Глава 2. Структурно-функциональные особенности метанотрофов соленых и щелочных водоемов

Проведенные в последнее десятилетие исследования существенно расширили представления о таксономическом и структурно-функциональном разнообразии метанотрофов и экофизиологической роли метанотрофных бактерий в различных природных экосистемах. Аэробные метанотрофы обнаружены в экосистемах, характеризующихся высокими и низкими значениями рН, солености и температуры, в том числе биотопах, где отсутствуют высшие формы жизни. Из кислых сфагновых болот, подземных водоносных слоев залежей гранитов, термальных источников, гиперсоленых водоемов и щелочных содовых озер выделены чистые культуры экстремофильных/толерантных метанотрофов, как правило, представляющие собой новые таксоны. Способные адаптироваться к высоким и низким значениям температуры, рН и солености, метанотрофы являются перспективными модельными организмами для изучения механизмов адаптации к соответствующим физико-химическим факторам. Кроме того, они представляют интерес как продуценты стабильных ферментов и биопротекторов, а также как агенты для биоремедиации загрязненных экстремальных экосистем.

2.1. Гало(алкало)фильные метанотрофы

Первый солезависимый метанотроф Methylomicrobium pelagicum был выделен из Саргассова моря (Sieburgh et al., 1987). К этому роду отнесены также нейтрофильные галофильные метанотрофы: Mm. modestohalophilum 10S, выделенный из гиперсоленого (14% NaCl) озера Сасык-Сиваш с нейтральным значением рН воды около рН 7 (Калюжная с соавт. 1998), а также выделенный из Японского моря Methylomicrobium sp. NI (Fuse et al., 1998), последний в дальнейшем описан как Methylomicrobium japanense (Kalyuzhnaya et al., 2008). Нейтрофильные бактерии рода Methylomicrobium являются умеренными галофилами, оптимально растущими при солености 0,5-2,0% NaCl. Mm. modestohalophilum 10S имеет оптимум солености 2% NaCl, толерантен к 10% NaCl характеризуется наличием S-слоев наклонной (р2) симметрии (Khmelenina et al., 1999). Солезависимый метанотроф I типа Methylobacter marinus, оптимально растущий при 1,5% NaCl (Lidstrom, 1988), очевидно является обитателем не только связанных с морем экосистем, поскольку обнаружен в гиперсоленых озерах Кулундинской степи (Хмеленина с соавт., 2006). S-слои у этой бактерии не выявлены, однако на поверхности клеток обнаружены шаровидные везикулы неизвестной функции.

Галоалкалофильные метанотрофы выделены из содовых озер разной степени минерализации. По данным фено- и генотипического анализа, включая секвенирование 16S pДНК, изоляты из минерализованных щелочных озер идентифицированы как два новых вида рода Methylomicrobium: M. alcaliphilum (штаммы 20Z и 5Z) и M. buryatense (штаммы 4G, 5G, 6G, 7G и 5B) (Kalyuzhnaya et al., 2001). К этому роду также отнесен выделенный из образцов ила кенийских содовых озер алкалофильный метанотроф Methylomicrobium kenyense AMO1 (Sorokin et al., 2000). ГЦ состав ДНК галоалкалофильных изолятов типичен для I типа метанотрофов и варьирует от 46 до 51 моль%.

Недавно из соленых и щелочных озер Юго-Восточной Сибири, Монголии, Африки и Северной Америки выделены чистые культуры метанотрофов, представленных галофильными нейтрофилами или галотолерантными алкалофилами. На основании анализа нуклеотидных последовательностей 16S рДНК и гена pmoA, кодирующего мембранную метанмонооксигеназу, изоляты отнесены к Methylomicrobium alcaliphilum (штаммы ML1, FM3, 1S, 2S, 4S, 4S1 и 5S), Methylomicrobium buryatense (3S), Methylobacter marinus (7С) и Methylohalobius cremeensis (3С). Все изоляты из содовых озер реализуют РМФ-путь, имеют ЦТК, разомкнутый на уровне α-кетоглутаратдегидрогеназы, что характерно для метанотрофов I типа. Характерной для изолятов из содовых озер является способность расти при высоких значениях солености (4-12% NaCl) и pH среды (до рН 11). При этом рост галоалкалофильных метанотрофов в щелочной среде ингибируется относительно низкими концентрациями аммония (0,3 мМ). Возможно, это связано с нарушением рН гомеостаза вследствие избыточного защелачивания цитоплазмы, поскольку NH₄⁺ при щелочных значениях рН переходит в NH₃. Аммиак свободно проникает в цитоплазматическое пространство клеток, где при более кислом рН вновь превращается в ионную форму, уменьшая концентрацию протонов. Тем не менее, изученные галоалкалофильные метанотрофы способны окислять аммоний до нитрита оптимально при рН 9,5-10, т.е. осуществлять первую фазу нитрификации в условиях содовых озер. Вероятно, наряду с другими микроорганизмами метанотрофы участвуют в метаболизме связанного азота в щелочных экосистемах (Хмеленина с соавт., 2006).

Как правило, максимальные и оптимальные значения солености для роста у изолированных культур не соответствовали гидрохимическим условиям озер. Так, у Mm. modestohalophilum 10S оптимальное значение солености для роста (1,5% NaCl) и максимальная концентрация соли, при которой возможен рост (4% NaCl), существенно ниже, чем соленость воды в озере Сасык-Сиваш, из которого выделена культура (14% NaCl). Добавление стерильного супернатанта гетеротрофного спутника, изолированного из накопительной культуры, повышало скорость роста метанотрофа, оптимальное значение солености и верхнюю границу галотолерантности. Это свидетельствует о тесном контакте компонентов микробных сообществ.

Примечательно, что большинство описанных к настоящему времени (гало)алкалофильных метанотрофов являются представителями I морфотипа, реализующими РМФ цикл. По-видимому, это является следствием ограниченного числа методических приемов, использованных для их выделения.