов И.И., Пименов Н.В. (1999).Биоразнообразие анаэробных литотрофных прокариот в наземных гидротермах Камчатки. // Микробиология. Т. 69. С. 398-406.

8. Борисов М.В., Шваров Ю.В. (1992). Термодинамика геохимических процессов. М.1. Из-во МГУ.

9. Водяницкий Ю.Н. (1989). Оксиды железа и их роль в плодородии почв. М. Наука.

10. Водяницкий Ю.Н., Добровольский В.В. (1998). Железистые минералы и тяжёлыеметаллы в почвах. М. Почвенный институт им. В.В. Докучаева.

11. Гвоздяк П.И., Могилевич Н.Ф., Рыльский А.Ф., Грищенко Н.И. (1986).

12. Восстановление шестивалентного хрома коллекционными штаммами бактерий.// Микробиология. Т. 55. С. 962-965.

13. Голованов Д.Л., Верба М.П., Дорохова М.Ф., Слободкин А.И. (2005).

14. Микроморфологическая и микробиологическая диагностика почвообразовательных процессов в пустынных почвах Монголии для целей их классификации.//Почвоведение №12, С. 1450-1460.

15. Дараган А.Ю. (1967). О микробиологии глеевого процесса//Почвоведение. 1967.2.

16. Дмитриенко Г.Н., Овчаров Л.Ф., Курдюк K.M., Гвоздяк П.И. (1997). Использованиебиотехнологии очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов // Химия и технология воды. Т. 19. С. 544-548.

17. Дуда В.И., Калакуцкий Л.В. (1961). О роли микроорганизмов в процессевосстановления железа в почве II. Восстановление железа чистой культурой Pseudomonas tralucida II Научн. докл. высш. школы. Биол. н. №2. С. 198-201.

18. Ерощев-Шак В.А., Букин А.С., Черкашин В.И. (1991). // Литол. и полезн. ископ.1. N3. С. 89-106.

19. Жилина Т.Н., Заварзин Г.А. (1978). Методы выделения и культивированияметанообразующих бактерий. // Теоретические и методические основы изучения анаэробных микроорганизмов. Пущино. НЦБИ АН СССР. 1978. С. 68-90.

20. Заварзин Г.А. (1972). Литотрофные микроорганизмы. М., Наука.

21. Заварзин Г.А. (2001). Становление биосферы. // Вестник РАН. Т. 71. №11. С. 9881001.

22. Заварзин Г.А. (2004). Лекции по природоведческой микробиологии. М., Наука.

23. Заварзина Д.Г. (2001). Биогеохимические факторы преобразования соединенийжелеза в восстановительной обстановке. Диссертация на соискание ученой степени канд. геол.-мин. наук. Геологический факультет МГУ им. Ломоносова. Москва. 2001.

24. Заварзина Д.Г. (2004). Образование магнетита и сидерита термофильнымижелезоредуцирующими бактериями // Палеонтологический журнал. 2004. №6. С. 3-8.

25. Заварзина Д.Г., Колганова Т.В., Булыгина Е.С., Кострикина Н.А., Турова Т.П.,

26. Заварзин Г.А. (2006). Geoalkalibacter ferrihydriticus gen. nov. sp. nov. первый алкалифильный представитель семейства Geobacteriaceae, выделенный из содового озера. //Микробиология Т. 75 №6.

27. Калакуцкий Л.В., Дуда В.И. (1961). О роли микроорганизмов в процессевосстановления железа в почве I. // Научн. докл. высш. школы. Биол. н. №1. С. 172-176.

28. Квасников Е.И., Степанюк В.В., Клюшникова Т.М., Серпокрылов Н.С., Симонова

29. Г.А., Касаткина Т.П., Панченко Л.П. (1985). Новая хромвосстанавливающая грамвариабельная бактерия со смешанным типом жгутикования. // Микробиология. Т. 54. С. 83-87.

30. Колганова Т.В., Кузнецов Б.Б., Турова Т.П. (2002). Подбор и тестированиеолигонуклеотидных праймеров для амплификации и секвенирования генов 16S рРНК архей. // Микробиология. Т. 71. С. 283-286.

31. Кривенко В.В., Вадачкория P.M., Черных Н.А., Митюшина Л.Л., Красильникова

32. Е.Н. (1990). Clostridium uzonii sp. nov. анаэробная термофильная гликолитическая бактерия из горячих ручьёв Камчатки. // Микробиология. Т. 59. С. 741-749.

33. Кузнецов С.И., Иванов М.В., Ляликова Н.Н. (1962). Введение в геологическуюмикробиологию. Из-во АН СССР. М. 1962

34. Лебедева Е.В., Ляликова Н.Н. (1979). Восстановление крокоита культурой

35. Pseudomonas chromatophila sp. nov. Микробиология. Т. 48. С. 517-522.

36. Ляликова Н.Н., Хижняк Т.В. (1996) Восстановление семивалентного технеция поддействием ацидофильных бактерий рода Thiobacillus // Микробиология. Т. 65. С. 533-539.

37. Мельник Ю.П. (1973). Физико-химические условия образования докембрийскихжелезистых кварцитов. Киев. Наук. Думка. 1973.

38. Мулюкин А.Л., Сорокин В.В., Лойко Н.Г., Сузина Н.Е., Дуда В.И., Воробьёва Е.А.,

39. Эль-Регистан Г.И. (2002). Сравнительное изучение элементного состава вегетативных и покоящихся клеток микроорганизмов // Микробиология. Т. 71. С. 37-48.

40. Назина Т.Н., Иванова А.Е., Голубева О.В., Ибатуллин P.P., Беляев С.С., Иванов

41. М.В. (1995). Распространение сульфат- и железоредуцирующих бактерий в пластовых водах Ромашкинского нефтяного месторождения // Микробиология. Т. 64. С. 245-251.

42. Перевалова A.A., Лебединский A.B., Бонч-Осмоловская Е.А., Черных H.A. (2003).

43. Детекция гипертермофильных архей рода Desulfurococcus путем гибридизации с олигонуклеотидными зондами. //Микробиология. Т. 72. С. 383-389.

44. Перетрухин В.Ф., Хижняк Т.В., Ляликова H.H., Герман К.Э. (1996). Биосорбциятехнеция-99 и некоторых актинидов донными осадками, взятыми из оз. Белое Косино Московского региона // Радиохимия. Т. 38. С. 471-475.

45. Пиневич A.B. (2005). Микробиология железа и марганца. Изд. С.-Петербургского1. Университета. 2005.

46. ПушеваМ.А., Соколова Т.Г. (1995). Распределение активностей СО-дегидрогеназыпри СО-зависимом и пируватзависимом росте анаэробной термофильной карбоксидотрофной бактерии Carboxydothermus hydrogenoformans II Микробиология. Т. 64. С. 581-586.

47. Резников A.A., Муликовская Е.П., Соколов И.Ю. (1970). Методы анализаприродных вод. Недра. М. 1970.

48. Розанова Е.П., Дубинина Г.А., Лебедева Е.В., Сунцова Л.А., Липовских В.М.,

49. Цветков H.H. (2003). Микроорганизмы в тепловых сетях и внутренняя коррозия стальных трубопроводов // Микробиология. Т. 72. С. 212-220.

50. Романенко В.И., Кузнецов С.И., Кореньков В.Н. (1976). Способ Кореньковабиологической очистки сточных вод // Авт. свид. СССР № 521234. 15.06.1976.

51. Романенко В.И., Кореньков В.Н. (1977). Чистая культура бактерий, использующиххроматы и бихроматы в качестве акцептора водорода при развитии в анаэробных условиях. Микробиология. Т. 46. С. 414-417.

52. Рунов Е.В. (1926). Восстановление окисных соединений железа биологическимпутём // Вестник Бактериолого-Агрономической Станции. № 24. С. 75-82. Издание Бактериолого-Агрономической Станции. Москва.

53. Русаков B.C. (1999). Восстановление функций распределения сверхтонкихпараметров мёссбауэровских спектров локально неоднородных систем. // Известия РАН. Серия физическая. Т. 63 С. 1389-1396.

54. Сендел Е. Колориметрические методы определения следов металлов. М.: Мир,1964.

55. Слободкин А.И. (1994). Регуляция разложения органических веществ анаэробнымсообществом микроорганизмов в системах биологической очистки. Диссертация на соискание учёной степени канд. биол. наук. Институт микробиологии РАН. Москва. 1994.

56. Слободкин А.И., Ерощев-Шак В.А., Кострикина H.A., Лаврушин В.Ю., Дайняк

57. Л.Г., Заварзин Г.А. (1995). Образование магнетита термофильнымианаэробными микроорганизмами // Доклады Академии Наук. Т.345, N5, С.694-697.

58. Слободкин А.И., Чистякова Н.И., Русаков B.C. (2004). Высокотемпературнаямикробная сульфатредукция может сопровождаться образованием магнетита // Микробиология. Т. 73. С. 553-557.

59. Слободкина Г.Б., Слободкин А.И., Турова Т.П., Кострикина H.A., Бонч

60. Осмоловская Е.А. (2004). Обнаружение культивируемой гипертермофильной археи рода Sulfophobococcus в метантенке, работающем в термофильном режиме. //Микробиология. Т. 73. С. 716-720.

61. Слободкина Г.Б., Бонч-Осмоловская Е.А., Слободкин А.И. (2007). Восстановлениехромата, селенита, теллурита и железа (III) умеренно-термофильной бактерией Bacillus thermoamylovorans штамм SKC1. Микробиология. Т. 76. С. 602-607.

62. Трошанов Э.П. (1968). Микроорганизмы восстанавливающие железо и марганец врудоносных озёрах Карельского перешейка // Микробиология. Т. 37. С. 934-940.

63. Трошанов Э.П. (1968). Условия, влияющие на редуцирующую активностьбактерий, восстанавливающих железо и марганец в рудоносных озёрах Карельского перешейка//Микробиология. Т. 38. С. 634-643.

64. Турова Е.С., Авакян З.А., Каравайко Г.И. (1996). Роль сообщества бактерий втрансформации минералов железа в каолине // Микробиология. Т. 65. С. 837843.

65. Фонарёв В.И. (1987). Минеральные равновесия железистых формаций докембрия.1. М. Наука. 1987.

66. Хансон Р., Филлипс Дж. (1984). Химический состав бактериальной клетки. В: \

67. Методы общей бактериологии (Ред. Герхард Ф.). Т. 2. М. Мир. 1984.

68. Хижняк Т.В., Герман К.Э., Фирсова Е.В., Медведева-Ляликова H.H. (2001).

69. Модельные исследования поглощения технеция-99 и нептуния-237 илами пресноводных озёр эвтрофного и дистрофного типа // Экологическая химия. Т. 10. С. 233-237.

70. Чистякова Н.И., Заварзина Д.Г., Русаков B.C. (2003). Мёссбауэровскиеисследования кинетики и условий образования минералов железа термофильными железоредукторами // Известия Академии Наук. Серия физическая. Т. 67. С. 1354-1358.

71. Чистякова Н.И., Русаков B.C., Слободкин А.И., Горохова Т.В. (2005)

72. Мёссбауэровские исследования процессов образования магнетита сульфатвосстанавливающей архебактерией. // Известия РАН. Серия физическая. Т. 69. С. 1539-1543.

73. Чудаев О.В., Чудаева В.А., Карпов Г.А., Эдмунде У.М., Шанд П. (2000).Геохимиявод основных геотермальных районов Камчатки. Владивосток: Дальнаука, 2000.

74. Чухров Ф.В., Звягин Б.Б., Горшков А.И. и др. Ферригидрит // Изв. АН СССР. Сер.геол. 1973. №4. С. 23-33.

75. ШахобоваБ.Б. (1976). Восстановление трёхвалентного железа культурами грибов иактиномицета//Почвоведение 1976 №8, С. 145-149.

76. Шестакова Н.М. (2007). Филогенетическое разнообразие и активностьмикроорганизмов высокотемпературных нефтяных пластов. Диссертация насоискание ученой степени канд. биол. наук. Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. Москва. 2007.

77. Abboud R., Рора R., Souza-Egipsy V., Giometti C.S., Tollaksen S., Mosher J .J., Findlay

78. R.H., Nealson K.H. (2005). Low-temperature growth of Shewanella oneidensis MR-1 //Appl. Environ. Microbiol. 71:811-816. /

79. Abdelouas A., Lu Y., Lutze W., Nuttall H. E. (1998). Reduction of U(VI) to U(IV) byindigenous bacteria in contaminated ground water. // J. Contam. Hydrol. 35:217-233.

80. Achtnich C., Schuhmann A., Wind Т., Conrad R. (1995). Role of interspecies H2 transferto sulfate and ferric iron-reducing bacteria in acetate consumption in anoxic paddy soil // FEMS Microbiol. Ecol. 16:61-70.

81. Adams M.W.W. (1990). The metabolism ofhydrogen by extremely thermophilic, sulfurdependent bacteria. // FEMS Microbiol. Rev. 75: 219 238.

82. Adams L. K., Boothman C., Lloyd J. R., (2007a). Identification and characterization of anovel acidotolerant Fe(III)-reducing bacterium from a 3000-year-old acidic rock drainage site // FEMS Microbiology Letters 268:151-157.

83. Adams L. K., Harrison J. M., Lloyd J. R., Langley S., Fortin D. (2007b). Activity anddiversity of Fe(III)-reducing bacteria in a 3000-year-old acid mine drainage site analogue // Geomicrobiol. J. 24:295-305.

84. Afkar E., Fukumori Y. (1999). Purification and characterization of triheme cytochrome C7from the metal-reducing bacterium, Geobacter metallireducens И FEMS Microbiol. Lett. 175:205-210.

85. Aguiar P., Beveridge T. J. Reysenbach A.-L. (2004). Sulfurihydrogenibium azorense, sp.nov., a thermophilic hydrogen-oxidizing microaerophile from terrestrial hot springs in the Azores. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 54:33-39.

86. Allen R. M., Bennetto H. P. (1993). Microbial fuel cells: electricity production fromcarbohydrates. // Appl. Biochem. Biotechnol. 39-40:27-40.

87. Aller R.C., Aller J., Blair N., Mackin J., Rude P. et al. (1991). Biogeochemical processesin Amazon shelf sediments // Oceanography. April pp. 27-32.

88. Altschul S. F., Gish W., Miller W., Myers E. W., Lipman D. J. (1990). Basic localalignment search tool. //J. Mol. Biol. 215:403-410.

89. Amann R.I., Krumholz L., Stahl D.A. (1990). Fluorescent oligonucleotide probing ofwhole cells for determinative, phylogenetic and environmental studies in microbiology. Hi. Bacteriol. 172:762-770.

90. Anbar A., Roe J., Barling J., Nealson K. (2000). Nonbiological fractionation of ironisotopes. // Science. 288:126-128.

91. Anderson R.T., Lovley, D.R. (1997). Ecology and biogeochemistry of in situgroundwater bioremediation. // Adv. Microbial Ecol. 15:289-350.

92. Anderson R.T., Rooney-Varga J., Gaw C.V., Lovley, D.R. (1998). Anaerobic benzeneoxidation in Fe(III)-reduction zone of petroleum-contaminated aquifers // Environ. Sci.Technol. 32:1222-1229.

93. Anderson R.T., Lovley, D.R. (2002). Microbial redox interactions with uranium: anenvironmental perspective. Pp. 205-223. In: Keith-Roach M.J., Livens F.R (eds.) Interaction of microorganisms with radionuclides. Elsivier Science 2002.

94. Anderson R.T., Vrionis H.A., Ortiz-Bemad, I., Resch C.T., Long P.E., Dayvault R„ Karp

95. Andrews S.C., Robinson A.K., Rodriguez-Quinones F. (2003). Bacterial ironhomeostasis. // FEMS Microbiol. Rev. 27:215-237.

96. Ardizzone S., Formaro L. (1983). Temperature induced phase transformation ofmetastable Fe(OH)3 in the presence of ferrous ions. // Materials Chemistry and Physics. 8:125-133.

97. Arnold R.G., DiChristina T.J., Hoffinann M.R. (1988). Reductive dissolution of Fe(III)oxides by Pseudomonas sp. 200 // Biotech. Bioeng. 32:1081-1096.

98. Bale S.J., Goodman K., Rochelle P.A., Marchesi J.R., Fry J.C., Weightman A.J., Parkes

99. R.J. (1997). Desulfovibrioprofundus sp. nov. a novel barophilic sulfate-reducing bacterium from deep sediment layers in the JapanSea. // Int. J. Syst. Bacteriol. 47:515521.

100. Balk M., Weijma J., Stams AJM. (2002). Thermotoga lettingae sp. nov., a novelthermophilic, methanol-degrading bacterium isolated from a thermophilic anaerobic reactor. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52:1361-1368.

101. Balkwill D.L., Kieft T.L., Tsukuda Т., Kostandarithes H.M., Onstott T.C., Macnaughton

102. S., Bownas J., Fredrickson J.K. (2004). Identification of iron-reducing Thermus strain as Thermus scotoductus. II Extremophiles. 8:37-44.

103. Baur M.E., Hayes J.M., Studley S.A., Walter M.R. (1985). Millimeter-scale variations ofstable isotope abundonces in carbonates from banded iron formations in the Hamersly group of Western Australia// Econom. Geol. 80:270-282.

104. Beard В., Johnson C., Cox L., Sun H., Nealson K., Aguilar C. (1999). Iron isotopebiosignatures. // Science. 285:1889-1892.

105. BehrendsT., Van Cappellen P. (2007). Transformation of hematite into magnetite duringdissimilatory iron reduction conditions and mechanisms // Geomicrobiol. J. 24:403416.

106. Beliaev A.S., Saffarini D.A. (1998). Shewanellaputrefaciens encodes an outer membraneprotein required for Fe(III) and Mn(IV) reduction // J. Bacteriol. 180:6292-6297.

107. Beliaev A.S., Saffarini D.A., McLaughlin J.L., Hunnicutt D. (2001). MtrC, an outermembrane decahaem с cytochrom required for metal reduction in Shewanella putrefaciens MR-1 //Mol. Microbiol. 39:722-730.

108. Bell P.E., Mills A.L., Herman J.S. (1987). Biogeochemical conditions favoring magnetiteformation during anaerobic iron reduction // Appl. Environ. Microbiol. 53:2610-2616.

109. Bencharit S., Ward M.J. (2005). Chemotactic responses to metals and anaerobic electronacceptors in Shewanella oneidensis MR-1. // J. Bacteriol. 187:5049-5053.

110. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, Second Edition (2005). Garrity G.M., Bell

111. J.A., Lilburn T.G. (eds.). Taxonomic outline of the Prokaryotes. Release 5.0 (May 2004). Springer.

112. Blakemore R.P. (1975).Magnetotactic bacteria// Science. 190:377-379.

113. BloomfieldC. (1950). Some observation on gleying//J. Soil Sci. 1:205-211/

114. Bonch-Osmolovskaya E A., Sokolova T.G., Kostrikina N.A., Zavarzin G.A. (1990).

115. Desulfurella acetivorans gen. nov., sp. nov. a new thermophilic sulfur-reducing eubacterium. // Arch. Microbiol. 153:151-155.

116. Bond D.R., Lovley D.R. (2002). Reduction of Fe(lll) oxide by methanogens in thepresence and absence of extracellular quinines // Environ. Microbiol. 4:115-124.

117. Bond D.R., Holmes D.E., Tender L.M., Lovley D.R. (2002). Electrode-reducingmicroorganisms harvesting energy from marine sediments. // Science. 295:483-485.

118. Bond D.R., Lovley D.R. (2003). Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. // Appl. Environ. Microbiol. 69:1548-1555.

119. Bond D.R., Lovley D.R. (2005). Evidence for involvement of an electron shuttle in electricity generation by Geothrixfermentans II Appl. Environ. Microbiol. 71:21862189.

120. Boone D. R., Liu Y., Zhao Z.J., Balkwill D.L., Drake G.R., Stevens T.O., Aldrich H.C. (1995). Bacillus infernus sp. nov., an Fe(III)- and Mn(IV)-reducing anaerobe from the deep terrestrial subsurface. Int. J. Sys.t Bacteriol. 45:441-448.

121. Bopp L.W., Ehrlich H.L. (1988). Chromate resistance and reduction in Pseudomonas fluorescens strain LB300. Arch. Microbiol. 150:426-431.

122. Botton S., van Harmelen M., Braster M., Parsons J., Roling W. (2007). Dominance of Geobacteraceae in BTX-degrading enrichments from an iron-reducing aquifer. // FEMS Microbiol. Ecol. 62:118-130.

123. Bozal N., Montes M. J., Tudela E., Jimenez F., Guinea, J. (2002). Shewanella frigidimarina and Shewanella livingstonensis sp. nov. isolated from Antarctic coastal areas. // Int. J. Syst. Evol. Microbio.l 52:195-205.

124. Bridge T., Johnson D.B. (1998). Reduction of soluble iron and reductive dissolution of ferric iron-containing minerals by moderately thermophilic iron-oxidizing bacteria //Appl. Environ. Microbiol. 64:2181-2186.

125. Bridge T., Johnson D.B. (2000). Reductive dissolution of ferric iron minerals by Acidiphilum SJH // Geomicrobiol. J. 17:193-206.

126. Brierley C.L., Brierley J.A. (1982). Anaerobic reduction of molybdenium by Sulfolobus species // Zbl. Bakt. Hyg., I. Abt. Orig. C. 3:289-294.

127. Brim H., Venkateswaran A., Kostandarithes H.M., Fredrickson J.K., Daly M.J. (2003). Engineering Deinococcus geothermalis for bioremediation of high-temperature radioactive waste environments // Appl. Environ. Microbiol. 69:45754582.

128. BrockT.D. Gustafson J. (1976). Ferric iron reduction by sulfur- and iron-oxidizing bacteria// Appl. Environ. Microbiol. 32:567-571.

129. Bromfield S.M. (1954). Reduction of ferric compounds by soil bacteria // J. Gen. Microbiol. 11:1-6.

130. Brown K.A., Ratledge C. (1975). Iron transport in Mycobacterium smegamtis: ferrimycobactin reductase (NAD(P)H: ferrimycobactin oxidoreductase), the enzyme releasing iron from its carrier // FEBS Lett. 53:262-266.

131. Butler J.E., Kaufmann F., Coppi M.V., Nunez C., Lovley D.R. (2004). MacA, a diheme c-type cytochrome involved in Fe(III) reduction by Geobacter sulfurreducens //J. Bacteriol. 186:4042-4045.

132. Caccavo F., Blakemore Jr. R.P., Lovley D.R. (1992). A hydrogen-oxidizing Fe(III)-reducing microorganism from the Great Bay Estuary, New Hampshire // Appl. Environ. Microbiol. 58:3211-3216.

133. Caccavo F., Lonergan D.J., Lovley D.R., Davis M., Stolz J.F., Mclnerney M.J. (1994). Geobacter sulfurreducens sp.nov., a hydrogen- and acetate oxidizing dissimilatory metal-reducing microorganism // Appl. Environ. Microbiol. 60:37523759.

134. Caccavo F., Coates Jr. J.D., Rossello-Mora R.A., Ludwig W., Schleifer K.H., Lovley D.R., Mclnerney M.J. (1996). Geovibrio ferrireducens, a phylogenetically distinct dissimilatory Fe(III)-reducing bacterium. // Arch. Microbiol. 165:370-376.

135. Caccavo Jr. F. (1999). Protein-mediated adhesion of dissimilatory Fe(III)-reducing bacterium Shewanella alga BrY to hydrous ferric oxide // Appl. Environ. Microbiol. 65:5017-5022.

136. Caccavo Jr. F., Das A. (2002). Adhesion of dissimilatory Fe(III)-reducing bacteria to Fe(III) minerals // Geomicrob. J. 19:131-177.

137. Campos J., Martinez-Pacheco M., Cervantes C. (1995). Hexavalent-chromium reduction by a chromate-resistant Bacillus sp. strain. Antonie van Leeuwenhoek. 68:203-208.

138. Canfleld D.E., Thamdrup B., Hansen J.W. (1993). The anaerobic degradation of organic matter in Danish coastal sediments: iron reduction, manganese reduction, and sulfate reduction // Geochim.Cosmochim. Acta 57:3867-3885.

139. Carpentier W., Sandra K., De Smet I., Brige A., De Smet L., Van Beeumen J. (2003). Microbial reduction and precipitation of vanadium by Shewanella oneidensis // Appl. Environ. Microbiol. 69:3636-3639.

140. Castillo-Gonzalez H.A., Bruns M.A. (2005). Dissimilatory iron reduction and odor indicator abatement by biofilm communities in swine manure microcosms // Appl. Environ. Microbiol. 71:4972-4978.

141. Cervantes C., Campos-Garcia J., Devars S., Gutierrez-Corona F., Loza-Tavera H., Torres-Guzman J. C., Moreno-Sanchez R. (2001). Interactions of chromium with microorganisms and plants // FEMS Microbiol. Rev. 25:335-347.

142. Champine J.E., Underhill B., Johnston J.M., Lilly W.W., Goodwin S. (2000). Electron transfer in the dissimilatory iron-reducing bacterium Geobacter metallireducens II Anaerobe. 6:187-196.

143. Chapelle F.H., Lovley, D.R. (1992). Competitive exclusion of sulfate reduction by Fe(IlI)-reducing bacteria: a mechanism for producing discrete zones of high-iron ground water.// Ground Water. 30:29-36.

144. Chardin B., Giudici-Orticoni M.T., De Luca G., Guigliarelli B., Bruschi M. (2003). Hydrogenases in sulfate-reducing bacteria function as chromium reductase. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 63:315-321.

145. Chaundhuri S.K., Lack J.G. Coates J.D. (2001). Biogenic magnetite formation through anaerobic biooxidation of Fe(II) // Appl. Environ. Microbiol. 67:2844-2848.

146. Chaudhuri S.K., Lovley D.R. (2003). Electricity from direct oxidation of glucose in mediator-less microbial fuel cell //Nature Biotechnol. 21:1229-1232.

147. Childers S.E., Lovley D.R. (2001). Differences in Fe(III) reduction in the hyperthermophilic archaeon Pyrobaculum islandicum versus mesophilic Fe(III)-reducing bacteria // FEMS Microbiol. Lett. 195:253-258.

148. Childers S.E., Cuifo S., Lovley D.R. (2002). Geobacter metallireducens accesses insoluble Fe(III) oxide by chemotaxis //Nature. 416:767-769.

149. Chin K.J., Esteve-Nunez A., Leang C., Lovley D.R. (2004). Direct correlation between rates of anaerobic respiration and levels of mRNA for key respiratory genes in Geobacter sulfurreducens II Appl. Environ. Microbiol. 70:5183-5189.

150. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Zavarzina D.G., Kozerenko S.V. (2001). Formation of the magneto-ordering phase by thermophilic Fe(III)-reducing bacteria: Moessbauer study. //The Phisics of Metals and Metallography. 92:S138-S142.

151. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Zavarzina D.G., Slobodkin A.I., Gorohova T.V.2004). Mossbauer study of magnetite formation by iron- and sulfate-reducing bacteria. // Hyperfine Interactions 156/157:411-415.

152. Chistyakova N.I., Rusakov V.S., Zavarzina D.G., Gorohova T.V., Slobodkin A.I.2005). Mossbauer spectroscopy in studying magnetite formed by iron- and sulfate-reducing bacteria. // Czechoslovak Journal of Physics 55:781-790.

153. Chiu H.J., Johnson E., Schroeder I., Rees D.C. (2001). Crystal structures of a novel ferric reductase from the hyperthermophilic archaeon Archaeoglobus fulgidus and its complex with NADP(+) // Structure. 9:311-319.

154. Clement J.-C., Shrestha J., Ehrenfeld J.G., Jaffe P.R. (2005). Ammonium oxidation coupled to dissimilarory reduction of iron under anaerobic conditions in wetland soils // Soil Biol. Biochem. 37:2323-2328.

155. Cloud P. (1973). Paleoeco logical significance of the banded iron formations // Econom. Geol. 68:1135-1145.

156. Coates J.D., Lonergan D.J., Lovley D.R. (1995). Desulfuromonaspalmitatis sp. nov. a long-chain fatty acid oxidizing Fe(III) reducer from marine sediments // Arch. Microbiol. 164:406-413.

157. Coates J.D., Councell T.B., Ellis D.J., Lovley, D.R. (1998a). Carbohydrate oxidation coupled to Fe (III) reduction, a novel form of anaerobic metabolism. // Anaerobe. 4: 277-282.

158. Coates J.D., Ellis D.J., Roden E., Gaw K., Blunt-Harris E.L., Lovley D.R. (1998b). Recovery of humics-reducing bacteria from a diversity of sedimentary environments. //App/. Environ. Microbiol. 64:1504-1509.

159. Coates J.D., Ellis D.J., Lovley, D.R. (1999.) Geothrix fermentans gen. nov. sp. nov., an acetate-oxidizing Fe(lll) reducer capable of growth via fermentation. // Int. J. Sys. Bacteriol .49:1615-1622.

160. Coates J.D., Cole K.A., Michaelidou U., Patrick J., Mclnerney M.J., Achenbach L.A. (2005). Biological control of hog waste odor through microbial Fe(IIl) reduction // Appl. Environ. Microbiol. 71:4728-4735.

161. Coby A .J., Picardal F.W. (2005). Inhibition of N03 and NO2- reduction by microbial Fe(III) reduction: evidence of a reaction between NO2- and cell surface-bound Fe2+// Appl. Environ. Microbiol. 71:5267-5274.

162. Coleman M.L., Hedrick D.B., Lovley D.R., White D.C., Pye K. (1993). Reduction of Fe(III) in sediments by sulfate-reducing bacteria. //Nature. 361:436-438.

163. Combet-Blanc Y., Ollivier B., Streicher C., Patel B.K., Dwivedi P.P., Pot B., Prensier G., Garcia J.L. (1995). Bacillus thermoamylovorans sp. nov., a moderately thermophilic and amylolytic bacterium // Int. J. Syst. Bacteriol. 45:9-16.

164. Cook G.M., Rainey F.A., Patel B.K.C., Morgan, H.W. (1996). Characterization of a new obligately anaerobic thermophile, Thermoanaerobacter wiegelii sp. nov. // Int. J. Syst. Bacteriol. 46:123-127.

165. Coppi M.V., O'Neil R.A., Lovley D.R. (2004). Identification of an uptake hydrogenase required for hydrogen-dependent reduction of Fe(III) and other electron acceptors by Geobacter sulfurreducens // J. Bacteriol. 186:3022-3028.

166. Cord-Ruwisch R. (1985). A quick method for the determination of dissolved and precipitated sulfides in cultures of sulfide-reducing bacteria. // J. Microbiol. Methods. 4:33-36.

167. Cord-Ruwisch R. Lovley D.R., Schink B. (1998). Growth of with acetate in syntrophic cooperation with hydrogen-oxidizing anaerobic partners // Appl. Environ. Microbiol. 64:2232-2236.

168. Corpet F. (1988). Multiple sequence alignment with hierarchical clustering. // Nucleic Acids Res 16:10881-10890.

169. Correia I.J., Paquete C.M., Louro R.O., Catarino T., Turner D.L., Xavier A.V. (2002). Thermodynamic and kinetic characterization of trihaem cytochrome cj from Desulfuromonas acetoxidans // Eur. J. Biochem. 269:5722-5730.

170. Cox C.D. (1980). Iron reductases from Pseudomonas aeruginosa // J. Bacteriol. 141:199-204.

171. Crosby H.A., Roden E.E., Johnson C.M., Beard B.L. (2007) The mechanism of iron isotope fractionation produced during dissimilatory Fe(III) reduction by Shewanella putrefaciens and Geobacter sulfurreducens. // Geobiology 5:169-189.

172. Cummings D.E., Caccavo Jr. F., Spring S., Rosenzweig R.F. (1999). Ferribacter limneticum, gen. nov., sp. nov., an Fe(III)-reducing microorganism isolated from mining-impacted freshwater lake sediments. //Arch. Microbiol. 171:183-188.

173. Dailey H.A. Jr., Lascelles J. (1977). Reduction of iron and synthesis of protoheme by Spirillum itersonii II J. Bacteriol. 129:815-820.

174. Daniel R., Warnecke F., Potekhina J.S., Gottschalk G. (1999). Identification of the syntrophic partnes in a coculture coupling anaerobic methanol oxidation to Fe(III) reduction FEMS // Microbiology Letters. 180:197-203.

175. Das A., Mishra A.K., Roy, P. (1992). Anaerobic growth on elemental sulfur using dissimilar iron reduction by autotrophic Thiobacillus ferrooxidans. //FEMS Microbio/.Lett. 97:167-172.

176. Das A., Caccavo Jr. F. (2000) Dissimilatory Fe(III) oxide reduction by Shewanella alga BrY requires adhesion // Curr. Microbiol. 40:344-347.

177. Das A., Caccavo Jr. F. (2001) Adhesion of dissimilatory Fe(III)-reducing bacterium Shewanella alga BrY to crystalline Fe(III) oxides // Curr. Microbiol. 42:151-154.

178. De Castro A.F., Ehrlich H.L. (1970). Reduction of iron oxide minerals by marine Bacillus II Antonie van Leeuwenhoek 36:317-327.

179. De Soete G. (1983). A least squares algorithm for Fitting additive trees to proximity data. Psychometrika. 48:621-626.

180. Dobbin P.S., Warren L.H., Cook N.J., McEwan A.G., Powell A.K., Richardson D.J. (1996b). Dissimilatory iron reduction by Rhodobacter capsulatus II Microbiology. 142:765-774.

181. Doetsch R.N. (1981). Determinative methods of light microscopy, p. 21-33. In P. Gerhardt, R.G.E. Murray, R.N. Costilow, E.W. Nester, W.A. Wood, N.R. Krieg, and

182. G.B. Phillips (ed.), Manual of methods for general microbiology. American Society for Microbiology, Washington, D.C.

183. Dominik P., Kaupenjohann M. (2004). Reduction of Fe(III) (hydr)oxides with known thermodynamic stability by Geobacter metallireducens II Geomicrobiol. J. 21:287295.

184. Dong H., Fredrickson J.K., Kennedy D.W., Zachara J.M., Kukkadapu R.K., Onstott T.C. (2000). Mineral transformations associated with the microbial reduction of magnetite // Chem. Geol. 169:299-318.

185. Doong R., Schink B. (2002). Cysteine-mediated reductive dissolution of poorly crystalline iron(Ill) oxides by Geobacter sulfurreducens II Environ. Sei. Technol. 36:2939-2945.

186. Drake H.L. (1994). Acetogenesis, acetogenic bacteria, and the acetyl-CoA "Wood/Ljungdahl" pathway: past and current perspectives. In: Acetogenesis, Drake

187. H.L. (ed.). 1994. Chapman and Hall. New York London.182.183.184.185.186.187.188.189.190.191.192193194195196

188. Dubiel M., Hsu C.H., Chien C.C., Mansfeld F., Newman D.K. (2002). Microbial iron respiration can protect steel from corrosion // Appl. Environ. Microbiol. 68:14401445.

189. Earhart C.F. (2000). Iron metabolism, pp.860-868. // In Encyclopedia of microbiology. V. 2. Academic Press.

190. Fardeau M.-L., Cayol J.-L., Magot M., Ollivier B. (1994). Hydrogen oxidation abilities in the presence of thiosulfate as electron acceptor within the genus Thermoanaerobacter. II Curr. Microbiol. 29:269-^-272.

191. Fardeau M.-L., Magot M., Patel B.K.C., Thomas P., Garcia J.-L., Ollivier B. (2000). Thermoanaerobacter subterraneus sp. nov. a novel thermophile isolated from oilfield water. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52:2141-2149.

192. Fassbinder J.W.E., Stanjek H., Vali H. (1990). Occurrence of magnetic bacteria in soils//Nature. 343:161-163.

193. Feinberg L.F., Holden J.F. (2006). Characterization of dissimilatory Fe(III) versus NO3" reduction in the hyperthermophilic archaeon Pyrobaculum aerophilum II J. Bacteriol. 188:525-531.

194. Finneran K., Anderson R.T., Nevin K.P., Lovley, D.R. (2002b). Bioremediation of uranium-contaminated aquifers with microbial U(VI) reduction. // Soil and Sediment Contamination. 11:339-357.

195. Francis C.A., Obraztsova A.Y., Tebo, B.M. (2000). Dissimilatory metal reduction by the facultative anaerobe Pantoea agglomérons SPI. // Appl. Environ. Microbiol. 66:543-548.

196. Francis A.J., Dodge C.J., Meinken G.E. (2002). Biotransformation of pertechnetate by Clostridia. II Radiochim Acta 90:791-797.

197. Gaspard S., Vazquez F., Holliger C. (1998). Localization and solubilization of the iron(III) reductase of Geobacter sulfurreducens II Appl. Enveron. Microbiol. 64:31883194.

198. Gillis M., De Ley J., De Cleene M. (1970). The determination of molecular weight ofbacterial genome DNA from renaturation rates. //Eur. J. Biochem. 12:143-153.

199. Glasauer S., Langley S., Beveridge T.J. (2001). Sorption of Fe(hydr)oxides to thesurface of Shewanella putrefaciens: cell-bound fine-grained minerals are not alwaysformed de novo // Appl. Environ. Microbiol. 67:5544-5550.

200. Glasauer S., Langley S., Beveridge T.J. (2002). Intracellular iron minerals in adissimilatory iron-reducing bacterium // Science. 295:117-119.

201. Glasauer S., Langley S., Beveridge J. (2004). Intracellular manganese granulesformed by a subsurface bacterium // Environ. Microbiol. 6:1042-1048.

202. Glasauer S., Langley S., Boyanov M., Lai B., Kemner K., Beveridge T. (2007).

203. Mixed-valence cytoplasmic iron granules are linked to anaerobic respiration. // Appl.

204. Environ. Microbiol. 73:993-996.

205. Gold T. (1992). The deep, hot biosphere // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 89:6045-6049. Gorby Y.A., Lovley D.R. (1991). Electron transport in dissimilatory iron reducer GS-15 // Appl. Environ. Microbiol. 57:867-870.

206. Goulhen F., Gloter A., Guyot F., Bruschi M. (2006). Cr(VI) detoxification by Desulfovibrio vulgaris strain Hildenborough: microbe-metal interactions studies. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 71: 892-897.

207. Harder E.C. (1919). Iron-depositing bacteria and their geologic relations // U.S. Geological Survey professional paper 113. Government Printing Office, Washington, D.C.

208. Haveman S.A., Holmes D.E., Ding Y-H., Ward J.E., DiDonato Jr R.J., Lovley D.R. (2006). C-type cytochromes in Pelobacter carbinolicus // Appl. Environ. Microbiol. 72:6980-6985.

209. He Q., Sanford R.A. (2003). Characterization of Fe(III) reduction by Anaeromxyobacter dehalogens II Appl. Environ. Microbiol. 69: 2712-2718.

210. He, Q., Sanford R. A. (2004). Acetate threshold concentrations suggestvarying energy requirements during anaerobic respiration by Anaeromyxobacter dehalogenans. II Appl. Environ. Microbiol. 70:6940-6943.

211. Heijman C.G., Greider E., Holliger C., Schwarzenbach R.P. (1995). Reduction of nitroaromatic compounds coupled to microbial iron reduction in laboratory aquifer columns // Environ. Sci. Technol. 29:775-783.

212. Henrot J. (1989). Bioaccumulation and chemical modification of Tc by soil bacteria. // Health Phys. 57:239-245.

213. Henstra A.M., Stams A.J.M. (2004). Novel physiological features of Carboxydothermus hydrogenoformans and Thermoterrabacterium ferrireducens. II Appl. Environ. Microbiol. 70:7236-7240.

214. Herbert R.B., Benner S.G., Pratt A.R., Blowes D.W. (1998). Surface chemistry and morphology of poorly crystalline iron sulfides precipitated in media containing sulfate-reducing bacteria. // Chem. Geol. 144:87-97.

215. Hernandez M.E., Newman D.K. (2001 ). Extracellular electron transfer // Cell. Mol. Life Sci. 58:1562-1571.

216. Hernandez M.E., Kappler A., Newman D.K. (2004). Phemazines and other redox-active antibiotics promote microbial mineral reduction // Appl. Environ. Microbiol. 70:921-928.

217. Xiao X., Wang P., Zeng X., Bartlett D.H., Wang F. (2007). Shewanella psychrophila sp. nov. and Shewanella piezotolerans sp. nov., isolated from west Pacific deep-sea sediment. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 57:60-65.

218. Hobbie J.E., Daley R.H., Jasper S. (1977). Use of nucleopore filters for counting bacteria by fluorescence microscopy. //Appl. Environ. Microbiol. 33:1225-1228.

219. Hobman J.L. Wilson J.W., Brown N.L. (2000). Microbial mercury reduction. In Environmental metal-microbe interactions. (Ed. Lovley D.R.). ASM Press. P. 177197.

220. Holden J.F., Adams M.W.W. (2003). Microbe-metal interactions in marine hydrothermal environments // Curr. Opin. Chem. Biol. 7:160-165.

221. Holmes D.E., Finneran K.T., Lovley, D.R. (2002). Enrichment of Geobacteraceae associated with stimulation of dissimilatory metal reduction in uranium-contaminated aquifer sediments. // Appl. Environ. Microbiol. 68:2300-2306.

222. Holmes D.E., Bond D.R., Lovley, D.R. (2004a). Electron transfer to Fe(III) and graphite electrodes by Desulfobulbuspropionicus II Appl. Environ. Microbiol. 70:1234-1237.

223. Holmes D.E., Bond D.R., O'Neil R.A., Reimers C.E., Tender L.R., Lovley, D.R. (2004c). Microbial communities associated with electrodes harvested electricity from a variety of aquatic sediments. // Microbiol. Ecol. 48:178-190.

224. Horitsu H., Futo S., Miyazawa Y., Ogai S., Kawai K. (1987). Enzymatic reduction of hexavalent chromium tolerant Pseudomonas ambigua G-l. Agric. Biol. Chem. 51:2417-2420.

225. Huber R., Huber H., Stetter K.O. (2000). Towards the ecology of hyperthermophiles: biotopes, new isolation strategies and novel metabolic properties. // FEMS Microbiol. Rev.24:615-623.

226. Hungate R.E. (1969). A roll tube method for cultivation of strict anaerobes. In: Methods in Microbiology, vol. 3B, pp. 117-132. Edited by J.B. Norris, & D.W. Ribbons. New York, London, Academic Press.

227. Ishibashi Y., Cervantes C., Silver S. (1990). Chromium reduction in Pseudomonas putida. // Appl. Environ. Microbiol. 56:2268-2270.

228. Istok J.D., Senko J.M., Krumholz L.R., Watson D., Bogle M.A., Peacock A., Chang Y.-J., White D.C. (2004). In situ bioreduction of technetium and uranium in a nitrate-contaminated aquifer// Environ. Sci. Technol. 38:468-475.

229. Jahn M.K., Haderlein S.B., Meckenstock R.U. (2005). Anaerobic degradation of benzene, toluene, ethylbenzene, and o-xylene in sediment-free iron-reducing enrichment cultures // Appl. Environ. Microbiol. 71:3355-3358.

230. Jahn M.K., Haderlein S.B., Meckenstock R.U. (2006). Reduction of prussian blue by the two iron-reducing microorganisms Geobacter metallireducens and Shewanella alga //Environmental Microbiology 8:362-367.

231. Jannasch H.W., Mottl M.J. (1985). Geomicrobiology of deep-sea hydrothermal vents. //Science. 229:717-726.

232. Jeanthon C, Reysenbach A-L, L'Haridon S, Gambacorta A, Pace NR, Glenat P, Prieur D (1995). Thermotoga subterranea sp.nov., a new thermophilic bacterium isolated from a continenetal oil reservoir. // Arch Microbiol 164:91-97.

233. Johnson D.A., Florence T.M. (1971). Spectrophotometric determination of uranium (VI) with 2-(5-bromo-2-pyridylazo)-5-diethylaminophenol. // Anal. Chim. Acta 53:73-79.

234. Johnson J.L. (1984). Nucleic acids in bacterial classification. // In: Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. V. 1, pp. 8-11. Eds. Krieg N.R., Holt J.G. Baltimore: Williams & Wilkins.

235. Johnson D.B., McGinnes S. (1991). Ferric iron reduction by acidophilic heterotrophic bacteria// Appl. Environ. Microbiol. 57:207-211.

236. Johnson D.B., Okibe N., Roberto F.F. (2003). Novel thermo-acidophilic bacteria isolated from geothermal sites in Yellowstone National Park: physiological and phylogenetic characteristics // Arch. Microbiol. 180:60-68.

237. Jones J.G., Gardener S. Simon B.M. (1983). Bacterial reduction of ferric iron in a stratified eutrophic lake // J. Gen. Microbiol. 129:131-139.

238. Jukes T.H., Cantor, C.R. (1969). Evolution of protein molecules. In Mammalian protein metabolism, pp. 21-132. Edited by H.N. Munro. New York, Academic Press.

239. Kamura T., Takai Y., Ishikawa K. (1963). Microbial reduction mechanism of ferric iron in paddy soils, Part I // Soil Sci. Plant. Nutr. (Tokyo) 9:171-175.

240. Kanso S., Greene A.C., Patel B.K. (2002). Bacillus subterraneus sp. nov., an iron and manganese-reducing bacterium from a deep subsurface Australian thermal aquifer. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52:869-874.

241. Kappler A., Brune A. (2002). Dynamics of redox potential and changes in redox state of iron and humic acids during gut passage in soil-feeding termites. // Soil Bioi. Biochem. 34:221-227.

242. Kappler A., Benz M., Schink B., Brune A. (2004). Electron shuttling via humic acids in microbial iron(III) reduction in a freshwater sediment // FEMS Microbiol. Ecol. 47:85-92.

243. Karlin R., Lyle M., Heath G.R. (1987). Authigenic magnetite formation in suboxic marine sediments // Nature. 326:490-493.

244. Kashefi K., Lovley D. R. (2000). Reduction of Fe(III), Mn(IV), and toxic metals at 100°C by Pyrobaculum islandicum. // Appl. Environ. Microbiol. 66:1050-1056.

245. Kashefi K., Tor J.M., Nevin K.P., Lovley D.R. (2001). Reductive precipitation of gold by dissimilatory Fe(III)-reducing bacteria and archaea // Appl. Environ. Microbiol. 67:3275-3279.

246. Kashefi K., Lovley D. R. (2003). Extending the upper temperature limit for life // Science. 301:934.

247. Kashefi K., Shelobolina E.S., Elliott W.C., Lovley D. R. (2008). Growth of thermophilic and hyperthermophilic Fe(III)-reducing microorganisms on a ferruginous smectite as the sole electron acceptor. // Appl. Environ. Microbiol. 74:251-258.

248. Kaufmann F., Lovley D. R. (2001). Isolation and characterization of a soluble NADP(H)-dependent Fe(IlI) reductase from Geobacter sulfurreducens II J. Bacteriol. 183:4468-4476.

249. Kazumi J., Haggblom M.M., Young L.Y. (1995). Degradation of monochlorinated and nonclorinated aromatic compounds under iron-reducing conditions // Appl. Environ. Microbiol. 61:4069-4073.

250. Kerin E.J., Gilmour C.C., Roden E., Suzuki M. T., Coates J.D., Mason R.P. (2006). Mercury methylation by dissimilatory iron-reducing bacteria. // App. Environ. Microbiol. 72:7919-7921.

251. Khijniak T.Y., Medvedeva-Lyalikova N.N., Simonoff M. (2003). Reduction of pertechnetate by haloalkaliphilic strains of Halomonas. II FEMS Microbiol. Ecol. 44:109-115.

252. Kim B. H., Kim H. J., Hyun M. S., Park D. S. (1999). Direct electrode reaction of Fe(III) reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. II J. Microb. Biotechnol. 9:127131.

253. Kim B.-C., Chang I., Gadd J. (2007). Chalanges in microbial fuel cell development and operation. // App. Microbiol. Biotechnol. 76:485-494.

254. King G.M., Garey M.A. (1999). Ferric iron reduction by bacteria associated with the roots of freshwater and marine macrophytes // Appl. Environ. Microbiol. 65:43934398.

255. Knight V., Blakemore R. (1998). Reduction of diverse electron acceptors by Aeromonas hydrophila. //Arch. Microbiol. 169:239-248.

256. Korenevsky A.A., Vinogradov E., Gorby Y., Beveridge T.J. (2002). Characterization of lipopolysacharides and capsules of Shewanella spp. // Appl. Environ. Microbiol. 68:4653-4657.

257. Kostka J.E., Nealson K.H. (1995). Dissolution and reduction of magnetite by bacteria // Environ. Sci. Technol. 29:2535-2540.

258. Kostka J.E., Stucki J.W., Nealson K.H., Wu J. (1996). Reduction of structural Fe(III) in smectite by a pure culture of Shewanella putrefaciens strain MR-1. // Clays Clay Min. 44:522-529.

259. Krumholz L.R. (1997). Desulfuromonas chloroethenica sp. nov. uses tetrachloroethylene and trichloroethylene as electron acceptors. // Int. J. Syst. Bacteriol. 47:1262-1263.295.296.297.298.299.300.301.302,303.304305306307308309

260. Kunapuli U., Lueders T., Meckenstock R. (2007). The use of stable isotope probing to identify key iron-reducing microorganisms involved in anaerobic benzene degradation. // The ISME Journal 1:643-653.

261. Kusel K„ Wagner C., Trinkwalter T., Gosr A., Baumler R., Drake, H.L. (2002a). Microbial reduction of Fe(III) and turnover of acetate in Hawaiian soil // FEMS Microbiol. Ecol. 40:73-81.

262. Li S.V., Zhou J., Zhang C., Cole D.R., Gajdarziska-Josifovska M., Phelps, T.J. (1997). Thermophilic Fe(III)-reducing bacteria from the deep subsurface: the evolutionary implications. // Science. 277:1106-1109.

263. Li Y.-L., Vali H„ Yang J., Phelps, T.J., Zhang C. (2006). Reduction of iron oxides enhanced by a sulfate-reducing bacterium and biogenic H2S. // Geomicrobiol. J. 23:103-117.

264. Lin W.C., Coppi M.V., Lovley, D.R. (2004). Geobacter sidfurreducenscan grow with oxygen as a terminal electron acceptor. // Appl. Environ. Microbiol. 70:2525-2528.

265. Lin B., Braster M., Roling W. F. M. van Breukelen B.M. (2007b). Iron-reducing microorganisms in a landfill leachate-polluted aquifer: complementing culture-independent information with enrichments and isolations // Geomicrobiol. J. 24:283294.

266. Liu C.X., Gorby Y.A., Zachara J.M., Fredrickson J.K., Brown, C.F. (2002). Reduction kinetics ofFe(III), Co(III), U(VI) Cr(VI) and Tc(VII) in cultures of dissimilatory metal-reducing bacteria. // Biotech. Bioeng. 80:637-649.

267. Liu H., Logan B.E. (2004). Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane // Environ. Sci. Technol. 38:4040-4046.

268. Ljungdahl L.G., Wiegel J. (1986). Working with anaerobic bacteria, p.84-96. // In A.L. Demain and N.A. Solomon (ed.), Manual of industrial microbiology and biotechnology. American Society for Microbiology, Washington, D.C.

269. Llovera S., Bonet R., Simon-Pujol M.D., Congregado F. (1993). Chromate reduction by resting cells of Agrobacterium radiobacter EPS-916. // Appl. Environ. Microbiol. 59:3516-3518.

270. Lloyd J.R., Macaskie L.E. (1996). A novel Phosphorlmager based technique for monitoring the microbial reduction of technetium. // Appl. Environ. Microbiol. 62:578-582.

271. Lloyd J.R., Cole J.A., Macaskie L.E. (1997). Reduction and removal of heptavalent technetium from solution by Esherichia coli. II J. Bacteriol. 179:2014-2021.

272. Lloyd J.R., Nolting H.-F., Sole V.A., Bosecker K., Macaskie L.E. (1998). Technetium reduction and precipitation by sulfate-reducing bacteria // Geomicrobiol. J. 15:45-58.

273. Lloyd J.R., Blunt-Harris E.L., Lovley D.R. (1999a). The periplastic 9.6-kilodalton c-type cytochome of Geobacter sulfurreducens is not an electron shuttle to Fe(III) // J. Bacteriol. 181:7647-7649.

274. Lloyd J.R., Ridley J., Khizniak T., Lyalikova N.N., Macaskie L.E. (1999b). Reduction of technetium by Desulfovibrio desulfuricans: biocatalyst characterization and use ina flow-through bioreactor. //Appl. Environ. Microbiol. 65:2691-2696.

275. Lloyd J.R., Sole V.A., Van Praagh V.G., Lovley D.R. (2000). Direct and Fe(II)-mediated reduction of technetium by Fe(III)-reducing bacteria. // Appl. Environ. Microbiol. 66:3743-3749.

276. Lloyd J.R., Mabbett A.N., Williams D.R., Macaskie L.E. (2001). Metal reduction by sulphate-reducing bacteria: physiological diversity and metal specificity // Hydrometallurgy 59:327-337.

277. Lloyd J.R., Chesnes J., Glasauer S., Bunker D.J., Livens F.R., Lovley D.R. (2002). Reduction of actinides and fission products by Fe(III)-reducing bacteria. // Geomicrobiol. J. 19:103-120.

278. Lloyd J.R., Leang C., Hodges-Myersen A.L., Coppi M.V., Cuifo S., Methe B., Sandler S.J., Lovley D.R. (2003). Biochemical and genetic characterization of PpcA, a periplasmic c-type cytochrome in Geobacter sulfurreducens II Biochem. J. 369:153161.

279. Lloyd J.R. (2003). Microbial reduction of metals and radionuclides // FEMS Microbiol Rev. 27:411-425.

280. Lonergan D.J., Jenter H., Coates J.D., Phillips E.J.P., Schmidt T., Lovley D.R. (1996). Phylogenetic analysis of dissimilatory Fe(IlI)-reducing bacteria // J. Bacteriol. 178:2402-2408.

281. Lovley D.R., Phillips E.J.P. (1986). Availability of ferric iron for microbial reduction in bottom sediments of the freshwater tidal Potomac River // Appl. Environ. Microbiol. 52:751-757.

282. Lovley D.R., Phillips E.J.P. (1987). Competitive mechanisms for inhibition of sulfate reduction and methane production in the zone of ferric iron reduction in sediments. // Appl. Environ. Microbiol. 53: 2636-2641.

283. Lovley D.R., Stoltz J.F., Nord G.L., Phillips EJ.P. (1987). Anaerobic production of magnetite by a dissimilatory iron-reducing microorganism. // Nature (London). 330:252-254.

284. Lovley D.R., Phillips, E.J.P. (1988). Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron and manganese. // Appl. Environ. Microbiol. 54:1472-1480.

285. Lovley D.R., Stolz J.F. (1989). Soil magnetite // Nature. 340:106.

286. Lovley D.R., Baedecker M.J., Lonergan D.J., Cozzarelli I.M., Phillips E.J.P., Siegcl D.J. (1989). Oxidation of aromatic contaminants coupled to microbial iron reduction. // Nature. 339:297-299.

287. Lovley D.R. (1990). Magnetite formation during microbial dissimilatory iron reduction // pp. 151-166. In Frankel R.B. and Blakemore R.P. (eds.) Iron biominerals. Plenum Publ. Corp. N.Y.

288. Lovley D.R. (1991). Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction // Microbiol. Rev. 55:259-287.

289. Lovley D.R., Phillips E.P., Gorby Y.A., Landa E.R. (1991). Microbial reduction of uranium.//Nature. 350:413-416.

290. Lovley D.R., Phillips E.J. (1992). Reduction of uranium by Desulfovibrio desulfuricans. II Appl. Environ. Microbiol. 58:850-856.

291. Lovley D.R., Roden E.E., Phillips E.J.P., Woodward J.C. (1993b). Enzymatic iron and uranium reduction by sulfate-reducing bacteria. // Mar. Geol. 113:41-53.

292. Lovley D.R., Widman P.K., Woodward J.C., Phillips E.J.P., (1993c). Reduction of uranium by cytochrome C3 of Desulfovibrio vulgaris. II Appl. Environ. Microbiol. 59:3572-3576.

293. Lovley D.R., Phillips E.J.P. (1994). Reduction of chromate by Desulfovibrio vidgaris and its C3 cytochrome. // Appl. Environ. Microbiol. 60:726-728.

294. Lovley D.R., Woodward J.C., Chapelle, F.H. (1994). Stimulated anoxic biodégradation of aromatic hydrocarbons using Fe(III) ligands //Nature. 370:128-131.

295. Lovley D.R. (1995). Microbial reduction of iron, manganese, and other metals // Advances in Agronomy. 54:175-231.

296. Lovley D.R., Phillips E.J.P., Lonergan D.J., Widman P.K. (1995). Fe(III) and S° reduction by Pelobacter carbinolicus II Appl. Environ. Microbiol. 61:2132-2138.

297. Lovley, D.R., Coates J.D., Blunt-Harris E.L., Phillips E.J.P., Woodward J.C. (1996). Humic substances as electron acceptors for microbial respiration //Nature. 382:445448.

298. Lovley D.R., Fraga J.L., Blunt-Harris E.L., Hayes L.A., Phillips E.J.P., Coates J.D. (1998). Humic substances as a mediator for microbially catalyzed metal reduction // Acta Hydrochim. Hydrobiol. 26:152-157.

299. Lovley D.R., Kashefi K., Vargas M., Tor J.M., Blunt-Harris E.L. (2000). Reduction of humic substances and Fe(III) by hyperthermophilic microorganisms // Chemical Geology 169:289-298.

300. Lovley D.R. (2001). Reduction of iron and humics in subsurface environments. Pp. 193. In J.K. Fredrickson & M. Fletcher (eds.). Subsurface microbiology. Willey-Liss Inc.

301. Lovley D.R., Holmes D.E., Nevin K.P. (2004). Dissimilatory Fe(III) and Mn(IV) reduction. // Advances in Microbial Physiology. 49:219-286.

302. Maher B.A., Taylor R.M. (1988). Formation of ultrafine-grained magnetite in soils // Nature. 336:368-370. ^

303. McLean J., Beveridge T.J. (2001). Chromate reduction by a pseudomonad isolated from a site contaminated with chromated copper arsenate. // Appl. Environ. Microbiol. 67:1076-1084.

304. Megharaj M., Avudainayagam S., Naidu R. (2003). Toxicity of hexavalent chromium and its reduction by bacteria isolated with tannery waste. Curr. Microbiol. 47:51-54.

305. Mehta T., Coppi M.V., Childers S.E., Lovley D.R. (2005). Outer membrane c-type cytochromes required for Fe(III) and Mn(IV) oxide reduction by Geobacter sulfurreducens // Appl. Environ. Microbiol. 71:8634-8641.

306. Mesbah M., Premachandran U., Whitman W.B. (1989). Precise measurement of G+C content of deoxyribonucleic acid by high-performance liquid chromatography. // Int. J. Syst. Bacteriol. 39: 159-167.

307. Methe B.A., Nelson K.E., Eisen J.A. and other 31 authors (2003). Genome of Geobacter sulfurreducens: metal reduction in subsurface environments // Science. 302:1967-1969.

308. Methe B.A., Webster J., Nevin K., Butler J., Lovley D.R. (2005). DNA microarray analysis of nitrogen fixation and Fe(III) reduction in Geobacter sulfurreducens II Appl. Environ. Microbiol. 71:2530-2538.

309. Min B., Logan B.E. (2004). Continuous electricity generation from domestic wastewater and organic substrates in a flat plate microbial fuel cell // Environ. Sci. Technol. 38:5809-5814.

310. Miura Y., Watanabe A., Murase J., Kimura M. (1992). Methane production and its fate in paddy fiels II. Oxidation of methane and its coupled ferric oxide reduction in subsoil // Soil Sci. Plant Nutr. 38:673-679.

311. Munch J.C., Ottow J.C.G. (1983). Reductive transformation mechanism of ferric oxides in hydromorphic soils // Environ. Biogeochem. Ecol. Bull. (Stockholm) 35:383-394.

312. Murad E., Tohnston J.H. (1987). Mossbaur Spectroscopy Applied to Inorganic Chemistry. New York. Plenum Press. P.507-582.

313. Muyzer G., De Waal E.C., Uitterlinden, A.G. (1993). Profiling of complex microbial populations by denaturing gradient gel electrophoresis analysis of polymerase chain reaction-amplified genes coding for 16S rRNA. // Appl. Environ. Microbiol. 59:695700.

314. Myers J.M., Myers C.R. (2000). Role of tetraheme cytochrome CymA in anaerobic electron transport in cells of Shewanella putrefaciens MR-1 with normal levels of menaquinone // J. Bacteriol. 182:67-75.

315. Myers J.M., Myers C.R. (2001). Role for outer membrane cytochromes OmcA and OmcB of Shewanella putrefaciens MR-1 in reduction of manganese dioxide // Appl. Environ. Microbiol. 67:260-269.

316. Nealson K.H., Myers C.R. (1990). Iron reduction by bacteria: A potential role in thegenesis of Banded Iron Formations // Am. J. Sci. 290-A:35-45.

317. Nealson K.H., Belz A., McKee B. (2002). Breathing metals as a way of life:geobiology in action. // Antonie van Leeuwenhoek 81:215-222.

318. Nevin K.P., Lovley D.R (2000a). Lack of production of electron-shuttling compoundsor solubilization ofFe(III) during reduction of insoluble Fe(III) oxide by Geobactermetallireducens // Appl. Environ. Microbiol. 66:2248-2251.

319. Nevin K.P., Holmes D.E., Woodard T.L., Hinlein E.S., Ostendorf D.W., Lovley D.R. (2005). Geobacter bemidjensis sp. nov. and Geobacter psychrophihis sp. nov., two novel Fe(IN)-reducing subsurface isolates // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 55:16671674.

320. Newman D.K., Kolter R. (2000). A role of excreted quinines in extracellular electron transfer // Nature. 405:94-97.

321. Nielsen P.H. (1996). The significance of microbial Fe(III) reduction in the activated sludge process // Water Sci. Tecnol. 34:129-136.415.416.417.418.419,420,421,422,423,424,425426427428

322. Niggemyer A., Spring S., Stackenbrandt E., Rosenweig R.F. (2001). Isolation and characterization of a novel As(V)-reducing bacterium: implication for arsenic mobilization and the genus Desulfitobacterium. //Appl. Environ. Microbiol. 67:55685580.

323. Nyhus K.J., Wilborn A.T., Jacobson E.S. (1997). Ferric iron reduction by Oyptococcus neoformans // Infect. Immun. 65:434-438.

324. Ohmura N., Sasaki K., Matsumoto N., Saiki H. (2002). Anaerobic respiration using Fe3+, S°, and H2 in the chemolithoautotrophic bacterium Acidithiobacillus ferrooxidans // J. Bacteriol. 184:2081-2087.

325. Olsen G.J., Matsuda H., Hagstrom R., Overbeek R. (1994). fastDNAml: A tool for construction of phylogenetic trees of DNA sequences using maximum likelihood. CABIOS. 10:41-48.

326. Ona-Nguema G., Carteret C., Benali O., Abdelmoula M., Genin J.-M., Jorand F. (2004). Competitive formation of hydroxycarbonate green rust 1 versus hydroxysulphate green rust 2 in Shewanella putrefaciens cultures // Geomicrobiol. J. 21:79-90.

327. Ottow J.C.G. (1969). The distribution and differentiation of iron-reducing bacteria in gley soils // Zentrabl. Bakteriol. Parasitenk. Infektionskr. Hyg. Abt. II. 123:600-615.429,430,431,432,433,434,435,436,437,438,439440441,442,443444,445

328. Ottow J.C.G. (1970). Bacterial mechanism of gley formation in artificially submerged soil//Nature. 225:103.

329. Ottow J.C.G., Klopotek A. (1969). Enzymatic reduction of iron oxide by fungi // Appl. Microbiol. 18:41-43.

330. Obuekwe C.O., Westlake D.W.S. (1982). Effect of reducible compounds (potential electron acceptors) on reduction of ferric iron by Pseudomonas species // Microb. Lett. 19:57-62.

331. Payne R.B., Gentry D.M., Rapp-Giles B.J., Casalot L., Wall J.D. (2002). Uranium reduction by Desulfovibrio desulfuricans strain G20 and a cytochrome cj mutant. // Appl. Environ. Microbiol. 68:3129-3132.

332. Payne R.B., Casalot L., Rivere T., Terry J.H., Larsen L., Giles B., Wall J.D. (2004). Interaction between uranium and cytochrome cj of Desulfovibrio desulfuricans strain G20. //Arch. Microbiol. 181:398-406.

333. Pfanneberg T., Fischer W.R. (1984). An aerobic Corynebacterium from soil and its capasity to reduce various iron oxides // Zentrabl. Mikrobiol. 139:167-172. Pfennig N. (1965).//Z. Bakteriol. Hyg. I Abt. Suppl. 1:179.

334. Philip L., Iyengar L., Venkobachar C. (1998). Cr(VI) reduction by Bacillus coagulansisolated from contaminated soil. J. Struct. Eng. 124:1165-1170.

335. Pietzsch K., Babael W. (2003). A sulfate-reducing bacterium that can detoxify U(VI)and obtain energy via nitrate reduction. // J. Basic Microbiol. 4:348-361.

336. Pignolet L., Fonsny K., Capot F., Moureau Z. (1989). Role of various microorganismson Tc behaviour in sediments. // Health Phys. 57:791-800.

337. Plugge C. M., Zoetendal E. G., Stams A. J. M. (2000). Caloramator coolhaasii sp. nov., a glutamate-degrading, moderately thermophilic anaerobe. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 50:1155-1162.

338. Rabaey K., Boon N., Siciliano S.D., Verhaege M., Verstraete W. (2004). Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer// Appl. Environ. Microbiol. 70:5373-5382.

339. Rainey F.A., Ward N.L., Morgan H.W., Toalster R., Stackebrandt, E. (1993). Phylogenetic analysis of anaerobic thermophilic bacteria: aid for their reclassification.//J Bacteriol 175:4772-4779.

340. Raskin L., Stromley J.M., Rittman B.E., Stahl D.A. (1994). Group-specific 16S rRNA hybridization probes to describe natural communities of methanogens. // Appl. Environ. Microbiol. 60:1232-1240.

341. Reguera G„ McCarthy K.D., Mehta T., Nicoll J.S., Tuominen M.T., Lovley D.R. (2005). Extracellular electron transfer via microbial nanowires // Nature. 435:10981101.

342. Reysenbach A.-L., Longnecker K., Kirshtein J. (2000). Novel bacterial and archaeal lineages from an in situ growth chamber deployed at a Mid-Atlantic hydrothermal vent. // Appl. Environ. Microbiol. 66:3798-3806.

343. Roberts J.A., Fowie D.A., Hughes B.T., Kulczycki E. (2006). Attachement behavior of.Shewanella putrefaciens onto magnetite under aerobic and anatrobic conditions. 11 Geomicrobiol. J. 23:631-640.

344. Robertson W.J., Bowman J.P., Franzmann, P.D., Mee, B.J. (2001). Desulfosporosinus meridiei sp. nov., a spore-forming sulfate-reducing bacterium isolated from gasolene-contaminated groundwater.//Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 51:133-140.

345. Roden E.E., Lovley, D.R. (1993a). Evaluation of 55Fe as a tracer of Fe(III) reduction in aquatic sediments // Geomicrobiol. J. 11:49-56.

346. Roden E.E., Lovley, D.R. (1993b). Dissimilatory Fe(III) reduction by the marine microorganism, Desulfuromonas acetoxidans. //Appl. Environ. Microbiol. 59:734742.

347. Roden E.E., Zachara J.M. (1996). Microbial reduction of cristalline iron(lll) oxides: influence of oxide surface area and potential for cell growth // Environ. Sci. Technol. 30:1618-1628.

348. Roden E.E., Urrutia M.M. (2002). Influence of biogenic Fe(II) on bacterial crystalline Fe(III) oxide reduction // Geomicrob. J. 19:209-251.

349. Roden E.E. (2003). Diversion of electron flow from methanogenesis to crystalline Fe(III) oxide reduction in carbon-limited cultures of wetland sediment microorganisms // Appl. Environ. Microbiol. 69:5702-5706.

350. Roden E.E., Wetzel R.G. (2003). Competition between Fe(lII)-reducing and methanogenic bacteria for acetate in iron-rich freshwater sediments // Microbial Ecol. 45:252-258.

351. Roh Y., Liu S.V., Li G., Huang H., Phelps T.J., Zhou J. (2002). Isolation and characterization of metal-reducing Thermoanaerobacter strains from deep subsurface environments of the Piceance Basin, Colorado. // Appl. Environ. Microbiol. 68:60136020.

352. Rooney-Varga N.J., Anderson R.T., Fraga J.L., Ringelberg D., Lovley, D.R. (1999). Microbial communities associated with anaerobic benzene degradation in a petroleum-contaminated aquifer. //Appl. Environ. Microbiol. 65:3056-3063.

353. Ross D., Ruebush S., Brantley S., Hartshorne R., Clarke T., Richardson D., Tien M. (2007). Characterization of protein-protein interactions involved in iron reduction by Shewanella oneidensis MR-1. // Appl. Environ. Microbiol. 73:5797-5808.

354. Rossello-Mora A.R., Ludwig W., Kampfer P., Amann R., Schleifer K.-H. (1995). Ferrimonas balearica gen. nov. spec, nov., a new marine facultative Fe(III)-reducing bacterium. // Syst. Appl. Microbiol. 18:196-202.

355. Ruebush S.S., Brantley S.L., Tien M. (2006). Reduction of soluble and insoluble iron forms by membrane fractions of Shewanella oneidensis grown under aerobic and anaerobic conditions // Appl. Environ. Microbiol. 72:2925-2935.

356. Ruebush S.S., Icopini G.A., Brantley S.L., Tien M. (2006). In vitro enzymatic reduction kinetics of mineral oxides by membrane fractions from Shewanella oneidensis MR-1 // Geochim. Cosmochim. Acta. 70:56-70.

357. Russell M.J., Hall A.J. (2002). Chemiosmoting coupling and transition element clusters in the onset of life and photosythesis // Geochem. News 113:6-12.

358. Saitou N., Nei M. (1987). The neighbour-joining method: a new method for reconstructing phylogenetic trees. // Mol. Biol. Evol. 4:406-425.

359. Sani R.K., Peyton B.M., Smith W.A., Apel W.A., Petersen J.N. (2002). Dissimilatory reduction of Cr(VI), Fe(III), and U(VI) by Cellulomonas isolates. // Appl. Microbiol. Biotechnol. 60:192-199.

360. Scheid D., Stubner S., Conrad R. (2004). Identification of rice root associated nitrate, sulfate and ferric iron reducing bacteria during root decomposition // FEMS Microbiol. Ecol. 50:101-110.

361. Schroeder I., Johnson E., de Vries, S. (2003). Microbial ferric iron reductatses // FEMS Microbiol. Rev. 27: 427-447.

362. Schuler D., Frankel R.B. (1999). Bacterial magnetosomes: microbiology, biomineralization and biotechnological applications // Appl. Microbiol. Biotechnol. 52:464-473.

363. Semple K.M., Westlake D.W.S. (1987). Characterization of iron-reducing Alteromonasputrefaciens strains from oil field fluids // Can. J. Microbiol. 33:366371.

364. Shelobolina E.S., VanPraagh E.G., Lovley, D.R. (2003). Use of ferric and ferrous iron containing minerals for respiration by Desulfitobacterium frappieri.ll Geomicrobiol. J. 20:143-156.

365. Shelobolina E.S., Pickering S.M., Lovley, D.R. (2005). Fe-cycle bacteria from industrial clays mined in Georgia, USA // Clays and Clay Minerals. 53:580-586.

366. Shen H., Wang Y.-T. (1993). Characterization of enzymatic reduction of hexavalent chromium by Escherichia coli ATCC 33456. Appl. Environ. Microbiol. 59:37713777.

367. Simonoff M., Khijniak T., Sergeant C., Vesvres M.H., Pravikoff M.S., Leclerc-Cessac E., Echevarría G., Denys S. (2003). Technetium species induced in maize as measured by Phosphorimager. // J. Environ. Radioactivity 70:139-154.

368. Skerratt J.H., Bowman J.P. Nichols, P.D. (2002). Shewanella olleyana sp. nov. a marine species isolated from a temperate estuary which produces high levels of polyunsaturated fatty acids. //Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52:2101-2106.

369. Slobodkin A.I., Wiegel J. (1997). Fe(III) as an electron acceptor for H2 oxidation in thermophilic anaerobic enrichment cultures from geothermal areas // Extremophiles. 1:106-109.

370. Slobodkin A., Reysenbach A-L., Mayer F., Wiegel J. (1997). Isolation and characterization of the homoacetogenic thermophilic bacterium Moorella glycerini sp. nov. // Int. J. Syst. Bacteriol. 47:969-974.

371. Slobodkin A., Campbell B., Cary S.C., Bonch-Osmolovskaya E., Jeanthon C. (2001). Evidence for the presence of thermophilic Fe(III)-reducing microorganisms in deep-sea hydrothermal vents at 13°N (East Pacific Rise). // FEMS Microbiol. Ecol. 36:235243.

372. Slobodkina G.B., Chernyh N.A., Slobodkin A.I., Subbotina I.V., Bonch-Osmolovskaya E.A., Lebedinsky A.V. (2004). PCR-based identification of hyperthermophilic archaea of the family Thermococcaceae. II Appl. Environ. Microbiol. 70:5701-5703.

373. Snoeyenbos-West O.L., Nevin K.P., Anderson R.T., Lovley D.R. (2000). Enrichment of Geobacter species in response to stimulation of Fe(III) reduction in sandy aquifer sediments. // Microbial Ecol. 39:153-167.

374. Sorenson J. (1982). Reduction of ferric iron in anaerobic, marine sediment and interaction with reduction of nitrate and sulfate // Appl. Environ. Microbiol. 43:319324.

375. Sparks N.H.C., Mann D.A., Bazylinski D.A., Lovley D.R., Jannasch H.W., Frankel R.B. (1990). Structure and morphology of magnetite formed by a marine magnetotactic bacterium and dissimilatory iron-reducing bacteria // Earth Planet. Sci. Lett. 98:14-22.

376. Spurr A.R. (1969). A low-viscosity epoxy resin embedding medium for electron microscopy. // J. Ultrastruct. Res. 26:31-43.

377. Stams A.J.M., de Bok F.A.M., Plugge C.M., van Eekert M.H.A., Dolfing J., Schraa G. (2006). Exocellular electron transfer in anaerobic microbial communities // Environ. Microbiol. 8:371-382.

378. Starkey R.L., Halvorson H.O. (1927). Studies on the transformations of iron in nature. II. Concerning the importance of microorganisms in the solution and precipitation of iron//Soil Sci. 24:381-402.

379. Straub K.L., Buchholz-Cleven, B.E.E. (2001). Geobacter bremensis sp. nov. and Geobacterpelophilus sp. nov., two dissimilatory ferric-iron-reducing bacteria. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 51:1805-1808.

380. Straub K.L., Benz M., Schink B. (2001). Iron metabolism in anoxic environments atnear neutral pFI//FEMS Microbiol. Ecol. 34:181-186.

381. Straub K.L., Schink B. (2003). Evaluation of electron-shuttling compounds inmicrobial ferric iron reduction // FEMS Microbiol. Lett. 220:229-233.

382. Straub K.L., Schink B. (2004a). Ferrihydrite reduction by Geobacter species isstimulated by secondary bacteria//Arch. Microbiol. 182:175-181.

383. Straub K.L., Schink B. (2004b). Ferrihydrite-dependent growth of Sulfospirillumdeleyianum through electron transfer via sulfur cycling // Appl. Environ. Microbiol.70:5744-5749.

384. Stucki J.W., Komadel P., Wilkinson H.T. (1987). Microbial reduction of structural iron (III) in smectites. // Soil Sci. Soc. Am. J. 51:1663-1665.

385. Suzuki Y., Kelly S. D„ Kemner K. M., Banfield J. F. (2002). Nanometer size products of uranium bioreduction. //Nature. 419:134.

386. Suzuki Y., Kelly S.D., Kemner K.M., Banfield J.F. (2005). Direct microbial reduction and preservation of uranium in natural near-subsurface sediment // Appl. Environ. Microbiol. 71:1790-1797.

387. Takai K., Sugai A., Itoh T., Horikoshi K. (2000). Paleococcus ferrophilus gen. nov., sp. nov., a barophilic, hyperthermophilic archaeon from a deep-sea hydrothermal vent chimney. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 50: 489-500.

388. Takai K., Kobayashi H., Nealson K.H., Horikoshi K. (2003b). Sulfurihydrogenibium subterraneum gen. nov., sp. nov., from a subsurface hot aquifer. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 53:823-827.

389. Tamaura Y., Ito K., Katsura T. (1983). Transformation of gamma-FeO(OH) to Fe304 by adsorption of iron(II) ion on gamma-FeO(OH). // J. Chem. Soc. Dalton. Trans. 1983:189-194.

390. Tebo B.M., Obraztsova A.Y. (1998). Sulfate-reducing bacterium grows with Cr(VI), U(VI), Mn(IV), and Fe(III) as electron acceptors. // FEMS Microbiol. Let. 162:193198.

391. Tender L.M., Reimers C.E., Stecher H.A., Holmes D.E., Bond D.R., Lowy D.A., Piblobello K., Fertig S., Lovley, D.R. (2002). Harnessing microbially generated power on the seafloor. //Nature Biotechnol. 20:821-825.

392. Thamdrup B., Finster K., Hansen J.W., Bak F. (1993). Bacterial disproportionation of elemental sulfur coupled to chemical reduction of iron and manganese. // Appl. Environ. Microbiol. 59:101-108.

393. Thamdrup B. (2000). Bacterial manganese and iron reduction in aquatic sediments // Adv. Microb. Ecol. 16:41-84.

394. Thauer R.K., Jungermann K., Decker K. (1977). Energy conservation in chemotrophic anaerobic bacteria. //Bacteriol. Rev. 41:100-180.544.545.546.547.548.549.550.551.552,553.554,555556557558559

395. Thomas P.E., Ryan D., Levin W. (1976). An improved staining procedure for the detection of the peroxidase activity of cytochrome P-450 on sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gels // Anal. Biochem. 75:168-76.

396. Toffin L., Bidault A., Pignet P., Tindall B.J., Slobodkin A., Kato C., Prieur D. (2004). Shewanella profunda sp. nov., isolated from deep marine sediment of the Nankai Trough. // Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 54:1943-1949.

397. Tor J.M., Kashefi K., Lovley D. R. (2001). Acetate oxidation coupled to Fe(III) reduction in hyperthermophilic microorganisms. // Appl. Environ. Microbiol. 67:1363-1365.

398. Vadas, A., Monbouquette, H.G., Johnson, E., Schroeder, I. (1999). Identification and characterization of a novel ferric reductase from the hyperthermophilic archaeon Archaeoglobus fuldigus II J. Biol. Chem. 274:36715-36721.

399. Wackett L.P., Dodge A.G., Ellis L.B.M. (2004). Microbial genomics and the periodic table //Appl. Environ. Microbiol. 70:647-655.

400. Wade R., DiChristina T.J. (2000). Isolation of U(VI) reduction-deficient mutants of Shewanella putrefaciens. // FEMS Microbiol. Let. 184:143-148. Walker J.C.G. (1987). Was the Archaean biosphere upside down?//Nature. 329:710712.

401. Widdel F., Pfennig N. (1992). The genus Desulfuromonas and other gram-negative sulfur-reducing eubacteria. // In: The Prokaiyotes, 2nd ed. V. 1, PP. 3379-3389. Eds. Balows et al. Springer, N-Y.

402. Wiegel J. (2000). Thermophilic Iron(III)-reducing bacteria. Abstracts of Third International Congress on Extremophiles. Hamburg, Germany. September 3-7, 2000. p. 59.576.577.578.579.580.581.582,583,584,585,586587588,589590

403. Wildung R.E., McFadden K.M., Garland T.R. (1979). Technetium sources andbehavior in the environment. //J. Environ. Qua.l 8:156-161.

404. Wildung R.E., Gorby Y.A., Krupka K.M., Hess N.J., Li S.W., Plymale A.E.,

405. McKinley J.P., Fredrickson J.K. (2000). Effect of electron donor and solutionchemistry on products of dissimilatory reduction of technetium by Shewanellaputrefaciens. II App.I Environ. Microbiol. 66:2451-2460.

406. Wilkins M., Wincott P., Vaughan D., Livens F., Lloyd J. (2007). Growth of

407. Geobacter sulfurreducens on poorly crystalline Fe(III) oxyhydroxide coatings //

408. Geomicrobiol. J. 24:199-204.

409. Wu Q., Sanford R.A., Loffler F.E. (2006). Uranium(VI) reduction by Anaeromyxobacter dehalogenans strain 2CP-C. // Appl. Environ. Microbiol. 72:36083614.

410. Zachara J.M., Kukkadapu R.K., Fredrickson J.K., Gorby Y.A., Smith S.C. (2002). Biomineralization of poorly crystalline Fe(III) oxides by dissimilatory metal reducing bacteria// Geomicrobiology J. 19:179-207.

411. Zegeye A., Ona-Nguema G., Carteret C., Huguet L., Abdelmoula M., Joran F. (2005). Formation of hydroxysulphat green rust 2 as a single iron(II-III) mineral in microbial culture // Geomicrobiol. J. 22:389-399.

412. Zegeye A., Ruby C., Joran F. (2007). Kinetic and thermodynamic analysis during dissimilatory -FeOOH reduction: formation of green rust 1 and magnetite // Geomicrobiol. J. 24:51-64.

413. Zehnder A.J.B., Stumm W. (1988). Geochemistry and biogeochemistry of anaerobic habitats. P. 1-38 // In Zehnder A.J.B. (ed.) Biology of anaerobic microorganisms. J. Wiley & Sons Inc., New York.

414. Zhang C., Liu S., Logan J., Mazumder R., Phelps T.J. (1996). Enhancement of Fe(IIl), Co(III), and Cr(VI) reduction at elevated temperatures and by a thermophilic bacterium //Appl. Biochem. Biotechnol. 57/58:923-932.

415. Zhang C., Vali H., Romanek C.S., Phelps T.J. Liu S. (1998). Formation of singledomain magnetite by a thermophilic bacterium // American Mineralogist. 83:14091418.

416. Zhou J., Liu S., Xia B., Zhang C., Paiumbo A.V., Phelps T.J. (2001). Molecular characterization and diversity of thermophilic iron-reducing enrichment cultures from deep subsurface environments. // J. Appl. Microbiol. 90:96-105.