Author: Кашнер Д.
Tags: биология клетки и субклеточных частиц цитология биология микробиология микроорганизмы
Year: 1981
Text
жизнь
МИКРОБОВ
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
УСЛОВИЯХ
MICROBIAL
LIFE
IN EXTREME
ENVIRONMENTS
Edited by
D. J. KUSHNER
University of Ottawa
Academic Press
London New York San Francisco
1978
жизнь
МИКРОБОВ
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ
УСЛОВИЯХ
Под редакцией
Д. КАШНЕРА
Перевод с английского
канд. ХИМ. наук М. И. ВЕРХОВЦЕВОЙ, Е. В. КУНИНА
и д-ра биол. наук в. к. ПЛАКУНОВА
под редакцией
д-ра биол. наук л. в. Калакуцкого
и д-ра биол. наук е. н. КОНДРАТЬЕВОЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «мир»
Москва 1981
УДК 576.80.85
Коллективная монография, написанная известными микро-
биологами США и Канады. Рассмотрены особенности существо-
вания микроорганизмов при крайне неблагоприятных условиях
внешней среды, таких, как высокие и низкие температуры, экстре-
мальные величины pH, высокие концентрации солей, воздейст-
вие высокого давления, радиации, солей тяжелых металлов и дру-
гих повреждающих факторов. Выяснение механизмов адаптации к
таким условиям очень важно для понимания происхождения и
эволюции жизни, а также для проблем космической биологии. Все
эти вопросы имеют и большое практическое значение ввиду широ-
кого применения микроорганизмов в народном хозяйстве.
Предназначена для микробиологов, экологов, физиологов,
биохимиков, молекулярных биологов, медиков, а также для лиц,
работающих в микробиологической промышленности.
Редакция литературы по биологии
2003000000
21007—125
© 1978 by Academic Press Inc. (London) Ltd.
-----2—.
041(01)—81
125—81 ч. 1 © Перевод на русский язык, Мнр, 1981
ПРЕДИСЛОВИЕ
РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Коллективная монография под редакцией профессора Кашне-
ра, с русским переводом которой могут теперь ознакомиться со-
ветские читатели, занимает достаточно заметное место в ряду
книг, посвященных жизни микроорганизмов в экстремальных ус-
ловиях среды.
К числу несомненных достоинств предлагаемого вниманию
читателей издания следует отнести то, что исключительно важ-
ная в теоретическом и практическом отношениях проблема нахо-
дит на его страницах широкое и разностороннее освещение. Все
главы монографии в основном принадлежат перу специалистов,
хорошо зарекомендовавших себя многолетними активными ис-
следованиями именно в тех областях микробиологии, которым
посвящены соответствующие критические обзоры. Хотя разные
главы книги неравноценны по объему и глубине проработки ма-
териала, в целом они существенно дополняют друг друга, усили-
вая общий, так сказать, кумулятивный эффект книги. Во многих
случаях авторам удается устранить досадный, но нередкий в ли-
тературе разрыв в уровне интерпретации результатов экологиче-
ских, физиологических и биохимических исследований. Перед
читателем развертывается многогранная и захватывающая кар-
тина борьбы за существование, которую ведут микроорганизмы
в самых суровых условиях окружающей среды. Многосторонний
подход к освещению проблемы не только расширяет круг чита-
телей книги, но и наглядно демонстрирует незаменимость того
конкретного вклада, который вносят в решение общей проблемы
экологи, физиологи и биохимики.
Подготовка книги, а тем более коллективной монографии, к
печати — процесс, занимающий достаточно длительное время.
6
Предисловие редакторов перевода
То же, естественно, относится и к переводу. Авторы некоторых
глав, предвидя, что ряд данных, изложенных в тексте, к моменту
выхода в свет английского издания, возможно, устареет, снабди-
ли соответствующие библиографические списки дополнительны-
ми литературными источниками, ускользнувшими из их поля
зрения во время написания глав или появившимися уже после
того, как последние были написаны. Редакторы русского перево-
да, в свою очередь, сочли такое начинание полезным и продол-
жили его в своих примечаниях, снабдив текст дополнительными
ссылками на важнейшие литературные источники, которые мо-
гут заинтересовать советского читателя.
Как может убедиться сам читатель, авторы и редактор анг-
лийского издания не делают попыток однозначно определить,
какое конкретное содержание они вкладывают в представление
об экстремальных условиях существования микроорганизмов. На
данном этапе развития наших знаний такой подход кажется
оправданным, ибо он исключает опасность заведомо устранить
из рассмотрения важные факты и соображения. Необходимо
учесть, что при широкой трактовке понятия экстремальных усло-
вий существования в него могут быть включены и такие условия,
которые в данной книге совсем не обсуждаются. В качестве од-
ного из примеров можно указать на предложение Моулдера 1
рассматривать условия существования микроорганизмов внутри
клеток организма-хозяина тоже как экстремальные.
В лучших главах книги высокая информативность удачно со-
четается с деловитостью и простотой изложения. Вопросы, еще
ожидающие своего решения, не затушевываются, а подчеркива-
ются; нередко намечаются и возможные пути их решения.
Вне круга рассматриваемых в книге проблем остаются вопро-
сы адаптации микроорганизмов к изменяющимся условиям пи-
тания, переключения с использования одних источников углерода
и энергии на другие и т. п.а 1 2
1 Moulder J. W., Proc Roy Soc. (Lond.) Ser. B., 204, 199, 1979
2 Материалы по этим вопросам читатель может найти в сборниках. The
bacteria. Vol. 6. Bacterial diversity. /Ed. by L. N. Ornston, J. R. Sokatch. —
New York: Acad. Press, 1978
The bacteria. Vol. 7. Mechanisms of adaptation. /Ed. by J. R. Sokatch,
L N. Ornston. — New York: Acad. Press, 1979.
Предисловие редакторов перевода 7
Внимание авторов и составителей монографии привлекает
преимущественно активное, т. е. сопровождаемое ростом и .раз-
множением, существойание микроорганизмов в экстремальных
условиях окружающей среды. В этом смысле книга частично со-
звучна тематическому сборнику, составленному несколько ранее
Английским обществом общей микробиологии*. Уместно,
быть может, напомнить, что неблагоприятные условия окружаю-
щей среды, в которых возможно временное сохранение жизне-
способности по крайней мере некоторыми специализированными
(обычно покоящимися) клетками микроорганизмов (спорами),
по своему диапазону значительно шире тех условий, которые при-
годны для роста вегетативных форм микроорганизмов. Однако
изучение спор микроорганизмов, в том числе их устойчивости к
экстремальным условиям, — это настолько обширная область2,
что рассмотрение данного аспекта проблемы потребовало бы от-
дельной монографии.
Можно надеяться, что знакомство с книгой окажется полез-
ным для широких кругов микробиологов и биохимиков, интере-
сующихся вопросами общей, медицинской, промышленной, сель-
скохозяйственной и космической микробиологии. С пользой мо-
жет быть прочитана книга (или отдельные ее разделы) также
преподавателями высших учебных заведений, аспирантами и сту-
дентами старших курсов кафедр микробиологического профиля.
Л. В. Калакуцкий
Е. И. Кондратьева 1 2
1 Survival of vegetative microbes (Proc. 26. Symp. Soc. Gen. Microbiol.).
/Ed. by T. R. G. Gray, J. Postgate. — Cambridge: Cambridge University Press,
1976.
2 См., например, обзор R. Slepecky. In: Essays in microbiology, /Ed. by
J. B. Norris, M. H. Richmend. — New York: J. Wiley a Sons, 1978, p. 14—24.
Spores — VII /Ed. by G. Chambliss, J. C. Vary. — Washington; Amer. Soc.
Microbiol. Press, 1978.
The bacterial spore, 2-d ed. /Ed. by G. Gould, A. Hurst. — London: Acad.
Press, 1980.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Давно известно, что некоторые микроорганизмы могут суще-
ствовать при высоких или низких температурах, больших дав-
лениях, высоких концентрациях различных растворенных ве-
ществ, в том числе и таких, которые обычно считаются ядовиты-
ми, кислых или щелочных значениях pH, а также в условиях
интенсивного облучения. В прошлом такие микроорганизмы изу-
чались либо как «биологические курьезы», либо как агенты, вы-
зывающие порчу пищевых продуктов. За последние несколько лет
интерес к этим микроорганизмам значительно возрос и изменил-
ся по существу. Стало очевидным, что они могут служить важны-
ми объектами для изучения самых глубоких аспектов клеточной
и молекулярной биологии; помимо этого они расширяют наши
представления о многообразии используемых живыми существа-
ми физиологических и биохимических механизмов, а также по-
могают понять особенности жизни в морских глубинах. Исследо-
вание этих микроорганизмов имеет большое значение и для
выяснения вопросов, связанных с происхождением жизни и воз-
можностью ее в космическом пространстве.
Отдельные главы этой книги, написанные рядом специалистов,
посвящены экологическому распределению микроорганизмов,
живущих в экстремальных условиях, их физиологии и способам
адаптации. Книга предназначена для исследователей, работаю-
щих в соответствующей области, студентов старших курсов, изу-
чающих микробиологию и биохимию, а также для всех интере-
сующихся огромным и разнообразным миром микроорганизмов.
Д. Кашне р
февраль 1978 г.
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ.
КРАТКИЙ ОЧЕРК ПРОБЛЕМЫ
Д. Кашнер
(D. J. Kushner, University of Ottawa)
Исследователи, получившие биологическое образование и ра-
ботающие в области биохимии млекопитающих либо изучающие
такие «стандартные» микроорганизмы, как Escherichia coli или
Bacillus subtilis, склонны считать, что жизнь возможна лишь в
благоприятных условиях: при давлении в одну атмосферу, в хо-
рошо аэрируемых сыворотках или питательных средах, при почти
нейтральных значениях pH и температурах, близких к 37°С. Если
рассматривать жизнь в окружающей среде более широко, то ста-
новится очевидно, что «Природа» может быть гораздо более
враждебной и что организмам приходится бороться за жизнь при
температурах около точки замерзания воды (например, большин-
ству обитателей океанов) и даже ниже ее. Давно известно, что
жизнь встречается в самых суровых условиях: в горячих источ-
никах, которые к тому же нередко отличаются повышенной кис-
лотностью; в соленых озерах и солеварнях (бассейнах, из кото-
рых получают соль, выпаривая морскую воду); в источниках с
повышенной кислотностью (например, в рудничных стоках), ко-
торые могут содержать также токсичные тяжелые металлы в
высоких концентрациях; в кислых лабораторных реактивах с еще
более высоким содержанием токсичных металлов; на сухих по-
верхностях скал; в пустынях и в морских глубинах, где давление
достигает 1000 атм и более.
Интерес к подобным формам жизни не ограничивается инте-
ресом к микроорганизмам. Наблюдения над животными, расте-
ниями и микробами, встречающимися в холодных, горячих, соле-
ных и глубоких местах обитания на Земле, проводятся уже свыше
ста лет (см. ссылки на соответствующие работы в книге Heil-
brunn, 1943, а также многие обзоры, упоминающиеся в данной
книге). Если вспомнить, что такое ракообразное, как Artemia
salina, способна развиваться в насыщенных соляных озерах, что
беспозвоночные живут в глубинах морей, некоторые рыбы хоро-
шо чувствуют себя в морской воде при —2°С, а насекомые и де-
ревья выдерживают охлаждение до —40°С, то невольно возни-
кает вопрос: в чем же состоят особенности микроорганизмов,
10
Глава 1
обеспечивающие их адаптацию к экстремальным условиям суще-
ствования? Казалось бы в качественном отношении микроорга-
низмы не отличаются от других форм жизни по своей способности
к подобной адаптации. Однако хорошо известно, что они могут
существовать в гораздо более суровых условиях, чем другие фор-
мы жизни. Только микроорганизмы встречаются в самых горячих
местах горячих источников и в самых соленых из озер (например,
в Мертвом море). Только они способны выдерживать наиболее
высокие температуры (Brock, 1969). Кроме того, у микроорга-
низмов воздействию окружающей среды открыта вся наружная
поверхность клетки. Поэтому у них исключена возможность по-
явления под действием внешних условий специализированных
тканей, таких, например, как железы морских птиц, позволяющие
им пить соленую воду, или особые каналы у растений-галофитов,
произрастающих на засоленой почве. Несмотря на то что о спо-
собности некоторых животных приспосабливаться к пониженной
температуре, повышенному содержанию солей и другим необыч-
ным условиям известно уже довольно много, пожалуй, все-таки
легче выяснить механизм адаптации микроорганизма, чем какого-
либо животного (Hochachka, Somero, 1973).
Большой интерес к адаптации микроорганизмов к экстремаль-
ным условиям был вызван и долгое время поддерживался по-
исками жизни на других планетах. Даже наиболее подходящая
для существования на ней жизни планета Марс отличается суро-
выми условиями^ земной точки зрения: низкими температурами,
которые, правда, периодически поднимаются выше точки замер-
зания воды, и чрезвычайной сухостью. Единственными сравнимы-
ми с Марсом местообитаниями на Земле являются сухие долины
Антарктики, отдельные участки почвы которых совершенно бес-
плодны (Heinrich, 1976; гл. 2 данной книги). В то время как пи-
шутся эти строки, станция Викинг продолжает вести поиски
жизни на Марсе; не исключено, что к моменту выхода книги в
свет мы уже будем знать что-то определенное о том участке пла-
неты, где проходили поиски ’.
Сравнительно недавно был проведен ряд симпозиумов, посвя-
щенных жизни микроорганизмов в экстремальных условиях, и
опубликованы их материалы (Heinen, 1974; Heinrich, 1976). По-
следняя цитируемая книга представляет собой отчет о проходив-
шей в 1974 г. конференции NASA, на которой обсуждалась проб-
лема жизни в экстремальных условиях; такие конференции
проходят раз в два года начиная с 1970 г. Том трудов конферен-
1 Изложение и оценку основных результатов, полученных в ходе выпол-
нения миссии «Викинг», можно найти в работах: Klein Н. Р et al, 1976.
Science, 194, 99, Klein H P , 1977. J. Geophys. Res , 82, 4677; Mazur P. et al.,
1978 Space Sci Revs, 22, 3; Аксенов С. И., 1979. Вест АН СССР, сер. биол.,
№ 3, 389 — Прим ped. перевода.
Краткий очерк проблемы
11
ции, вышедший в свет в 1976 г., посвящен д-ру Вольфу Вишняку,
пионеру в области этих исследований, который погиб в 1973 г. в
Антарктике, изучая ее сухие долины. К более кратким общим
обзорным статьям, написанным на тему настоящей книги, отно-
сятся работы Брока (Brock, 1969), Александера (Alexander,
1976) и Кашнера (Kushner, 1964, 1966, 1971). Последняя публи-
кация является частью материалов симпозиума на тему о про-
исхождении жизни — тему, представляющую бесспорный интерес
для поисков жизни на других планетах1. Зная границы жизни
на Земле, можно составить представление о физических и хими-
ческих пределах, в которых жизнь могла возникнуть не только
на нашей, но и на других планетах. Эти два направления
исследований неотделимы одно от другого и привлекают к себе
внимание сходных по интересам специалистов и читателей.
В последние годы мы были свидетелями плодотворного роста
исследований жизни в экстремальных условиях. Об этом говорит
появление многочисленных обзоров, посвященных отдельным
сторонам этого вопроса — прежде всего жизни при высоких и
низких температурах, а также при повышенной концентрации
солей. В настоящей книге мы попытались как можно полнее охва-
тить данную проблему, сведя воедино работы, в которых под-
робно рассмотрены ее различные аспекты. Лучше всего изучена
жизнь при высоких и низких температурах; каждому из этих во-
просов отведено по две главы: в одной из них обсуждается эко-
логия микроорганизмов в данных условиях, а в другой — их фи-
зиология. Не удалось, конечно, избежать некоторого перекрыва-
ния между разными главами. Микроорганизмы, обитающие в го-
рячих источниках с повышенной кислотностью, рассмотрены в
главах, посвященных влиянию высокой температуры и крайних
значений pH. Микроорганизмы, которые встречаются в руднич-
ных водах с повышенной кислотностью, часто подвергаются так-
же действию, как правило, токсичных ионов металлов в высоких
концентрациях. Эффекты температуры и давления взаимосвяза-
ны. В гл. 2, написанной Бароссом и Моритой, а также в гл. 4,
авторами которой являются Маркиз и Мацумура, обсуждается
экология микроорганизмов, обитающих в глубинах морей. Сле-
дует отметить, что действие больших давлений на рост микро-
организмов проявляется значительно сильнее при низких темпе-
ратурах. Сухие долины Антарктики представляют собой не толь-
1 См также: Brock Т. D., 1978. Thermophilic microorganisms and life at
high temperatures, Springer-Verlag, New York; Friedman S. M., Ed., 1978. Bio-
chemistry of thermophily, Acad. Press, New York; Shilo M, Ed, 1979 Strategies
of microbial life in extreme environments Verlag Chemie, Deerfield Beach, USA;
Caplan S. R., Ginzburg M, Eds, 1978 Energetics and structure of halophilic
microogranisms, Elsevier — North Holland, Amsterdam. — Прим. ped. перевода.
12
Глава 1
ко одно из наиболее холодных мест на Земле, но, пожалуй, и
самое засушливое.
В этой книге не дается точного определения понятия «экстре-
мальные условия»; отмечается лишь, что многие из рассматри-
ваемых условий оказались крайне неблагоприятными для чело-
века. В ней мы будем говорить в основном об условиях окружаю-
щей среды, в границах которых способны существовать микро-
организмы, а также о механизмах, при помощи которых они вы-
живают в этих условиях. Последние определяются химической
природой веществ и физической природой Земли. Все формы
жизни нуждаются в жидкой воде. Из всех неблагоприятных воз-
действий, которым подвергаются живые организмы, высушива-
ние относится, пожалуй, к наиболее сильным. Крайне сомнитель-
но, чтобы какой-либо организм мог расти, если активность (aw)
содержащейся в нем воды составляет менее 0,6, т. е. менее 60%
активности чистой воды, да и этот предел доступен лишь немно-
гим грибам. Большинство микроорганизмов нуждается в гораздо
более высоких значениях aw. Область температур, в границах
которой могут развиваться живые организмы, — это в сущности
те температуры, при которых вода остается в жидком состоянии,
а именно ~273—373°К- [Несколько предположений об условиях,
которые позволили бы воде оставаться жидкой при гораздо бо-
лее низких температурах, например при температурах, присущих
некоторым из лун Юпитера, высказаны в одной из работ (Kush-
ner, 1976). Впрочем, надо признать, что эти предположения чис-
то умозрительны.] В общем температура развития наиболее теп-
лоустойчивых микроорганизмов всего примерно на 37% превы-
шает самую низкую температуру, при которой возможно сущест-
вование наиболее холодоустойчивых микробов. Однако этот
факт не мешает нам по-прежнему рассматривать условия в ки-
пящей воде как экстремальные.
Возможны самые разнообразные вариации окружающей сре-
ды. Микроорганизмы могут существовать при концентрациях во-
дородных ионов, различающихся на несколько порядков; отдель-
ные микроорганизмы растут при pH 10 и даже при более высоких.
Многие микробы легко выдерживают стократные изменения в
давлении. Так, при самом высоком давлении, существующем в
морских глубинах, рост многих микроорганизмов лишь слегка
подавлен. Развитие одних микроорганизмов угнетается такими
концентрациями тяжелых металлов, как 10~8 М, в то время как
другие устойчивы к действию этих металлов в концентрациях в
миллион раз больших. Разные виды микробов отличаются друг
от друга по своей устойчивости к радиации в тысячу раз.
Любой порядок изложения столь разнородного материала не
может не быть несколько произвольным. Желая подчеркнуть, что
экстремальные условия в природе отнюдь не ограничиваются ус-
Краткий очерк проблемы
13
ловиями небольших специализированных ниш, мы решили на-
чать книгу с главы, написанной Бароссом и Моритой об экологии
микроорганизмов, обитающих в условиях с низкой температурой:
в почвах, океанах и атмосфере, иными словами, в большей части
нашей биосферы. Температура морской воды в основном соот-
ветствует приблизительно 0°С. Действие низких температур ис-
пытывают на себе и многие микроорганизмы в атмосфере; прав-
да, пока еще твердо не установлено, способны ли они там раз-
множаться. Этот аспект особенно интересен в свете рассмотрения
форм жизни, которые могли бы существовать на гигантских пла-
нетах, где условия, более или менее приемлемые для жизни, воз-
можны лишь в газообразных областях (Ponamperuma, 1976).
Подробно рассмотрены в этой главе различные холодные место-
обитания, прежде всего Антарктика, которая в последние годы
привлекает к себе все большее внимание исследователей.
В гл. 3 Иннис и Ингрэм рассматривают причины, по которым
одни микроорганизмы способны размножаться при пониженных
температурах, а другие даже нуждаются в таких условиях. Су-
ществование последних может объясняться нарушениями белко-
вого синтеза или повреждениями клеточных оболочек, а также
изменениями других жизненно важных клеточных органов и про-
цессов, которые происходят, вероятно, при умеренных темпера-
турах. Что же касается первых, то до сих пор неясно, почему
рост многих мезофилов прекращается, а не просто замедляется
при низких температурах, превышающих 0°С. Это обстоятельство
было весьма подробно и изящно изучено с помощью так называе-
мых холодочувствительных мутантов Е. colt и других мезофилов.
Оказалось, что примерно ниже 10°С в прекращении роста основ-
ную роль играют нарушения в функционировании регуляторных
ферментов или -в образовании рибосом. Модификация мембран-
ных липидов, а следовательно, и изменения в функционировании
мембран также представляют собой весьма важный аспект тем-
пературной адаптации, хотя и не всегда понятно, почему в отсут-
ствие подобных модификаций невозможен рост при температуре
ниже определенного предела, при котором еще происходит раз-
множение.
Многие морские микроорганизмы подвержены действию не
только низких температур, но и высоких давлений, которые на
очень большой глубине превышают иногда 1100 атм. Среднее
давление составляет почти 400 атм, причем известно, что в про-
бах грунта, взятых на разных глубинах, содержится много живых
организмов. Однако при сочетании низкой температуры и высо-
кого давления рост микроорганизмов подавляется настолько
сильно, что их роль в деградации органических веществ на мор-
ском дне все еще остается неясной. Недавно стала вырисовы-
ваться интересная возможность, заключающаяся в том, что осо-
14
Глава 1
бенно высокую активность в биодеградации проявляют микро-
организмы из кишечника глубоководных морских бокоплавов и
других животных. Эти вопросы, а также история баробиологии
и воздействие давлений (в том числе достигающие нескольких
тысяч атмосфер) освещены в гл. 4. Подробно было изучено влия-
ние давления на субклеточном уровне. Хорошо известно, что вы-
сокие давления вызывают диссоциацию гидрофобных связей и
тем самым разрушают клеточные структуры. В связи с этим воз-
никает следующий вопрос, все еще недостаточно изученный на
клеточном уровне: каким образом адаптируются организмы, ко-
торые могут существовать при высоком давлении или в широком
интервале давлений?
Способность некоторых микроорганизмов жить при высоких
температурах уже давно привлекла внимание биологов; долгое
время среди прочих экстремальных условий высокие температу-
ры и их влияние на организмы изучались особенно интенсивно.
В горячих источниках и других водах вулканического происхож-
дения исследователи пытались установить экологические взаимо-
связи. Об этом кратко говорится в гл. 5, написанной Теней и Бро-
ком, которые наиболее подробно останавливаются на экологи-
ческом распространении термофильных грибов. В этой главе по-
казано, что на Земле очень много самых разнообразных мест с
высокой температурой, верхние слои почвы, кучи компоста, стога
сена, горы стружки, отвалы угля, кучи шлака, помет аллигатора
и охлаждающие устройства ядерных реакторов. За исключением
первого и последнего случаев, высокая температура в таких мес-
тах, достигающая порой 60сС и больше, вызвана в значительной
степени жизнедеятельностью микроорганизмов. Это может слу-
жить одним из примеров экстремальных условий, которые своим
возникновением обязаны самим микроорганизмам; другие при-
ведены в последующих главах.
Механизмы устойчивости к высоким температурам были изу-
чены более подробно по сравнению с соответствующими механиз-
мами, используемыми в других экстремальных условиях. Как
полагают Амелунксен и Мердок (гл. 6), температурная адапта-
ция микроорганизмов обусловлена изменениями в скоростях ме-
таболизма, а также в структуре мембран, рибосом и отдельных
белков. Мы не будем умалять роли остальных причин, однако
считается общепринятым, что наиболее важными для адаптации
к высоким температурам являются изменения в структуре бел-
ков. При тех высоких температурах, при которых растут термо-
филы, многие их ферменты сохраняют как активность, так и ре-
гуляторные свойства. Несколько подобных ферментов выделено
в высокоочищенном виде, что дает прекрасную возможность ус-
тановить взаимосвязь между их химическими свойствами и тем-
пературной адаптацией. И все-таки, несмотря на множество ра-
Краткий очерк проблемы
15
бот, проводимых в этом плане, мы еще далеки от полного пони-
мания структурных свойств, которые определяют способность
белков функционировать при высоких температурах. По-види-
мому, особенности ферментов термофилов нельзя объяснить рез-
кими изменениями в относительном содержании неполярных или
каких-нибудь других аминокислот. Ключом к пониманию термо-
филии служат, очевидно, более тонкие структурные различия,
выяснить которые поможет только анализ пространственной ор-
ганизации этих белков. При изучении таких белков становится
очевидным, что их функции в огромной степени определяются
незначительными изменениями в их структуре.
Многие горячие источники обладают повышенной кислот-
ностью; известны также и другие многочисленные места с низ-
кими значениями pH. В некоторых из них, например в болотах и
кислых рудничных водах, низкие величины pH обусловлены жиз-
недеятельностью микроорганизмов. Существуют также зоны со
щелочными значениями pH, правда, они изучены менее деталь-
но, не исключено, что в них будут найдены весьма интересные
микроорганизмы. Одной из причин возникновения высоких ве-
личин pH, обусловленных микробной активностью, служит раз-
ложение мочевины до аммиака. Уже давно известно (гл. 7), что
многие микроорганизмы способны размножаться в интервале
значений pH, в котором их внутриклеточные ферменты не функ-
ционируют. По-видимому, несмотря на то что pH окружающей
среды может меняться, внутри своих клеток эти организмы под-
держивают постоянную кислотность. В последние годы это пред-
положение подтвердилось для ряда организмов, особенно для
тех, которые существуют в условиях повышенной кислотности.
Структуры на поверхности клеток у таких организмов должны
быть приспособлены к крайним значениям pH, что и было дей-
ствительно показано для некоторых из них. Наружные слои кле-
ток микроорганизмов, живущих в условиях повышенных темпе-
ратур и кислотности, отличаются, надо полагать, характерным
химическим составом, который необходим им для того, чтобы
выдерживать такие необычные условия. Некоторые организмы
обладают жесткими мембранами с очень низким содержанием
липидов; в этом отношении, а также свойствами своих липидов
их мембраны напоминают мембраны экстремально-галофильных
бактерий.
Галофильные бактерии, а также ряд других организмов, жи-
вущих в условиях высокого содержания солей либо иных раст-
воренных веществ, мы рассмотрим в гл. 8. Экстремальные гало-
филы занимают особое место среди микроорганизмов, сущест-
вующих в экстремальных условиях, поскольку они представляют
собой пример полной (и внешней, и внутренней) адаптации к
очень высоким концентрациям солей, а также потому, что они
16
Глава 1
обладают уникальными биохимическими свойствами. С недав-
них пор стало ясно, что организмы, живущие при высоких кон-
центрациях растворенных веществ или способные размножаться
в широком диапазоне концентраций, представляют собой крайне
увлекательный объект исследования.
Любой организм, живущий при наличии высоких концентра-
ций растворенных веществ, находится также в условиях низкой
активности воды (aw). Нередко эти два эффекта невозможно от-
делить один от другого. Изучению влияния доступности воды
для микроорганизмов, размножающихся в природных условиях,
посвящена гл. 9, написанная Смитом. Существует два вида
стрессов: осмотический — для микроорганизмов, находящихся в
растворе, и матричный — для микроорганизмов, растущих на
поверхностях, например на частицах почвы. Создается впечат-
ление, что микроорганизмы более чувствительны к стрессу вто-
рого типа. Хотя для своего размножения микроорганизмы нуж-
даются в определенном уровне содержания воды, она не требу-
ется им для выживания. Как указывает Смит, многие микроор-
ганизмы сохраняют жизнеспособность в течение долгого време-
ни в отсутствие воды и начинают размножаться, как только она
снова становится доступна для них.
Две последние главы этой книги частично касаются экстре-
мальных условий, которые своим возникновением обязаны дея-
тельности человека. Токсичность тяжелых металлов представля-
ет собой проблему скорее для человека, чем для микроорганиз-
мов, которые научились по-разному приспосабливаться к таким
веществам. Действительно, как указывает в гл. 10 Эрлих, сами
микроорганизмы способны осуществлять трансформацию тяже-
лых металлов в окружающей среде: выщелачивать металлы из
руд в кислых рудничных стоках, изменять валентность металлов,
как, например, при трансформации ртути в более или менее ток-
сичные формы, а также при образовании таких особых форм
скоплений металлов, как марганцевые конкреции.
Земля и первые формы жизни на ней подвергались действию
высоких доз радиации, прежде чем выделение кислорода не соз-
дало своего рода защитный экран против солнечного коротко-
волнового ультрафиолетового излучения. По нашей вине над на-
ми вновь нависла угроза воздействия очень высоких доз радиа-
ции, прежде всего — ионизирующей. Как указывают Насим и
Джеймс в гл. 11, микроорганизмы сильно отличаются друг от
друга по своей устойчивости к радиации. Многие из них способ-
ны выдерживать дозы радиации, летальные для других форм
жизни. Подобная устойчивость вызвана рядом факторов, наибо-
лее важным из которых представляется способность микроорга-
низмов к репарации их ДНК, поврежденных облучением. Много-
образие способов, при помощи которых микроорганизмы проти-
Краткий очерк проблемы
17
востоят радиации, высокая скорость их размножения и способ-
ность существовать в защищенн&х микротрещинах и щелях мо-
гут сделать их последними обитателями на Земле или, напротив,
первыми поселенцами на Земле, разрушенной атомной войной.
В этой книге мы не рассматриваем еще одно условие, которое
вполне обоснованно можно также считать экстремальным, а
именно жизнь при очень низкой концентрации питательных ве-
ществ (Hanson, 1976)Многие микроорганизмы способны до-
вольствоваться следовыми количествами питательных веществ,
содержащихся в чистой воде в природе или даже в дистиллиро-
ванной воде в лаборатории. До сих пор исследователи пренебре-
гали такими организмами, составляющими, возможно, весьма
важную часть биоты, отдавая предпочтение тем микроорганиз-
мам, которые размножаются гораздо быстрее, хотя и требуют
больше пищи. В самом деле, многие организмы, существующие в
экстремальных условиях, были несправедливо обойдены отчас-
ти из-за трудностей, связанных с их изучением и получением
пригодных для публикации результатов. Конечно, требуется
большое терпение, для того чтобы исследовать микроорганизмы,
при выращивании которых лаборатория наполняется паром, а
крышки центрифуг покрываются солью; к тому же многие из
них растут так медленно, что для проведения эксперимента тре-
буются не часы, а недели; наконец, генетика этих организмов ли-
бо неизвестна, либо почти не поддается изучению. Однако упор-
ство исследователя будет вознаграждено как удовлетворением
от работы, так и свободным временем, остающимся для размыш-
лений у того, кто не идет проторенной дорогой; кроме того, он
будет, несомненно, восхищен необычностью этих микроорганиз-
мов и теми весьма хитроумными способами, при помощи кото-
рых они приспосабливаются к столь широкому диапазону окру-
жающих условий. Мы надеемся передать часть этого восхище-
ния читателям настоящей книги.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Alexander М. (1976). In: Extreme Environments: Mechanisms of Microbial Adap-
tation (Ed. M W. Heinrich), Academic Press, New York and London.
Brock T. D. (1969) Microbial growth under extreme conditions, Symp. Soc. Gen.
Microbiol., 19, 15—42.
Hanson R. S. (1976). Dormant and resistant stages of procaryotic cells. In:
Chemical Evolution of the Giant Planets (Ed. C. Ponamperuma), pp. 107—
120, Academic Press, New York and London.
1 Некоторые материалы no этому вопросу читатель может найти в обзо-
рах Koch А. 1971. Adv. Microb. Physiol., 6, 147; Gray T. R. G., 1976. Symp.
Soc. Gen. Microbiol., 26. 327; Dommergues Y. R. et al., 1978. Adv. Microbial.
Ecol., 2, 49, Никитин Д. И. и др — В кн.: Онтогенез микроорганизмов. М:
Наука, 1979, с. 217; Кузнецов С. И. и др., 1979. Ann. Rev. Microbiol., 33, 291.—
Прим ред. перевода.
18 Глава 1
Heilbronn. L. V. (1943). Outline of General Physiology (2nd revised ed.),
W. B. Saunders, London and Philadelphia.
Heinen W. (1974). Proceedings of the First European Workshop on Microbial
Adaptation to Extreme Environments, Biosystems, 6, 57—80.
Heinrich M. W. (Ed.) (1976). Extreme Environments: Mechanisms of Microbial
Adaptation, Academic Press, New York and London.
Hochachka P. W., Somero G. N. (1973). Strategies of Biochemical Adaptation,
W. B. Saunders, London and Philadelphia.
Kushner D. J. (1964). Microbial resistance to harsh and destructive environ-
mental conditions, Exp. Chemother., 2, 113—168.
Kushner D. J. (1966). Microbial resistance to harsh and destructive environment
conditions, Exp. Chemother., 4, 512—514.
Kushner D. J. (1971). Life in Extreme Environments. In: Chemical Evolution
and the Origin of Life (Eds. R. Buvet and C. Ponamperuma), pp. 485—
491, North-Holland Publishing Co., Amsterdam
Kushner D. J. (1976). Microbial life in the cold. In: Chemical Evolution of the
Giant Planets (Ed. C. Ponamperuma), Academic Press, New York and
London.
Ponamperuma C. (Ed.) (1976). Chemical Evolution of the Giant Planets, Acade-
mic Press, New York and London.
ГЛАВА 2
ЖИЗНЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ:
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Д. Баросе, Р. Морита
(J. A. Baross, R. Y. Morita, Oregon State University)
Интеллект по своей природе
не способен проникнуть
в сущность жизни.
Анри Бергсон
«Созидательная эволюция»,
1911
I. ВВЕДЕНИЕ
Перепады температур в различных местах земного шара как
на суше, так и на море достаточно велики, и можно выделить по
крайней мере три четкие группы организмов, характеризующие-
ся определенной температурой роста. На верхней и нижней гра-
ницах температурного диапазона над остальными формами жиз-
ни преобладают микроорганизмы и примитивные растения. Бо-
лее того, в некоторых образцах, взятых из постоянно холодной
почвы, воды или воздуха полярных областей, удалось обнару-
жить только бактерии.
Весьма значительная часть земной поверхности имеет низкую
температуру (<5°С). Мировой океан занимает 71% земной по-
верхности, и около 90% его имеет температуру ниже 5°С. Поляр-
ные области, включая континент Антарктику и холодные зоны в
Арктике, составляют примерно 14% земной поверхности. В дей-
ствительности размеры областей с температурой ниже 5°С на
несколько порядков больше, если учесть также объем океанов.
Несмотря на то что свыше 80% земной биосферы принадлежит к
постоянно холодным областям, мы все еще мало знаем о микро-
организмах, обитающих в этих условиях, об их экологическом
значении.
Холодные области можно подразделить на категории в зави-
симости от того, остается ли характерная для них низкая темпе-
ратура постоянной (например, в глубине океанов) или меняется
(альпийские озера йли большинство мест на земле в зонах с
умеренным климатом). Но даже в условиях постоянного холода
температурные характеристики могут быть весьма неустойчивы-
ми; так, например, температура в некоторых полярных почвах и
воздухе колеблется от —88,3 до +5°С и выше (Weyant, 1966).
Полярные области со столь большими колебаниями температу-
ры резко отличаются от областей, имеющих умеренный климат,
где температура варьирует от нуля и ниже до +25°С и выше.
20
Глава 2
В обоих случаях рост и активность микроорганизмов на нижней
температурной границе, по-видимому, совсем или полностью от-
сутствуют. Следовательно, они способны выживать при темпера-
турах, выходящих за пределы тех, при которых возможен их
рост.
В этой главе мы рассмотрим распространение бактерий,
способных к росту и (или) метаболической активности в услови-
ях с постоянно или временно низкими температурами (меньше
чем 5°С); при этом мы не будем обращать особого внимания на
максимальные или оптимальные температуры роста этих орга-
низмов. Мы коснемся самых различных мест обитания на суше
и на море, включая озера и потоки, почвы, сухие пещеры и лед.
Однако мы не станем обсуждать бактерии, распространенные в
условиях искусственных холодных мест обитания, созданных че-
ловеком, например в замороженных продуктах питания, за иск-
лючением тех, которые получены непосредственно из среды с
низкой температурой (продукты морского происхождения).
II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПСИХРОФИЛОВ,
ПСИХРОТРОФОВ И ПСИХРОФИЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В 1887 г. Форстер (Forster, 1887) впервые выделил бактерии,
способные к росту при 0°С. С тех пор бактерии, размножающие-
ся при низких температурах, были получены из различных при-
родных и искусственных местообитаний (Ingram, 1965; Inniss,
1975; Morita, 1975). Для описания этой, по-видимому, особой
физиологической группы микроорганизмов было предложено не-
сколько терминов (Morita, 1975). Из них больше всего привился
термин «психрофил», который применяют как с различными
уточняющими прилагательными, так и без них. Он является, од-
нако, одним из тех весьма немногочисленных терминов в микро-
биологии, для которых известно несколько различных определе-
ний. Даже характерная способность микроорганизмов расти при
0°С не служит общим критерием при определении психрофилов;
нередко при определении этой группы микроорганизмов руковод-
ствуются оптимальной или максимальной температурами роста,
а порой условной скоростью роста при 0°С. Казалось бы, при оп-
ределении любого понятия следует исходить из того, что важно,
но, к сожалению, на практике иногда приходится пользоваться
тем определением, которое является общепринятым. Необходи
мо, однако, найти такое удобное для работы определение, кото-
рое было бы однозначным и не зависело бы от временных фак-
торов, степени роста и т. п. Согласно определению, предложен-
ному недавно Моритой (Morita, 1975), область температур рос-
та психрофилов лежит в пределах от 0°С или ниже до 20°С и ни-
же, тогда как оптимальная температура роста составляет 15°С
Низкие температуры: экологические аспекты
21
или меньше. Данное определение основано на многочисленных
повторных выделениях микроорганизмов из различных место-
обитаний, которые удовлетворяют этим критериям. Максималь-
ная температура роста некоторых психрофилов, выделенных не-
давно из антарктических вод, равна 10°С или еще ниже (Christi-
an, Wiebe, 1974; Morita, 1975). Таким образом, в настоящее вре-
мя принято считать, что существует группа микроорганизмов,
характеризующаяся низкими температурами роста, которая
столь же своеобразна в физиологическом отношении, как, напри-
мер, термофилы.
Итак, действительная проблема заключается не в том, чтобы
дать определение понятия «психрофил». Гораздо труднее объяс-
нить, если вообще это необходимо, почему одни организмы, рас-
тущие при 0°С, могут также развиваться при температурах выше
20°С, а другие существуют при температуре ниже минимальной
температуры роста мезофилов (например, от 5 до 10°С). Нет
сомнения, что для микроорганизмов характерен некий контину-
ум верхних и нижних температур роста, так что подразделение
микроорганизмов на категории в соответствии с температурны-
ми границами их роста не имеет достаточно веских оснований.
Можно, например, выделить бактерии из морской среды с диапа-
зонами температур роста от 0°С и ниже до 35°С и выше. Далее,
многие почвенные микроорганизмы, которые принято считать
мезофилами, например Bacillus megatherium и В. subtilis, а так-
же ряд представителей родов Arthrobacter и Corynebacterium
могут расти при температурах ниже 5°С, a Yersinia pestis — как
при —2°С, так и при 40°С (Buchanan, Gibbons, 1974). Не ис-
ключено, что и другие микроорганизмы способны развиваться
при температурах ниже 5°С, а может быть, даже ниже 0°С, если
исследовать диапазон температур их роста.
Для описания микроорганизмов, обитающих в области низ-
ких температур, но не подходящих под определение, введенное
Моритой, широко пользуются следующими двумя терминами —
«факультативный психрофил»1 и «психротроф» (Hucker, 1954;
Eddy, 1960). Термин «факультативный психрофил» в примене-
нии к тому или иному организму означает, что он иногда спосо-
бен к психрофильному росту в соответствии с определением, ко-
торое дает Морита (Morita, 1975). Психротрофами же, по мне-
нию Эдди (Eddy, 1960), следует называть те организмы, которые
могут расти при 5°С или ниже независимо от их максимальных
или оптимальных температур роста. Последнее определение
весьма удобно, так как оно подходит для большинства микроор-
ганизмов, существующих при низких температурах, особенно тех
1 Этот термин употребляют Иннис и Ингрэм в гл. 3 Психрофилов же в
том смысле, как они даны в настоящей главе, Иннис и Ингрэм называют «об-
лигатными психрофилами». — Прим. ред. английского издания.
22
Глава 2
из них, которые выделены из местообитаний с сезонными коле-
баниями температуры, а также из охлажденных или заморожен-
ных продуктов питания. В настоящей главе мы будем называть
психрофилами только те микроорганизмы, которые подходят под
определение Мориты, а психротрофами — все остальные микро-
организмы, растущие при низких температурах.
Большая часть суши, воды и атмосферы в областях с умерен-
ным климатом в холодное время года периодически подвержена
действию температур около нуля и ниже, в то время как в более
теплые сезоны температуры этих областей лежат в пределах,
характерных для роста мезофильных организмов. Это в первую
очередь относится к почвам, воде на поверхности озер и океа-
нов, а также к мелким рекам и потокам. Эти среды следует рас-
сматривать как психротрофные; любой вид микробной активно-
сти при температурах ниже 5°С in situ обусловлен скорее всего
психотрофами. Вместе с тем и грунт океанов и озер, и водную
толщу ниже термоклина принято рассматривать как термоста-
бильные среды, температура которых редко поднимается выше
5°С. Их называют психрофильными; в самом деле, большая
часть описанных до сих пор истинных психрофилов была выде-
лена из холодных местообитаний, не ‘подверженных сезонным
колебаниям температуры. Тем не менее не следует полагать, что
в такой среде встречаются только психрофилы, так как большин-
ство микроорганизмов, найденных там, оказались психротроф-
ными. Психрофильные микроорганизмы, особенно те из них, ко-
торые растут в очень узком интервале температур, возникли бес-
спорно в условиях постоянно низких температур, поскольку все
изученные до сих пор психрофилы (за исключением нескольких
спорообразующих микроорганизмов) весьма чувствительны к
действию температур, превышающих максимальную температу-
ру их развития. Известно, однако, что при температурах ниже
минимальной температуры их роста большинство микроорганиз-
мов чувствуют себя более или менее хорошо (Baross et al.,
1975). Принятая классификация психрофильных либо психро-
трофных местообитаний в зависимости от того, постоянно ли там
срхраняется низкая температура, или она подвержена сезонным
изменениям, объясняется соображениями удобства, а вовсе не
чрезмерной простотой изучаемых проблем, как это может пока-
заться на первый взгляд.
Наконец, возникает вопрос: могут ли микроорганизмы, рас-
тущие при низких температурах на богатых питательных средах,
развиваться при тех же температурах in situ? Это важный воп-
рос, так как некоторые психротрофы, изолируемые из областей с
умеренным климатом, при культивировании в лабораторных ус-
ловиях имеют минимальную температуру роста от 2 до 5°С.
В одних случаях они могут быть выделены и подсчитаны как
Низкие температуры: экологические аспекты
23
психротрофные, а в других — как психрофильные организмы.
Так, например, имеются данные, что Vibrio parahaemolyticus
редко удается обнаружить in situ при температурах ниже 15°С,
хотя в лаборатории минимальная температура его роста лежит
между 7 и 10°С (Baross, 1972). В настоящее время мы еще не
располагаем достаточными данными, чтобы с уверенностью счи-
тать, что микроорганизмы, выделенные из окружающей среды и
растущие при низких температурах в лабораторных условиях, в
самом деле активны in situ. Опять-таки из соображений удоб-
ства в этой главе мы будем исходить из того, что микроорганиз-
мы, выделенные при низких температурах, будут активны при
тех же температурах in situ; кроме того, мы будем считать, что
данные организмы характерны для активной микробной флоры,
распространенной в местообитаниях с низкой температурой.
<11. АТМОСФЕРА
В пробах воздуха, взятых как около поверхности земли, так
и в более высоких слоях стратосферы (даже свыше 27000 м),
были найдены бактерии, грибы, пыльца и другие микроскопиче-
ские частицы (Burch, 1967). В общем содержание жизнеспособ-
ных бактерий в тропосфере (слой, простирающийся от земной
поверхности до высоты около 10000 м) оказалось довольно вы-
соким (Gregory, 1961). Тропосфера отличается постепенным по-
нижением температуры с увеличением высоты, так что в некото-
рых слоях воздуха температура падает ниже —40°С (Proctor,
1935). В большей части нижних слоев атмосферы на высоте бо-
лее 1000 м температура ниже 10°С, что не выходит за пределы,
необходимые для выживания, а может быть, даже для роста и
жизнедеятельности психрофилов. Как это ни покажется удиви-
тельным, наибольшее количество бактерий было обнаружено на
высотах более 3000 м, где температура была неизменно ниже 5°С
(Fulton, 1966а, b; Gregory, 1961). Из более высоко лежащих сло-
ев воздуха, особенно над полярными областями, где температу-
ра постоянно находится ниже точки замерзания, были выделены
жизнеспособные микроорганизмы, которые выдерживают, по-ви-
димому, в течение длительных периодов времени температуры
ниже 20 С.
Очевидно, воздушные массы содержат большое число микро-
организмов, которое может превышать 500 в 1 м3 объема воз-
душного пространства (Fulton, 1966а). В частности, было обна-
ружено свыше 100 частиц в 1 см3 воздуха, причем их размер
колебался от 0,2 до 2 мкм; некоторые из них, вероятно, представ-
ляли собой бактерии (Fischer et al., 1969). В дождевой воде бы-
ли найдены относительно высокие концентрации витаминов ко-
баламина, биотина и ниацина, которые, как предполагают, сво-
24
Глава 2
им происхождением обязаны бактериям (Parker, Wachtel, 1971).
Эти жизнеспособные бактерии и связанные с ними органические
вещества в довольно высоких концентрациях поступают, конеч-
но, с суши и из морей. Воздушные массы, проходящие над по-
верхностью земли и океанов, захватывают наземные и морские
микроорганизмы. Как правило, крупные частицы (свыше
100 мкм) «выпадают», а более мелкие уносятся выше (Gregory,
1961). Это, по-видимому, весьма эффективный процесс, как на то
указывает широкое распространение бактерий в верхних слоях
атмосферы.
Было опубликовано много работ, в которых сообщалось о
микроорганизмах в воздушных массах около поверхности Зем-
ли (Gregory, 1961, 1973); однако распространение психрофилов
в атмосфере изучено очень мало. Биологи, которые уже давно
начали исследовать полярные области, оставляли открытыми
чашки с питательным агаром на холодном воздухе. Экелёфу
(Ekelof, 1908) удалось выделить бактерии более чем на 50% ча-
шек, экспонированных на антарктическом воздухе; при этом ско-
рость попадания бактерий на чашку составляла одну бактерию
за два часа. Некоторые из этих организмов, происходящих, по
мнению Экелёфа, из антарктических почв, оказались психро-
трофными. Мак-Лин (McLean, 1918, 1919) наблюдал под мик-
роскопом активную микрофлору, находившуюся в падающем
снеге и ледниках. На основании этих наблюдений Мак-Лин пред-
положил, что источником автохтонной микрофлоры, способной
к размножению, после того как лед растает, служат принесенные
воздухом микроорганизмы, которые вмерзли в снежинки. Кроме
того, имеются данные, что бактерии играют, по-видимому, важ-
ную роль в возникновении центров кристаллизации льдинок,
особенно в гниющих листьях деревьев (Schnell, Vali, 1972, 1973).
В частности, Pseudomonas syringae, выделенный из листьев оль-
хи, участвует в формировании центров кристаллизации льдинок
в областях с умеренным климатом (Maki et al., 1974). Способ-
ность этого организма инициировать возникновение центров
кристаллизации льдинок проявляется при сравнительно невысо-
ких температурах (—2°С) и связана, по-видимому, с интактными
клетками. В большинстве других исследований, в которых впер-
вые были начаты поиски микроорганизмов в воздухе, инкубацию
проводили при температурах свыше 20°С. Результаты этих ис-
следований обсуждает в своей работе Сибуре (Sieburth, 1965).
Сравнительно недавно Лейси (Lacy et al., 1970) удалось вы-
делить только одну мезофильную бактерию из воздуха во внут-
ренних областях Антарктики. Предполагают, что этот организм
является контаминантом чистых культур. Несколько микроорга-
низмов было обнаружено в пробах воздуха, взятых около соле-
ного водоема в Антарктике (Cameron et al., 1972а). Из них лишь
Низкие температуры: экологические аспекты
25
Corynebacterium sepedonicum и Micrococcus росли лучше всего
при температуре около 25°С, в то время как оптимальные темпе-
ратуры роста всех остальных культур лежали в диапазоне от 37
до 45°С. В воздухе над сухими долинами Антарктики было заре-
гистрировано от 0 до 160 бактерий в 1 м3 (Cameron et al., 1972b,
1973). Среди них преобладали Arthrobacter и Brevibacterium, ко-
торые чаще всего встречаются в почвах этих долин. Представи-
тели рода Bacillus не были'найдены. В упомянутых двух работах
диапазоны температур роста обнаруженных микроорганизмов не
приводятся.
Значительная часть микроорганизмов поступает в атмосферу
с поверхности морей и океанов. Бактерии, нуждающиеся в сре-
дах, приготовленных на морской воде, были выделены на рас-
стоянии 45 км от побережья (ZoBell, Matthews, 1936). Оказа-
лось, что отношение числа бактерий морского происхождения к
числу пресноводных бактерий по мере удаления от берега увели-
чивается. Зобел (ZoBell, 1942) предположил, что морские бакте-
рии уносятся в воздух вместе с каплями воды, особенно там, где
прибой разбивается о скалы. В дальнейшем его предположение
подтвердилось; оказалось также, что бактерии легко связывают-
ся с пузырьками воздуха, которые затем уносятся в атмосферу
(Blanchard, Syzkek, 1970). Имеются также указания на то, что
такие пузырьки способны концентрировать в себе органические
вещества (Carlucci, Williams, 1965; Barber, 1966). Следователь-
но, не исключено, что морские бактерии, в том числе психрофи-
лы, могут проявлять в атмосфере метаболическую активность,
используя имеющиеся в пузырьках органические вещества.
Вполне вероятно, что в атмосферу выбрасываются довольно вы-
сокие концентрации морских бактерий, поскольку в сдое морско-
го нейстона было найдено свыше 105 бактерий в 1 мл (Sieburth,
1971).
Очевидно, бактерии морского происхождения, встречающие-
ся в атмосфере, не обязательно нуждаются в морской воде или
относятся к строгим психрофилам по определению Мориты (Mo-
rita, 1975). Однако, поскольку большая часть атмосферы харак-
теризуется низкими температурами, психрофилы должны преоб-
ладать среди прочих организмов, способных к росту и активнос-
ти, если эти процессы вообще возможны в атмосфере.
Присутствие микроорганизмов и других частиц наземного
происхождения в верхних слоях атмосферы стало привлекать к
себе внимание с тех пор, как человек научился летать. Еще Пас-
теру пришла в голову мысль использовать баллоны, наполненные
нагретым воздухом, для отбора проб из верхних слоев атмосфе-
ры (Proctor, Parker, 1942). Попытки обнаружить микроорганиз-
мы в верхних слоях атмосферы сразу же увенчались успехом не-
зависимо от того, проводились ли исследования с использовани-
26
Глава 2
ем покрытых вазелином стекол, которые непосредственно экс!
нировались на воздухе (Meier, Lindbergh, 1935), или применялся
метод прямого счета колоний на чашках (Proctor, 1935а). Прок-
тор (Proctor, 1935а) брал пробы воздуха из верхних слоев ат-
мосферы на высоте более 7000 м, сидя в самолете, который про-
летал над полярными областями Тихого и Атлантического океа-
нов. Температура воздуха на этих высотах была, как правило,
ниже —20°С, а порой понижалась до —40°С. Бактерии, выделен-
ные на чашках при 20°С, относились в основном к типичным по-
чвенным микроорганизмам (Proctor, 1935а) Проктор и Паркер
(Proctor, 1935b, Proctor, Parker, 1942) сообщили о том, что 36
из 105 чистых культур бактерий, обнаруженных на высоте
3000 м, росли на чашках с питательным агаром при 0°С. В свою
очередь 31 из этих 36 культур выдерживала температуры от
—26 до —39°С в течение 48 ч. Авторы отнесли большую часть
этих культур к роду Bacillus. Работа Проктора является един-
ственным сообщением о наличии в верхних слоях атмосферы
бактерий, способных расти при психротрофных температурах.
Сравнительно недавно было найдено от 2 до 3 бактерий в 28,3 м3
воздуха на высоте от 9144 до 18 288 м и 5 бактерий в 28,3 м3
воздуха на высоте от 18 388 до 27432 м (Burch, 1967). Карди-
нальные температуры роста этих бактерий в работе не приводят-
ся; по-видимому, большая часть бактерий, выделенных из верх-
них слоев атмосферы, представляет собой наземные формы, ко-
торые могут выдерживать температуры ниже точки замерзания.
Выживание микроорганизмов при температурах ниже мини-
мальной точки роста не является прерогативой нескольких орга-
низмов. многие наземные бактерии, в том числе Е. coli, Pasteu-
rella tularensis, Flavobacterium и споры Bacillus subiilis, также
хорошо выдерживают температуры в диапазоне от —40 до
4-24°С, в то время как по мере повышения температуры от 24 до
49°С вегетативные клетки этих бактерий гибнут со все возоас-
тающей скоростью (Ehrlich, 1974).
Открытым остается вопрос, обладают ли микроорганизмы в
атмосфере метаболической активностью. В сущности, атмосфера
содержит все, что необходимо для роста и активности микроор-
ганизмов: популяции жизнеспособных бактерий, достаточные
количества влаги, а также органических и неорганических пита-
тельных веществ Низкие температуры, присущие тропосфере,
должны способствовать росту психрофилов, в первую очередь
бактерий морского происхождения (ZoBell, Conn, 1940). Грего-
ри (Gregory, 1961) предполагает, что в атмосфере существует
«биологическая зона», где микроорганизмы развиваются в обо-
гащенных органическим веществом каплях воды и даже, вероят-
но, фиксируют азот. По мнению других исследователей (Parker,
Wachtel, 1971), микроорганизмы способны расти в условиях, ха-
Низкие температуры экологические аспекты
27
рактерных для облаков; образуемые ими продукты обмена яв-
ляются одной из причин высоких концентраций органического
вещества (8 мг в 1 л) в дождевой воде Когда эти организмы
подвергаются замораживанию в снежных облаках на больших
высотах, растворимые органические вещества, включая витами-
ны, могут «выдавливаться» из клеток, возможно, в результате
процесса, противоположного осмосу. Во время дождя эти орга-
нические соединения попадают на поверхность вод и почв Роль
содержащихся в дождевой воде органических веществ в эколо-
гии окружающей среды на Земле в точности не выяснена, так же
как и их происхождение; по-видимому, эти вещества способству-
ют росту популяций бактерий и тем самым влияют на общую
продуктивность озер (Collins, 1960).
К сожалению, данные о содержании в пробах воздуха псих-
рофильных бактерий морского происхождения отсутствуют; не-
известно также, сохраняют ли морские бактерии активность в
пузырьках, попавших в воздух из морей и океанов
Итак, можно с достаточной уверенностью предположить, что
если в атмосфере имеется «биологическая зона», то присут-
ствующие в ней организмы, способные к активному метаболизму
и росту, должны быть психрофильными или психротрофными
микроорганизмами морского происхождения.
IV. ПЕЩЕРЫ
Как в областях с умеренным климатом, так и в арктических
районах встречается много подземных и обледенелых пещер, в
которых температура никогда не поднимается выше 10°С, а по-
рой лежит ниже точки замерзания воды Помимо низкой темпе-
ратуры для таких пещер характерно отсутствие света, невысокое
содержание органического вещества и относительно большая
влажность. Кроме того, в карстовых пещерах присутствует мно-
го известковых веществ. Постоянство условий в пещерах (осо-
бенно низкая температура и отсутствие света) оказало селектив-
ное действие на местную флору и фауну; примером может слу-
жить слепота рыб и летучих мышей, а также отсутствие пигмен-
тации у большинства обитающих там организмов Однако до
сих пор не удалось четко продемонстрировать, что пещерам при-
суща своя постоянно адаптированная микрофлора.
Имеется всего несколько сообщений о микрофлоре пещер, в
частности о распространении психротрофов в пещерах с неиз-
менно низкой температурой. Гуно (Gounot, 1968b, 1969, 1973а)
изучала распространение физиологических групп бактерий, раз-
личающихся своим отношением к температуре, в пещерах Арк-
тики, Лапландии, Пиренеев, Альп и Румынии; температуры в
этих пещерах колеблются от —0,8 до 5°С и мало меняются в те-
28
Глава 2
чение года. Как правило, количество бактерий, определенное ме-
тодом прямого счета колоний на чашках при 20°С, было выше,
чем при 2 и 28°С и составляло 1 • 10е—11,3-106 бактерий в 1 г
высушенной почвы по сравнению с 0,02-10е—4,3-106 бактерий в
1 г почвы при 2°С. Большинство выделенных организмов было
отнесено к родам Arthrobacter, Pseudomonas и Flavobacterium-, в
одной из пещер все 140 культур на чашках, инкубированных при
2, 20 и 28°С, принадлежали к роду Arthrobacter (Gounot, 1967;
Moiroud, Gounot, 1969). Ни один из штаммов рода Arthrobacter,
выделенных при 2°С, не рос при 28°С. Многие виды психрофилов
из почв пещер напоминали A. glaciates, выделенный из замерз-
шей почвы Муару и Гуно (Moiroud, Gounot, 1969). A. glaciates
растет в области температур от —5 до 18°С с оптимумом около
13°С (Gounot, 1973b). Однако дыхание бактерий становилось бо-
лее интенсивным с возрастанием температуры, вплоть до значе-
ний, превышающих максимальную температуру роста.
По мнению Гуно (Gounot, 1973а), психротрофный Arthrobac-
ter, выделенный из пещер, является частью постоянной местной
флоры. Она полагает, что в пещерах, где постоянно царила тем-
нота, отбор непигментированных бактерий происходил уже
очень давно, так как среди 515 изученных культур способными
к синтезу пигмента оказались лишь несколько (1%). В то же
время около 20% всех штаммов Arthrobacter, выделенных из
почвы, и даже еще большее количество представителей микро-
флоры ледников образуют пигмент (Flint, Stout, 1960). Более то-
го, в отличие от почвенных видов Arthrobacter ни один из псих-
ротрофов, выделенных из пещер, не был способен продуцировать
пигмент при культивировании с непрерывным освещением
(Gounot, 1973а).
В холодных источниках и грунте пещер карстовой области на
юге штата Индиана психрофильные бактерии не обнаружены
(Brock et al., 1973). Можно было ожидать, что там встречается
постоянная популяция микроорганизмов, оптимальные темпера-
туры роста и активности которой совпадают с температурами пе-
щер in situ, лежащими в области от 10 до 12°С (температура ис-
точников в пещерах колеблется от 5,5 до 15°С). Однако эти ожи-
дания не оправдались, и удалось выделить лишь психротрофную
микрофлору с оптимальной температурой роста от 25 до 30°С.
Поглощение 14С-ацетата бактериями пещер, развивавшимися
на погруженных в источники покровных стеклах, было опти-
мальным также при температурах от 25 до 30°С. По мнению
Брока и др. (Brock et al., 1973) , психротрофы, обитающие в ис-
точниках изучавшихся пещер, попали туда, по-видимому, из вод
или почв, находящихся снаружи от пещер. Как известно, эти пе-
щеры возникли во время отступления висконсинских льдов от
Индианы около 20 000 лет назад; этого времени возможно ока-
Низкие температуры: экологические аспекты
29
залось, недостаточно для того, чтобы психрофильные бактерии
успели эволюционировать и обособиться как специализирован-
ная группа, тем более что время генерации непсихрофильных
бактерий при столь низких температурах могло исчисляться не-
сколькими днями. Однако температура пещер' (10—12°С) на 5—
10 градусов выше постоянно низких температур тех местообита-
ний, где обычно встречаются истинные психрофилы; как прави-
ло, большинство организмов развивается при температурах по
крайней мере на 10°С выше, чем температуры в пещерах in situ,
особенно в условиях с постоянной температурой (Braarud, 1961;
ZoBell, 1962). Вот почему вряд ли можно надеяться встретить
истинных психрофилов там, где температура выше 5°С.
Хотя бактерии и распространены в замерзших пещерах, их
активность, а также характер физиологических процессов in situ,
в том числе источники энергии, трансформация субстратов и т. д.,
до сих пор остаются неизвестными. Некоторые авторы высказа-
ли предположение, что пещеры могут служить подходящим мес-
тообитанием для хемоавтотрофов (Coumadin, 1963; Gounot,
1973а); до сих пор не удалось обнаружить там организмы, спо-
собные к автотрофному росту. Не исключено, что в пещерах су-
ществуют бактерии, разрушающие силикатные горные породы
и способные к фиксации молекулярного азота, например сход-
ные с одним из описанных видов Arthrobacter (Smyk, Ettlinger,
1963). Свитинг (Sweeting, 1973) считает, что «молочный» налет
на полу, стенах и в расщелинах обледенелых и незамерзших кар-
стовых пещер может быть вызван разложением известняка под
действием микроорганизмов, приводящим к образованию мик-
роскопических зерен кальцита. Какими бы ни были в физиоло-
гическом отношении группы микроорганизмов, обитающих в за-
мерзших пещерах, они должны либо довольствоваться чрезвы-
чайно низкими концентрациями органических питательных ве-
ществ, либо использовать высокоспецифичные ферменты и (или)
метаболиты для того, чтобы осуществлять автотрофные про-
цессы в присутствии незначительных количеств тех неорганиче-
ских питательных веществ, которые нередко встречаются толь-
ко в твердом состоянии.
V. ПРЕСНЫЕ ВОДЫ
К пресным водам относятся озера, пруды, реки, потоки и
ручьи. Впрочем, было бы неверно считать все перечисленные
местообитания пресноводными, так как известно много исклю-
чений. Существует целый ряд не соединенных с морем, но тем не
менее соленых озер и прудов, а также участки солоноватой и яв-
но соленой воды в реках и потоках недалеко от тех мест, где они
впадают в море. Ради удобства в этом разделе мы рассмотрим
30
Глава 2
водоемы, не обязанные своим происхождением морю и не свя-
занные с ним непосредственно, в том числе соленые пруды и озе-
ра с постоянно или сезонно низкой температурой. Далее, основ-
ное внимание будет сосредоточено на прудах и озерах, так как
мы пока располагаем весьма незначительными данными о рас-
пространении, активности и таксономии психрофильных и пси-
хротрофных бактерий в проточных водах.
Солнечная радиация служит основным источником тепла
для озер, температура воды в которых меняется в соответствии с
местными климатическими условиями. В районах с умеренным
климатом озера летом характеризуются, как правило, опреде-
ленным температурным термоклином с наиболее высокой тем-
пературой у поверхности. Толщина верхнего слоя, известного
под названием эпилимниона, зависит от атмосферных условий и
распределения тепла под действием ветра. Под термоклином
находится слой гиполимниона, температура которого редко под-
нимается выше 4°С в любое время года. Термоклин выступает
в роли барьера между эпилимнионом и гиполимнионом. Иногда
ранней весной температура воды во всем озере независимо от
глубины составляет приблизительно 4°С.
В отличие от озер в районах с умеренным климатом тропиче-
ские озера нередко имеют одинаковую температуру воды у по-
верхности и около дна. В тропиках температура воды в озерах
определяется высокой температурой атмосферы, которая мало
меняется в течение года. Температура полярных и альпийских
озер не поднимается обычно выше 4°С в продолжение всего го-
да; эти озера либо постоянно, либо только зимой покрыты льдом.
Самые высокие температуры и максимальная фотосинтетическая
активность наблюдаются сразу подо льдом, где температура во-
ды летом может подняться до 4°С.
Очевидно, активность микроорганизмов гетеротрофного типа
в полярных и альпийских озерах обусловлена деятельностью
психрофильных бактерий. В озерах, расположенных в районах с
умеренным климатом, процессы минерализации под действием
микроорганизмов в водном слое под термоклином или в придон-
ном грунте протекают при температурах около 4°С. Летом ак-
тивность микрофлоры в эпилимнионе связана, по-видимому, с
психротрофными или мезофильными микроорганизмами, так как
температура воды в поверхностном слое нередко достигает 25°С
и даже выше.
Можно с уверенностью сказать, что основная роль бактерий в
пресных водах заключается в разложении органических частиц,
в том числе планктонных организмов, круговороте питательных
веществ, синтезе витаминов и других факторов роста; кроме то-
го, бактерии служат источником питания для других организмов
трофических цепей. Как правило, наибольшая численность бак-
Низкие температуры: экологические аспекты
31
терий и наивысшая активность гетеротрофов наблюдаются вско-
ре после того, как развитие водорослей достигает максимума.
Распространение бактерий в озерах не всегда находится в пря-
мой зависимости от роста водорослей, поскольку иногда большее
значение имеют другие факторы, например температура, осо-
бенно в полярных озерах. Так, было установлено, что в озерах с
высокой концентрацией питательных веществ численность бакте-
риальных популяций опрёделяется в первую очередь температу-
рой, pH и концентрацией растворенного кислорода, тогда как в
озерах с низким уровнем питательных веществ главную роль иг-
рают содержание органических частиц, pH и дождевые осадки
(Jones, 1971). Во всех случаях бактериальная активность прояв-
лялась и после окончания цветения водорослей осенью, причем
разложение органических частиц осуществлялось в основном в
гиполимнионе или грунте при температуре ниже 5°С.
В озерах встречаются представители тех же основных родов
бактерий, что и в соленых морских водах. Шире всего распро-
странены грамотрицательные подвижные и неподвижные палоч-
ковидные организмы, относящиеся к родам Pseudomonas, Vibrio,
Flavobacterium, Acinetobacter, Moraxella, а также различные
миксобактерии; иногда попадаются типичные грамположитель-
ные почвенные организмы (Klein, 1962; Jones, 1971; Tilzer,
1972). Бактерии, выделенные из грунта арктических озер, оказа-
лись психротрофными или мезофильными; 65% изученных бак-
терий росли лучше при 30°С, чем при 5°С, и только незначитель-
ная часть представителей (1%) совсем не росла при 30°С
(Christensen, 1974). Большая часть бактерий из озерных осадков
была представлена грамотрицательными палочками, а 40—50%
принадлежали к роду Cyiophaga. Многие из них хорошо приспо-
собились к жизни в озерах с низким содержанием питательных
веществ и высокой концентрацией солей при температурах око-
ло точки замерзания. Рао и Дутка (Rao, Dutka, 1974) обнаружи-
ли, например, что Flavobacterium sp., наиболее широко распро-
страненный в озерах Онтарио и Верхнем, характеризуется
большим поглощением кислорода нри 0°С, чем при 20°С (темпе-
ратура выделения). Было установлено, что величина отдельных
популяций бактерий, образующих протеазу, амилазу и липазу,
подвержена в озерах сезонным колебаниям (Jones, 1971). Их
численность зависела, однако, не столько от температуры, сколь-
ко от содержания специфических субстратов.
Распространение и активность микроорганизмов в озерах,
реках и потоках стали в последние годы предметом многочислен-
ных исследований главным образом благодаря развитию мето-
дов прямого учета количества бактерий (Zimmerman; Меуег-
Reil, 1974; Daley, Hobbie, 1975) и оценки активности гетеротро-
фов (Wright, Hobbie, 1966; Hobbie, Crawford, 1969). Раньше о
32
Глава 2
бактериальной биомассе судили исключительно по результатам
счета колоний на чашках; при этом среды и методики не были
стандартизованы и при инкубации не учитывались те температу-
ры, значения pH, концентрации солей и т. п., которые могут
иметь место in situ. Вот почему функциональный смысл цифро-
вых данных, полученных методами счета колоний на чашках,
ускользал от понимания. Как правило, численность бактерий,
определенная счетом колоний на чашках, не коррелировала с
микробной активностью in situ, хотя наиболее продуктивные озе-
ра отличались самыми многочисленными популяциями бактерий
и максимальными скоростями микробной активности. Была, од-
нако, найдена четкая взаимосвязь между количеством бактерий,
установленным методом прямого счета, и максимальной ско-
ростью поглощения глюкозы (КШах) в озере Чар (Morgan, Kalff,
1972). Очевидно, многие гетеротрофные бактерии, проявляющие
активность в озерах и других водоемах, методами счета колоний
на чашках не учитываются. Эти организмы, особенно в придон-
ных отложениях, а также в водном слое под термоклином, актив-
ны и при температурах ниже 4°С.
Озера принято подразделять на различные трофические типы
в зависимости от уровня первичной продуктивности. Фотосинте-
тическая активность в олиготрофных озерах составляет от 30 до
100 мг С на 1 м2 в день, а в мезотрофных озерах — от 300 до
1000 мг С на 1 м2 в день; в эвтрофных озерах продуктивность
планктона может достигать от 1500 до 3000 мг С на 1 м2 в день
(последняя цифра относится к загрязненным озерам) (Rodhe,
1969). Максимальная скорость поглощения глюкозы гетеротроф-
ными бактериями также может служить ярким показателем при
определении трофической характеристики озер. Как правило,
Vmax В олиготрофных озерах составляет от 10~2 до 10-3 мкг глю-
козы и больше на 1 л в 1 ч, а в эвтрофных озерах — от 10 до
100 мкг глюкозы и больше на 1 л в час (Morgan, Kalff, 1972;
Burnison, Morita, 1974). По этой классификации большинство
арктических и антарктических озер, особенно в сухих районах,
следует считать олиготрофными (Kalff, 1970; Goldman, 1970).
Большинство арктических озер называют «ультраолиготрофны-
ми», так как они менее продуктивны, чем большинство олиго-
трофных озер в северных районах с умеренным климатом (Kalff,
1970). Низкая продуктивность в полярных озерах объясняется,
по-видимому, недостатком питательных веществ, а не постоянно
низкой температурой воды или коротким периодом размножения
фитопланктона, характерными для этих условий. Действитель-
но, наивысшая фотосинтетическая активность и кратчайшее вре-
мя размножения планктона в некоторых озерах были отмечены
при температуре воды около 0°С (Hobbie, 1964; Kalff, 1970). Ко-
нечно, температура должна быть самым важным фактором для
Низкие температуры: экологические аспекты
•33
тех замерзающих на зиму антарктических озер, в которых тол-
щина льда препятствует проникновению света.
В табл. 2.1 приведены опубликованные данные о численности
бактерий и их активности (гетеротрофный потенциал) в различ-
ных арктических и альпийских озерах, а также в тех озерах, ко-
торые на зиму покрываются льдом. При этом величина Vmax
варьирует от очень большого значения, характерного для таких
эвтрофных озер, как Меретта, Лотсйон, Марион и Верхнее Кла-
матское, до низкого значения, типичного для ярко выраженных
олиготрофных озера Чар и Лапландских озер. Следует подчерк-
нуть, что и в этом случае при дифференциации между озерами,
заметно различающимися между собой по активности гетеро-
трофной микрофлоры, температура часто не играет столь важ-
ную роль, как прочие физические или химические факторы (Jo-
nes, 1971). Тем не менее в ряде случаев температура имеет до-
вольно большое значение, например для мелких эвтрофных озер,
расположенных в районах с умеренным климатом. Так, в одном
из эвтрофных озер поглощение глюкозы бактериями менялось в
течение года от 0,1 до 15 мкг глюкозы на 1 л в час (Allen, 1969).
Далее, Томпсон и Гамильтон (Thompson, Hamilton, 1973) пока-
зали, что кругооборот сахарозы в озере, обогащаемом 5,54 г уг-
лерода сахарозы на 1 м2 в год, составлял от 2 до 15 ч в период
с июля по октябрь и 55 ч в период с октября по январь, когда
температура падала ниже 2°С. В некоторых эвтрофных озерах,
например в озере Вингра, распространены представители только
одной из выделяемых по температурным характеристикам групп
бактерий (Boylen, Brock, 1973).
В тех случаях, когда за показатель микробной активности в
озере принимают гетеротрофную активность в столбе воды (это
прежде всего относится к скоростям превращения веществ), сле-
дует учитывать вероятность того, что большая часть вторичной
микробной продуктивности и минерализации связана с придон-
ными отложениями. Сообщалось, например, что в 1 г придонных
осадков (сухой вес) содержится от 107 до 108 бактерий и что ми-
нерализация глюкозы протекает в 24 раза быстрее в 1 см2 верх-
него слоя осадков по сравнению с 1 см2 прилегающего к нему
слоя воды (Harrison et al., 1971). Кроме того, кругооборот глю-
козы в придонных осадках занимает в 100 раз меньше времени,
чем в слое воды над осадками. По-видимому, аналогичные ре-
зультаты будут получены при исследовании различных озер.
Антарктический континент содержит очень мало жидкой во-
ды. Во время короткого антарктического лета некоторые озера,
расположенные недалеко от моря, могут полностью или частич-
но оттаивать. Напротив, большинство антарктических озер, ле-
жащих в глубине континента, особенно среди сухих долин, круг-
лый год остаются замерзшими до самого дна. В некоторых из та-
Таблица 2.1
Численность и активность бактерий в некоторых арктических и альпийских озерах,
а также в озерах, покрытых зимой льдом
Озеро Количество бактерий Vn,ax- мкг.л-.ч- Кругооборот, ч Продуктивность фитопланктона, мг С м"г-сут-1 Источник данных
Чар (арктическое) Меретта (арктическое) Вордерер, Финстерталер (альпийское, покрыто снегом и льдом 8 мес в году) 0,1-108 — 2. 108 л"1 2 • 108 — 80 • 108 л-1 2 • 108 — 8 • 108 л"1 1 • 103—8 • 10-3 (глюкоза) 0,1-10-1—7,5-10-’ (глю- коза) Отношение числа бакте- рий к количеству фито- планктона , зимой — 3:1 летом —0,03:1 43—1700 5—175 25 125 1,8 Morgan, Kalff, 1972 Morgan, Kalff, 1972 Tilzer, 1972
Лотсйои, Швеция Зимой 0,4—0,6 Ацетат, зимой—3,3-10_1—8,7-10- летом — 80 • 10 1 4—22 0,5 Allen, 1968
Шесть Лапландских озер (покрыты снегом и льдом почти весь год) 1 - 10"3 —2 • Ю'3 (глю- коза) — 50 Rodhe et al., 1966; Hobbie, Wright, 1968
Эркен (покрыто льдом) Зимой 50-10е л-1 (тем- пература ниже 4°С) Вода под льдом; пробы, взятые зимой 2,3-10-2—4,5-10~2 (глю- коза) 1,9-Ю"2—5,4-10-2 (аце- тат) садков: 10' — 44 • 105 1Q5 — 70 • 10s 60—100 200—430 500 Rodhe et al., 1966; Wright, Hobbie, 1965, 1966; Hob- bie, Wright, 1968
Вингра, Висконсин (зи- мой покрыто льдом) Число бактерий • г“1 с счет при 4°С— 0,7 • счет при 20°С — 0,7 • Оптимальное поглощение i’C-глюкозы зимней популя- цией происходит при 25°С Boylen, Brock, 1973
Марион, Канада Число бактерий в 1 см Vmax (мкг С • г“1 осадков-ч-1) 31 Hall et al., 1972; Hall, Hyatt, 1974
осадков Глицин Ацетат Глюкоза
зимой (температура < 3°С) 5-104 0,1—0,5 3—5 1—3
летом (температура <10°С) 2-10» 2—3 40—50 10—20
Западное Голубое, Мани- тоба (зимой покрыто льдом) Число бактерий мл-1 на различных субстратах1 а) сукцинат б) пируват в) фумарат г) малат д) лактат е) ацетат ж) цитрат з) гликолат и) полная среда 24,6 21,7 13,1 12,0 6,0 5,8 2,4 2,1 92,4 2,8-10—2 7,7-Ю“2 4,8-Ю-2 3,6-10"2 1,2-Ю"1 3,Ы0"2 8,0-Ю"3 9,0-10~3 33 300 50 8 303 416 100 950 18—17 (только летом) Robinson et 1973; Ward, binson, 1974 al., Ro-
Верхнее Кламатское (эв- трофное; зимой покрыто льдом) Пробы взяты только в феврале при 5°С а) глутамат б) аспартат в) аспарагин г) лизин д) пролин е) аланин 4—6 4—5 5 2 >5 2—3 10—15 5—15 20—40 10—15 25—135 20—60 Данных нет Burnison, Morita, 1974
Число бактерий • мл-1 при 2°С Boyd, Boyd, 1967
Доломит Шелл Грейвел-Пит Хоспитал Утиное Твин Бут Скрытое 65 290 85 ПО 83 93 60 240
1 Каждая цифра представляет собой среднее значение из 4-х среда — это среда для выращивания Cytophaga (Anderson, О г dal. определений, которые были проведены с пробами, взятыми в разное время. Полная
36
Глава 2
ких озер, например озерах Ванда и Бонни, придонный (как пра-
вило, солоноватый) слой воды не замерзает (Goldman et aL,
1972). Микробиологическая и фотосинтетическая активность в
таких озерах была обнаружена сразу под ледяным покровом
(Goldman, 1970). Постоянно замерзшие озера отличаются тем,
что в них нет рыб и зоопланктона, а также отсутствует циркуля-
ция воды (поскольку нет влияния ветра); в результате создается
обратная температурная стратификация, как, например, в озере
Ванда, где температура придонных слоев достигает 25°С (Gold-
man et al., 1967). В табл. 2.2 приведены физические, химические
и бактериологические характеристики трех антарктических озер,
два из которых весь год остаются в замерзшем состоянии. Озе-
ра Бонни и Ванда исключительно прозрачны; коэффициенты экс-
тинкции составляют всего 0,031 для синего света в озере Ванда
и 0,069 для зеленого свёта в озере Бонни (Goldman et aL, 1967).
Свет проникает через ледяной слой до самого дна обоих озер.
Температура и Соленость в этих двух озерах возрастают с глу-
биной. Фотосинтетическая активность характерна в основном
для слоя, лежащего под самым ледяным покровом, однако пер-
вичная продуктивность очень невелика: порядка 30 мг С на 1 м2
в сутки. В этом отношении озера Ванда и Бонни отличаются от
некоторых других антарктических озер, расположенных вблизи
мыса Ивенс, таких, как Скуа, Алга и Прибрежное, в которых
фотосинтетическая активность достигает 1900 мг С на 1 м2 в сут-
ки (Goldman, 1970; Goldman et al., 1972). К сожалению, несмот-
ря на довольно высокую продуктивность этих озер, они до сих
пор ни разу не были объектом исследований микробиологов.
Сведения о численности и активности бактерий в озере Бонни
довольно противоречивы. Куб и Лейстер (Koob, Leister, 1972)
обнаружили четкое распределение бактериальных популяций по
вертикали с наибольшей плотностью (6-105 в 1 л) на глубине от
8 до 9 м и от 12 до 15 м. Температура воды на этих глубинах ко-
лебалась от —2 (под слоем льда) до 7°С. Максимальная фото-
синтетическая активность зарегистрирована на глубине от 5 до
10 м, т. е. там же, где происходило наиболее интенсивное погло-
щение 14С-ацетата гетеротрофными бактериями. Бенуа и др.
(Benoit et aL, 1971) методом счета на чашках при 0°С обнаружи-
ли наибольшее количество бактерий (свыше 400 в 1 мл) в слое
воды на глубине 5 м под ледяным покровом. Несколько более
высокие цифры были получены при использовании почвенного
экстракта без добавления солей по сравнению со средой, содер-
жащей те же соли и в той же концентрации, что и в придонном
слое воды озера Бонни, тогда как рост на агаре с морской водой
отсутствовал. Значительно более высокая численность была от-
мечена при использовании методов прямого счета, позволяющих
обнаруживать как живые, так и погибшие клетки (Goldman et
Численность и активность микроорганизмов в трех антарктических озерах
Таблица 2.2
Озера и их характеристика Первичная продуктив- ность, мг См“2сут“1 Количество бактерий Температура выделения, °C Микробная активность Источник данных
Бонни (глубина 32 м; весь год покрыто льдом; температура от —2 до 7°С; самая высокая температура на глу- бине 15 м; соленость 0,25%наглу- бине 11 м, 21,7% на глубине30м; в основном содержатся NaCl и MgCl2) 31 Высокая концентрация под самой зоной фотосинтетической актив- ности (20м); от 1,2-10® до 103 и меньше в 1 мл на глубине 30 м Весной 0—400 в 1 мл; летом 3—460 в 1 мл; число бактерий убывает с глубиной Различающиеся по вертикали по- Прямой счет Счет на чаш- ках при 0°С Счет на чаш- Максимальная актив- Goldman et al; 1967; • Goldman, 1970 Benoit et al., 1971 Koob, Leis-
Ванда 29 пуляции на глубинах 4,6, 8—9, 12 и 15—16 м; 102—103 в 1 мл Зоны с высоким содержанием бак- ках при 4°С ность с 14С-ацетатом: 15-Ю3 имп/мин (5 м); уменьшается с глубиной Активность с 14С-глю- ter, 1972 Goldman et
(глубина 60 м; весь год покрыто льдом; температура от 0°С на по- верхности до 24,2°С на глубине 60м (ловушка солнечных лучей); соленость 12%, 10% СаС12) Дон Жуан Фотосинте- терий не найдены; летом 0,4 • 103— —1 • 103 сине-зеленых водорослей в 1 мл Летом на поверхности воды 210 в 1 мл, на глубине 30 м — 5 в 1 мл, на глубине 40—50 м — 175—180 в 1 мл; на дне бакте- рии не найдены Bacillus, Micrococcus, Corynebac- Счет на чаш- ках при 0°С Выделенные козой: 180 имп/мин на глубине 10 м; на по- верхности активность не обнаружена культуры росли и при al., 1967 Benoit etal., 1971 Meyer et al.,
(глубина 11 см; льдом не покрыто; за нет terium и один вид дрожжей 0 и при 25 С; хорошо росли на пи- 1962
температура от —24 до —3°С; со- леность 47,4%, в основном содер- жится СаС12) Вода озера, по-видимому, токсич- на: при разведении 10-2 выросло 3 организма, а при разведении 10-3—90; из всех организмов об- наружен только A. parvulus тательной среде, приготовленной на воде из этого озера, особенно при низких температурах Счет на чашках при 20°С Cameron et al., 1972a
38
Глава 2
al., 1972). Впрочем, не исключено, что на большой глубине оби-
тают необычные микроорганизмы, которые до сих пор не удава-
лось выделить (Benoit et al., 1971); именно эти микроорганизмы
могут служить причиной высокого уровня фиксации углерода,
достигающего 0,7 мг С на 1 м2 в час на глубине 15 м (Koob, Leis-
ter, 1972). Все, что мы пока знаем о бактериальном составе озера
Бонни, ограничивается данными, полученными Бенуа и соавто-
рами; они установили, что большинство организмов, выделен-
ных на глубине от 10 до 15 м, представляет собой дрожжи ро-
дов Candida и Cryptococcus (Benoit et al., 1971). До сих пор ни-
кто не изучал область температур, необходимых для роста и ак-
тивности бактерий из озера Бонни.
В отличие от озера Бонни озеро Ванда глубже (60 м) и тем-
пература в нем еще быстрее возрастает с глубиной, доходя почти
до 25°С. По-видимому, озеро Ванда концентрирует солнечное
тепло, так как геотермальная активность в нем не обнаружена
(Wilson et al., 1974). Методом счета на чашках при 0°С было за-
регистрировано свыше 300 бактерий в 1 мл воды сразу под слоем
льда (Benoit et al., 1971). Количество бактерий уменьшалось с
возрастанием глубины до 5 в 1 мл (30 м), а на глубине от 40 до
50 м опять увеличивалось до 175—180 в 1 мл. На этой глубине
температура воды не превышала 10°С. Глубже 50 м температура
воды резко поднималась до 25°С, а содержание кислорода умень-
шалось. На глубине свыше 50 м в воде содержалось очень много
сульфатов (7000 мг/л) (Benoit et aL, 1971); тем не менее никто
не попытался выделить сульфатредуцирующие микроорганизмы
из глубоководных слоев или придонных осадков. Такие бактерии
были обнаружены в некоторых других антарктических водое-
мах (Benoit, Hall, 1970), a Desulfovibrio был выделен из анаэ-
робных осадков антарктических котловинных озер с высоким со-
держанием солей (13%) и постоянно низкими температурами
(от —51 до 4,5°С) (Barghoorn, Nichols, 1961). Сульфатредуци-
рующие организмы росли и при 5, и при 25°С. Вполне вероятно,
что эти организмы, а также, может быть, метановые бактерии
являются важными экологическими компонентами в озерах, ко-
торые весь год покрыты льдом и отличаются анаэробными усло-
виями на глубине ниже обратного термоклина. Это особенно ин-
тересно ввиду того, что газовые пузырьки, выделяющиеся в ре-
зультате анаэробных процессов, могут быть единственным спосо-
бом, при помощи которого питательные вещества переносятся со
дна в поверхностный слой, где идет фотосинтез. Вместе с тем пи-
тательные вещества, возникающие при бактериальном разложе-
нии, могут откладываться в придонном слое, по крайней мере в
озере Ванда; этим может объясняться довольно высокая фото-
синтетическая активность на глубине от 50 до 60 м (Goldman et
al., 1967). Планктон в этом водном слое отличается от популяции
Низкие температуры: экологические аспекты
39
микроорганизмов на поверхности и представлен сферическими
сине-зелеными водорослями. Авторы, проводившие исследования
в озере Ванда, полагают, что фотосинтетическая активность на
этой глубине обусловлена более высокими температурами, бла-
гоприятствующими росту.
По-видимому, лимитирующим питательным компонентом в
озерах, постоянно покрытых льдом, служит азот, поскольку ге-
теротрофное поглощение ацетата в озере Ванда становилось бо-
лее или менее значительным только после добавления к воде ис-
точника азота (Goldman et al., 1967). При выделении бактерий
из озера Ванда было показано, что летом, когда определяли по-
глощение ацетата, азот играл роль лимитирующего фактора в
силу довольно высокой фотосинтетической активности. Зимой же
бактерии постоянно получают азот благодаря разложению во-
дорослей. Правда, зимой азота тоже нехватает, и его фиксация
должна осуществляться либо сине-зелеными водорослями (Bunt,
1971), либо бактериями. Источник молекулярного азота пока не-
известен, не ясно также, происходит ли газообмен через ледяной
покров.
В Антарктике известно несколько озер и прудов с высоким
содержанием солей. Особый интерес представляет озеро Дон
Жуан с очень большой концентрацией солей (около 45% СаС12),
которое из-за этого замерзает только при температурах ниже
— 48°С (Meyer et al., 1962). Фотосинтетическая активность в озе-
ре отсутствует, и из живых организмов в нем были обнаружены
лишь бактерии и дрожжи. Все микроорганизмы, выделенные из
озера Дон Жуан, оказались факультативными галофилами, рас-
тущими на средах, которые приготовлены на воде из этого озера
или на дистиллированной воде (Meyer et al., 1962). Выделенные
из озера Micrococcus, Bacillus и Corynebacterium spp. росли как
при 0°С, так и при 25°С, причем все они росли лучше при 0°С, ес-
ли среда была приготовлена на воде из озера Дон Жуан. Орга-
низмы из этого озера отличались от микрофлоры озер Бонни и
Ванда; Мейер и др. (Meyer et al., 1962) не смогли обнаружить ни
одного микроорганизма в озере Ванда на глубине свыше 60 м.
Камерон и др. (Cameron et al., 1972а) нашли в воде озера Дон
Жуан только один вид бактерий, Achromobacter parvalus; они
считают, что соленая вода токсична для микроорганизмов, по-
скольку при разведении 10~3 был получен более высокий счет
на чашках, чем при более низких разведениях. Эти авторы пола-
гают, что A. parvalus не проявляет активности в воде озера; тем
не менее они не пытались выделить организмы на среде, приго-
товленной на воде из этого озера, при температурах (от 0 до
—3°С) и pH (от 8 до 5,4), которые наблюдаются in situ. Мейер
и др. (Meyer et al., 1962) установили, что факультативные гало-
фильные психротрофы способны расти в воде озера Дон Жуан
40
Глава 2
при добавлении к ней питательных веществ. Правда, неизвестно,
могут ли эти микроорганизмы расти в воде озера in situ, тем бо-
лее что содержание органического углерода там оказалось очень
низким (0,03%) (Cameron et al., 1972а). Озеро Дон Жуан рас-
сматривается также в гл. 8, написанной Кашнером.
VI. РЕКИ и потоки
Численность и активность микроорганизмов, встречающихся
в реках, потоках и ручьях при температурах ниже 5°С, изучены
очень мало. Конечно, психрофильные микроорганизмы, обитаю-
щие в почвах полярных районов, а также областей с умеренным
климатом, могут быть выделены и из рек и потоков. Однако дан-
ные о численности и активности истинной психрофильной микро-
флоры в реках и потоках отсутствуют. Некоторым исследовате-
Таблица 2.3
Численность психрофильных и психротрофных микроорганизмов
в реках, потоках и ручьях
Тип водного местообита- ния и его географическое расположение Число организмов и температура выделения Источник данных
Река, штат Вашингтон Поток, штат Вашинг- 0°С, бактерии-мл 1 4-Ю2—12-Ю2 7-Ю2—87-Ю2 20°С, бактерии-мл i 1-Ю2—3,8-Ю2 3,6-103—24-103 Stokes, Redmond, 1966
ТОН Река Миссисипи ил: зимой летом Счет при 0°С 10 г-1 10 г-1 Счет при 20°С 1,2-10е г"1 6,9-10* г-i Larkin, 1970
вода: ЗИМОЙ летом 0 мл_1 1,310s мл-1 9-10* мл-1 1,5- 10е мл-i
Ручей Уайт-Клей, штат Пенсильвания ил камни и гравий вода Зимой (0—10°С) 17,5±9,9-106 г-1 50,2±23,5-10е см’2 6,8±2,7-103 мл-1 Летом (14—19°С) 15,7±5,8- 10е г-1 11,9±4,8-10* г"* 13,9±4-103 мл-1 Bott, 1975
Источники воды (ко- лодцы и ручьи) нехлорированные Хлорированные Счет при 3°С 360 21 Счет при 30°С 690 510 Druce, Thomas, 1970
Вода трех рек (Фран- ция) Речные осадки Отта- ва, Канада Счет при 4°С 0,Ы0«—2,6-10* мл"1 0,Ы07—3,5-Ю7 г-1 Breuil, Gounot, 1972
Низкие температуры: экологические аспекты
41
лям удалось выделить бактерии и грибы из рек и потоков при
температурах от 0 до 3°С (табл. 2.3). Совершенно очевидно, что
бактерии, способные расти при температурах ниже 3°С, могут
быть найдены, по-видимому, в любом водоеме, расположенном в
альпийских или полярных районах, а также в областях с умерен-
ным климатом. Однако в проведенных исследованиях не было
сделано попытки установить область температур роста, и поэто-
му организмы, выделенные при 0°С, нельзя с уверенностью счи-
тать истинными психрофилами согласно определению Мориты
(Morita, 1975). Стокс и Редмонд (Stokes, Redmond, 1966) отно-
сят к психротрофам 16—47% бактерий из рек и потоков штата
Вашингтон, так как эти организмы растут при 0°С. Бот (Bott,
1975) не обнаружил истинных психрофилов в небольшом источ-
нике, но обитающая там бактериальная популяция зимой имела
более низкую оптимальную температуру поглощения 14С-глюко-
зы, чем летом. Напротив, в речной воде была найдена устойчи-
вая, хорошо адаптированная популяция бактерий, которая раз-
множалась почти с одной и той же скоростью в области темпера-
тур от 8 до 26°С (Ziekus, Brock, 1972). Кроме того, бактерии, вы-
деленные из некоторых озер, лежащих в областях с умеренным
климатом, также были хорошо адаптированы к сезонным коле-
баниям температуры: они росли и использовали растворенные
питательные вещества почти с одинаковой скоростью в течение
всего года (Boylen, Brock, 1973; Rao, Dutka, 1974).
В общем наибольшее количество бактерий наблюдается в
озерах во время теплого сезона, и обычно этот период совпада-
ет с цветением водорослей. Численность психрофилов или пси-
хротрофов в воде или иле ручья Уайт-Клей почти не менялась
на протяжении года (Bott, 1975). Напротив, в реке Миссисипи
организмов, растущих при 0 и 30°С, было найдено гораздо боль-
ше зимой, чем летом (Larkin, 1970). Из ила этой реки ни разу
в течение года не удалось выделить микроорганизмы, растущие,
при 0°С, хотя при 30°С там было обнаружено свыше 106 бакте-
рий в 1 г ила.
При изучении скоростей роста бактерий in situ в потоке зи-
мой (при температурах от 0 до 5°С) оказалось, что время гене-
рации как одноклеточных, так и нитчатых организмов заметно
увеличивалось с уменьшением температуры (Bott, 1975). Время
генерации определялось с помощью метода погруженных
покровных стекол; для внесения поправок на скорость прикреп-
ления микроорганизмов к стеклам одну серию стекол периоди-
чески облучали ультрафиолетовым светом, чтобы предотвра-
тить деление прикрепившихся организмов. Полученные резуль-
таты приведены в табл. 2.4, из которой хорошо видно, что ско-
рость микробного роста в потоке зависит от температуры. Во всех
случаях время генерации как одноклеточных, так и нитчатых
42
Глава 2
форм летом (16—21°С) было в 8—20 раз меньше, чем зимой.
Такое значительное сокращение времени генерации речных мик-
роорганизмов с увеличением температуры довольно удивитель-
но, так как оптимальная температура поглощения 14С-глюкозы
выделенными бактериями была зимой ниже, чем летом. Во всех
случаях организмы, обитающие в потоках, оказались оптималь-
но адаптированными не к температурам их местообитания, а к
температурам, на 5—20°С превышающим температуру in situ
(Bott, 1975).
Таблица 2.4
Влияние сезонных колебаний температуры на
время генерации одноклеточных и нитчатых
бактерий in situ в ручье Уайт-Клей (Bott, 1975)
Время года и область температур Время генерации бактерий, ч
одноклеточных нитчатых
Зима 0—5°С Перекат 48 42
Заводь 58 45
Весна 8—20°С Перекат 11,5 9,6
Заводь 10,8 8,4
Лето 16,5—21°С Перекат 4,8 4,0
Заводь 7,0 2,8
Зимой содержание растворенного кислорода в покрытых
льдом реках арктических и более южных районов резко умень-
шается в результате бактериальной активности, проявляющейся
при температурах около нуля (Schallock et al., 1970). Количест-
во бактерий в реках Аляски, определенное методом счета на
чашках при низких температурах, составляет обычно 104—106
бактерий в 1 мл (Gordon, 1970). В реке Чина на Аляске было об-
наружено от 550 до 9000 бактерий в 1 мл (Gordon, 1970). Все
изученные культуры росли при 0, 5 и 10°С, но не при более высо-
ких температурах. При температурах ниже 10°С активность ус-
воения органических субстратов этой микрофлорой была доволь-
но высока.
Хотя мы и не располагаем достаточно подробными данными
относительно активности психрофильных и психротрофных мик-
роорганизмов в реках и потоках, присутствие там активной мик-
рофлоры не вызывает сомнений. Разложение органического ве-
Низкие температуры: экологические аспекты
43
щества растительного и почвенного происхождения, особенно в
горных реках и потоках, является результатом микробной актив-
ности, проявляющейся нередко при температурах ниже 5°С
(Kaushik, Hynes, 1968, 1971). Установлено, например, что суще-
ственным, а может быть, и наиболее важным источником энер-
гии в потоках служит аллохтонный детрит, образующийся преж-
де всего из опавших листьев (Teal, 1957; Peterson, Cummins,
1974). Известно также, что опавшие листья разлагаются в по-
токах под действием бактерий и грибов, причем нередко живот-
ные получают питательные вещества не из самих листьев, а от
разлагающих их микроорганизмов (Mackay, Kalff, 1973; Triska,
1970; Cummins et al., 1972, 1973). Скорость разложения листьев
в лесном потоке, температура воды которого колебалась осенью
и зимой от 0,1 до 11°С, составляла от 0,5 до 2% в сутки (Peter-
son, Cummins, 1974). Скорость разложения листьев микроорга-
низмами зависела от типа листьев, а не от сезонных колебаний
температуры. Кроме того, интенсивность дыхания микроорганиз-
мов на поверхности листьев составляла от 0,02 до 7,0 мкл Ог на
1 мг обеззоленного и высушенного материала в час. Максималь-
ная активность (7,0 мкл Ог) была зарегистрирована на листьях
гикори при 5°С. Значительная микробная активность наблюда-
лась даже при температурах около точки замерзания. В лесном
ручье, температура воды которого колебалась в течение года от
0 до 22°С, максимальная интенсивность дыхания бактерий на
листьях была отмечена летом, в то время как зимой основными
микроорганизмами, разлагающими листья, были грибы (Triska,
1970). Разложение целлюлозы in situ в быстрых потоках шот-
ландских возвышенностей занимало от 12 до 40 нед (Egglishaw,
1972). Хотя температура, при которой осуществлялся этот про-
цесс, в работе и не указана, но если учесть географическое рас-
положение этих потоков, то можно предположить, что она не
превышала 5°С.
Распространение психрофильных и психротрофных бактерий
в родниках и колодцах представляет особый интерес в связи с
изучением источников загрязнения молочных и других пищевых
продуктов психротрофными организмами (Dempster, 1968).
В колодезной и родниковой воде, которой пользуются на фермах,
было найдено свыше 102 психротрофов в 1 мл (инкубация при
3°С; Druce, Thomas, 1970). Свыше 80% психротрофов, выделен-
ных из этих источников, оказались грамотрицательными несбра-
живающими палочковидными формами, включая A chromob act ег,
а также флуоресцирующие и нефлуоресцирующие виды Pseudo-
monas. Напротив, среди организмов, выделенных из той же воды
при температуре 30°С, свыше 30% относилось к Е. coli. Эти ре-
зультаты подтверждаются и другими наблюдениями; можно
считать, что в воде, которой пользуются на молочных фермах,
44
Глава 2
содержится до 103 психротрофных организмов в 1 мл. Некоторые
из них, в том числе Pseudomonas fluorescens и Flavobacterium,
часто приводят к порче молочных продуктов (Rhodes, 1959;
Druce, Thomas, 1970). Оба этих организма хорошо растут при
температурах ниже 5°С (Stanier et al., 1966).
VII. почвы
В большинстве районов наиболее неустойчивыми температу-
рами отличаются почвы. Температура многих районов на Земле
опускается зимой ниже точки замерзания, а летом поднимается
до 30°С и выше. Однако есть много областей с умеренным кли-
матом, где температура почвы никогда не достигает 20°С (Gray,
Williams, 1971; Okafor, 1966). В полярных районах температура
почвы способна опускаться в течение года значительно ниже точ-
ки замерзания, в то время как в некоторых сухих долинах Ан-
тарктики температура на поверхности скал, где часто обитают
бактерии и примитивные растения, колеблется от 0°С и ниже до
32°С и выше (Rudolph, 1966). Неустойчивость температурных ус-
ловий в большинстве мест на Земле определяет диапазон тем-
ператур роста почти всех распространенных здесь микроорганиз-
мов. Бактерии, которые обычно встречаются в почвах районов с
умеренным климатом, являются психротрофными и могут, как
правило, расти в широкой области температур (Druce, Thomas,
1970; Ingram, 1965). Многие «типично» мезофильные почвенные
бактерии, например различные виды Bacillus, Clostridium и
Pseudomonas, а также прочие грамотрицательные бактерии, спо-
собны расти при температурах от 0°С и ниже до 40°С (Buchanan,
Gibbons, 1974; Druce, Thomas, 1970). Yersinia pestis растет как
при —2°C, так и при 40°С; есть сообщение, что она встречается
в почве (Домарадский и др., 1968). Было обнаружено также, что
от 1 до 86% бактерий в почвах районов с умеренным климатом
способны расти при 0°С (Stokes, Redmond, 1966). По данным
других авторов, примерно от 5 до 15% (Biederbeck, Campbell,
1971; Campbell et al., 1973; Lochhead, 1924) и 75% (Druce, Tho-
mas, 1970) представителей микрофлоры почв умеренного клима-
та растут при температурах ниже 5°С. Тем не менее оптималь-
ная температура роста преобладающих микроорганизмов, выде-
ленных из постоянно холодных полярных почв, была значитель-
но выше, чем самые высокие температуры in situ (Flint, Stout,
1960; Straka, Stokes, 1960). Очевидно, в условиях умеренного
климата активность микроорганизмов проявляется в почвах в
основном в наиболее теплое время года; в ряде случаев психро-
фильные бактерии в почвах районов с умеренным климатом не
удалось обнаружить даже зимой (Larkin, 1970).
В первых работах, посвященных исследованию микрофлоры
Низкие температуры: экологические аспекты
45
в замерзших почвах, было отмечено, что количество бактерий
увеличивается или уменьшается прямо пропорционально содер-
жанию влаги в почве; кроме того, оказалось, что численность
бактерий в почвах резко возрастает после замерзания (Сопп,
1910). Последнее наблюдение впоследствии было подтверждено
тем же автором (Conn, 1914а, Ь), который высказал предполо-
жение, что существуют, по-видимому, две различные популяции
микроорганизмов; летняя и зимняя; правда, экспериментальных
данных в пользу этого предположения нет. Численность микро-
организмов в почвах возрастала при температурах несколько
ниже точки замерзания, но падала после оттаивания почв (Conn,
1911; Vanderleek, 1918). Браун и Смит (Brown, Smith, 1912) по-
лучили аналогичные результаты, а также установили, что ско-
рость аммонификации в почвах после замерзания увеличивает-
ся. Однако в более поздней работе эти данные подтвердить не
удалось (Lochhead, 1924, 1926); по мнению ее автора, единствен-
ным важным фактором, от которого зависит рост микроорганиз-
мов в замерзших почвах, является достаточное содержание
влаги. Даже микроорганизмы, способные расти при 0°С, в за-
мерзших почвах были неактивны. Впоследствии многие выводы
Локхида получили подтверждение, особенно те, которые каса-
лись важности влаги для проявления микробной активности.
Почвы в районах с умеренным климатом характеризуются
суточными колебаниями температуры в области от 0 до 15°С и
выше, что особенно отчетливо проявляется осенью и весной (Bie-
derbeck, Campbell, 1971; Campbell et al., 1973). Это обстоятель-
ство весьма существенно, так как начальные процессы разложе-
ния растительного материала протекают в основном осенью и
продолжаются весной. Психрофильная или психротрофная попу-
ляция бактерий должна осуществлять эти процессы минерализа-
ции значительно эффективнее по сравнению с большинством
мезофилов. Не исключена, однако, возможность того, что темпе-
ратура почвы может подняться на несколько градусов в резуль-
тате интенсивной активности микроорганизмов в почве, прежде
всего в ризосфере (Clark et aL, 1962; Bartholomew, Norman,
1944).
Численность психрофильных и психротрофных бактерий в
почвах умеренного климата изучена крайне мало. Однако, как
правило, бактерии, грибы и дрожжи, способные расти при тем-
пературе 0°С и ниже, были выделены из почв умеренного клима-
та. В табл. 2.5 приведены некоторые данные о численности бак-
терий в почвах при культивировании ниже 5°С. Бактерии,
способные расти при температурах ниже 5°С, широко распрост-
ранены в почвах; нередко в 1 г почвы находят до 107 психротро-
фов. Большая часть общей микрофлоры ризосферы, а также
почв болот, пастбищ и засоленных пустошей оказалась психро-
Таблица 2.5
Численность психрофильных и психротрофных бактерий в почвах неполирных районов
Район Тип почвы Температура инкубации,°C Число бактерий в 1 г почвы (сухой вес) Источник данных
С умеренным клима- том С умеренным Клима- Садовая 4,5 4 7-10° 4,3-10’ в 1 г Biederbeck, Campbell, 1971 Breuil, Gou-
том (Франция) Французские Альпы 1. Огороды (13)1 2. Засоленные боло- тистые пастбища (4) 3. Пастбища на дю- нах (7) 4. Низинные пастби- ща (23) 5. Лапландские паст- бища (17) 6. Ризосфера (10) 7. Заболоченные ни- зины (3) 8. Вересковые пусто- ши (5) 9. Вспаханные зем- ли (8) Лапландия (около лед- Ледниковая Лесная 4 3,5 2 влажной почвы 0,6-10е—3,6-10° в 1 г влажной почвы 2,4-10° 1,0-10° 6,0-10° 39,8-10s 107,0-10° 230,0-10° 16,0-10° 13,0-10° 5,9-10° Ниже льда: not, 1972 Druce, Thomas, 1970 Gounot, 1973
ников) Луизиана (штат) Садовая, на 0 2,8-Ю3—3,9-10° Без льда: 1,5-10е—2-10® Летом <10 Larkin, 1970
Восточная Канада дорожках и под газонами Замерзшая 3 Зимой <100 От поверхности до Lochhead, 1926
Вашингтон (штат) Садовая 0 2 см: 6,1-10° 2—6 см: 6,5-10° 6—10 см: 1,3 -10° 0,92-Юз-1700-10° Stokes, Red-
С умеренным клима- том (около участка, иа который спускают сточные воды консерв- ного завода) Окультурен- ная Неокультурен- ная 2 23-103—810-10° 420-103—3100-103 1,5-10°—7,4-10° в 1 г влажной почвы mond, 1966 Vela, 1974
В скобках дано общее количество исследованных проб почвы.
Низкие температуры: экологические аспекты
47
трофной (Druce, Thomas, 1970). Интересно, что наименьшее ко-
личество психротрофов было обнаружено в культивируемых поч-
вах (Druce, Thomas, 1970; Stokes, Redmond, 1966), а наиболь-
шее в почвах под садами (Ingraham, 1958; Stokes, Redmond,
1966).
Принято считать, что активность микроорганизмов в почвах
умеренного климата совсем или почти полностью отсутствует при
температурах ниже 5°С. Действительно, в замерзшей почве не
удалось зарегистрировать какой-либо активности; однако при
температурах выше точки замерзания было зарегистрировано
выделение СОг в результате микробной активности (Soulides,
Allison, 1961), а также поглощение О2 (Ross, 1965) и нитрифика-
ция (Sabey et al., 1956; Stanford et al., 1973; Seifert, 1961). Высо-
кий уровень нитрификации, нередко почти такой же, как и летом,
был отмечен в почвах зимой (2°С) в присутствии аммония (Sei-
fert, 1961). Минерализация хитина наблюдается в почвах Англии
в течение всего года; зимой этот процесс осуществляют в основ-
ном бактерии и грибы, а при 20°С — актиномицеты, простейшие
и нематоды (Okafor, 1966).
Основные типы бактерий, распространенных в почвах умерен-
ного климата, варьируют в зависимости от вида почвы, содержа-
ния влаги, географического местоположения и т. д. Как правило,
свыше 90% микрофлоры составляют как спорообразующие, так
и не образующие спор грамположительные палочковидные фор-
мы, актиномицеты и Pseudomonas (Conn, 1948; Alexander, 1961).
Грамотрицательные бактерии представляют собой обычно незна-
чительную часть почвенной популяции: от 7 в почве до 20% в
ризосфере (Holding, 1960, 1973). Те же микроорганизмы пример-
но в таком же соотношении выделяют из почв умеренного кли-
мата при температурах ниже 5°С. Впрочем, часто из холодных
почв при низких температурах удается извлечь незначительные
количества спорообразующих организмов и актиномицетов
(Lochhead, 1926; Мишустин, 1964; Druce, Thomas, 1970). Среди
бактерий, выделяемых при низких температурах, преобладают
Arthrobacter и подобные ему организмы, в том числе Corynebac-
terium, Cellulomonas, Microbacterium и Brevibacterium, а также
несколько родов грамотрицательных бактерий; кроме того, из
почв умеренного климата были выделены психротрофные клостри-
дии (Sinclair, Stokes, 1964; Beerens et al., 1965). Свыше 60%
психротрофных бактерий, найденных в почвах пастбищ, располо-
женных в низинах и на возвышенностях, относились к роду
Arthrobacter (Druce, Thomas, 1970). Вместе с тем среди бакте-
рий, выделенных при низких температурах из заболоченных тор-
фяных почв в низинах, преобладали виды Pseudomonas (Janota-
Bassalik, 1963а); эти же организмы были наиболее распростра-
нены в различных садовых почвах Франции, а также в замерз-
48
Глава 2
ших почвах (Breuil, Gaunot, 1972). Были обнаружены и другие
грамотрицательные организмы, а также некоторые грамположи-
тельные формы, например Brevibacterium, Kurthia и Corynebac-
terium. Большинство этих организмов росло при 0° или ниже и
при 25°С, но не при 37°С (Janota-Bassalik, 1963b).
Хотя существование большой популяции психротрофных бак-
терий можно считать твердо установленным, маловероятно, что-
бы они проявляли значительную активность в почвах зимой.
Оптимальная температура роста почти всех психротрофных бак-
терий, выделенных из холодных почв, лежит обычно выше 20°С.
В тех немногих случаях, когда какой-либо физиологический по-
казатель микробной активности был зарегистрирован в почвах
зимой, уровень активности был ниже, чем весной или летом.
До сих пор точно не установлена относительная доля всей микроб-
ной популяции, а также число специализированных групп бакте-
рий, которые проявляли бы активность в почвах зимой. Неизвест-
но, например, с какой скоростью протекают в холодных почвах
процессы минерализации органического вещества, фиксации азо-
та и другие виды микробной трансформации веществ. Не ясно
даже, поддаются ли указанные процессы в зимних почвах изме-
рению.
В полярных условиях температуры ниже точки замерзания
сохраняются в течение длительного времени. Это, пожалуй, един-
ственное общее свойство, характерное как для Арктики, так и
для Антарктики. Как правило, в Арктике условия менее суровые
по сравнению с Антарктикой, и в субарктических районах встре-
чаются смешанные популяции сосудистых растений, мхов и ли-
шайников, а также животные (Bliss et al., 1973; Wrigley, 1974).
Большая часть Арктики представляет собой безлесную тундру со
слоем вечной мерзлоты под поверхностью почвы. Температура
воздуха и почвы в Арктике меняется в зависимости от времени
года и местоположения; летом она местами достигает 20—40°С
на поверхности почвы (Boyd, Boyd, 1971; Bliss, 1962). В некото-
рых внутренних районах Аляски вблизи слияния рек Юкон и
Танана температура зимой опускается до —30°С, а летом подни-
мается до 10—15°С, но не выше (Streten, 1974). Температура
грунта меняется в зависимости от количества осадков и наличия
снежного покрова, который играет роль изолятора по отношению
к лежащей ниже почве и слою вечной мерзлоты (MacKay, Mac-
Kay, 1974). Количество осадков, выпадающих во внутренних
районах Арктики, обычно невелико — от 160 до 300 см; однако
иногда, если туда поступает достаточное количество влаги из
нижних широт северной части Тихого океана, там идут пролив-
ные дожди (Streten, 1974).
Территорию Антарктики нередко подразделяют на зоны с мор-
ским и континентальным климатом. Морская зона характеризу-
Низкие температуры: экологические аспекты
49
ется менее холодными температурами, более высоким содержа-
нием влаги и большим разнообразием типов почв. В некоторых
морских районах почва обогащена органическим веществом в
результате жизнедеятельности пингвинов и тюленей. Встречается
также различная растительность, в основном лишайники и мхи,
а иногда и цветковые растения (Llano, 1961; Boyd et al., 1966).
Лежбища тюленей и скопления пингвинов встречаются почти по
всему побережью Антарктики, и поэтому гуано обогащает почву
органическим веществом, азотом и фосфором. Такая почва, из-
вестная под названием орнитогенной, поддерживает жизнь рас-
тений; пожалуй, еще важнее тот факт, что в результате выщела-
чивания и переноса частиц почвы с ветром азот и фосфор попа-
дают в области с низким содержанием питательных веществ
(Bunt, 1971; Ugolini, 1972). Среднегодовая температура на побе-
режье Антарктики колеблется от —10 до —20°С, а летняя от
— 1 до —6°С; иногда температура поднимается до 8°С и выше
(Ugolini, 1970). Однако самым важным фактором, определяю-
щим наличие микроорганизмов в различных почвах, является не
температура, а жидкая вода. Таким образом, жизнь возможна
в любой области, где слой вечной мерзлоты достаточно близок
к поверхности и может слегка оттаивать в теплое время года,
поскольку среднегодовое количество осадков (15 см в морских
районах Антарктики и менее 10 см в сухих долинах) слишком
мало для поддержания активной микробной популяции (Boyd
et al., 1966; Cameron, 1972). Почвы континентальной зоны Ан-
тарктики состоят в основном из песка и гравия, а достаточно
старые почвы сухих долин могут классифицироваться как пустын-
ные (Tedrow, Ugolini, 1966; Cameron, 1972). Среднегодовая тем-
пература воздуха в сухих долинах колеблется от —20 до —25°С,
и, как правило, летом температура не поднимается выше 0°С;
возможны, правда, суточные циклы замерзания и оттаивания.
В это время поверхность грунта может нагреваться до 15°С
(Horowitz et al., 1972; Ugolini, 1970; Weyant, 1966). Кроме того,
летом во внутренних районах Антарктики температура на по-
верхности скал может достигать 32°С (Rudolph, 1966). В этих
сухих почвах, которые часто (26% проб) вообще стерильны, оби-
тают только микроорганизмы (Horowitz et al., 1972; Boyd et. al.,
1966).
Присутствие в почвах Арктики и Антарктики обильной мик-
рофлоры не вызывает сомнений. Численность бактерий в «актив-
ном слое» почвы над слоем вечной мерзлоты часто почти не отли-
чается от численности бактерий в почвах районов с умеренным
климатом (Boyd, 1958; Boyd, Boyd, 1971). В табл. 2.6 сведены
данные относительно численности бактерий в почвах Арктики и
других холодных северных районов (выделение проводили при
низких температурах). Количество бактерий составляет обычно
Таблица 2.6
Численность психрофильных и психротрофных бактерий в почвах Арктики и других холодных северных районов
Район Тип почвы Температура инкубации, °C Число бактерий в 1 г сухой почвы Источник данных
Побережье Арктики,
Алиска
Пойнт-Лей Торфянистая 2 51-10* Boyd, 1958
Суглинок 2 30-104
Уейнрайт Торфянистая 2 38-10*
Суглинок 2 4-10*
Берроу Торфянистая 2 10-10*
Суглинок 2 7-Ю4
Мыс Симпсона Торфянистая 2 14-10*
Суглинок 2 5-10*
Пит-Пойнт Торфянистая 2 17-10*
Глина 2 9-10*
Остров Бартера Суглинок 2 13-10*—26-10*
Арктическая Аляска Торфянистая до слоя 2 На поверхности: 9,6-1С® Boyd,
вечной мерзлоты На глубине 15 см: 9,3-10® На глубине 30 см: 5,4-104 На глубине > 30 см: < 1 Boyd, 1964
Инувик, Северо-Запад- ные территории Неокультуренная
Окультуренная 2
Тундра Аляски, Напас- киак Болотистая 3—5
Долина Мак-Кензи, Се- Органическая 4
веро-Западные террито- рии
Субарктическая глеевая кислая Бурая лесная Субарктическая бурая лесная (окультурен- ная) Субарктическая бурая лесная (неокульту- ренная)
Остров Баффина, Севе- ро-Западные территории Песчаная, гравийная, влажная и уступы скал 10
На поверхности: 0,7-104—1500-Ю4
Boyd,
Boyd, 1971
На поверхности: 4,9-104-—280-104
Сентябрь: 1,2-Ю3—150-Ю3 Среднее: 35-103 Fournelle, 1967
Июнь: 0,1 103—1300-103 Среднее: 150-103 Актиноми- Другие Ivarson,
цеты бактерии 1965
На глубине: 2,5—30 см 71-Ю4 <Ю3
30—35 см 33 <103
0—23 см 5-10’—10-10’ 17-Ю3
23—70 см 3-104 2-Ю2
0—10 см 5,6-Ю9 <103
10—70 см 4-Ю4—50-Ю4 <Ю3
0—40 см 80-10’—212-Ю4 <1-Ю3—60-Ю3
> 40 см 1-Ю4 <103
14-Ю3—17,8-Ю3 8-Ю3—159-Ю3 Strzelczyk
1-Ю3—11,7 • 103 10-103—25-Ю3 et al., 1969
0,8-Ю3 11,2-Ю3
Таблица 2.7
Численность психрофильных и психротрофных бактерии в почвах Антарктики
Район Тнп почвы Температура инкубации, °C Число бактерий в 1 г сухой почвы Источник данных
Остров Сигни Торфяная 10 Глубина слоя 1—2 см: 486-103 6—7 см: 1160-Ю3 11—12 см: 2200-103 Baker, 1970а, Ь
Земля Виктории (сухая долина) Сухая Слой вечной мерз- лоты , влажная (около пруда) 2 2 0—2 см: <10 15 см: 8-Ю3 25 см: 1,8-104 1,2-10’—14-10’ (три пробы) Benoit, Hall, 1970
Остров Росса
Мыс Ройал Свалка мусора Почва 1 Почва 2 2 2,8-10’ 0 5,2-Ю3 Boyd, Boyd, 1962a, b
Пролив Мак-Мердо Сухая долина мыс Эван- са Местообитания человека Почва 3 Почва 4 Почва 5 Местообитания че- ловека 2 0,18-10’—63-10’ 1,1 • 103 73-Ю3 38 1 6,8-10’
Долина Райта Мумифицирован- ные туши тюле- ней 2 0—1,1-Ю3 Boyd et al., 1966
Сухие долины
Остров Макуорн
Сухая долина Уилера
1 Почва долины
Тейлора
2. Почва долины
Райта
3. Почва мыса
Марбл
4. Морены Стрен-
Да
1. Почвы
а) Гравий
б) Базальт
2. Ризосфера
а) Почва
б) Корни
Почвенная короч-
ка с водорослями
Песчаная
2
2
2
Долина Меттерхорна Песчаная 2
Суглинистая или супесчаная 2
Обрыв Колсека Сухая 2
Внутренние районы Ан- тарктики Пустынная
Более южные районы Ан- тарктики » 2
О—2,6-IO3
О—3.9-103
0,46-1О3—25-103
0,053-Ю3—27-103
4,3-105
2,9-10’
J3unt, Rovira, 1955
1,67-10’
14,2-10®
4,81-106 1 иа 1 г
2870- Ю8 J корней
1,6-10’—2,6-10’
0,96-10’—1,2-10’
От поверхности до 2 см:
0,2-103—150-Ю3
На глубине 2—15 см: 1-Ю3—100-103
18—33 см:
0,5-Ю3—4,8-Ю3
60 см: 100
От поверхности до 2 см: <10—370
На глубине 2—10 см: <10—20
От поверхности до 2 см: 10—180
На глубине 2—10 см: 3,5-104
Поверхность: <10—13-Ю3
На глубине: 2—10 см: 0—2700
Cameron, Devaney,
1970
Cameron et al.,
1970a
Cameron etal., 1970 b
5—25
Cameron et al., 1971
Район Тип почвы Температура инкубации, °C
Долина Викторин Песчаная 2
Супесчаная 2
Песчаная (разлнч-
ные пробы)
Сухая долина 5
Сухие долины на юге 2
Земли Виктории
Су.кая долина Тейлора Засоленная 2
9 проб почвы 0
4 пробы фекалий 0
животных
1 Концентрация NaCl (%) в среде выделения.
Продолжение
Число бактерий в 1 г сухой почвы Источник данных
На глубине 0—2 см: 2,8-104 2—15 см: 2,6-103 15—25 см: 5,6-104 25—30 см: 2,7-107 От поверхности до 2 см: <10 На глубине 2—15 см: 30 15—25 см: 0 25—30 см: 5 0—25 см: <10—730 Cameron, 1972
От поверхности до 2 см: <10-105—2,5-105 Cameron et al., 1973
Поверхность: 10—104 Под поверхностью: 10-105—1,7-10’ 0% NaCl1: 5,1 103 5% NaCl: 1,2-103 15% NaCl: <40 Horowitz et al., 1972
<100—20 000 0,32—6000-104 Straka, Stokes, 1960
Низкие температуры: экологические аспекты
55
от 104 до 106 в 1 г почвы на поверхности и резко уменьшается с
глубиной (Boyd, Boyd, 1971; Ivarson, 1965). Как и в районах с
умеренным климатом, число бактерий гораздо выше в необрабо-
танных почвах по сравнению с культивируемыми (Boyd, Boyd,
1971; Ivarson, 1965). Примерно такая же численность психро-
трофных бактерий была обнаружена в образцах почвы Антарк-
тики (табл. 2.7). В Антарктике, впрочем, количество бактерий
в почвах сильно зависит от доступности влаги; так, в сухих поч-
вах там встречается обычно менее 10 бактерий в 1 г почвы (Beno-
it, Hall, 1970; Boyd, Boyd, 1962a; Cameron et al., 1970a; Cameron
et al., 1970b).
При определении количества бактерий в почвах методом сче-
та на чашках потомства жизнеспособных клеток обычно получа-
ют заниженные цифры. Паринкина (1974) сравнивала содержа-
ние бактерий в различных почвах тундры, пользуясь методами
прямого счета и счета колоний на чашках. Количество бактерий
в различных почвах Антарктики, определенное методом прямого
счета, было в 1600—7000 раз больше по сравнению с цифрами,
полученными методом счета колоний. В различных почвах суб-
арктических районов и тундры это соотношение часто превыша-
ло 20 000:1. Определение жизнеспособности большинства бак-
терий прямыми методами ненадежно. Например, бактерии в под-
поверхностном слое почвы сухих долин Антарктики обладали
ферментативной активностью, но не были жизнеспособными
(Hubbard et al., 1968; Horowitz et al., 1972). Однако, по данным
других авторов, скованный льдом слой вечной мерзлоты в Ан-
тарктике содержит на глубине 40 см популяцию жизнеспособных
бактерий (Vishniac, Mainzer, 1972; Vishniac, 1973). Значительная
часть объема клеток этих бактерий состоит из ДНК. Жизнеспо-
собные бактерии были также найдены в почвах сухих долин Ан-
тарктики (Vishniac, Mainzer, 1973). Выделение 14СО2 этими бак-
териями было незначительным, но исследователи наблюдали ми-
кроорганизмы в электронный микроскоп и обнаружили их рост
при помощи светорассеивающего устройства.
Был опубликован ряд работ, посвященных изучению интен-
сивности или уровню микробной активности в почвах полярных
районов. Активность микроорганизмов in situ исследуют как пря-
мыми, так и косвенными методами. Прямые методы основаны на
определении скорости выделения СО2 или поглощения О2 в ре-
зультате добавления низкомолекулярных органических субстра-
тов к пробам почвы. В случае косвенных методов о степени
микробной активности судят, измеряя скорость разложения при-
родных частиц органического вещества, например опавших лис-
тьев, целлюлозы, хитина и т. д. Авторы некоторых ранних работ
считали, что скорость выделения СО2 зависит в основном от со-
держания органического вещества в почве (Bunt, Rovira, 1955);
56
Глава 2
однако позднее было показано, что главными факторами, влияю-
щими на активность микроорганизмов в почвах Арктики, явля-
ются температура и влажность (Tedrow, Douglas, 1959). Ско-
рость разложения органического вещества была очень низкой
при 3°С (температура почвы in situ в июне), но быстро возраста-
ла с повышением температуры. Было отмечено также уменьше-
ние активности микроорганизмов в почвах Антарктики по мере
возрастания глубины (Cameron, 1972). На глубине от 2 до 30 см
обнаружить микробную активность не удается. В то же время
нельзя отрицать то, что бактерии разлагают органические вещест-
ва в почвах полярных районов при температурах ниже 5°С; так,
Сиберт (Sieburth, 1963) указывает, что микроорганизмы разлага-
ют гуано пингвинов при температурах ниже 5°С. Образующийся
при этом «гумус» играет важную роль в поддержании флоры
мхов, характерной, по-видимому, для мест обитания пингвинов.
Главными факторами, от которых зависит скорость разложе-
ния природных органических веществ, является температура,
влажность и тип субстрата (Flanagan, Veum, 1974). Скорость
разложения опавших листьев в почве полярных районов невели-
ка по сравнению с аналогичной скоростью в местах с умеренным
климатом. Эта скорость in situ в почвах Антарктики и Арктики
составляет от 1 до 24% в год (Heal, French, 1974). В ряде случаев
разложение растительного материала в почвах тундры не закан-
чивается полностью даже за пять лет (Heal, French, 1974). Оче-
видно, что большую часть года температура почвы in situ в боль-
шинстве полярных районов слишком мала для того, чтобы мик-
роорганизмы проявляли там достаточную активность. В почвах
Барроу на Аляске дыхание микроорганизмов, разлагающих
опавшие листья, было зарегистрировано при —7,5°С (Flanagan,
Veum, 1974). Скорость этого процесса с возрастанием температу-
ры до 25°С увеличивалась, а затем резко падала при 30°С (тем-
пература почвы в Барроу редко поднимается выше 17°С). Интен-
сивность дыхания для почвы Барроу колеблется от 75 до 120 мл
СОг на 1 м2 в час, что почти в пять раз меньше интенсивности
дыхания для лесных почв умеренного климата. Процесс разложе-
ния органического вещества в верхнем слое (2 см) почвы тундры
на Аляске оценивается величиной приблизительно 200 г на 1 м2
в год. По-видимому, способность микроорганизмов к дыханию
при —7,5°С благоприятствует активному разложению раститель-
ных остатков в течение дополнительного месяца как осенью, так
и весной (Flanagan, Veum, 1974). Естественно, что микроорга-
низмы активны в почвах полярных районов в течение очень ко-
роткого периода времени, когда температура резко поднимается
до 10°С и выше. Потеря углерода из лесной подстилки при этих
повышенных температурах протекает в 1,5—2,5 раза интенсив-
нее, чем при 0°С (Flanagan, Veum, 1974).
Низкие температуры: экологические аспекты
57
Разложение добавленных к почве органических субстратов,
например целлюлозы, нередко используют как показатель актив-
ности микроорганизмов и кругооборота органического углерода
in situ. В почвах Барроу на Аляске за один год было отмечено
разложение всего лишь 4% добавленных целлюлозных или хлоп-
ковых волокон (Heal, French, 1974; Rosswall, 1974). Почти такой
же низкой была скорость разложения в почвах тундры Финлян-
дии и Норвегии. Во всех случаях среднегодовая температура
почвы в этих районах колебалась от —1 до —14°С. Здесь темпе-
ратура является главным фактором, от которого зависит актив-
ность микроорганизмов в почвах со слоем вечной мерзлоты, по-
скольку в заболоченной тундре они не страдают от недостатка
воды и питательных веществ (Heal, French, 1974).
Биомасса микроорганизмов, а также общая скорость разло-
жения ими опавших листьев и других растительных остатков с
выделением СОа зависят от присутствия различных неорганиче-
ских веществ, в том числе нитрата и аммония. В связи с тем что
большинство высших растений отличается высоким отношением
углерода к азоту (C/N), для проведения эффективной минера-
лизации микроорганизмы нуждаются в дополнительном источни-
ке органического азота. В отсутствие дождей микробная актив-
ность в почвах многих полярных районов оказывается очень не-
значительной, если только там не присутствуют активные
микроорганизмы, фиксирующие азот. Это прежде всего справед-
ливо для удаленных от моря районов Арктики и Антарктики, где
выпадает очень мало осадков и нет поблизости мест обитания
пингвинов. Лишь в некоторых почвах Антарктики не удалось
найти организмы, фиксирующие азот (Flint, Stout, I960); в боль-
шинстве случаев сине-зеленые водоросли и бактерии, фиксирую-
щие азот, широко распространены в почвах. Бойд и Бойд (Boyd,
Boyd, 1962) выделили Azotobacter chroococcum и A. indicus из за-
мерзшей почвы Антарктики, а также из торфянистой и глинистой
почвы Арктики. Температуры in situ во время выделения лежали
между 0,9 и —5,5°С. Эти же авторы (Boyd, Boyd, 1971) обнару-
жили Azotobacter во всех пробах почвы Инувика (Северо-Запад-
ные территории). Они же выделили фиксирующую азот спирил-
лу из речного ила. Из почв полярных районов были выделены
фиксирующие азот сине-зеленые водоросли Azotobacter и Clost-
ridium-, кроме того, в Арктике были найдены клубеньковые бак-
терии Rhizobium (Bunt, 1971). В Арктике встречаются также
сине-зеленые водоросли, фиксирующие азот при ГС, например
Nostoc commune (Fogg, Stewart, 1968). Скорость фиксации азота
сине-зелеными водорослями в почвах тундры в Барроу на Аляске
колеблется от 1 мкг и меньше до 228 мкг N на 1 г сухой почвы
в час (Alexander, Schell, 1973). Общее количество азота, которое
образуется в почвах арктических и субарктических районов за
58
Глава 2
год в результате фиксации азота, равно 23—380 мг N в 1 м3; это
количество служит основным источником азота для микроорга-
низмов, так как дождей в этих местах выпадает очень мало (Ale-
xander, 1974). Как и в случае физиологических групп микроорга-
низмов, главными факторами, от которых зависит скорость
фиксации азота организмами в почвах полярных районов, являют-
ся влажность и температура. Наиболее активными фиксато-
рами азота в некоторых полярных районах служат те виды,
которые способны выдерживать обезвоживание, например сине-
зеленые водоросли (цианобактерии; Horne, 1972).
Разнообразие микроорганизмов в почвах полярных областей
неодинаково в различных районах и зависит в очень сильной сте-
пени от температуры, а также от содержания воды и питатель-
ных веществ. В ранних исследованиях микрофлоры почв Антарк-
тики было показано, что в них преобладают Bacillus и Micrococ-
cus (Darling, Siple, 1941). Страка и Стокс (Straka, Stokes, 1960)
установили, что большинство выделенных психротрофов и пси-
хрофилов относится к грамотрицательным коккам или коккобак-
териям. Некоторые из этих организмов росли как при —7, так и
при 30°С или выше. Среди бактерий, выделенных из почвы сухих
долин Антарктики, преобладали Arthrobacter, Brevibacterium,
Cellulomonas, Corynebacterium, Kurthia и другие микроорга-
низмы дифтероидного типа (Cameron et al., 1970а; Cameron,
1972). Большинство из них росло как при 2, так и при 20°С. Ba-
cillus встречается в почвах сухих долин Антарктики очень редко
(Cameron, 1972; Cameron et al., 1973), а облигатные анаэробы
вообще не были обнаружены (Cameron et al, 1970а). Кроме того,
из сухих почв Антарктики были выделены представители Pseudo-
monas, актиномицеты, а также организмы, восстанавливающие
сульфат, окисляющие аммиак и сбраживающие лактат (Boyd et
al., 1966; Cameron et al., 1970a). Психротрофная микрофлора в
торфах Антарктики представлена почти теми же родами, что и
в пробах большинства других почв Антарктики (Baker, Smith,
1972). Это довольно интересно, так как численность микроорга-
низмов и концентрация питательных веществ в торфе гораздо
выше, чем в сухих почвах (Baker, 1970). Среди выделенных орга-
низмов преобладали представители Brevibacterium, Arthrobacter,
Corynebacterium и Cellulomonas. Из 119 выделенных штаммов
свыше 50% приходилось на долю Brevibacterium (Baker, Smith,
1972).
В целом численность и родовой состав микроорганизмов в
почве Арктики более сходны с соответствующими параметрами
районов с умеренным климатом, чем Антарктики. Здесь часто
встречаются в большом количестве грамотрицательные палочки,
включая виды Pseudomonas и Achromobacter (группа Moraxella/
Acinetobacter, Fournelle, 1967). Брокман и Бойд (Brockman, Во-
Низкие температуры: экологические аспекты
59
yd, 1963) выделили также целлюлолитические миксобактерии
Myxococcus fulvus и Sorangium sorediatum; правда, эти организ-
мы не росли при температуре ниже 6—8°С. Широко распростра-
нены актиномицеты, количество которых нередко лишь в два раза
меньше числа бактерий в тех же пробах (Strzelczyk et al., 1969;
Ivarson, 1965). Автотрофные нитрифицирующие организмы в
почвах Арктики не обнаружены (Boyd, 1958), однако Бойд и
Бойд (Boyd, Boyd, 1971) установили, что здесь часто встречают-
ся микроорганизмы, окисляющие аммиак, фиксирующие азот и
восстанавливающие сульфат. Pseudomonas и Achromobacter пре-
обладали также в почвах тундры в Барроу на Аляске (Dunican,
Rosswall, 1974). Эти же авторы обнаружили свыше 2-Ю5 обли-
гатных анаэробов в 1 г почвы тундры. Среди анаэробов преобла-
дают Actinomyces, но встречаются и Clostridium. Свыше 90%
бактерий, выделенных из некоторых почв тундры, росли при 2,
но не при 37°С (Rosswall, Clarholm, 1974). По своим физиоло-
гическим свойствам бактерии, выделенные из почв тундры, су-
щественно не отличаются от микроорганизмов из почв районов с
умеренным климатом.
VIII. МОРЯ И ОКЕАНЫ
До сих пор не существует достаточно ясного представления
о многочисленных физических, химических и биологических фак-
торах, которые оказывают влияние на распределение, количест-
во, типы и активность микроорганизмов в морях и океанах. Из-
вестно, в частности, что изменения температуры, давления, pH,
концентрации солей и кислорода в какой-то степени воздейству-
ют на все организмы как на популяционно-экологическом, так и
на биохимическом уровнях. Однако мы ничего не знаем о специ-
фическом влиянии таких изменений на популяции микроорганиз-
мов и их активность в морской среде. Если говорить о воздей-
ствии температуры на активность микроорганизмов в морях и
океанах, то следует учитывать также термостабильность, влияние
температуры на другие физические и химические свойства среды,
например гидростатическое давление и соленость, а также кон-
центрации органических и неорганических питательных веществ.
Во всяком случае можно считать твердо установленным, что
жизнь в морях и океанах распространена в областях, для кото-
рых характерны температуры ниже 5°С и концентрации солей
35—40%.
Рассматривать экологию психрофильных организмов в мор-
ских условиях довольно трудно, так как морская среда весьма
разнообразна. Поэтому какие-либо обобщения сделать не так
просто, и к тому же они, как правило, бывают довольно спорны-
ми. На больших и малых широтах температура воды меняется
60
Глава 2
мало (обычно она остается ниже 5°С); напротив, на средних ши-
ротах температура на поверхности воды колеблется в зависимо-
сти от времени года от 2—4 до 16°С. В отличие от температуры
поверхностных слоев воды температура воды в открытом океане
под термоклином, как правило, не поднимается выше 5°С, а в
Атлантическом, Тихом и Индийском океанах придонный слой
воды имеет температуру между 2 и 3°С на низких широтах и око-
ло 0°С в Антарктике. Температура глубоких вод в Арктике иног-
да составляет —1,9°С.
Таким образом, океаны отличаются различными диапазонами
и устойчивостью температур в зависимости от широты и от вре-
мени года. Температуры, характерные для той или иной области,
оказывают влияние на видовой состав и численность микроорга-
низмов, а также на их активность. Действительно, та скудная
информация, которой мы располагаем, говорит о том, что психро-
фильные и психротрофные «морские» бактерии встречаются в
большинстве океанов вдали от побережья ниже термоклина. На-
против, мезофильные бактерии выделяют обычно из вод около
берегов и эстуариев, особенно в летние месяцы. Наибольшее ко-
личество психротрофных и мезофильных пигментированных бак-
терий найдено в нейстоне.
Имеется много сообщений о распространении бактерий в мор-
ских водах и осадках, особенно там, где встречаются животные,
растения и детрит. В этих работах пользовались в основном ме-
тодом счета колоний на чашках, причем температуры инкубации
бактерий нередко значительно превышали температуры in situ.
Этот метод дает, как правило, заниженные результаты по срав-
нению с методом прямого счета (разница в результатах может
достигать 10000 раз) (Jannasch, Jones, 1959).
Количество психрофильных и психротрофных бактерий в мор-
ских водах, определенное методом счета потомства жизнеспособ-
ных клеток, меняется в зависимости от местоположения и глуби-
ны взятия проб, использованных сред выделения и т.д. В при-
брежных водах и осадках с сезонными колебаниями температуры
изменяется численность психрофильных и психротрофных бак-
терий (Sieburth, 1967; Nedwell, Floodgate, 1971). Принято счи-
тать, что численность бактерий в столбе воды значительно умень-
шается с глубиной. Распределение микроорганизмов в некоторых
водах неравномерно (Sieburth, 1971). Нередко в столбе воды от
поверхности до глубины 1000 м и свыше находим 103—105 бак-
терий в 1 мл. Однако в большинстве случаев на глубине свыше
2000 м обнаруживали менее 10 бактерий в 1 мл. В водах Антарк-
тики также была отмечена низкая плотность психрофилов (Wie-
be, Hendricks, 1974). Их количество составляло от одной бакте-
рии и даже меньше до нескольких сотен в 1 мл. Во всех изучен-
ных случаях число клеток, образующих колонии, в единице объ-
Низкие температуры: экологические аспекты
61
ема образцов оставалось в любом месте неизменным изо дня в
день. Было установлено также, что бактерии в столбе воды отно-
сятся к поверхностному типу (Wiebe, Hendricks, 1974). Морита
и др. (Morita et al., 1977) подтвердили низкую численность мик-
роорганизмов в водах Антарктики; они обнаружили также, что
количество бактерий не коррелирует с гетеротрофной активно-
стью. Морита и Бертон (Morita, Burton, 1970) нашли в 1 мл раз-
личных вод на Аляске от 10 и менее до 600 и более бактерий,
растущих при 0°С.
Не следует забывать, что бактерии в столбе воды могут нахо-
диться не в свободно взвешенном состоянии, а в виде скоплений
или же могут быть связанными с частицами детрита. В настоя-
щее время твердо установлено, что морские бактерии способны
прикрепляться к различным поверхностям (Marshall et al., 1971;
Corpe, Winter, 1972; Floodgate, 1972). Бактерии прикрепляются
при помощи клейкого полисахарида, который они предваритель-
но синтезируют. Очевидное преимущество адгезии и колонизации
бактериями частиц детрита заключается в том, что бактерии при
этом способны эффективно использовать нерастворимые органи-
ческие вещества в ходе процесса, обеспечиваемого внеклеточны-
ми ферментами.
Содержание детрита в столбе воды было определено, и его
присутствие в открытом океане не вызывает сомнений. Концент-
рация детрита в морских глубинах составляет приблизительно
106 частиц в 1 л (Lenz, 1972). Количество органического углеро-
да в частицах колеблется от 7 мкг С в 1 л воды в эвфотической
зоне Северного Ледовитого океана до 1 мкг С и менее в 1 л на
глубине свыше 1000 м (Holm-Hansen, 1972). В столбе воды в
северной части Тихого океана содержится 3 мкг С органического
детрита в 1 л. Концентрации органического азота и органическо-
го фосфора значительно уменьшаются с глубиной, что свидетель-
ствует о наличии бактериальной активности (Holm-Hansen,
1972). Как правило, размер частиц в глубоких водах редко пре-
вышает 30 мкм (Lenz, 1972; Gordon, 1970). Возникает вопрос,
действительно ли в морских глубинах бактерии связаны с части-
цами детрита? По мнению Крисса (1963), бактерии встречаются
в виде свободно плавающих отдельных клеток; при наблюдении
под микроскопом также было отмечено, что большинство частиц
детрита не содержало бактерий (Wiebe, Pomeroy, 1972). Однако
при использовании более чувствительного метода, эпифлуорес-
центной микроскопии на частицах детрита из воды Тихого океа-
на на глубине 700 м было обнаружено очень большое количество
бактерий; многие из них были не менее 0,2 мкм в диаметре (Меу-
er-Reil, личное сообщение). Кроме того, установлено, что бактери-
альные скопления легко возникают в поверхностных слоях воды
как in situ, так и в лабораторных условиях (Sheldon et al., 1967;
62
Глава 2
Seki, 1971). Было высказано предположение, что многие мелкие
частицы в воде океанов представляют собой скопления бактерий,
которые могут служить одним из наиболее важных источников
питания для бентоса (Sheldon et al., 1967). Многие органические
агрегаты в воде океанов своим происхождением, возможно, обя-
заны бактериям. Сначала эти микроорганизмы весьма активно
метаболизируют доступные для них органические вещества, при-
сутствующие как в виде частиц, так и в растворенном состоянии,
а затем, использовав весь органический азот и фосфор, имею-
щиеся в глубине океана, бактерии, связанные с детритом, могут
переходить либо к эндогенному метаболизму, либо в покоящееся
состояние. Важно подчеркнуть, что весь процесс, начиная с при-
крепления бактерий к частицам органического вещества и кон-
чая его использованием, протекает при низких температурах.
Определение вертикального распределения бактериальной
биомассы при помощи различных методов показало, что счет ко-
лоний на чашках дает обычно заниженные цифры численности
бактерий. По данным Крисса (1963) содержание бактериальной
биомассы, определенной методом обрастания стекол, в океане око-
ло Северного полюса колеблется от 7,8 мг в 1 м3 на поверхности
до 0,007 мг в 1 м3 на глубине 3400 м. Ежедневный средний при-
рост микробной биомассы составляет от 2,5 мг в 1 м3 до 0,0008 мг
в 1 м3. Сорокин (1973) также считает, что бактерии могут слу-
жить важным источником питания для зоопланктона, особенно
в тех тропических океанах, где продуктивность бактерий (300—
500 мг С в 1 м2) в два раза превышает продуктивность фито-
планктона. Правда, полученные им данные подвергались спра-
ведливой критике (Sieburth, 1971). Использование иных косвен-
ных методов измерения бактериальной биомассы в столбе воды,
например определение содержания АТР и ДНК, вероятно, помо-
жет в будущем оценить постоянство бактериальной популяции
(Holm-Hansen, 1973; Holm-Hansen et al., 1968). Однако эти ме-
тоды не дают ответа на важный вопрос относительно среднего
суточного прироста бактериальной биомассы (скорость роста in
situ), который послужил бы более реалистическим показателем
микробной продуктивности.
Активность гетеротрофных бактерий в столбе воды in situ
стали исследовать лишь недавно, используя в качестве ее пока-
зателя скорость поглощения 14С-органических соединений.
В табл. 2.8 сведены данные, полученные при изучении гетеро-
трофной активности в пробах поверхностного слоя воды, льда и
осадков в Арктике и Антарктике. Эти данные четко показывают,
что гетеротрофный потенциал (Ушах) в полярных водах мало
отличается от продуктивности в некоторых олиготрофных и мезо-
трофных озерах, а также в поверхностном слое воды восточного
тропического пояса Тихого океана (Hamilton, Preslan, 1970).
Таблица 2.8
Гетеротрофная активность природных бактериальных популяций в морской воде,
придонных осадках и льдах Арктики и Антарктики
Район Проба Субстрат Температура, in situ, °C Общая 7max, мкг-л-1-ч~‘Х ХЮ-! ^max мкгл-1-ч-1Х хю-2 Кругооборот, ч-102 Дыхание, % Источник данных
Арктика Лед Глутамино- вая кислота 0 0,1—2,2 1,4—13,3 60—86 Morita et al., 1977
Морская вода То же 0 0,1—17 0,1—7,1 0,2—68 44—76
Осадки 0 2,0—170 1,0—59 — 32—65
Антарктика Морская вода 0 0,11 — — — Gillespie et al., 1976
Антарктика То же 0 0,2—8,7 — 1,1—123 51—77 Morita,
Глюкоза 0 0,05—1,8 — 5,7—48 21—36 1975
Тирозин 0 0,4 — 50 9
Лизнн 0 0,07 — 37 4
64
Глава 2
Относительно медленное превращение глутаминовой кислоты
(20—12 300 ч), казалось бы, не соответствует присутствию значи-
тельных количеств бактерий в этих водах. Однако известно, что
высокая скорость кругооборота питательных веществ может на-
блюдаться там, где их концентрация и активность фитопланкто-
на довольно низки, как это было показано для Средиземного мо-
ря и Гольфстрима (Banoub, Williams, 1973).
Становится все более и более очевидным, что активность мик-
роорганизмов на большой глубине в океанах незначительна. Сни-
жение микробной активности здесь может быть обусловлено пре-
жде всего либо наличием очень малочисленной популяции микро-
организмов (Hobbie et al., 1972), либо совместным действием
температуры и давления (Jannasch et al., 1971; Jannasch, Wirsen,
1973; Wirsen, Jannasch, 1974), либо, наконец, обоими этими фак-
торами. Во всех случаях активность микроорганизмов на глуби-
не от 1500 до 5300 м составляла лишь небольшую долю активно-
сти при давлении в 1 атм. По мнению Мориты (Morita, 1976),
низкая скорость метаболизма у глубоководных морских бакте-
рий может способствовать их выживанию, так как иа большой
глубине скорость поступления энергетических субстратов неве-
лика. Впрочем, в столбе воды вплоть до глубины свыше 3000 м
была найдена значительная популяция пигментированных клеток
диаметром от 1 до 4 мкм (Fournier, 1966; Hamilton et al., 1968).
Частота, с которой встречаются эти организмы, а также их роль
до сих пор не выяснены (гл. 4).
Хотя численность и активность глубоководных бактерий мо-
жет быть весьма незначительна, в придонных осадках на боль-
шой глубине, а также на границе раздела между этими осадками
и водой, согласно некоторым данным, может находиться большая
и активная бактериальная популяция. Даже в мелких придонных
местах численность бактерий в осадках на один и более порядков
выше, чем в столбе воды. Присутствие в осадках большой попу-
ляции бактерий, растущих при низких температурах, было обнару-
жено уже давно (Certes, 1884). С тех пор многие авторы изуча-
ли численность бактерий в придонных осадках и установили, что
она колеблется от 100 и менее до 108 и более бактерий в 1 г
осадков (Waksman , Сагу, 1933; ZoBell, Anderson, 1936; Ritten-
berg, 1941; Morita, ZoBell, 1955).
В придонных осадках Арктики содержится не очень много жиз-
неспособных бактерий: от 10 до 103 в 1 г влажных осадков (Ro-
zenberg, 1954; Boyd, Boyd, 1963; Крисс, 1963). Столь низкая чис-
ленность бактерий непонятна, поскольку скорость минерализа-
ции в арктических осадках очень велика, как это видно из
табл. 2.8. В иле осадков на побережье штатов Орегон и Вашинг-
тон, а также пролива Пюджет было найдено около 104 бактерий
в 1 мл (температура инкубации 5°С; Wiebe, Liston, 1972; Liston,
Низкие температуры: экологические аспекты
65
1968). Большинство организмов, выделенных из реки Колумбия,
оказались психротрофными и нуждающимися в морской воде;
около 75% бактерий в пробах осадков Тихого океана были эври-
термными, а 95% эвригалинными. Численность микроорганиз-
мов в прибрежных осадках менялась в зависимости от времени
года так же, как и в воде около берегов. Недуэлл и Фладгейт
(Nedwell, Floodgate, 1971) подтвердили эти данные как in situ,
так и при инкубации осадков в лабораторных условиях при раз-
личных температурах. Эти исследования показали, что оптималь-
ная температура выделения бактериальных популяций соответст-
вует температуре предварительной инкубации осадков. Анало-
гичные популяционные изменения были также обнаружены in
situ.
Метод счета на чашках потомства жизнеспособных микроор-
ганизмов в осадках полосы прилива и отлива дает, по-видимому,
значительно заниженные величины истинной численности бакте-
рий. Количество бактерий, определенное методом прямого счета
в осадках полосы прилива с помощью окраски акридиновым
оранжевым и флуоресцентной микроскопии, колеблется от
1,17-108 до 9,97-109 бактерий в 1 г сухого осадка (Dale, 1974).
Эти цифры соответствуют выходу биомассы в 30 г бактерий (су-
хой вес) на 1 м2, что равно постоянному урожаю бентоса. Кроме
того, поскольку у бактерий скорости обмена веществ и размно-
жения значительно выше по сравнению с популяцией беспозво-
ночных в бентосе, действительная бактериальная биомасса дол-
жна быть существенно больше. По-видимому, бактерии играют
роль источника питания для бентоса.
Среди прочих морских местообитаний, где встречается боль-
шое количество психрофильных и психротрофных бактерий, сле-
дует назвать кишечник и наружную поверхность морских живот-
ных, а также микро- и макрофитные растительные популяции.
Популяция беспозвоночных бентоса составляет обычно 10 г сухо-
го веса на 1 м2, а в исключительно продуктивных районах даже
100—150 г на 1 м2 (Tait, DeSanto, 1972). Поскольку основным
источником питания этих животных служат бактерии, продук-
тивность последних должна по меньшей мере в 10 раз превышать
продуктивность беспозвоночной фауны.
Количество бактерий в морских организмах колеблется от 103
и менее для животных, которые ими не питаются, до 107 и более
на 1 г кишечника для животных, питающихся ими (Chan, 1970; Ва-
ross, 1972). Численность психрофильных и мезофильных бакте-
рий в прибрежных популяциях беспозвоночных зависит от сезон-
ных колебаний, что связано с соответствующими изменениями в
характере питания и доступности пищи. Сезонные колебания бы-
ли отмечены также у бактерий, связанных с рыбами (Liston,
1957). Общее количество жизнеспособных бактерий в пробах ки-
66
Глава 2
шечника ската и камбалы колеблется от 100 и менее до 5-106 в
1 г и более. Кроме того, на жабрах и плавниках рыб было найде-
но свыше 3000 светящихся бактерий на 1 г.
Активность психрофильных и психротрофных бактерий в
осадках или в ассоциациях с животными бентоса изучена далеко
не достаточно. Разложение хитина в кишечнике морских живот-
ных происходит в основном при температурах ниже 5°С в резуль-
тате деятельности сопутствующей бактериальной флоры (Good-
rich, 1976). В некоторых продуктивных осадках значительная
фиксация азота осуществляется бактериями (Maruyama et al.,
1974). Довольно активная микрофлора была найдена даже в
осадках на дне морских провалов. Скорость восстановления ни-
тратов бактериями на поверхности соприкосновения осадков с
водой на глубине до 5845 м составляет 0,42 мкг N на 1 л в сутки
при температурах ниже 2°С (Wada et al., 1975). Методом прямо-
го счета под микроскопом на поверхности раздела между осад-
ками и водой на глубине 5207 м было зарегистрировано 1,5-10®
бактерий в 1 л (Seki et al., 1974). Некоторые из этих микробных
популяций почти не уступали по активности бактериям в продук-
тивном поверхностном слое воды. Сэки и др. (Seki et al., 1974)
установили также, что время генерации палочковидных баро-
фильных бактерий составляет около 10 ч in situ. Столь же высо-
кой активностью отличалась микрофлора кишечника одного из
беспозвоночных, обитающего в Алеутском желобе на глубине
7050 м (Schwartz et al., 1976). Скорости роста и минерализации
были одинаковы при давлении как в 1, так и в 750 атм и при
температуре 3°С.
Большинство бактерий, найденных в морской воде и осадках
в ассоциации с растениями или животными, оказались психро-
трофными. Встречаются также и психрофильные бактерии, но в
значительно меньшем количестве. Среди морских бактерий наи-
более распространены грамотрицательные неспорообразующие
аэробные палочки. В табл. 2.9 представлены все изученные до
сих пор морские психрофилы. Среди них преобладают грамотри-
цательные вибрионы, хотя попадаются также психрофильные
клостридии и миксобактерии. Интересно, что психрофилы с очень
узкими диапазонами температур роста были выделены из вод
Антарктики. Из 150 бактерий, найденных в этих водах, 44 не
росли при температуре выше 15°С, а 52 — при температуре 20°С
(Morita, 1975). Подробное описание большинства психротрофных
морских бактерий и их температурных характеристик составил
Морита (Morita, 1966).
IX. СНЕГ И ЛЕД
Многим исследователям удалось обнаружить бактерии и дру-
гие микроорганизмы в снегу и льдах как пресных, так и морских
Низкие температуры: экологические аспекты
67
Таблица 2.9
Источники выделения и температурные характеристики психрофильных
морских бактерий
Организм Источник Оптималь- ная темпе- ратура роста, °C Макси- мальная температу- ра роста,°C Источник данных
Vibrio Экскременты рыб 16 20 Tsiklinsky, 1908
Cytophaga psychro- Кижуч 15—20 20 Borg, 1960
phila
Vibrio marinus Вода, побережье Орегона 15 20 Morita, Haight,
1964
Arthrobacter sp. Вода, залив Нарагансет Sieburth, 1964
Vibrio psychroerythrus Икра камбалы ? 19 D'Aoust, Kush-
ner, 1972
Clostridium sp. 1 Осадки побережья шта- 10,41 17,5 Matches, Lis-
2 та Вашингтон и проли- 10,7 18,3 ton, 1973
5 ва Пюджет 9,8 17,0 Finne, Matches,
19 8,3 16,3 1974
40 9,4 17,5
41 10,0 16,4
54 8,2 16,3
Vibrio 18—300 Вода, Антарктика 7 13 Baross et al.,
Vibrio 18—500 10 16 1974
E5-4-4 То же 6—7 10 Christian, Wie-
E5-22-8 <15 be, 1974
Vibrio AP-2-24 » 4 9 Morita, 1975
Pseudomonas, Vibrio, Вода, Северное море <20 Harder, Veld-
Spirillum kamp, 1967
1 Минимальная продолжительность экспоненциальной фазы роста.
вод. Однако в большинстве случаев был лишь отмечен сам факт
существования жизнеспособных микроорганизмов без какой-либо
попытки выделить и охарактеризовать психрофильные бактерии.
Результаты многих из этих исследований рассмотрены в соответ-
ствующих разделах настоящего обзора. Некоторые сообщения
указывают на возможность существования во льдах своеобраз-
ной микрофлоры, особенно в высокогорных ледниках и морском
льду.
Еще Аристотель обратил внимание, что снег иногда бывает
окрашен в ярко-красный цвет. Позднее оказалось, что такая ок-
раска вызвана присутствием некоторых видов «снежных водорос-
лей». Основной отличительной чертой таких водорослей является
то, что они не растут при температурах выше 10°С и, таким обра-
зом, подходят под определение психрофилов, предложенное Мо-
ритой (Morita, 1975). Было описано восемь видов снежных во-
дорослей, из которых три удалось выделить и получить в виде
аксенических культур (Hoham, 1975). Оптимальная температура
роста этих организмов равна 5°С для Raphidonema nivale, ГС
68
Глава 2
для Chloromonas pichinchae и 10° С для Cylindrocystis brebissonii.
Снежные водоросли были также найдены на острове Сигни в
Антарктике, и их продуктивность составляет 10 мг С на 1 м2
снежной поверхности в сутки (Fogg, 1967). Возможность присут-
ствия активной микробной флоры в ассоциации со снежными
водорослями пока не подтверждена; однако существование пси-
хрофильных бактерий было четко установлено в тех нескольких
случаях, когда исследователи попытались выделить их из ледни-
ков (Moiroud, Gounot, 1969). Таким образом, вряд ли можно
сомневаться в том, что большая популяция психрофильных бак-
терий существует в ассоциации со снежными водорослями. На-
против, во внутренних районах Антарктики ни в одной из проб
снега микроорганизмы обнаружить не удалось (Lacy et al.,
1970).
В ряде случаев активная микрофлора была найдена в поверх-
ностном слое льда озер и потоков. В своей интересной работе
Барсдейт и Александер (Barsdate, Alexander, 1970) сообщают о
том, что они обнаружили крупные пузырьки в слое льда на по-
верхности Безымянного озера в долине Танана на Аляске. Эти
пузырьки содержали смешанную популяцию преимущественно
пурпурных, розовых и зеленых фотосинтезирующих бактерий и
очень небольшое количество водорослей. Вся микробная актив-
ность была сосредоточена в слое льда, так как в расположенной
ниже воде не было кислорода.
Присутствие высокопродуктивной популяции водорослей и
бактерий во льду полярных морей было обнаружено в целом ря-
де работ (Meguro et al., 1966, 1967; Bunt, 1971). Преобладающи-
ми фотосинтезирующими организмами являются диатомовые
водоросли, которые, по-видимому, проявляют активность в сво-
бодно упакованных кристаллах льда на нижней поверхности и
на границе раздела снега и льда (Bunt, 1963; Bunt, Wood, 1963).
В проливе Мак-Мердо в Антарктике урожай водорослей во льду
соответствовал 0,5 г С на 1 м3 там, где лед был покрыт снегом,
и 10,4 г С на 1 м3 в местах без снега (Bunt, Lee, 1970). Эти снеж-
ные водоросли проявляли активность при температурах in situ
—2°С. Сорокин и Коновалова (1973) обнаружили очень много
диатомовых водорослей зимой в заливе Японского моря. В этом
заливе, покрытом слоем льда в 60 см при температуре —1,8°С,
биомасса диатомовых водорослей соответствовала 10—20 г С на
1 м3. Популяции бактерий в морских льдах могут быть весьма
многочисленными. Камерон и Бенуа (Cameron, Benoit, 1970)
нашли, например, 107 бактерий на 1 мл в морском льду, содержа-
щем популяцию диатомовых водорослей. Бактерии были также
обнаружены в слое льда толщиной 15 см, покрывающем Север-
ный Ледовитый океан (Horner, Alexander, 1972). При использо-
вании 14С-глицина и 14С-глюкозы в качестве субстратов удалось
Низкие температуры: экологические аспекты
69
определить величину Vmax, которая оказалась равной 1,3-10~4 мг
на 1 л в час (скорость дыхания не определяли). Бактерии во льду
отличаются подвижностью; по аналогии с этим наблюдением
авторы многих работ предполагают, что микроорганизмы могут
быть активными и в отдельных участках, характеризующихся
повышенной концентрацией солей. По данным Сорокина и Коно-
валовой (1973) количество бактерий в поверхностном слое льда
Японского залива равно 0,5-106—0,8-106 в 1 мл. Эти авторы уста-
новили, что продуктивность бактерий во льду соответствует
2,4—3,6 мг С на 1 м3 в сутки, уступая лишь в 5—15 раз продук-
тивности фитопланктона в том же районе. Во льду Антарктиче-
ских морей было найдено 7,4-104 бактерий на 1 г планктона
(lizuka et al., 1966). Эти цифры могут оказаться существенно
заниженными, так как пробы инкубировали при 25°С. Бактерии,
встречающиеся в морском льду, по-видимому, сильно отличаются
по своему родовому составу от микроорганизмов, распространен-
ных в поверхностных водах. Около 70% бактерий, выделенных
из морского льда, оказались Brevibacterium minutiferula (lizuka
et al., 1966).
Таким образом, можно сделать вывод, что как водоросли, так
и бактерии, обитающие во льду, проявляют активность при тем-
пературах около —2°С, причем в некоторых полярных районах
они постоянно встречаются в снегу или во льду.
X. ОБСУЖДЕНИЕ
Как следует из материала, рассмотренного в этой главе, не-
заслуженно большое внимание уделялось в прошлом тому, чтобы
втиснуть организмы, растущие при низких температурах, в жест-
кие границы, которые могли бы использоваться для того или
иного определения. При этом часто упускали из виду, активны
или нет такие организмы при низких температурах в условиях
in situ, и если активны, то в какой степени. Вместо этого особое
значение придавали определению максимальной или оптималь-
ной скорости роста подобных организмов в идеальных лабора-
торных условиях. Однако следует иметь в виду, что даже скоро-
сти роста in situ могут ничего не говорить о том, какова актив-
ность минерализации или скорость образования жизненно важ-
ных соединений и т. д., а именно эти показатели представляют
наибольший интерес с экологической точки зрения. Для микро-
организма, обитающего в холодных условиях, главный вопрос —
это выжить в те периоды, когда физические и химические факто-
ры окружающей среды препятствуют росту и обмену веществ.
Очевидно, организмы не стали бы вырабатывать такие физиоло-
гические системы, которые оптимально функционируют только в
чрезвычайно узком диапазоне условий окружающей среды; если
70
Глава 2
они это делают, то лишь тогда, когда среда не претерпевает ни-
каких изменений. Микроорганизмы, растущие только в узкой
области температур, могут выжить в условиях с весьма неустой-
чивыми температурными характеристиками лишь в том случае,
если они обладают особым механизмом, который не дает им по-
гибнуть при экстремальных температурах; таким механизмом
может быть, например, образование спор или цист. Даже более
высокоорганизованные формы жизни способны уцелеть в неус-
тойчивых суровых условиях, например в сухих долинах Антарк-
тики, только если они выдерживают высушивание или колебания
температуры выше или ниже их области роста. Сине-зеленые во-
доросли в полярных почвах не погибают в отсутствие влаги (Hor-
ne, 1972), а некоторые лишайники, в частности те из них, кото-
рые обитают на поверхности скал в Антарктике, имеют макси-
мальную температуру роста ниже 20°С, хотя иногда они и попа-
дают в условия с температурой выше 30°С (Rudolph, 1966).
Таким образом, существует два основных класса микроорга-
низмов, способных к росту и активности при температурах ни-
же 5°С. Первый класс, приспособленный к устойчивым холодным
условиям, представлен стенотермными бактериями, выделенны-
ми из морей (Morita, Haight, 1964; D’Aoust, Kushner, 1972; Chri-
stian, Wiebe, 1974) и некоторых ледяных пещер (Gounot, 1973b).
Как правило, эти организмы имеют максимальную температуру
роста ниже 20°С и весьма чувствительны к температурам, превы-
шающим этот максимум (Haight, Morita, 1966; D’Aoust, Kushner,
1971; Geesey, Morita, 1975). В некоторых случаях эти психрофи-
лы предъявляют также весьма жесткие и зависимые от темпера-
туры требования к содержанию солей в окружающей среде (Stan-
ley, Morita, 1968; Morita, 1975). Напротив, второй класс микроор-
ганизмов, обитающих в неустойчивых холодных условиях, отли-
чается более широкой областью температур роста и активности,
которые нередко на 20—30°С превышают максимальную темпе-
ратуру окружающей среды. Эти организмы способны обычно вы-
держивать длительное воздействие температур значительно вы-
ше максимальной температуры их роста (Evison, Rose, 1965);
кроме того, поскольку их не раз обнаруживали в’ верхних слоях
атмосферы и в различных почвах Антарктики, они не погибают
даже при температурах на 50°С ниже минимальной температуры
их роста. Не исключено, что этот второй класс организмов, рас-
тущих при низких температурах, устойчив также к экстремаль-
ным значениям других физических и химических параметров, на-
пример концентрации солей, сухости, гидростатического давле-
ния и pH.
Чем же объясняется то противоречие, что психрофилы обычно
не встречаются в холодных условиях с неустойчивым температур-
ным режимом даже тогда, когда максимальная температура in
Низкие температуры: экологические аспекты
71
situ не поднимается выше 15°С? Организмы, которые часто вы-
деляют, растут лучше при 20—30°С и проявляют лишь слабую
активность даже при самых высоких температурах in situ. Созда-
ется впечатление, что в природе существуют, по-видимому, два
типа микроорганизмов; основное различие между ними заключа-
ется в том, что представители одного типа непрерывно осущест-
вляют обмен веществ in situ, а представители другого — нет. Та-
кая классификация несколько напоминает подразделение бакте-
риальных популяций на автохтонные и зимогенные по Виноград-
скому (1925) правда, в данном случае способность микроорга-
низмов к непрерывному росту и обмену веществ определяют не
только питательные вещества, но и другие факторы. В устойчи-
вых холодных условиях, например, встречаются представители
как автохтонной популяции, так и зимогенной. Напротив, в хо-
лодных местообитаниях с неустойчивым температурным режи-
мом, таких, как верхние слои атмосферы или некоторые поляр-
ные районы, где температура в разное время года может коле-
баться от —50 до 5°С, представлена преимущественно зимоген-
ная популяция. Очевидно, в неустойчивых холодных условиях
активность микроорганизмов проявляется только во время ко-
роткого периода «оттаивания» летом (в зависимости от темпера-
туры и доступности воды). По мере понижения температуры ор-
ганизмы должны переходить в такое физиологическое состояние,
благодаря которому они остаются жизнеспособными, хотя и по-
коящимися, в течение всей зимы. Напротив, зимогенные бакте-
риальные популяции в местах с постоянной низкой температу-
рой, например в большинстве морских вод и осадков ниже термо-
клина, сохраняют способность к дыханию даже при температуре,
при которой они не проявляют активности по другим показате-
лям. Выживание этих организмов определяется иной совокупно-
стью факторов по сравнению с активной микробной популяцией,
существующей в суровых условиях.
Хорошо известно, что бурный рост микроорганизмов в природе
происходит в ответ на изменение тех или иных физических фак-
торов, таких, как температура и степень влажности в неустой-
чивых условиях или состав и концентрация питательных веществ
в устойчивых условиях. За периодом активного роста следует
лаг-фаза, во время которой микроорганизмы осуществляют,
по-видимому, процессы вторичного метаболизма, т. е. прекраща-
ют делиться и образуют синтетазы, превращающие первичные про-
дукты обмена веществ во вторичные. Как правило, вторичные
1 Автохтонные популяции отличаются низким, но постоянным уровнем ак-
тивности и использованием для питания органических веществ, уже присут-
ствующих в почве; зимогенные популяции развиваются при поступлении в
почву свежих соединений, которые они могут использовать. — Прим. ред. анг-
лийского издания.
72
Глава 2
метаболиты не обладают биологической активностью; однако не-
которые из них, например антибиотики и токсины, могут оказы-
вать вторичный эффект, но обычно не на образующие их клетки,
а на другие организмы. Длительное выживание бактериальных
клеток связано с успешным протеканием вторичного метаболиз-
ма (Smith et al., 1974). Образование различных морфологических
структур, например спор у Bacillus или удлинение стебелька у
Caulobacter crescentus, также относят к процессам, связанным с
вторичным метаболизмом (Weinberg, 1974). По-видимому, обра-
зование кокковидных клеток у Arthrobacter и родственных орга-
низмов, а также возникновение цист у Azotobacter связаны с вто-
ричным метаболизмом.
Установлено, что микроорганизмы выживают лучше всего,
если вторичный метаболизм протекает в оптимальных условиях.
Условия, оптимальные для вторичного метаболизма, всегда отли-
чаются от оптимальных условий для роста и первичного метабо-
лизма. В частности, оптимальная температура для вторичного
метаболизма нередко бывает на 20°С ниже оптимума роста соот-
ветствующего организма и обычно лежит в сравнительно узком
интервале 5—10°С (Weinberg, 1974). Следовательно, микроорга-
низмы должны иметь два четких температурных оптимума: один
для роста, а другой для вторичного метаболизма; эффективное
осуществление последнего, возможно, обеспечивает выживание.
Истинная автохтонная популяция бактерий не может иметь сис-
тему вторичного метаболизма, так как эти организмы, по опре-
делению, никогда не прекращают процессы первичного метабо-
лизма. В отсутствие экзогенных источников питания автохтонные
бактерии вряд ли смогли бы выжить длительное время. Истин-
ные морские автохтонные микроорганизмы должны были бы
адаптироваться к особенностям среды обитания до такой степе-
ни, чтобы удовлетворять критериям, предъявляемым к истинным
психрофилам в определении Мориты (Morita, 1975). Это прежде
всего справедливо для выделенных недавно в Антарктике микро-
организмов с максимальными температурами роста около 10°С.
Напротив, зимогенная популяция в морях могла сохранить спо-
собность расти при температурах значительно выше, чем in situ,
но осуществлять функции вторичного метаболизма при темпера-
турах in situ, которые должны быть на 20°С ниже оптимальной
температуры роста. Таким образом, вполне вероятно, что наибо-
лее распространенные в холодных морях психротрофы представ-
ляют собой зимогенную популяцию, а истинные психрофилы яв-
ляются автохтонными бактериями.
Микроорганизмы, выделенные из холодных местообитаний с
весьма неустойчивым температурным режимом, например из не-
которых озер и почв Антарктики, оказались психротрофами, а не
истинными психрофилами. Они почти неизменно росли при тем-
Низкие температуры: экологические аспекты
73
пературах, на 20°С и более превышающих самую теплую темпе-
ратуру in situ. Выживание этих организмов при температурах
ниже минимума их роста может быть обусловлено процессами
вторичного метаболизма, которые протекают при температуре на
несколько градусов ниже температуры роста этих организмов in
situ, так как разница между температурами роста и замерзания
порой не превышает 3—5°С. Вторичный метаболизм осуществля-
ется перед самым замерзанием, в результате которого клетки
переходят к состоянию покоя. Такой переход необходим, так как
очевидно, что бактерии в логарифмической фазе роста более чув-
ствительны к резким изменениям окружающих условий по срав-
нению с клетками в лаг-фазе.
Следовательно, автохтонную бактериальную популяцию мож-
но отличить от зимогенной в холодных условиях с устойчивым
температурным режимом на основании области температур их
роста. В холодных условиях с неустойчивым режимом встреча-
ется только зимогенная популяция. Зимогенные бактерии обыч-
но отличаются широкой областью температур роста, поскольку
наиболее важным фактором для их выживания является эффек-
тивный вторичный метаболизм, который должен осуществляться
при температурах ниже оптимума роста.
Одно из очевидных преимуществ, которым обладают психро-
трофные бактерии в холодных условиях как с устойчивым, так и
с неустойчивым режимом, заключается в том, что in situ при суб-
оптимальных для этих бактерий температурах процессы первич-
ного метаболизма протекают у них с очень низкой скоростью и,
следовательно, более эффективно. Это особенно важно в связи
с низким уровнем содержания питательных веществ в местах
обитания в большинстве холодных районов. Например, в мор-
ской воде ниже освещенной зоны и в большинстве почв Антарк-
тики концентрация органических соединений очень мала, и чрез-
мерно быстрый метаболизм привел бы к скорому истощению
имеющегося источника питания, что вызвало бы голодание кле-
ток, может быть даже необратимое по последствиям. Из этой
гипотезы следует, что зимогенные бактерии в морях и океанах
иногда не проявляют активности в столбе воды или осадках, так
как они обычно находятся в морских микроусловиях, для кото-
рых характерно постоянное высокое содержание органических
питательных веществ. Примерами таких микроусловий могут
служить условия, существующие в кишечнике рыб и беспозвоноч-
ных, на поверхности микро- и макрофитных растений и живот-
ных, в слое воды на поверхности освещенной зоны и некоторых
мелководных осадков. Интересно, что среди психрофилов, выде-
ленных из морских проб, преобладают Vibrio и родственные ему
организмы. Vibrio неоднократно выделяли из кишечника морских
рыб (Liston, 1957) и беспозвоночных (Liston, Colwell, 1963; Ba-
74
Глава 2
ross, Liston, 1970); по-видимому, этот организм входит в состав
сопутствующей флоры вышеназванных животных. Гудрич (Good-
rich, 1976) и Чан (Chan, 1970) установили, что разложение хити-
на in situ осуществляется в основном в кишечнике морских жи-
вотных под действием хитинразлагающих микроорганизмов,
главным образом Vibrio. При этом активность бактериальной
хитиназы была выше в кишечнике животных, чем в морской воде,
содержащей хитин (Goodrich, 1976). Не исключено, что психро-
фильные вибрионы, выделенные из морской воды, на самом деле
представляют собой выброшенные из кишечника бактерии и, сле-
довательно, являются «кишечными палочками», характерными
для морских местообитаний. После выделения из кишечника эти
бактерии не принимают участия в минерализации, а служат ис-
точником питания для бентоса.
Как мы уже упоминали, именно в морях чаще всего находят
представителей класса организмов, которые подходят под опре-
деление психрофилов, предложенное Моритой (Morita, 1975).
Г1о мнению некоторых авторов, все психрофилы представлены
грамотрицательными палочковидными формами (Ingraham, Sto-
kes 1959; Farrel, Rose, 1967). Психрофилию грамотрицательных
бактерий данные авторы рассматривают в связи с особыми свой-
ствами их мембран. Это, по-видимому, справедливо для тех пси-
хрофилов, максимальная температура роста которых равна 10—
15°С. Тем не менее удалось также выделить много грамположи-
тельных бактерий, которые либо соответствуют определению пси-
хрофилов, данному Моритой, либо имеют максимальную темпера-
туру роста, лишь ненамного превышающую 20°С (Larkin, Stokes,
1966; Marshall, Ohye, 1966; Matches, Liston, 1973). Следует, одна-
ко, подчеркнуть, что в местах с неустойчивой низкой температу-
рой, например в Антарктике, грамотрицательные бактерии, а так-
же грамположительные аэробные и анаэробные спорообразую-
щие организмы встречаются редко (Flint, Stout, 1960; Cameron
et al., 1973). В районах с устойчивой низкой температурой среди
бактерий преобладают грамотрицательные палочковидные фор-
мы, главным образом Pseudomonas, Vibrio и другие близкие им
организмы, обладающие окислительной активностью. Грамполо-
жительные бактерии, в основном Arthrobacter, Corynebacterium,
Brevibacterium и другие близкие к ним группы, а также различ-
ные спорообразующие организмы были выделены в районах с ус-
тойчивой низкой температурой в гораздо меньшем количестве по
сравнению с грамотрицательными формами.
Представители другого класса бактерий, которые распростра-
нены преимущественно в холодных условиях с неустойчивым тем-
пературным режимом, включают грамположительные кокки и
палочки, относящиеся главным образом к родам Arthrobacter,
Corynebacterium, Brevibacterium, Kurthia, Cellulomonas, а также
Низкие температуры: экологические аспекты 75
родственные им организмы. Эти бактерии преобладают в антарк-
тических и арктических почвах, озерах, ледниках, льду и снегу,
а также в ледяных пещерах и в верхних слоях атмосферы. Эти
организмы отличаются тем, что они способны существовать в
очень суровых условиях окружающей среды. Интересно, что, ког-
да неочищенные пробы сточной воды помещали на 500 ч в экс-
тремальные условия (низкая температура около 4°С и высокое
гидростатическое давление от 500 до 1000 атм), которые наблю-
даются в некоторых глубоководных желобах на дне океанов,
единственными обнаруженными бактериями были Arthrobacter
и родственные ему формы (Baross et al., 1975). Arthrobacter cry-
stallopoietes способен дольше существовать в условиях голода-
ния, чем грамотрицательные бактерии (Ensign, 1970; Boylen, En-
sign, 1970). Длительное выживание этого вида объясняется его
способностью к эндогенному метаболизму в отсутствие питатель-
ных веществ в окружающей среде. Эвисон и Роуз (Evison, Rose,
1965) обнаружили, что Corynebacterium erythrogenes в отличие
от морских психрофилов сохраняет жизнеспособность при тем-
пературах, на 3—5°С превышающих максимальную температуру
роста. Один из видов Arthrobacter, обитающий в морях, имеет не-
сколько температурных оптимумов в области роста примерно от
0 до 40°С (Sieburth, 1964). Вблизи каждого температурного опти-
мума у этого вида наблюдались морфологические изменения.
Arthrobacter и родственные ему организмы отличаются тем, что
они образуют кокковидные клетки во время стационарной фазы
роста или в условиях голодания (Mulder, Antheunisse, 1963; Cu-
re, Keddie, 1973). Некоторые почвенные виды Arthrobacter спо-
собны выдерживать длительные периоды голодания in situ, чем
и объясняется их широкое распространение в почвах при неус-
тойчивых низких температурах (Zevenhuizen, 1966; Ensign,
1970). Различные виды Bacillus сравнительно редко встречаются
в сухих почвах Антарктики и других полярных районах, по-види-
мому, из-за того, что они не могут прорастать после образования
спор. Температура в некоторых местах с более суровыми холод-
ными условиями не поднимается достаточно высоко для того,
Чтобы споры могли прорасти. Те виды Bacillus, которые обнару-
жили в полярных районах, были обычно выделены из субантарк-
тических или субарктических областей. Большинство бактерий
этих видов росло при 25—30°С, но было способно к спорообразо-
ванию при 0°С (Marshall, Ohye, 1966).
XI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, количество психрофильных бактерий и на-
блюдаемая микробная активность in situ при низких температу-
рах не обязательно взаимосвязаны. В психрофильных условиях
76
Глава 2
стабильность температуры является самым важным фактором,
который определяет типы распространенных микроорганизмов и
степень их активности Психрофилы, которые подходят под опре-
деление Мориты (Morita, 1975), встречаются почти исключитель-
но в холодных условиях с устойчивым температурным режимом
По-видимому, эти психрофилы выработали такие ферменты и
системы биосинтеза, которые оптимально функционируют при
температурах, существующих in situ Высокая активность мине-
рализации и короткое время генерации in situ, присущие этим
организмам, дают им некоторые преимущества, особенно если
они обитают там, где постоянно или в определенное время года
содержится много органических питательных веществ Однако в
большинстве холодных местообитаний концентрация питатель-
ных веществ низка, а температура обычно только один-два меся-
ца в году поднимается достаточно высоко, чтобы микроорганиз-
мы могли расти и проявлять активность В этих условиях преоб-
ладают психротрофы, которые способны, по-видимому, выдержи-
вать в течение длительного времени экстремальную температуру
и отсутствие влаги
Итак, преобладающая часть биологически активных районов
на земле постоянно или в холодное время года отличается низки-
ми температурами Некоторые из наиболее биологически продук
тивных местообитаний на суше и на море характеризуются тем-
пературами, благоприятными для развития психрофильных мик-
роорганизмов Несмотря на это, мы очень мало знаем о том,
какие именно микроорганизмы встречаются там, а также, как и
в чем проявляется их активность in situ С каждым годом чело-
век все больше и больше использует ресурсы мировых океанов и
почв полярных районов, которые испытывают при этом на себе
его воздействие Вот почему столь важно способствовать даль-
нейшему расширению наших знаний об активности микроорга-
низмов при низких температурах
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Alexander М (1961) In Introduction to Soil Microbiology, Wiley, New York
Alexander V (1974) A synthesis of the IBR tundra biome circumpolar study of
nitrogen fixation In Soil Organisms and Decomposition in Tundra (Eds
A J Holding, О M Heal, S F Maclean, Jr and P W Flanagan),
pp 109—121, Swedish IBP Committee, Stockholm
Alexander V Schell D M (1973) Seasonal and spatial variation of nitrogen
fixation in the Barrow, Alaska tundra, Artic Alpine Res , 5, 77—88
Allen H L (1968) Acetate in fresh water Natural substrate concentrations
determined by dilution bioassay, Ecology, 49, 346—349
Allen H L (1969) Chemo organotrophic utilization of dissolved organic
compounds by planktonic algae and bacteria in a pond, Int Rev Ges
Hydrobiol, 54, 1—33
Anderson R L Ordal E J (1961) Cytophaga succtnicans sp n a facultatively
anaerobic aquatic myxobactenum, J Bacteriol, 81, 130—146
Низкие температуры экологические аспекты
77
Baker J Н (1970а) Yeast molds and bacteria from an acid peat on Signy
Island In Antarctic Ecology (Ed M W Holdgate), Vol 2, pp 717—722,
Academic Press, London and New York
Baker J H (1970b) Quantitative study of yeasts and bacteria m a Signy
Island peat, Br Antarctic Surv Bull, 23, 51—55
Baker J H Smith D G (1972) The bacteria in an antarctic peat, J Appl Вас
teriol, 35, 589—596
Barber R T (1966) Interaction of bubbles and bacteria in the formation of or
game aggregates in sea water, Nature, Lond , 211, 257—258
Barghoorn E S, Nichols R L (1961) Sulfate reducing bacteria and pyntic
sediments in Antarctica, Science, 134, 190
Bai oss J 71 (1972) Some influences of temperature, bacteriophage, and other
ecological parameters on the distribution and taxonomy of marine vibrios,
Ph D Thesis, University of Washington, Seattle
Baross J A Liston J (1970) Occurrence of Vibrio parahaemolyticus and related
hemolytic vibrios in marine environments of Washington State, Appl
Microbiol, 20, 179—187
Baross J A , Hanus F J , Morita R Y (1974) The effects of hydrostatic pressure
on uracil uptake, ribonucleic acid synthesis, and growth of three obligately
psychrophihc marine vibrios, V alginolyticus and Escherichia coll In
Effect of the Ocean Environment on Microbial Activities (Eds R R Col
well and R Y Morita), pp 180—202, University Park Press, Baltimore
Baross J A Hanus F J , Morita R Y (1975) The survival of human enteric and
other sewage microorganisms under simulated deep sea conditions, Appl
Microbiol 21, 309—318
Barsdate R I Alexander V (1970) Photosymhetic organisms tn subarctic lake
ice, Arctic, 23, 201
Bartholomew W V Norman A G (1944) Microbial thermogenesis in the de
composition of plant materials, III J Bacteriol, 47, 499—504
Becrens H, Sugama S, Tahon-Castel M (1965) Psychrotrophic Clostridia,
J Appl Bacteriol 28, 36—48
Benoit R E, Hall C L Jr (1970) The microbiology of some dry valley soils
of Victoria Land, Antarctica In Antarctic Ecology (Ed M W Holdgate),
Vol 2, pp 697—701, Academic Press, Nev York and London
Benoit R Hatcher R , Green IV (1971) Bacteriological profiles and some chemi-
cal characteristics of two permanently frozen Antarctic lakes In The
Structure and Function of Freshwater Microbial Communities (Ed
J Cairns, Jr), pp 281—293, Virginia Polytechnic University, Blacksburg,
V irgima
Biederbeck V О Campbell C A (1971) Influence of simulated fall and spring
conditions on the soil system I Effect of soil microflora, Soil Sci Soc
Am Proc , 35, 471—479
Blanchard D C, Syzdek L D (1970) Mechanism for the water to air transfer
and concentration of bacteria, Science, 170, 626—628
Bliss L C (1962) Adaptations of arctic and alpine plants to environmental
conditions, Arctic, 15, 117—134
Bliss L C et al (1976) Arctic tunara ecosystems, Ann Rev Ecol Syst । 4,
359—399
Bonoub Al W, Williams P J LeB (1972) Measurement of microbial activity
and organic material in the western Mediterranean Sea, Deep-Sea Res,
19 433—443
Borg A F (1960) Studies on myxobacteria associated with diseases in salmonid
fishes, Wildlife Dis , 8, 1—85
Bott T L (1975) Bacterial growth rates and temperature optima in a stream
with a fluctuating thermal regime, Limnol Oceanogr, 20, 191—197
Boyd W L (1958) Microbiological studies of Arctic soils, Ecology, 39, 332—336
Boyd W L, Boyd J W (1962) Soil microorganisms of the McMurdo Sound
area, Antarctica, Appl Microbiol, 11, 116—121
?8 Глава 2
Boyd W L Boyd J W (1962b) Presence of Azotobacter species tn polar regions,
J Bacteriol, 83, 429—430
Boyd W L, Boyd J W (1963) Enumeration of marine bacteria of the
Chukchi Sea, Limnol Oceanogr , 8, 343—348
Boyd W L, Boyd J W (1964) The presence of bacteria in permafrost of the
Alaskan Arctic, Can J Microbiol 10, 917—919
Boyd W L, Boyd J W (1967) Microbial studies of aquatic habitats of the area
of Inuvik, Northwest territories, Arctic, 20, 27—41
Boyd W L, Boyd J W, (1971) Studies of soil microorganisms, Inuvik, North
west territories, Arctic, 24, 162—176
Boyd W L, Staley J T, Boyd J W (1966) Ecology of soil microorganisms oi
Antarctica, Antarctic Res Ser , 8, 125—159
Boylen C W, Brock T D (1973) Bacterial decomposition processes in Lake
Wingra sediments during winter, Limnol Oceanogr , 12, 628—634
Boylen C W, Ensign J C (1970) Intracellular substrates for endogenous meta
bohsm during long term starvation of rod and spherical cells of Arthro-
bacter crystallopoietes, J Bacteriol, 103, 578—587
Braarud T (1961) Cultivation of marine organisms as means of understanding
environmental influences on populations In Oceanography (Ed M Sears),
pp 271—298, Am Assoc Adv Sci, Publ No 67, Washington, D C
Breuil C, Gounot A-M (1972) Recherches preliminaries sur les bactenes
hpolytiques psychrophiles des sols et des eaux, Can J Microbiol, 18,
1445—1451
Brock T D, Passman F, Yoder I (1973) Absence of obligately psychrophihc
bacteria in constantly cold springs associated with caves in southern
Indiana, Am Midland Nat, 90, 240—246
Brockman E R, Boyd W L (1963) Myxobacteria from soils of the Alaskan and
Canadian Arctic, J Bacteriol, 86, 605—606
Brown P E, Smith R E (1912) Bacterial activities in frozen soils, Iowa Agric
Exp Stn Res Bull, 4, 155—184
Buchanan R E, Gibbons N E (1974) In Bergey’s Manual of Determinative
Bacteriology (8th ed ), Williams and Wilkins, Baltimore
Bunt J S (1963) Diatoms of antarctic sea ice as agents of primary production.
Nature, Lond, 199, 1255—1257
Bunt J S (1971) Microbial productivity in polar regions In Microbes and
Biological Productivity (Eds D E Hughes and A H Rose), pp 333—
354, XXI Symposium of the Society of General Microbiology, Cambridge
University Press, London
Bunt J S Lee С C (1970) Seasonal primary production in antarctic sea ice
at McMurdo Sound in 1967, J Mar Res , 28, 304—320
Bunt J S, Rovira A D (1955) The effect of temperature and heat treatment
on soil metabolism, J Soil Sci, 6, 129—136
Bunt J S, Wood E J F (1963) Microalgae and antarctic sea ice, Nature,
Lond, 199, 1254—1255
Burch C W (1967) Microbes in the upper atmosphere and beyond In Airborne
Microbes (Eds P H Gregory and J L Monteith), pp 354—374,
XVII Symposium of the Society of General Microbiology, Cambridge
University Press, London
Burmson В К, Morita R Y (1974) Heterotrophic potential for amino acid
uptake in a naturally eutrophic lake, Appl Microbiol, 27, 488—495
Cameron R E (1972) Microbial and ecologic investigations in Victoria Valley,
Southern Victoria Land, Antarctica In Antarctic Terrestrial Biology,
Vol 20 (Ed G A Llano), pp 195—260, Antarctic Research Series Amen
can Geophysical Union, Washington, D. C.
Cameron R E, Benoit R E (1970) Microbial and ecological investigations of
recent cinder cones, Deception Island, Antarctica (a preliminary report),
Ecology 21 802—807
Cameron R E, Devaney J R (1970) Antarctic soil algal crests scanning
Низкие температуры экологические аспекты
79
electron and optical microscope study, Trans Am Microsc Soc 89
264—273
Cameron R E, King J, David C N (1970a) Microbiology, ecology and micro-
chrnatology of soil sites in dry valley of Southern Victoria Land, Ant-
arctica In Antarctic Ecology (Ed M W Holdgate), Vol 2, pp 702—716,
Academic Press, London and New York
Cameron R E Hanson R В , Lacy G H, Mor'lit F A (1970b) Soil microbial
and ecological investigations in the Antarctic interior, Antarctic JUS,
5, 87- 88
Cameron R E, Lacy G H, Morelli F A (1971) Farthest south soil microbial
and ecological investigations, Antarctic J U S , 6, 105—106
Cameron R E, Morelli F A, Randall L P (1972a) Aerial, aquatic, and soil
microbiology of Don Juan Pond, Antarctica, Antarctic J U S , 7, 254—258
Cameron R E Morelli F A, Johnson R M (1972b) Bacterial species in soil
and air of the Antarctic Continent, Antarctic J U*S , 7, 187—189
Cameron R E, Morelli F A, Honour R C (1973) Aerobiological monitoring of
dry valley drilling sites, Antarctic JU S , 8, 211—214
Campbell C A, Biederbeck V O, Warder F G (1973) Influence of simulated
fall and spring conditions on the soil system III Effect of method of
simulating spring temperatures on ammonification, nitrification, and
microbial populations, Soil Sci Soc Am Proc , 37, 382—386
Carlucci A F , Williams P N (1965) Concentration of bacteria from sea water
by bubble scavenging, J Con Perm Int Explor Mer , 30, 28—33
Certes A (1884) Sur la culture, a 1’abrides germes atmospherique des caux et
des sediments rapportes par les expeditions du travailleur et du talisman
1882—1883, Compt Rend Acad Bulg Sci, 90, 690—693
Chan J G (1970) The occurence, taxonomy and activity of chitinoclastic bacte
na from sediment, water and fauna of Puget Sound, Ph D Thesis,
University of Washington, Seattle
Christensen P J (1974) A microbiological study of some lake water and sedi-
ments from the Mackenzie Valley mith special reference to cytophagas,
Arctic, 27, 390—391
Chiistian R R, Wiebe W J (1974) The effects of temperature upon the repro
duction and respiration of a marine obligate psychrophile, Can J Micro
biol, 20, 1341—1345
Clark F E, Jackson R D, Gardner H R (1962) Measurement of microbial
thermogenesis in soil, Soil Sci Am Proc, 26, 155—160
Collins V G (1960) The distribution and ecology of Gram negative organisms
other than Enterobactenaceae in lakes, 1 Appl Bacteriol, 23, 510—514
Conn H J (1910) Bacteria of frozen soil, Zent Bakt Abt II, 28, 510—519
Conn H J (1911) Bacteria in frozen soils, Zent Bakt Abt II, 32, 70—97
Conn H J (1914a) Bacteria of frozen soil III, Zent Bakt Abt II, 42, 510—519
Conn H J (1914b) Bacteria in frozen soils, N Y Agnc Stn (Geneva) Tech
Bull No 35, 20 pp
Conn H J (1948) The most abundant groups of bacteria in soil, Bacteriol Rev,
12, 257—273
Corpe W A , Winters H (1972) Hydrolytic enzymes of some periphytic marine
bacteria, Can J Microbiol, 18, 1483—1490
Coumartin V (1963) Review of the microbiology of underground environments,
Nat Speleol Soc Bull, 25, 1—14
Cummins К № , Klug M J, Wetzel R G , Petersen R C, Suberkropp К F,
Manny В A, Wuycheck J C , Howard Г P (1972) Organic enrichment
with leaf leachate in experimental lotic ecosystems. Bioscience, 22,
719—722
Cummins К W, Petersen R C, Howard F O, Wuycheck J C, Holt V I
(1973) The utilization of leaf litter by stream detntorvores, Ecology, 54,
336—345
Cure G L, Keddie R M (1973) Methods for the morphological examination of
80
Г шва 2
aerobic coryneform bacteria In Sampling \ficrobiological Monitoring
of Environments (Eds R G Board and D W Lovelock), pp 123—135,
Academic Press, London and New York
Dale N G (1974) Bacteria in intertidal sediments factors related to their
distributions, Limnol Oceanogr , 19, 509—518
Daley R J, Hobbie J E (1975) Direct counts of aquatic bacteria by a modified
epifluorescence technique, Limnol Oceanogr, 20, 875—882
Darling C A , Stple P A (1941) Bacteria of Antarctica, J Bacteriol, 42, 83—98
D'Aoust J Y, Kushner D J (1971) Structural changes during lysis of a
psychophihc marine bacterium, J Bacteriol, 108, 916—927
D’Aoust J Y, Kushner D J (1972) Vibrio psychoerythrus sp n classification
of the psychrophihc marine bacterium, NRC 1004; J Bacteriol, 111,
340—342
Dempster J F (1968) Distribution of psychroohihc microorganisms in different
dairy environments, J Appl Bacteriol, 31, 290—301
Домарадский И В, Григорьян Е Г, Борзенкова В И Вальков В Г (1968)
Multiplication of plague causative agents m sterile and non sterile soil,
J Microbiol Epidemiol fmmunobiol , 45, 104—108
Druce R G Thomas S В (1970) An ecological study of psychrotrophic bac
teria of soil, water, grass, and hay, J Appl Bacteriol , 33, 420—435
Duntcan L К, Rosswall T (1974) Taxonomy and physiology of tundra bacteria
in relation to site characteristics In Soil Organisms and Decomposition
in Tundra (Eds A J Holding, О M Heal, S F Maclean, Jr and
P W Flanagan), pp 79—92, Swedish IBR Committee, Stockholm
Eddy В P (1960) The use and meaning of the term ‘psychrophihc”, J Appl
Bacteriol, 23, 189—190
Egghshaw H J (1972) An experimental study of the breakdown of cellulose in
fast flowing streams In Detritus and Its Role in Aquatic Ecosystems
(Eds U Melchiorri Santohni and J W Hopton), pp 405—428, Mem Int
Ital Idrobiol, 29, Suppl Pallanza, Italy
Ehrlich R (1974) Survival of airborne microorganisms at different environmen
tai temperatures, Dev Ind Microbiol, 15, 28—32
Ekelof E (1908) Wissenschafthche ergebnisse der Schwedischen Sudpolar Expe
dition, 1901—1903, Lithographisches Institut des Generalstabs, Stockholm
Ensign J C (1970) Longterm starvation survival of rod and spherical cells
of Arthiobacter crystallopoietes, J Bacteriol, 103, 569—577
Evison J M , Rose A H (1965) A comparative study on the biochemical basis
of the maximum temperatures for growth of three psychrophihc mircoorga
nisms, J Gen Microbiol, 40, 349—364
Farrel J, Rose A (1967) Temperature effects on microorganisms, Ann Rev
Microbiol, 21, 101—120
Finne G , Matches J R (1974) Low temperature growing clostridia from marine
sediments, Can J Microbiol, 20, 1639—1645
Fischer W H , Lodge J P, Jr , Pate J B, Cadle R D (1969) Antarctic
atmosphere chemistry Preliminary exploration, Science, 164, 66—67
Flanagan P W, Veum A К (1974) Relationships between respiration weight
loss, temperature and moisture in organic residues on tundra In Soil
Organisms and Decomposition in Tundra (Eds A J Holding, О M Heal,
S F Maclean, Jr and P W Flanagan), pp 249—277, Swedish IBP
Committee, Stockholm
Flint A E, Stout J D (1960) Microbiology of some soils from Antarctica,
Nature, Lond , 188, 767—768
Floodgate G D (1972) The mechanism of bacterial attachment to detritus in
aquatic systems In Detritus and Its Role in Aquatic Ecosystems (Eds
U Melchiorri Santohni and J W Hopton), pp 309—323, Mem 1st Ital
Idrobiol , 29, Suppl Pallanza, Italy
Fogg G E (1967) Observations on the snow algae of the South Orkney
Islands, Phil Trans R Soc Lond , В , 252, 279—287
Низкие температуры экологические аспекты
81
Fogg G Е, Stewart W D Р (1968) In situ determinations of biological nitrogen
fixation in Antarctica, Br Antarctic Surv Bull, 15, 39—46
Forster J (1887) Leber eimge Eigenschalten Leuchtender Bakterien, Cent, Bac-
teriol Parasitenk, 2, 337—340
Fournelle H J (1967) Soil and water bacteria in the Alaskan subarctic tundra,
Arctic, 20, 104—113
Fournier R О (1966) North Atlantic deep sea fertility, Science, 153, 1250—1252
Fulton J D (1966a) Microorganisms of the upper atmosphere III Relationship
between altitude and micropopulation, Appl Microbiol, 14, 233—340
Fulton J D (1966b) Microorganisms of the upper atmosphere IV Micro
organisms of a land air mass as it traverses an ocean, Appl Microbiol, 14,
241—244
Geesey G G, Morita R У (1975) Some physiological effects of near maximum
growth temperatures on an obligately psychrophilic marine bacterium,
Can J Microbiol, 21, 811—818
Gillespie P A, Morita R Y, Jones L P (1976) The heterotrophic activity for
amino acids, glucose and acetate in Xntarctic water, J Oceanogr Soc
Japan, 32, 74—82
Goldman C R (1970) Antarctic freshwater ecosystems In Antarctic Ecology
(Ed M W Holdgate), pp 609—627, \cademic Press, New York and
London
Goldman C R, Mason D T Hobbie J E (19t>7) Two Antarctic desert lakes,
Limnol Oceanogr , 12, 295—310
Goldman C R, Mason D T, Wood BIB (1972) Comparative study of the
limnology of two small lakes on Ross Island, Antarctica In Antarctic
Terrestrial Biology (Ed В A Llano), pp 1—50, Antarctic Res Ser,
Vol 20, American Geophysical Union, Washington, D C
Goodrich T D (1976) Incidence and significance of bacterial chitinase in the
marine environment, Ph D Thesis, Oregon State University, Corvallis
Gordon D C, Jr (1970) A microscopic study of organic particles in the North
Atlantic Ocean, Deep Sea Res, 17, 175—186
Gordon R C (1970) Depletion of oxygen by microorganisms in Alaskan rivers
at low temperatures In International Symposium on Water Pollution
Control in Cold Climates (Eds R S Murphy and D Nyquist), pp 71—95,
University of Alaska, Institute of Water Resources and Federal Water
Quality Administration
Gounot A-M (1967) Role biologique des arthrobacter dans les limons
souterraine, Ann Inst Pasteur, 113, 923—943
Gounot A -M (1968a) Etude microbiologique de boues glaciares arctiques, Comp
Rend Acad Sci Paris D, 266, 1437—1438
Gounot A -M (1968b) Etude microbiologique des limons de deux grottes antique.
Comp Rend Acad Sci Paris D, 266, 1619—1620
Gounot A-M (1969) Contribution a 1’etudes des bacteries des grottes froides,
V Int Kongr Spelaologie, Stuttgart, 4, I—6
Gounot A M (1973a) Bacteries des glaciers et des grottes froides, Abst Int
Congr Bacteriol, Jerusalem, 1973, 235
Gounot A -M (1973b) Importance of temperature factor in the study of cold
soils microbiology, Bull Ecol Res Comm (Stockholm), 17, 172—173
Gounot A-M, Breuil C, Borgere P, Simeon D (1970) Action selective de la
temperature sur le micropeuplement des grottes froides, Comp Rend 9th
Congr Nat Speleol Dijon, Spelunca Mem, 7, 123—126
бгш/ T R G, Williams S T (1971) Soil Microorganisms, Oliver and Boyd,
Edinburgh
Gregory p H (1961) The Microbiology of the Atmosphere, 257 pp , Leonard Hill
IBooks) Ltd, London
Gregory P H (1973) The Microbiology of the Atmosphere, 377 pp , Halsted
Press, Wiley, New York
82
Глава 2
Haight R D, Morita R Y (1966) Thermally induced leakage from Vibrio ma-
rines, an obligate psychrophilic bacterium, J Bacteriol, 92, 1388—1393
Hall R J, Hyatt К О (1974) Marion Lake (IBP) — from bacteria to fish,
J Fish Res Bd Can , 31, 893—911
Hall R J, Kleiber P M, Yesaki I (1972) Heterotrophic uptake of organic
solutes by microorganisms in the sediment In Detritus and Its Role in
Aquatic Ecosystems (Eds U Melchiorn-Santolim and J W Hopton),
pp 441—471, Mem 1st Ital Idrobiol, 29 buppl, Pallanza, Italy
Hamilton R D, Presian J E (1970) Observation on heterotrophic activity in
the eastern tropical Pacific, Lrmnol Oceanogr, 15, 395—401
Hamilton R D, Holm-Hansen О, Strickland J D H (1968) Notes on the
occurence of living microscopic organisms in deep water, Deep Sea Res,
15, 651—656
Harder W, Veldkamp H (1967) A continuous culture study of an obligately
psychrophilic Pseudomonas species, Arch Microbiol, 59, 123—130
Harder W, veldkamp H (1968) Physiology of an obligately psychrophilic
marine Pseudomonas species, J Appl Bacteriol, 31, 12—23
Harrison M J, Wright R T, Morita R Y (1971) Method for measuring mine
rahzation in lake sediments, Appl Microbiol, 21, 698—702
Heal О W, French D D (1974) Decomposition of organic matter in tundra
In Soil Organisms and Decomposition in Tundra (Eds A J Holding,
О M Heal, S F Maclean, Jr and P W Flanagan), pp 279—309, Swedish
IBP Committee, Stockholm
Hobbie J E (1964) Carbon 14 measurements of primary production in two
Arctic Alaskan lakes, Verh Int Verein Theor Angew Limnol, 1,360—364
Hobbie J E, Crawford С C (1969) Respiration corrections for bacterial uptake
of dissolved organic compounds in natural waters, Limnol Oceanogr,
14, 528—532
Hobbie J E, Wright R T (1968) A new method for the study of bacteria in
lakes description and results, Mitt Int Verein, Limnol, 14 64—71
Hobbie J E, Holm Hansen О, Packard T T, Pomeroy L R, Sheldon R W,
Thomas J P, Wiebe W J (1972) A study on the distribution and activity
of microorganisms in ocean water, Limnol Oceanogr , 17, 544—555
Holding A J (1960) The properties and classification of the predominant Gram
negative bacteria occurring in soil, J Appl Bacteriol, 23, 515—525
Holding A J, (1973) The isolation and identification of certain soil Gram
negative bacteria In Sampling — Microbiological Monitoring of Environ
ments (Eds R G Board and D W Lovelock), pp 137—141, Academic
Press, London and New York
Hoham R W (1975) Optimum temperatures and temperature ranges for growth
of snow algae Arctic Alpine Res , 7, 13—24
Holm-Hansen О (1972) The distribution and chemical composition of particulate
material in marine and fresh waters In Detritus and Its Role in Aquatic
Ecosystems (Eds U Melchiorri — Santolini and J W Hopton), pp 37—51,
Mem 1st Ital Idrobiol, 29 Suppl, Pallanza, Italy
Holm Hansen О (1973) Determination of total microbial biomass by measure
ment of adenosine triphosphate In Estuarine Microbial Ecology (Eds
L H Stevenson and R R Colwell), pp 73—89, University South Carolina
Press, Columbia
Holm Hansen O, Sutcliff H, Sharp J (1968) Measurement of deoxyribonucleic
acid in the ocean and its ecological significance, Limnol Oceanogr, 13,
507—514
Horne A J (1972) The ecology of nitrogen fixation on Signy Island, South
Orkney Islands, Br Antarctic Surv Bull, 27, 1—18
Horner R Alexander V (1972) Algae populations in arctic sea ice an investi-
gation of heterotrophy, Limnol Oceanogr , 17, 454—458
Horowitz N H Cameron R E, Hubbard I S (1972) Microbiology of the dry
valleys of Antarctica, Science, 176, 242—245
Низкие температуры экологические аспекты
83
Hubbard I S, Cameron R Е, Miller А В (1968) Soil studies — desert micro-
flora XV Analysis of Antarctic dry valley soils by cultural and radio-
respirometric methods, Space Prog Summary No 37—52, 3, pp 172—175,
Jet Propulsion Laboratory, California Technical Institute, Pasadena
Hucker G J (1954) Low temperature organisms in frozen vegetables, Food
Technol, 8, 79—108
hzuka H, lanabe I, Meguro II (1966) Microorganisms in plankton-ice of the
Antarctic Ocean, J Gen Appl Microbiol, 12, 101—102
Ingraham J L (1958) Growth of psychrophihc bacteria, J Bacteriol, 75, 75—80
Ingraham I L, Stokes I L (1959) Psychrophihc bacteria, Bacteriol Rev, 23,
97—108
Ingram M (1965) Psychrophihc and psychrotrophic microorganisms, Ann Inst
Pasteur, Lille, 16, 111—118
Innis W E (1975) Interaction of temperature and psychrophihc microorganisms,
Ann Rev Microbiol, 29, 445—465
Ivarson К, C (1965) The microbiology of some permafrost soils in the MacKenzie
Valley, N W T , Arctic, 18, 256—260
lannasch H IF , lones G E (1969) Bacferial populations in sea water as
determined by different methods of enumeration, Limnol Oceanogr, 4,
128—139
lannasch H W, Wirsen С О (1973) Deep sea microorganisms In situ response
to nutrient enrichment, Science, 180, 641—643
lannasch H W, Eimhjellen K., Wirsen С О , Farmanfarmaian A (1971) Micro-
bial degradation of organic matter in the deep sea, Science, 171, 672—675
Janota Bassalik L (1963a) Psychrophiles in low moor peat, Acta Microb Pol,
12, 25—40
lanota Bassalik L (1963b) Growth of psychrophihc and mesophihc strains of
peat bacteria, Acta Microb Pol, 12, 41—54
lones I G (1971) Studies on freshwater bacteria factors which influence the
population and its activity, J Ecol, 59, 593—613
Kaljj I (1970) Arctic lake ecosystems In Antarctic Ecology (Ed M W Hold
gate), Vol 2, pp 651—663, Academic Press, New York and London
Kaushik N K, Hynes H В N (1968) Experimental study on the role of
autumn shed leaves in aquatic environments, J Ecol, 56, 229—243
Kaushik N К, Hynes H В N (1971) The fate of the dead leaves that fall
into streams, Arch Hydrobiol, 68, 229—243
Klein L (1962) River Polution II Causes and Effects, Butterworths, London
Koob D D, Leister G L (1972) Primary Productivity and associated physical,
chemical, and biological characteristics of Lake Bonney A perennially
ice-covered lake in Antarctica In Antarctic Terrestrial Biology (Ed
G A Llano), Vol 20, pp 51—68, Antarctic Research Series, American
Geophysical Union, Washington, D C
Крис A E (1963) Marine Microbiology Deep Sea, Oliver and Boyd, Edinburgh
and London
Lacy G H Cameron R E, Hanson R В, Morelli F A (1970) Microbiological
analysis of snow and air from the Antarctic interior, Antarctic JUS,
5, 88—89
Larkin I M (1970) Seasonal incidence of bacterial temperature types in
Louisiana soil and water, Appl Microbiol, 20, 286—288
Larkin I M, Stokes I L (1966) Isolation of psychrophihc species of Bacillus
J Bacteriol, 91, 1667—1671
Lenz I (1972) The size distribution of particles in marine detritus In Detritus
and Its Role in Aquatic Ecosystems (Eds U Melchiorri Santohni and
J W Hopton), pp 17—35, Mem 1st Ital Idrobiol, 29 Suppl, Pallanza,
Italy
Liston I (1957) The occurence and distribution of bacterial types on flatfish,
J Gen Microbiol, 16, 205—216
Liston I (1968) Distribution, taxonomy and function of heterotrophic bacteria
84
Глава 2
on the sea floor, Bull Misaki Marine Biol Inst Kyoto Univ, 12, 97—104
Liston I, Colwell R R (1963) Host and habitat relationships of marine com
mensal bacteria In Symposium on Marine Microbiology (Ed С H Op
penheimer), pp 611—624, Charles C Thomas, Springfield, Illinois
Llano G A (1961) Status of lichenology in Antarctica In Science in Antarctica,
Natl Acad Sci, Natl Res Council Publ, 839, 13—19
Lochhead A G (1924) Microbiological studies of frozen soil, Trans R Soc
Can, Ser III, 18, 75—96
Lochhead A G (1926) The bacterial types occurring in frozen soils, Soil Sci,
21, 225—231
Mackay R J Kalff J (1973) Ecology of two related species of caddisfly larvae
in the organic substrates of a woodland stream, Ecology, 54, 499—511
Mackay J R , MacKay D К (1974) Snow cover and ground temperatures, Garry
Island, N W T Arctic, 27, 287—296
Maki L R, Galyan E L, Chang Chien M, Caldwell D R (1974) Ice nucleation
induced by Pseudomonas synngae, Appl Microbiol, 28, 456—459
Marshall В I, Ohye D F (1966) Bacillus macquartensis n sp , a psychrotro
phic bacterium from sub Antarctic soil, J Gen Microbiol, 44, 41—46
Marschall К C , Stout R, Mitchell R (1971) Mechanism of the initial events in
the sorption of marine bacteria to surfaces, J Gen Microbiol, 68, 337—348
Maruyania Y, Suzuki T, Otobe К (1974) Nitrogen fixation in the marine en
vironment the effect of organic substrates on acetylene reduction
In Effect of the Ocean Environment on Microbial Activities (Eds
R R Colwell and R Y Morita), pp 341—353, University Park Press,
Baltimore
Matches J R, Liston J (1973) Methods and techniques for the isolation and
testing of clostridia from estuarine environment In Estuarine Microbial
Ecology (Eds L H Stevenson and R R Colwell), pp 345—361, Univer
sity of South Carolina Press Columbia
McLean A L (1918) Bacteria of ice and snow in Antarctica, Nature, Lond,
102, 35—39
McLean A L (1919) Bacteriological and other researches, Australian Antarctic
Expedition, 1911—1914, Sci Rep C 7, No 4, 13—19
Meguro H, Ito K, Fukushima H (1966) Diatoms and the ecological conditions
of their growth in sea ice in the Arctic Ocean, Science, 152, 1089—1090
Meguro H, Ito К, Fukushima H (1967) Ice flora (bottom type) a mechanism
of primary production in polar seas and the growth of diatoms in sea ice,
Arctic, 20, 114—133
Meier F C, Lindbergh C A (1935) Collecting microorganisms from Arctic
atmosphere, Sci Month , 40, 5—20
Meyer G M, Morrow M В Wyss О Berg T E Littlepage I Q (1962)
Antarctica the microbiology of an unfrozen saline pond, Science, 138
1103—1104
Mishoustine E N (1964) Les differents types de sol et la specificite de
leur micropopulation, Ann Inst Pasteur 107, 63—77
Moiroud A, Gounot A M (1969) Sur une ba< terie psychrophilile obhgatoire
isolee de limons glacianes, Comp Rend Acad Sci Pans, D 269, 2150—
2152
Morgan К G Kalff J (1972) Bacterial dynamics in two high Arctic lakes,
Freshwater Biol, 2 217—228
Morita R Y (1966) Manne psychrophilic bacteria, Oceanogr Mar Biol Ann
Rev, 4, 105—121
Morita R Y (1975) Psychrophilic bacteria, Bacteriol Rev , 39, 144—167
Morita R Y (1976) Survival of bacteria in cold and moderate hydrostatic
pressure environments with special reference to psychrophilic and baroph
ihc bacteria In The Survival of Vegetative Microbes (Eds T В Gray
and J R Postgate), pp 279—298, XXVI Symposium of the Society for
General Microbiology, Cambridge University Press, Cambridge
Низкие температуры экологические аспекты
85
Morita R У, Burton S D (1970) Occurrence, possible significance, and meta
bohsm of obligate psychrophiles in marine waters In Organic Matter in
Natural Waters (Ed D W Hood), pp 275—285, Publ No 1, Institute of
Manne Science, University of Alaska, Fairbanks
Morita R У, Haight R D (1964) Temperature effects on the growth of an
obligate psychrophilic marine bacterium, Limnol Oceanogr, 9, 102—106
Morita R Y, ZoBell С E (1955) Occurrence of bacteria in pelagic sediments
collected during the mid-Pacific expidition, Deep Sea Res , 3, 66—73
Morita R Y, Griffiths R P, Hayasaka S S (1977) Heterotrophic potential of
microorganisms in Antarctic waters, HI SCAR/IUBS Symposium on An
tarctic Biology NAS
Mulder E G, Antheunisse J (1963) Morphologie, physiologie et ecologie des
Arthrobacter, Ann Inst Pasteur, Paris, 105, 46—74
Nedwell D В, Floodgate G D (1971) The seasonal selection by temperature
of heterotrophic bacteria in an intertidal sediment, Marine Biol, 11,
306—310
Okafor N C (1966) Ecology of microorganisms on chitin buried in soil, J Gen
Microbiol, 44, 311—327
Паринкина О M (1974) Bacterial production in tundra soils In Soil Organ-
isms and Decomposition in Tundra (Eds A J Holding, О M Heal,
S F Maclean, Jr and P W Flanagan), pp 65—77, Swedish IBP
Committee, Stockholm
Parker В C, Wachtel M A (1971) Seasonal distribution of cobalamin, biotin
and niacin in rainwater In The Structure and Function of Fresh Water
Microbial Communities (Ed J Cairns, Jr), pp 195—207, Res Div Mon 3,
Virginia Polytechnical Institute and State University, Blacksburg,
Virginia
Petersen R C, Cummins К W (1974) Leaf processing in a woodland stream,
Freshwater Biol, 4, 343—368
Proctor В E (1935a) The microbiology of the upper air, Proc Am Acad Arts
Sci, 69, 315—340
Proctor В E (1935b) The microbiology of the upper air, J Bacteriol, 30,
363—375
Proctor В E, Parker В IF (1942) Microorganisms in the upper air In Aero
biology (Ed S Moulton), pp 48—54, AAAS Publ No 17, Washington,
D C
Rao S S, Dutka В J (1974) Influence of temperature on lake bacterial activ-
ities, Water Res , 8, 525—538
Rhodes M E (1959) The characterization of Pseudomonas fluorescens, J Gen
Microbiol, 21, 221—263
Rittenberg S C (1941) Studies on the marine sulfate reducing bacteria, Ph D
Thesis, University of California
Robinson G G C, Hendzel L L, Gillespie D C (1973) A relationship between
heterotrophic utilization of organic acids and bacterial populations in
West Blue Lake, Manitoba, Limnol Oceanogr, 18, 264—269
Rodhe W (1969) Crystallization of eutrophication concepts in Northern Europe
In Symposium on Eutrophication Causes, Consequences, Correctives,
pp 50—64, National Academy of Sciences, Washington, D C
Rodhe W, Hobbie J E, Wright R T (1966) Phototrophy and heterotrophy in
high mountain lakes, Mitt Int Verein Theor Angew Limnol, 16 73—85
Ross D J (1965) A seasonal study oi oxygen uptake of some pasture soils and
activities of enzymes hydrolyzing sucrose and starch, J Soil Sci, 16,
73—85
Rosswall T (1974) Cellulose decomposition studies on the tundra In Soil
Organisms and Decomposition in Tundra (Eds A J Holding, О M Heal,
S F MacLean, Jr and P W Flanagan), pp 325—340, Swedish IBP
Committee, Stockholm
Rosswall T, Clarholm M (1974) Characteristics of tundra bacterial populations
86
Глава 2
and a comparison with populations from forest and grassland soils. In:
Soil Organisms and Decomposition in Tundra (Eds A. J. Holding,
О. M. Heal, S. F. Maclean, Jr. and P. W. Flanagan), pp. 93—108, Swedish
IBP Committee, Stockholm.
Rozenberg L. A. (1954). The quality of bacteria of Bering Sea bottoms:
A methodical study on quantitative estimation of bacteria, Trans. Inst.
Oceanogr., 11, 264—270.
Rudolph E. D. (1966). Terrestrial vegetation of Antarctica: Past and present
studies. In: Antarctic Soils and Soil Forming Processes (Ed. J. C. F.
Tedrow), Vol. 8, pp. 109—124, Antarctic Research Series, American
Geophysical Union, Washington, D. C.
Sabey B. R., Bartholomew W. V., Shaw R., Pesek J. (1956). Influence of tempe-
rature on nitrification in soils, Soil Sci. Soc. Am. Proc., 20, 357—360.
Schallock E. IF., Mueller E. W., Gordon R. C. (1970). Assimilative Capacity of
Arctic Rivers, Alaska Scientific Conference, Federal Water Quality
Administration, Department of the Interior, Alaska Water Laboratory,
College, Alaska, Paper No. 7, 13 pp.
Schnell R. C., Vali G. (1972). Atmospheric ice nuclei from decomposing vegetat-
ion, Nature, Lond., 236, 163—165.
Schnell R. C., Vali G. (1973) World-wide source of leaf-derived freezing nuclei,
Nature, Lond., 246, 212—213.
Schwarz J. R., Yayanos A. A., Colwell R. R. (1976). Metabolic activities of the
intestinal microflora of a deep-sea invertebrate, Appl. Environ. Microbiol.,
31, 46—48.
Seifert J. (1961). The effect of low temperature on the intensity of nitrification.
Folia. Microbiol., Praha, 6, 350—353.
Seki H. (1971). Microbial clumps in seawater in the euphotic zone of Saanich
Inlet (British Columbia), Marine Biol., 9, 4—8.
Seki H., Wada H., Hattori H. (1974). Evidence of high organotrophic potentiality
of bacteria in the deep sea, Marine Biol., 26, 1—4.
Sheldon R. W„ Evelyn T. P. T., Parsons T. R. (1967). On the occurrence and
formation of small particles in seawater, Limnol. Oceanogr., 12, 367—375-
Sieburth J. McN. (1963). Bacterial habitats in the Antarctic environment. In:
Symposium on Marine Microbiology (Ed. С. H. Oppenheimer), pp. 533—
548, Charles C. Thomas, Springfield, Illinois.
Sieburth L. McN. (1964). Polymorphism of a marine bacterium (Arthrobacter)
as a function of multiple’ temperature optima and nutrition. In: Symposium,
on Experimental Marine Ecology, pp. 11—16, University of Rhode Island
Occasional Publication No. 2, University of Rhode Island, Kingston.
Sieburth J. McN. (1965). Microbiology of Antarctica. In: Biogeography and
Ecology in Antarctica (Eds. P. Van Oye and J. Van Mieghem), pp. 267—
295, Monographiae Biologicae, Vol. 15, W. Junk, The Hague.
Sieburth J. McN. (1967). Seasonal selection of estuarine bacteria by water
temperature, J. Exp. Marine Biol. Ecol., 1, 98—121.
Sieburth J. McN. (1971). Distribution and activity of oceanic bacteria, Deep-Sea.
Res., 18, 1111—1121.
Sinclair N. A., Stokes J. L. (1964). Isolation of obligately anaerobic psychrophihc
bacteria, J. Bacteriol., 87, 562—565.
Smith D. K-, Benedict C. D.. Weinberg E. D. (1974). Bacterial culture longevity:
Control by inorganic phosphate and’ temperature, Appl. Microbiol., 27,
292—293.
Smyk B., Ettinger L. (1963). Recherches sur quelques especes d’arthrobacter
fixatrices d’azote isolees des roches karstiques alpines, Ann. Inst. Pasteur,
Paris, 105, 341—348.
Сорокин Ю. И. (1973). Productivity of bacterioplankton in the Western Pacific,
Oceanology, 13, 70—80.
Сорокин Ю. И., Коновалова И. В. (1973). Production and decomposition of
Низкие температуры: экологические аспекты
87
organic matter in a bay of the Japan Sea during the winter diatom blooms,
Limnol. Oceanogr., 18, 962—967.
Soulides D. A., Allison R. E. (1961). Effect of drying and freezing soils on
carbon dioxide production, available mineral nutrients, aggregation, and
bacterial populations, Soil Sci., 91, 291—298.
Stanford G„ Frere M. H., Schwaninger D. H. (1973). Temperature coefficient of
soil nitrogen mineralization, Soil Sci., 115, 321—323.
Stonier R. ¥., Palleroni N. J., Doudoroff M. (1966). The aerobic pseudomonads:
a taxonomic study, J. Gen. Microbiol., 43, 159—271.
Stanley S. 0., Morita R. Y. (1968). Salinity effect on the maximum growth
temperature of some bacteria isolated from marine environments, J. Bacter-
iol., 95, 169—173.
Stokes J. L., Redmond M. L. (1966). Quantitative ecology of psychrophilic
microorganisms, Appl. Microbiol., 14, 74—78.
Straka R. P., Stokes J. L. (1959). Metabolic injury to bacteria at low temperatur-
es, J. Bacteriol., 78, 181—185.
Straka R. P_, Stokes J. L. (1960). Psychrophilic bacteria from Antarctica,
J. Bacteriol., 80, 622—625.
Streten N. A. (1974). Some features of the summer climate of interior Alaska,
Arctic, 27, 273—286.
Strzelczyk E., Rouatt J. IF., Peterson E. A. (1969). Studies on actinomycetes from
soils of Baffin Island, Arctic, 22, 130—139.
Sweeting M. M. (1973). Karst Landforms, Columbia University Press, New York.
Tait R. V., DeSanto R. S. (1972). Elements of Marine Ecology, Springer Verlag,
New York.
Teal J. M. (1957). Community metabolism in a temperate cold spring, Ecol.
Monog., 27, 283—302.
Tedrow ]. C. F., Douglas L. A. (1959). Organic matter decomposition rates in
arctic soils, Soil Sci., 88, 305—312.
Tedrow J. C. F., Ugolini F. C. (1966). Antarctic soils. In: Antarctic Soils and
Soil Forming Processes (Ed. J. C. F. Tedrow), pp. 161—177, Antarctic
Research Series, Vol. 8, American Geophysical Union, Washington, D. C.
Thompson В. M., Hamilton R. D. (1973). Heterotrophic utilization of sucrose in
an artificially enriched lake, J. Fish. Res. Bd. Can., 30, 1547—1552.
Tilzer M. (1972). Dynamics and productivity of phytoplankton and pelagic
bacteria in high mountain lakes, Arch. Hydrobiol., 40, 201—273.
Triska F. J. (1970). Seasonal distribution of aquatic hyphomycetes in relation
to the disappearance of leaf litter from a woodland stream, Ph. D. Thesis,
University of Pittsburgh, Pittsburgh.
Tsiklinsky M. (1908). La flore microbienne dans les regions du Pole Sud: Expe-
dition Antarctique framjaise, 1903—1905, Masson et Cie, Paris.
Ugolini F. C. (1970). Antarctic soils and their ecology. In: Antarctic Ecology
(Ed. M. W. Holdgate), Vol. 2, pp. 673—692, Academic Press, New York
and London.
Ugolini F. C. (1972). Ornithogenic soils of Antarctica. In: Antarctic Terrestrial
Biology (Ed. G. A. Llano), pp. 181—193, Antarctic Research Series, Vol. 20,
American Geophysical Union, Washington, D. C.
Vanderleek J. (1917). Bacteria of frozen soils in Quebec, Trans. R. Soc. (Cana-
da), Ser. Ill, Sect. IV, 11, 15—37.
Vanderleek J. (1918). Bacteria of frozen soils in Quebec, II, Trans. R. Soc.
(Canada), Ser. Ill, Sect. IV, 12, 15—39.
Vela G. R. (1974). Effect of temperature on cannery waste oxidation, J. Water
Pollut. Control. Fed., 46, 198—202.
Vishniac IV. V. (1973). Analysis and related work on Antarctic soil microbiology,
Antarctic J. U. S., 8, 303.
Vishniac IV. V., Mainzer S. E. (1972). Soil microbiology studied in situ in the
dry valleys of Antarctica, Antarctic J. U. S., 7, 88—89.
Vishniac IV. V., Mainzer S. E. (1973). Antarctica as a Martian model. In: Cospar
88
Глава 2
Life Science and Space Research, XI (Ed P H A Sneats), pp 3—31,
Akademic Verlag, Berlin
Wada E, Koike I, Hattori A (1975) Nitrate metabolism in abyssal waters
Marine Biol, 29, 119—124
Waksman S A, Carey C L (1933) Role of bacteria in decomposition of plant
and animal residues in the ocean, Proc Soc Exp Biol Med , 30, 526—527
Ward F J, Robinson G G C (1974) A review of research on the limnology of
West Blue Lake, Manitoba, J Fish Res Bd Can , 31, 977—1005
Weinberg E D (1974) Secondary metabolism Control by temperature and
inorganic phosphate, Dev Ind Microbiol, 15, 70—81
Weyant W S (1966) The antarctic climate In Antarctic Soils and Soil Forming
Processes (Ed J C F Tedrow), pp 47—49, Antarctic Research Series,
Vol 8, Geography Union Publ, Washington, D C
Wiebe W J Hendricks C W (1974) Distribution of heterotrophic bacteria in a
transect ol the Antarctic Ocean In Effect of the Ocean Environment on
Microbial Activities (Eds R R Colwell and R Y Morita), pp 524—535
Wiebe W J, Litton 1 (1972) Studies of the aerobic, nonexacting heterotrophic
bacteria of the benthos In lhe Columbia River Estuary and Adjacent
Ocean Waters (Eds A T Pruter and D L Alverson), pp 281—312,
University of Washington Press, Seattle
Wiebe W J, Pomeroy L R (1972) Microorganisms and their association with
aggregates and detritus in the sea A microscopic study In Detritus and
Its Role in Aquatic Ecosystems (Eds U Melchiorri-Santohni and
J W Hopton), pp 325—352, Mem 1st Ital Idrobiol, 29 Suppl, Pallanza,
Italy
Wilson A T, Holdsworth R, Hendy С H (1974) Lake Wanda Source of
heating Antarctic J U S , 9, 137—138
Виноградский C (1925) Etudes sur la microbiologie du sol I Sur la methode,
Ann Inst Pasteur, Paris, 39, 299—354
Wirsen С O, Jannasch H W (1974) Microbial transformations of some
14C lebeled substrates in coastal water and sediment, Microb Ecol, 1,
25—37
Wright R T Hobbie J E (1965) The uptake of organic solutes in lake water,
Limnol Oceanogr , 10, 22—28
Wright R T, Hobbie J E (1966) Use of glucose and acetate by bacteria and
algae in aquatic ecosystems, Ecology, 47, 447—464
Wrigley R E (1974) Ecological notes on animals of the Churchill Region of
Hudson Bay, Arctic, 27, 201—214
Zeikus J G , Brock T D (1972) Effects of thermal additions from the Yellowstone
geyser basins on the bacteriology of the Tirehole River, Ecology, 53, 282—
290
Zevenhuizen L P T M (1966) Formation and function of the glycogen like
polysaccharide of Arthrobacter, Antonie van Leeuwenhoek, 32, 356—372
Zimmerman R, Meyer Red L A (1974) A new method for fluorescence staining
of bacterial populations on membrane filters, Kieler Meersforsch, 30,
24—27
ZoBell С E (1942) Microorganisms in marine air In Aerobiology (Ed
S Moulton), pp 55—68, Am Assoc Adv Sci Publ No 17, Washington,
D C
ZoBell С E (1962) Importance of microorganisms in the sea In Proceedings
of Low Temperature Microbiology Symposium, pp 107—132, Campbell
Soup Co, Camden, New Jersey
ZoBell С E , Anderson D О (1936) Vertical distribution of bacteria in marine
bacteria, Am Ass Petrol Geol Bull, 20, 258—269
ZoBell С E, Conn J E (1940) Studies on the thermosensitivity of marine
sediments, J Bacteriol, 40, 223—238
ZoBell С E , Mathews H M (1936) A qualitative study of the bacterial flora
of land and sea breezes, Proc Natl Acid Sci USA, 22, 567 572
ГЛАВА 3
ЖИЗНЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ:
МЕХАНИЗМЫ
И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ
У. Иннис, Д. Ингрэм
(W. Е Inniss, J. L Ingraham, University of Waterloo
and University of California)
f. КИНЕТИКА РОСТА ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
В основе роста микроорганизмов лежит взаимосвязанная по-
следовательность химических реакций, зависящих от темпера-
туры Зависимость между температурой и скоростью роста вы-
ражается уравнением Аррениуса
lg^ = ^L^a_+ с,
2,303 RT
где k — константа скорости реакции, \Н& — теплота активации,
R — газовая постоянная, Т — абсолютная температура, а С —
константа Иногда ДЯа заменяют ДЕ — энергией активации
Когда это уравнение применяют к росту микроорганизмов, k вы-
ражает скорость роста, а Д//а или ДЕ служат температурными
характеристиками (ц) Таким образом, если начертить график
зависимости 1g k от 1/Т, то угол наклона линейного участка кри-
вой будет равен —ц/2,303Е и тогда можно рассчитать значение
зависимости скорости роста от температуры по принципу Арре-
ниуса для химической реакции (рис 3 1) Однако при значениях
температуры ниже значений, соответствующих этой области, ли-
нейность уже не соблюдается вместо постепенного снижения ско-
рости роста, как это следовало бы из уравнения Аррениуса, кри-
вая становится в конце концов вертикальной и рост прекращается
(минимальная температура роста) Скорость роста уменьшается
также при температурах выше оптимальной, до тех пор пока рост,
наконец, не прекращается (максимальная температура роста)
При помощи графика Аррениуса можно изучать взаимосвязь
между температурой и скоростью роста микроорганизмов, спо-
собных развиваться при относительно низких температурах Если
сравнить формы кривых на таком графике для психрофильного
организма (термины «психрофил», «облигатный и факультатив-
ный психрофил» и «психротроф» взяты из цитируемых работ)
Pseudomonas и мезофильной культуры Escherichia coh, то сразу
бросается в глаза разница между ними (Ingraham, 1958) Угол
наклона линейного нисходящего отрезка кривой для психрофиль-
ного организма в 1,6 раза меньше угла наклона для мезофильной
90
Глава 3
Рис. 3.1. Влияние температуры на скорость роста микроорганизмов.
культуры. Примерно такие же сравнительные величины были
получены при расчете температурных характеристик для двух
других психрофильных штаммов. Графики зависимости скорости
роста от температуры по Аррениусу были составлены также для
облигатного психрофила Micrococcus cryophilus и его двух мезо-
фильных мутантов Т8 и М19; при этом температурные характе-
ристики были равны 10 000 кал для психрофильного родитель-
ского штамма и 16 000 и 15 000 кал соответственно для двух мезо-
фильных мутантов (Tai, Jackson, 1969). В данной работе
исключена неоднозначность, связанная с какими-либо видовыми
различиями, так как сравнение проводилось между диким типом
и полученными из него мутантами. Аналогичная зависимость
была установлена для 11 психрофилов, выделенных из природ-
ной водной среды. Расчет их температурных характеристик роста
в области от 5 до 30°С показал, что микроорганизмы с наиболь-
шей скоростью роста при 5 и 10°С отличаются наиболее низкими
температурными характеристиками (Baig, Hopton, 1969).
Правда, последнее наблюдение удается подтвердить далеко
не всегда. Так, например, три вида Vibrio, а именно Vibrio mari-
nus МР-1 (облигатный психрофил), V. marinus PS 207 (факуль-
тативный психрофил) и Vibrio metschnekovis (мезофил) облада-
ют сходными температурными характеристиками (Hanns, Mori-
ta, 1968). Близкие температурные характеристики имели также
смесь видов психрофильных дрожжей и два вида мезофильных
дрожжей (Shaw, 1967). Отсутствие в данных случаях упомянутой
выше зависимости между скоростью роста и температурными
характеристиками объяснить пока не удалось.
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 91
Были изучены и другие аспекты влияния относительно низких
температур, как выше, так и ниже 0°С, на рост различных пси-
хрофильных микроорганизмов (Adams, Stokes, 1968; Albright,
Morita, 1968; Dejardin, Ward, 1971a; Frank et al., 1972; Geesey,
Morita, 1975; Gray, Jackson, 1973; Griffiths, Haight, 1973; Kimmel,
Maier, 1969; Larkin, Stokes, 1968; Ledebo, Ljunger, 1973; Mosser
et al., 1976; Ward, 1966). Например, на кинетику роста различных
психрофильных дрожжей в сильной степени влияют резкие изме-
нения температуры. В различных опытах температуру повышали
или понижали относительно неких определенных диапазонов тем-
пературы роста микроорганизмов (Shaw, 1967). Результаты,
полученные для психрофилов и мезофилов, сравнивали между
собой для того, чтобы выяснить, существуют ли какие-либо фун-
даментальные различия между этими столь непохожими друг на
друга микроорганизмами в отношении зависимости скорости рос-
та от повышения или понижения температуры. Удельная скорость
роста психрофильных микроорганизмов немедленно принимала
новое большее значение (характерное для микроорганизмов, по-
стоянно растущих при этой температуре), если повышение тем-
пературы не выходило за пределы относительно «умеренной»
температурной области, т. е. области, в которой температурные
характеристики менялись лишь незначительно. В пределах этой
же области в результате понижения температуры новая более
низкая скорость роста устанавливалась немедленно без всякого
переходного этапа. Вместе с тем, если температуру повышали или
понижали относительно значения, лежащего вне «умеренной»
температурной области, то наступал переходный период, вклю-
чающий несколько поколений. Во время этого периода скорости
роста были промежуточными между окончательными стабилизи-
рованными значениями, характерными для роста микроорганиз-
мов при начальной и конечной температурах перехода. Сравне-
ние результатов, полученных для психрофильных и мезофиль-
ных микроорганизмов, показало, что при сдвиге в сторону более
низкой температуры переходные скорости роста наблюдаются
для психрофилов при гораздо меньшей температуре, чем для
мезофилов. Точно так же при сдвиге в сторону более высокой
температуры психрофилы характеризуются переходными скоро-
стями роста при значительно меньших температурах по сравне-
нию с мезофилами. Для того чтобы совсем ие было переходных
скоростей роста, минимальный температурный сдвиг для мезо-
филов должен быть гораздо больше, чем для психрофилов. Было
установлено, что при сдвиге температуры реакция роста подчи-
няется уравнению Аррениуса, а изменение скорости роста от пе-
реходного значения до величины, типичной для данной темпера-
туры, протекает при участии корректирующего механизма (Shaw,
1967).
92
Глава 3
3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 3,7
| (К-1 -IO3)
Рис 3 2. Зависимость максимальной удельной скорости роста (р.) от темпера-
туры для облигатного (О) и факультативного (Ф) видов Pseudomonas Кри-
вые построены в соответствии с уравнением Аррениуса (Harder, Veldkamp,
' 1971).
Была измерена и сопоставлена кинетика роста облигатных и
факультативных психрофильных бактерий. Как видно из дан-
ных, представленных на рис. 3.2, психрофилы этих типов разли-
чаются между собой областью температур, при которых кривые
Аррениуса носят линейный характер, а не углом наклона линей-
ного участка каждой кривой (Harder, Veldkamp, 1971). Кривая
для облигатного психрофила перестает быть линейной лишь при
—2°С, в то время как для факультативного психрофила это про-
исходит уже около 5°С. Таким образом, облигатные психрофилы
отличаются более высокой скоростью роста при относительно
низкой температуре, так как, по-видимому, они обладают при та-
кой температуре конкурентным преимуществом.
Весьма удобным подходом для изучения кинетики роста мик-
роорганизмов при относительно низкой температуре является ис-
пользование метода их непрерывного культивирования в услови-
ях хемостата. В системе хемостата можно получать культуры с
различными скоростями роста, легко поддерживать их в стабиль-
ном состоянии и изучать влияние на них температуры. Например,
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
93
у облигатного психрофильного вида Pseudomonas урожай на
1 моль потребленного субстрата при температурах выше и ниже
оптимальной (14°С) уменьшался, но вместе с тем содержание
белков в клетке и «истинные» значения QO2 увеличивались (Har-
der, Veldkamp, 1967). Следовательно, потребность в энергии для
обеспечения определенной скорости роста повышается с увели-
чением отклонения от оптимальной температуры роста. В опреде-
ленных пределах клетки способны, по-видимому, компенсировать
воздействие температуры на рост тем, что они усиливают синтез
ферментов в системах, вырабатывающих энергию.
Культивирование в условиях хемостата было с успехом ис-
пользовано также для изучения и сравнения кинетики роста об-
лигатных и факультативных психрофилов при низких температу-
рах. Задача такого сравнения заключалась в том, чтобы устано-
вить, действительно ли более быстрый рост облигатных
психрофилов дает им конкурентное преимущество в обычных при-
родных условиях, для которых характерно низкое содержание
питательных веществ, служащих источниками углерода и энергии
(Harder, Veldkamp, 1971). Одинаковые количества клеток обли-
гатного психрофила Pseudomonas и факультативного психрофила
Spirillum помещали в хемостат и сравнивали скорости их роста
при различных скоростях разбавления (скоростью разбавления
называют число объемов культуральной среды, пропускаемой че-
рез сосуд для выращивания за единицу времени) и температурах.
При всех скоростях разбавления факультативный психрофил рос
при —2°С медленнее, чем облигатный психрофил. При 4 или 10°С
облигатный психрофил рос быстрее факультативного при высо-
ких скоростях разбавления, в то время как при низких скоростях
разбавления он рос медленнее, чем факультативный психрофил.
При 16°С факультативный психрофил рос быстрее облигатного
при всех испытанных скоростях разбавления. Таким образом,
можно сделать следующие выводы: 1) более быстро растущий
облигатный психрофильный организм обладает конкурентным
преимуществом по сравнению с факультативным психрофилом
при низких температурах независимо от концентрации субстра-
та; 2) облигатный психрофил в зависимости от концентрации
субстрата может иметь, а может и не иметь конкурентное пре-
имущество при относительно умеренных температурах; 3) обли-
гатный психрофил явно уступает в росте факультативному пси-
хрофилу при более высоких температурах.
94
Глава 3
II. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ
НИЗКУЮ МАКСИМАЛЬНУЮ ТЕМПЕРАТУРУ
РОСТА ПСИХРОФИЛЬНЫХ И ПСИХРОТРОФНЫХ
МИКРООРГАНИЗМОВ
Молекулярные основы, определяющие относительно низкую
максимальную температуру роста микроорганизмов, развиваю-
щихся в природных условиях при сравнительно низких темпера-
турах, пока еще окончательно не выяснены; вполне вероятно, что
они не одинаковы для разных микроорганизмов. Принято счи-
тать, что верхний температурный предел роста микроорганизмов
зависит от термолабильности одного или нескольких важных в
химическом или структурном отношении компонентов. Очевидно,
если клеточный компонент (или какая-либо активность) отлича-
ется чувствительностью к температуре, близкой к максимальной
температуре роста, то между этой чувствительностью и верхней
границей роста должна существовать причинная взаимосвязь.
Кроме того, иногда удается проследить положительную взаимо-
связь между уменьшением термолабильности одного или несколь-
ких клеточных компонентов (либо активности) и увеличением
максимальной температуры роста психрофильных, мезофильных
и термофильных микроорганизмов. Подобные сравнительные ре-
зультаты могут помочь также в выяснении причин, обусловли-
вающих верхние пределы роста этих микроорганизмов. Некото-
рые исследователи культивировали микроорганизмы при темпе-
ратурах как выше, так и ниже действительной максимальной
температуры их роста. Данные, полученные в результате таких
экспериментов, способствуют лучшему пониманию механизмов,
определяющих верхнюю границу роста психрофильных и психро-
трофных микроорганизмов.
А. СИНТЕЗ БЕЛКОВ
1. Изучение синтеза белков
на клеточном уровне
Синтез белков интактными клетками некоторых психрофиль-
ных микроорганизмов при относительно умеренных температурах
прекращается. Например, синтез белков облигатным психрофи-
лом Pseudomonas останавливается при 22,5°С (Harder, Veld-
kamp, 1968). Аналогично в условиях непрерывного культивиро-
вания в хемостате скорость синтеза белков этим же организмом
быстро падала при температуре около 20°С (Harder, Veldkamp,
1967). В этих же условиях переставал синтезировать белки (су-
дя по включению радиоактивных аминокислот) и одновременно
утрачивал жизнеспособность М. cryophilus (Malcolm, 1968b).
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
95
В данном случае изменение скорости гибели клеток под дейст-
вием различных температур соответствовало степени подавления
белкового синтеза. Начало потери жизнеспособности у V. marinus
совпадало с началом подавления белкового синтеза при 22°С
(Cooper, Morita, 1972). Синтез белков in vivo у Bacillus psychro-
philus и Bacillus insolitus и их рост следовали параллельно друг
другу, причем оба процесса протекали с меньшей скоростью при
30°С по сравнению с 20°С (Bobier et al., 1972).
Как следует ожидать, синтез специфических клеточных бел-
ков должен быть чувствителен к температуре. Например, при от-
носительно умеренной температуре 25°С синтез различных инду-
цируемых ферментных систем у психрофильных микроорганиз-
мов подавляется. При 25°С прекращайся синтез люминесцентной
системы психрофильной фотобактерии, условно идентифициро-
ванной как штамм Photobacterium fischeri (Makemson, 1973).
Кроме того, при 25°С отсутствовала индукция синтеза формиат-
гидрогеназы (Quist, Stokes, 1969) у выделенного раньше штамма
82 психрофильной бактерии (Upadhyay, Stokes, 1962). При 35°С
психрофильный штамм Pseudomonas 548 перестает синтезиро-
вать протеазу (Kato et al., 1972), а психрофильная культура
Pseudomonas fluorescens — ферментную систему окисления бен-
зойной кислоты (Quist, Stokes, 1972).
2. Изучение синтеза белков
на субклеточном уровне
а. Рибосомы. Очевидно, при относительно умеренных темпе-
ратурах синтез белков микроорганизмами подавляется. Чтобы
выявить чувствительные к этим температурам стадии, были изу-
чены различные субклеточные фракции. Так, например, была
исследована физическая устойчивость рибосом психрофилов, ме-
зофилов и термофилов к нагреванию путем сравнения величин
их гиперхромного эффекта при 260 нм. Была установлена поло-
жительная корреляция между значениями Тт (температура, при
которой поглощение при 260 нм возрастает на 50% максимальной
величины) рибосом из 19 микроорганизмов и максимальной тем-
пературой их роста (Расе, Campbell, 1967). Кроме того, по мере
повышения максимальной температуры роста увеличивается
суммарное содержание гуанина и цитозина в рРНК, выделенной
из каждого микроорганизма. Температуры, при которых начина-
ется денатурация выделенных рРНК, меньше тех, при которых
наблюдается гиперхромный эффект целых рибосом; следователь-
но, термостабильность рибосом обусловлена взаимодействием
между РНК и белком.
При помощи аналогичного сравнительного подхода была из-
мерена устойчивость к нагреванию рибосом из одного психро-
96
Глава 3
фильного, одного мезофильного и двух термофильных видов кло-
стридиев (Irwin et aL, 1973). Значения Тт психрофильного и
мезофильного видов почти не отличались друг от друга, в то
время как величины Тт термофильных организмов были выше.
При выделении и изучении рРНК из этих микроорганизмов ока-
залось, что величины Тт сходны между собой, правда, у психро-
фила и мезофила некоторая денатурация наблюдается при более
низких температурах, чем у термофилов. Профили денатурации
рибосом из психрофильного организма Candida gelida и мезо-
фильного штамма Candida utilis (Nash, Grant, 1969) свидетель-
ствуют о том, что рибосомы первого организма более чувстви-
тельны к нагреванию по сравнению с рибосомами второго (вели-
чины Тт равны соответственно 49 и 52).
Следует отметить,' что температуры, при которых происходит
денатурация рибосом психрофильных микроорганизмов (исходя
из величин Тщ), гораздо больше, чем верхний предел роста этих
организмов. Вместе с тем существует положительная корреля-
ция между температурой денатурации рибосом или рРНК и мак-
симальной температурой роста различных психрофилов, а также
мезофилов и термофилов. Таким образом, трудно сказать, имеет
ли такая взаимосвязь прямое отношение к верхней температур-
ной границе роста психрофильных микроорганизмов.
Денатурация рибосом психрофильных микроорганизмов под
действием температуры была обнаружена также при помощи
центрифугирования в градиенте плотности сахарозы. В отсутст-
вие нагревания профиль седиментации рибосом психрофильного
организма С. gelida состоит из двух четких компонентов (Nash,
Grant, 1969). После нагревания рибосом при 45°С в течение 5 мин
количество более легкого компонента увеличивается. Повышение
температуры еще на 5°С в течение того же периода времени при-
водило к полному исчезновению более тяжелого компонента, что
указывает на разрушение рибосом. В свете возможного сущест-
вования взаимосвязи между такой деградацией рибосом и мак-
симальной температурой роста особый интерес представляет со-
бой тот факт, что в аналогичных экспериментальных условиях
рибосомы мезофильного вида того же рода, а именно Candida
utilis, не претерпевали почти никаких изменений, и их профили
денатурации совсем не содержали более легкого компонента.
К тому же количество более тяжелого компонента было пример-
но одно и то же у обоих видов. В то же время, хотя анализ ри-
босом психрофильного и мезофильного видов Clostridium при
помощи центрифугирования в градиенте плотности сахарозы и
позволил обнаружить структурные изменения при 55°С, рибосо-
мы психрофильного вида клостридиев подвергались агрегации, в
то время как рибосомы мезофильного представителя клостриди-
ев диссоциировали (Irwin et aL, 1973). Следовательно, характер
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 97
физических изменений рибосом под действием нагревания не
всегда находится в прямой зависимости с максимальной темпера-
турой роста психрофильных микроорганизмов.
В отличие от действия повышенных температур на структуру
рибосом на их функционирование у психрофильных микроорга-
низмов влияют температуры, гораздо более близкие к темпера-
турам верхней границы роста. Рибосомы психрофилов могут
утратить активность при температурах, которые мало отличаются
от максимальной температуры роста микроорганизма, хотя рост
при этом еще возможен (Bobier et al., 1972). В табл. 3.1 приве-
дены результаты опытов, в которых изучали влияние температу-
ры 30°С на отмытые рибосомы, а также на надосадочную фрак-
цию, выделенные из В. psychrophilus и В. insolitus. Рибосомы и
надосадочную фракцию по отдельности инкубировали в течение
10 мин при 30°С, а затем объединяли и определяли их способ-
ность синтезировать белки, измеряя poly(U)-направляемый син-
тез 14С-полифенилаланина при 15°С. Контролем служили анало-
гичные фракции рибосом и надосадочной жидкости, активность
которых определяли после инкубации при 15°С в течение 10 мин.
Относительно умеренная температура 30°С приводила к сниже-
нию полипептидного синтеза рибосомами В. psychrophilus и
В. insolitus соответственно на 82 и 95%.
Биосинтез белков рибосомами С. geltda также подавляется
под действием повышенных температур. Способность рибосом
Таблица 3.1
Влияние температуры на рибосомную и надосадочную фракции1)
Фракции Включение 14С- фенилаланина, пмоль
В .psychrophilus^ В.insolitus
Отмытые рибосомы (15°С) и надосадоч- 14,44 23,3
ная фракция (15°С)
Отмытые рибосомы (15°С) и надоса- 13,95 19,7
дочная фракция (30°С)
Отмытые рибосомы (30°С) и надоса- 2,64 0,98
дочная фракция (15°С)
Отмытые рибосомы (15°С) 0,30 1,41
Надосадочная фракция (15°С) 0,46 1,94
Отмытые рибосомы (ЗОС) 0,59 1,74
Надосадочная фракция (30°С) 0,32 1,34
’) В скобках указана температура, при которой инкубировали фракцию в
течение 10 мии перед смешиванием и измерением синтеза 14С-полифенилалани-
иа прн 15°С (Bobier et al., 1972).
98
Глава 3
синтезировать 14С-полифенилаланин уменьшалась соответственно
на 70, 90 и 100%, если их инкубировали при 30, 35 и 40°С в тече-
ние 5 мин (Nash, Grant, 1969). Термолабильность таких рибосом
была установлена также в опытах, где измеряли их способность
связывать 14С-фенилаланин-тРНК. Связывание аминоацил-тРНК
рибосомами, которые предварительно нагревали при 30, 35 и 40°С
в течение 5 мин, снижалось соответственно на 30, 50 и 60%. На-
против, эти температуры совсем не влияли на активность рибосом
мезофильного вида С. utilis, и даже после нагревания при 55°С в
продолжение 5 мин белковый синтез подавлялся лишь на 15%.
Впрочем, столь четкое различие встречается далеко не всегда.
Так, например, при повышении температуры от 37 до 55°С синтез
белков полирибосомами психрофильного и мезофильного видов
Clostridium, который оценивали по скорости включения эндоген-
ного валина, подавлялся почти в одинаковой степени (примерно
на 60%; Irwin et aL, 1973). После нагревания при 37°С в течение
1 ч активность полипептидного синтеза рибосомами психрофиль-
ных, мезофильных и термофильных клостридий уменьшалась
лишь на 20% по сравнению со скоростью синтеза in vitro. При
55°С рибосомы из психрофильного организма полностью утрачи-
вали свою активность спустя 10 мин, в то время как активность
рибосом мезофилов падала на 90% только через 1 ч, а рибосомы
термофилов совсем не теряли активности.
б. Растворимые компоненты. При относительно умеренных
температурах активность растворимых субклеточных фракций
некоторых психрофильных микроорганизмов в синтезе белка мо-
жет в значительной степени подавляться. Было, например, под-
робно изучено действие температуры 30°С на надосадочную фрак-
цию, полученную после центрифугирования (S-100) М. cryophilus
(Malcolm, 1968а). В подобных системах чувствительной к дейст-
вию температуры должна быть стадия присоединения активиро-
ванных аминокислот к тРНК или какая-то предшествующая ей
стадия, так как синтез полифенилаланина из 14С-фенилаланил-
тРНК in vitro при 30° не подавлялся. Изучение аминоацилирую-
щей активности аминоацил-тРНК — синтетаз во фракции S-100
показало, что она подавляется соответственно на 98, 87 и 86%
для глутамил-, гистидил- и пролил-тРНК — синтетаз. Инкубация
глутамил- и пролил-тРНК — синтетаз при 30°С в течение 10 мин
снижала активность аминоацилирования тРНК на 50% (Mal-
colm, 1969b). Нагревание тРНК при 30°С приводило к такому
же уменьшению аминоацилирующей активности при включении
глутаминовой кислоты и пролина. В то же время инкубация очи-
щенных глутамил- и пролил-тРНК при 30°С почти не влияла на
биосинтез белка; следовательно, стадией, чувствительной к дей-
ствию умеренных температур, является связывание активирован-
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
99
ной аминокислоты с соответствующей тРНК, которое приводит к
образованию устойчивого комплекса.
Как показали дальнейшие исследования, наиболее важными
термолабильными компонентами следует считать сами фермен-
ты, т. е. глутамил- и пролил-тРНК — синтетазы. Субклеточные
компоненты М. cryophilus смешивали с субклеточными компонен-
тами мезофильного и термофильного организмов, после чего оп-
ределяли их аминоацилирующую активность и влияние на нее
температуры 30°С (Malcolm, 1969b). Как видно из табл. 3.2, ин-
кубация глутамил-тРНК — синтетазы психрофильного микроор-
ганизма при 30°С в течение 10 мин приводила к быстрой инакти-
вации этого фермента. Аналогичная обработка тРНК психрофила
снижала степень ее связывания с глутаминовой кислотой. Тем не
менее полное аминоацилирование той же тРНК может протекать
в присутствии соответствующей синтетазы мезофильного или тер-
мофильного организма. Следовательно, если в молекуле тРНК и
происходят какие-то изменения, то они не влияют на ее узнавание
глутамил-тРНК — синтетазой. Аналогичные результаты были по-
лучены для пролил-тРНК — синтетазы.
При изучении структуры субъединиц термолабильной глута-
мил-тРНК— синтетазы были обнаружены изменения, которые
происходят в ней под действием температуры (Malcolm, 1969а).
В результате инкубации при 30°С в течение 20 мин фермент не-
Таблица 3.2
Связывание глутаминовой кислоты с тРНК в
гетерологичных системах1)
Фермент ТРНК Активность, мкмоль мг”1 Ч”1 Активность, %
п п 28,2 100
м п 26,1 100
т п 18,0 100
п (П) 14,7 52
м (П) 30,0 115
т (П) 19,4 108
(П) п 14,4 51
(П) м 14,7 52
(П) т 11,7 42
х) Фракции ферментов н тРНК получены из: психрофила
М. cryophtlus — П, мезофила £. coll —М, термофила В. stea-
rothermophilus — т. Символ в скобках, например (П), означает,
что компонент предварительно инкубировали в буфере, содержа-
щем ноны, прн 30сС в течение 10 мни, а затем определяли ак-
тивность при 18°С. Активность выражена либо в микромолях
связанной аминокислоты на 1 мг белка в 1 ч, либо в процентах
активности, отмеченной для гомологичной или гетерологичной
системы в отсутствие предварительного нагревания (Malcolm,
100
Глава 3
обратимо диссоциирует на субъединицы, которые лишены ката-
литической активности. В то же время этот же фермент из от-
носительно термостабильного штамма М. cryophilus был гораздо
более устойчив к диссоциации под действием нагревания.
Растворимая субклеточная фракция психрофильной культуры
С. gelida также содержит, по-видимому, термолабильные компо-
ненты, так как в присутствии фракции S-100 синтез 14С-полифе-
нилаланина на матрице poly (U) прекращался через 30 мин при
35°С (Nash et al., 1969). Оказалось, что и в этом случае термола-
бильными компонентами являются аминоацил-тРНК— синтета-
зы. Нагревание при 35°С в течение 30 мин полностью инактиви-
ровало глицил-, изолейцил- и треонил-тРНК — синтетазы, в то
время как гистидил-, метионил- и фенилаланил-тРНК — синтета-
зы утрачивали при этом по меньшей мере 60% своей активности.
Активность шести других синтетаз почти или совсем не менялась,
но по крайней мере две из них инактивировались на 70—100%
при той же температуре, если они предварительно были частич-
но очищены.
Неодинаковое действие относительно умеренной температуры
на различные микроорганизмы, растущие при низких температу-
рах, было продемонстрировано на примере М. cryophilus, В. psy-
chrophilus и В. insolitus, первый из которых содержит термола-
бильные синтетазы, а два других — нет (Bobier et al., 1972).
Активность большинства аминоацил-тРНК — синтетаз из двух
последних микроорганизмов при 30°С была даже по меньшей
мере в три раза выше, чем при 5°С. Активность остальных фер-
ментов возрастала по крайней мере в 2,5 раза, а активность лей-
цил-тРНК — синтетазы из В. psychrophilus и серил-тРНК — син-
тетазы из В. insolitus увеличивалась соответственно в 1,6 и
1,8 раза. Кроме того, биосинтез белков в присутствии раствори-
мых субклеточных компонентов многих других психрофилов при
относительно умеренных температурах не подавляется. Напри-
мер, фракция надосадочной жидкости из Pseudomonas 412, по-
лученная после центрифугирования при 150 000 g, не инактиви-
руется после инкубации при 37°С (Szer, 1970).
Б. МОДИФИКАЦИЯ КЛЕТОЧНЫХ СТРУКТУР
Воздействие относительно невысоких температур может при-
водить к модификации структурных компонентов микроорганиз-
мов, растущих при низких температурах. Иногда происходят су-
щественные изменения тонкой структуры микроорганизмов.
В других случаях наблюдаются физиологические нарушения, вы-
званные структурными изменениями. Как было показано при
изучении психрофильного микроорганизма Vibrio psychroerythrus
(D’Aoust, Kushner, 1972) с помощью электронного микроскопа,
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
101
после инкубации клеток при 37°С в течение 2 ч (D’Aoust, Kush-
ner, 1971) компоненты клеточной стенки разрушаются и, по-види-
мому, выделяются в виде пузырьков, что свидетельствует о тер-
молабильности наружных слоев. Даже если не отмечали значи-
тельной деградации клеточных стенок, обычная трехслойная
структура мембран отсутствовала.
Температура может также вызывать ультраструктурные из-
менения у В. psychrophilus. Клеточные стенки этого психрофила
быстро разрушались при 40°С, что сопровождалось слипанием
клеток и их гибелью (Alsobrook et aL, 1972). Деструкция наруж-
ного слоя клеточной стенки занимала 15 мин. Анализ выделив-
шихся продуктов указывает на то, что термолабильность белков
может быть отчасти обусловлена отсутствием в них поперечных
связей. Для значительного повреждения среднего слоя клеточной
стенки требовалось больше времени: полностью он разрушался
только спустя 2 ч. Тем не менее клетки с полностью разрушенным
средним слоем сохраняли свою форму, если внутренний слой кле-
точной стенки оставался целым. В отличие от результатов, по-
лученных с грамотрицательным психрофильным вибрионом
(D’Aoust, Kushner, 1971), в данном случае клеточная мембрана
не претерпевала изменений.
Модификация структуры клеток психрофилов под действием
температуры может сказываться и на их внешнем виде. Напри-
мер, психрофильный организм В. insolitus при 30°С образует ни-
тевидные клетки в отличие от обычных, которые наблюдаются
при 20°С (Ferroni, Inniss, 1973). После 4 ч роста при 20°С 97%
клеток имели длину менее 4,4 мкм, а 60% из них были короче
2,2 мкм; при 30°С 70% клеток были длиннее 4,4 мкм. Дальней-
шая инкубация в течение 8 ч при 30°С приводила к тому, что
83% клеток имели в длину не менее 7,4 мкм, а при 20°С 87%
клеток были короче 2,2 мкм, т. е. разница достигала по крайней
мере 3,4 раза. При наблюдении в электронный микроскоп в
удлиненных клетках не было выявлено никаких перегородок.
Следовательно, при воздействии температур, близких к макси-
мальной температуре роста, нарушается процесс клеточного де-
ления и, по-видимому, подавляется способность микроорганизма
образовывать перегородки. Процесс образования нитевидных
клеток при повышенных температурах является обратимым
(Ferroni, Inniss, 1974). Как показали исследования при помощи
электронного и светового микроскопа, после инкубации удлинен-
ных клеток при 20°С их способность образовывать перегородки
восстанавливается. Кроме того, в тех местах, где осуществляется
деление, периодически наблюдается довольно неравномерное воз-
никновение множественных перегородок; в результате от нитей
отделяются некоторые очень короткие клетки.
Морфология клеток (а следовательно, и какой-то структур-
102
Глава 3
ный компонент) психрофильного гриба Sclerotinia borealis пре-
терпевает изменение при относительно низких температурах.
После инкубации при 25°С в течение 24 ч структура гиф на-
рушается, гифы значительно набухают и утрачивают прозрач-
ность; в обычных же условиях, т. е. при 0°С, гифы остаются про-
зрачными и прямыми, сужаясь к концу (Ward, 1968).
Изолированные клеточные стенки психрофильного микроор-
ганизма В. psychrophilus при воздействии повышенных темпера-
тур подвергаются модификации — при 20°С и выше они разру-
шаются (Mattingly, Best, 1971). При 20°С кинетика распада кле-
точных стенок имеет линейный характер; при 37°С скорость рас-
пада остается линейной лишь в течение первых 10 мин. При 45°С
и выше кинетика разрушения стенок полностью утрачивает ли-
нейный характер, а в дальнейшем с повышением температуры
возрастает и скорость распада клеточных стенок. Полученные
данные говорят о том, что при температурах, превышающих
верхние границы роста, разрушение клеточных стенок представ-
ляет собой неферментативный процесс, в то время как при тем-
пературах ниже этого предела распад стенок носит ферментатив-
ный характер. Такая интерпретация получила подтверждение в
дальнейших исследованиях (Mattingly, Best, 1972). Оказалось,
что изолированные клеточные стенки не подвергаются фермен-
тативному расщеплению при 20°С, если их поместить в холодный
ЮМ раствор хлористого лития; аналогичные данные были по-
лучены в отношении других микроорганизмов (Fan, 1970; Pooley
et al., 1970). Однако подобная обработка не оказывала никакого
влияния на разрушение клеточных стенок при 37 и 45°С. Далее,
ионы кальция не воздействуют на этот процесс при 20°С, но пре-
пятствуют ему при температурах, превышающих максимальную
границу роста. Следовательно, клеточные стенки этой психро-
фильной бактерии весьма чувствительны к температурной моди-
фикации.
Изменение поверхностей клеточной структуры облигатного
психрофила V. psychroerythrus при воздействии относительно
умеренных температур проявляется, по-видимому, в зарегистри-
рованном изменении заряда на поверхности клетки. Этот микро-
организм при температурах выше 21°С подвергается лизису; пос-
ле этого, как показал микроэлектрофорез, отмытые клетки отли-
чаются значительно большей электрофоретической подвижностью
при pH от 3 до 9 по сравнению с необработанными клетками
(Madeley et aL, 1967). Были отмечены также химические изме-
нения. Например, из клеток, подвергнутых действию относитель-
но умеренных температур выделяется и’ претерпевает разрушение
свыше половины содержащихся в них липидов (Korngold, Kush-
ner, 1968). Таким образом, изменение заряда на поверхности
клеток может объясняться модификацией, которая приводит к
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
103
потере материала клеточной поверхности, в результате чего от-
крываются дополнительные заряженные группы (Madeley et al.,
1967).
Помимо непосредственно наблюдаемых или измеряемых из-
менений клеточной структуры при воздействии относительно уме-
ренных температур по выделению внутриклеточных веществ или
настоящему полному лизису можно обнаружить модификацию
таких структур, как структуры, ответственные за проницаемость.
Например, как видно из табл. 3.3, облигатный психрофил Can-
dida nivalis выделяет в окружающую среду различные раствори-
мые внутриклеточные соединения: аминокислоты или короткие
полипептиды, неорганический фосфат и нуклеотидмонофосфаты
(Nash, Sinclair, 1968). Выделение этих соединений не может быть
вызвано лизисом клеток, так как общее количество клеток, опре-
деленное прямым счетом или по мутности, при этом не уменьша-
ется. Далее, поскольку выделение из клеток белка и нуклеино-
вых кислот не обнаружено, можно предполагать, что клеточная
мембрана подвергается специфической модификации. Выделение
названных выше соединений коррелирует с утратой клетками
жизнеспособности при 25°С; не исключено, что низкая макси-
мальная температура роста этого микроорганизма по крайней
мере отчасти объясняется термолабильностью клеточной мем-
браны.
Таблица 3.3
Выделение различных клеточных компонентов клетками С. nivalis при
повышении температуры от 15 до 35°С (Nash, Sinclair, 1968)
Темпера- тура, СС Время, ч Фосфаты, мкмоль-мл-1 Соединения, окрашиваемые нингидрином, мкмоль мл~х Сумма углеводов, мкг-мл-1 Пентоза, мкг •мл'"1 NH.-N, мкмоль-МЛ-1
15 0 0 0,15 8 9 0,05
3 1 0,19 24 17 0,10
6 0 0,20 24 19 0,10
12 0,044 0,28 32 23 0,14
35 0 0 0,15 8 9 0,05
3 0,133 0,50 44 34 0,10
6 0,233 0,73 72 56 0,11
12 0,340 0,98 88 87 0,12
Мицелий психрофильных грибов также способен выделять
внутриклеточные компоненты при воздействии повышенных тем-
ператур. Как удалось обнаружить по поглощению в УФ-свете и
с помощью изотопных методов, при температуре выше оптималь-
ной из Merulius lacrymans освобождаются нуклеотиды (Langvad,
Goksoyr, 1967).
104
Глава 3
При воздействии относительно умеренных температур может
происходить лизис клеток психрофилов, а не только выделение
из них соединений. Так, например, целые клетки В. psychrophilus
претерпевают лизис в калий-фосфатном буфере, pH 6,5 при тем-
пературах выше 28°С (Mattingly, Best, 1971). Известны и другие
случаи лизиса психрофильных бактерий (Stokes, Larkin, 1968).
Изменение проницаемости клеток под действием температуры,
в результате чего происходит выделение внутриклеточных компо-
нентов или даже лизис, встречается и у других микроорганизмов,
способных расти при низких температурах; однако при этом мо-
жет и не быть корреляции с потерей ими жизнеспособности. Но и
в этих случаях следует учитывать возможность относительно
незначительного выделения какого-нибудь специфического соеди-
нения (или соединений), играющего важную роль в утрате жиз-
неспособности организма. Например, количество внутриклеточ-
ных веществ, которые выделяет облигатный психрофил V. mari-
nas МР-1, зависит от температуры: их выделение было отмечено
при температуре около 22°С, но не при 15°С (Haight, Morita,
1966). По скорости выделения эти вещества можно расположить
в следующем порядке: белок > ДНК > РНК > аминокислоты.
Подобный порядок освобождения внутриклеточного материала
служит, по-видимому, одной из причин утраты жизнеспособности
этим микроорганизмом под действием температуры. Впрочем, бо-
лее позднее исследование, проведенное в той же группе, показа-
ло, что в питательной среде «утечка» соединений происходит
после гибели клеток (Kenis, Morita, 1968). Освобождение внутри-
клеточных компонентов начиналось лишь после того, как около
95% всех клеток утратили жизнеспособность при 20 и 25°С во
время экспоненциальной фазы роста культур. В период макси-
мума стационарной фазы роста культур клетки не выделяли
этих компонентов, хотя только 0,1% из них не утрачивала жиз-
неспособности после нагревания при 25°С в течение 120 мин.
Выделение внутриклеточного материала из В. psychrophilus при
воздействии повышенных температур в дистиллированной воде,
фосфатном буфере или питательной среде не связано, по-видимо-
му, с гибелью клеток. Иными словами, значительное выделение
внутриклеточных соединений не сопровождалось заметным
уменьшением жизнеспособности клеток (Alsobrook et al., 1972).
По мере возрастания температуры клетки теряют различные со-
единения, в том числе РНК, белок, углеводы и неорганический
фосфат. Тем не менее, как показал расчет, концентрация каждого
из таких соединений, выделяемых в окружающую среду, при 25°С
была по меньшей мере на 150—450% больше, чем при 40°С; од-
нако при 25°С гибель клеток протекала гораздо медленнее, чем
при 40°С, когда за 15 мин 90% всех клеток утрачивали жизне-
способность.
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
105
В. ИНАКТИВАЦИЯ ФЕРМЕНТОВ
Чувствительность ферментов некоторых психрофильных мик-
роорганизмов к относительно умеренным температурам может
быть причиной (или одной из причин) того, что эти организмы
отличаются низкой максимальной температурой роста. Принимая
во внимание это объяснение, следует, однако, учитывать то обсто-
ятельство, что фермент может инактивироваться под действием
температуры только в выделенном состоянии, но не в интактных
клетках. Иногда целостность клетки обеспечивает полную
или частичную защиту активности термолабильного фермен-
та. Например, малатдегидрогеназа в экстрактах клеток облигат-
ного психрофила V. marinus МР-1 легко инактивируется при на-
гревании (Langridge, Morita, 1966). Активность этого фермента
снижалась даже при 0°С и почти полностью исчезала в резуль-
тате инкубации в течение 10 мин при 30°С, т. е. при температуре,
превышающей максимальную температуру роста. Аналогичную
инактивацию претерпевал очищенный в 20 раз препарат этого
фермента. Вместе с тем при температурах ниже оптимальной тем-
пературы роста активность малатдегидрогеназы в интактных
клетках не менялась; следовательно, в этих температурных гра-
ницах ее защита обеспечивается целостностью клеток. Тем не
менее при температурах выше оптимальной (15°С) активность
этой дегидрогеназы значительно снижается даже в интактных
клетках данного психрофильного организма. Таким образом, чув-
ствительность этого фермента к относительно низким темпера-
турам может служить причиной низкого верхнего температурно-
го предела роста бактерий.
У других психрофильных микроорганизмов термолабильные
ферменты оказываются совсем не защищенными даже в интакт-
ных клетках. Скорости окисления глюкозы и эндогенных суб-
стратов разрушенными клетками В. psychrophilus изменялись
при возрастании температуры от 5 до 45°С так же, как и в ин-
тактных клетках (Stokes, Larkin, 1968). Кроме того, как показало
сравнительное исследование бесклеточных препаратов и интакт-
ных клеток этого психрофильного организма и мезофильного
штамма Bacillus, у психрофила активность окисления глюкозы
подавлялась в большей степени при низкой температуре.
В интактных клетках психрофильной бактерии штамма 82 тер-
молабильные ферменты не защищены. Окислительная и фермен-
тативная активности целых клеток и бесклеточных препаратов
этого психрофила при изменении температуры снижались оди-
наково, причем в гораздо большей степени по сравнению с мезо-
фильной культурой Escherichia coli (Purohit, Stokes, 1967). Ин-
тенсивность окисления глюкозы заметно снижалась при 46°С за
10 мин и совсем исчезала спустя 60 мин, хотя активность мезо-
106
Глава 3
фильного организма совсем не менялась даже после 120 мин
тепловой обработки. Примерно такие же результаты были полу-
чены при использовании в качестве субстратов пирувата, глице-
рина или глюкозамина. Ферментативная активность психрофила
была при этом еще чувствительнее к температуре 46°С и исчеза-
ла уже через 15 мин инкубации при этой температуре, в то время
как соответствующая активность у мезофила опять-таки не
уменьшалась. Исследование отдельных ферментов показало, что
такие ферменты психрофильного организма, как NADH-дегидро-
геназа, лактатдегидрогеназа и глицеролдегидрогеназа, а также
цитохром с-редуктаза, различаются между собой по степени тер-
моустойчивости. Наиболее термолабильной оказалась цитохром
с-редуктаза, которая инактивировалась на 70% при 40°С и на
100% при 45°С; в связи с этим было высказано предположение,
что данный фермент играет важную роль в обеспечении макси-
мальной температуры роста (около 35°С) этого микроорганизма.
Психрофильные грибы также содержат термолабильные фер-
менты, от которых может зависеть верхняя граница роста этих
организмов. Скорость эндогенного метаболизма снежной плесе-
ни Typhula idahoensis снижается при 20°С — температуре, при
которой подавляется рост (Dejardin, Ward, 1971b). Активность
р-глюкозидазы психрофильного базидиомицета снижается на
44% за 20 мин при 45°С (Stevens, Strobel, 1968).
У некоторых психрофильных микроорганизмов общая актив-
ность и рост подавляются при сравнительно низких температу-
рах из-за наличия только одного термолабильного фермента.
Использование глюкозы интактными клетками и бесклеточными
препаратами облигатного психрофила С. gelida подавлялось со-
ответственно на 80 и 100% при 35°С за 30 мин (Grant et al.,
1968). В отличие от десяти других ферментов, которые почти не
претерпели изменений, пируватдекарбоксилаза оказалась весьма
термолабильной — она утрачивала около 75% активности за
30 мин при 35°С, в то время как активность этого же фермента из
мезофильного вида С. utilus не снижалась (рис. 3.3). Активность
разложения глюкозы бесклеточными препаратами психрофиль-
ного организма восстанавливалась в результате добавления очи-
щенного препарата пируватдекарбоксилазы. Таким образом, соз-
дается впечатление, что термолабильность данного специфиче-
ского фермента является по крайней мере одним из факторов,
определяющих относительно низкую верхнюю границу роста.
Психрофильный штамм Clostridium 69 также содержит, по-види-
мому, только один фермент, отличающийся значительной термо-
лабильностью. Из десяти исследованных ферментов гликолиза
очень чувствительной к действию температуры оказалась только
триозофосфатизомераза: она инактивировалась на 80% в резуль-
тате инкубации бесклеточных препаратов при 32°С в течение
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
107
Рис. 3.3. Зависимость активности пируватдекарбоксилазы из С. gelida и
С. utilis от нагревания при температуре 35°С в течение указанных промежут-
ков времени (Grant et al., 1968).
30 мин (Shing et al., 1972). При температурах до 40°С все ос-
тальные ферменты почти не отличались по активности от мезо-
фильного вида Clostridium pasteurianum. Аналогичные результа-
ты были получены с интактными клетками. Таким образом, по-
давление гликолиза у этого психрофильного организма в резуль-
тате термолабильности только одного фермента можно считать
по крайней мере одной из причин низкой максимальной темпера-
туры его роста. Как показали дальнейшие исследования очищен-
ных препаратов триозофосфатизомеразы из психрофильных, ме-
зофильных и термофильных клостридиев, они обладают различ-
ной термолабильностью, теряя 50% исходной активности в
результате инкубации соответственно при 28,45 и 64°С в течение
10 мин (Shing et al., 1975). Вместе с тем термолабильная триозо-
фосфатизомераза содержится как в психрофильных, так и в мезо-
фильных клостридиях (Finne et aL, 1975). Вот почему было вы-
сказано предположение, что если психрофильность клостридиев
определяется термолабильностью этого фермента, то он должен
оказывать влияние на максимальные температуры роста микро-
организмов обоих типов.
108
Глава 3
III. БИОХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ,
ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МИНИМАЛЬНУЮ ТЕМПЕРАТУРУ РОСТА
Как уже было отмечено, факторы, определяющие верхнюю
температуру роста микроорганизмов, отличаются одним общим
признаком — термостабильностью одного или нескольких кле-
точных компонентов. Однако для установления нижней темпера-
турной границы нельзя найти столь же четкого определения. Фо-
тер и Ран (Foter, Rahn, 1936) хорошо сформулировали эту проб-
лему:
«Целью нашей работы было изучение минимальной темпера-
туры ферментации и отдельно минимальной температуры роста,
а также определение, если возможно, факторов, обусловливаю-
щих минимальную температуру. Поскольку и брожение, и рост
представляют собой химические реакции, они должны продол-
жаться, хотя и гораздо медленнее, до тех пор, пока среда не за-
мерзнет. Конечно, это не всегда относится к росту бактерий:
большинство из них совсем перестают расти при температурах на
5—10°С и более выше точки замерзания».
Хотя основной акцент в настоящей главе был сделан на меха-
низме роста при низких температурах, следует обратить внима-
ние на то, что отсутствие роста в этих условиях — явление, тре-
бующее объяснения (Foter, Rahn, 1936). В соответствии с этим
мы рассмотрим факторы, препятствующие росту мезофильных
организмов при низких температурах, предположив, что именно
отсутствие этих факторов обусловливает рост психрофилов. Важ-
ную роль в этом отношении играют два явления: 1) резкое воз-
растание температурной характеристики скорости роста, которое
присуще нижней части температурной области; 2) минимальная
температура роста per se. Минимальная температура роста мик-
роорганизма — это биологический параметр, который может
быть определен с ошибкой меньше, чем один градус (Shaw et aL,
1971; Hoffmann, 1967); ниже этой температуры рост отсутствует,
сколько бы времени инкубация ни продолжалась.
А. ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К ХОЛОДУ МУТАНТЫ
В КАЧЕСТВЕ МОДЕЛИ
Практическая трудность при определении факторов, обуслов-
ливающих минимальную температуру роста бактерий, состоит в
том, что несколько жизненно важных функций прекращаются,
по-видимому, одновременно. В пользу этого предположения гово-
рит тот хорошо известный факт, что у большинства бактерий
нельзя выделить мутанты с пониженными минимальными темпе-
ратурами роста. Несмотря на большое давление отбора и значи-
тельные усилия, сделанные в этом направлении, до сих пор не
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
109
удалось получить мутанты энтеробактерий с пониженной мини-
мальной температурой роста. Остается предполагать, что для су-
щественного сдвига нижней температурной границы роста этих
организмов требуется несколько мутаций генов, кодирующих
различные функции. Впрочем, подобные мутанты были выделены
у бактерий других групп.
Минимальная температура роста аэробных спорообразующих
бактерий нередко меняется в процессе культивирования в лабо-
раторных условиях. Так, например, было проведено сравнение
минимальной температуры роста 21 штамма бактерий сразу пос-
ле выделения и после четырех пересевов в лаборатории при 55°С
(Allen, 1953). Сразу после выделения только четыре штамма рос-
ли при 30°С, а после культивирования в лабораторных условиях
при этой температуре были способны расти восемь штаммов.
Мутанты с пониженной минимальной температурой роста вы-
делены у Pseudomonas. Так, например, был получен психрофиль-
ный мутант Pseudomonas aeruginosa (Azuma et al., 1962; Olsen,
Metcalf, 1968). В результате мутации изменилась как верхняя,
так и нижняя температурная граница роста этого организма:
0 и 32°С у мутанта по сравнению с 11 и 44°С у исходного штам-
ма (Olsen, Metcalf, 1968). Авторы последней цитируемой работы
обнаружили то важное обстоятельство, что не все штаммы Р. ae-
ruginosa способны служить источником психрофильных мутан-
тов. Этим исследователям не раз удавалось получить психро-
фильные мутанты некоторых штаммов Р. aeruginosa, в то время
как попытки выделить соответствующие мутанты у других штам-
мов данного вида так и не увенчались успехом. Р. aeruginosa
представляется весьма удачным организмом для выделения пси-
хрофильных мутантов, так как это почти единственный вид рода
Pseudomonas, который сам не является психрофилом. Будучи
родственным психрофильным организмам, этот вид должен пре-
терпеть, вероятно, лишь небольшое количество мутаций, чтобы
стать психрофилом. При УФ-облучении клеток в дозах, приводя-
щих к гибели 99% популяции, был получен один психрофильный
мутант на 108 клеток, что соответствует одной-двум мутациям,
необходимым для приобретения микроорганизмом психрофиль-
ных свойств (Olsen, Metcalf, 1968). Доказательством этого выво-
да может служить тот факт, установленный этими же авторами,
что психрофилия передается путем трансдукции от Р. fluorescen-
se к Р. aeruginosa. Ограниченность количества генетической ин-
формации, определяющей психрофилию в случае Р. aeruginosa,
может быть и не типична для мезофилов.
Мутанты с повышенной минимальной температурой роста,
так называемые холодочувствительные мутанты, с успехом ис-
пользуются для изучения биохимического механизма, определяю-
щего минимальную температуру роста. Обычно они .отличаются
но
Глава 3
°C
Рис. 3.4. Влияние температуры на скорость роста (k) родительского штамма
Е. colt С-600-1 (О—О) и его холодочувствительного мутанта К-11-27, утратив-
шего способность синтезировать гистидин при низкой температуре (ф—ф);
в присутствии гистидина мутант растет при всех температурах с такой же ско-
ростью, как и родительский штамм. Кривые построены в соответствии с урав-
нением Аррениуса (O’Donovan, Ingraham, 1965).
от исходного штамма только нижней границей температуры рос-
та. Зависимость скорости роста родительского штамма Е. coli и
его холодочувствительных мутантов от температуры показана на
рис. 3.4. В результате единственной мутации минимальная темпе-
ратура роста возрастает примерно на 12°С; увеличивается также
регистрируемая температурная характеристика скорости роста
в средней области температур. Однако максимальная температу-
ра роста не меняется. Зная биохимические последствия мутации,
можно установить фактор, определяющий минимальную темпе-
ратуру роста мутантного штамма. Мутации, вызывающие чувст-
вительность к холоду, встречаются почти столь же часто, как и
мутации, приводящие к термолабильности. Расмуссен (Rasmus-
sen К-, личное сообщение) провел небольшой, но достаточно убе-
дительный опыт, в котором он подвергал культуру Е. coli дей-
ствию мутагенов, а затем изучал чувствительность выживших
клеток к нагреванию и к холоду. Оказалось, что среди несколь-
ких сотен мутантов класс холодочувствительных мутантов рас-
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
111
пространен несколько шире, чем класс термолабильных мутан-
тов. Однако генетическое распределение двух классов мутантов,
чувствительных к действию температуры, достаточно четко, что
подтверждают исследования таких мутантов бактериофага T4D.
Генетическая карта 75 холодочувствительных мутантов этого фа-
га была составлена только для десяти генов (Scotti, 1968). Более
подробные исследования показали, что распределение мутаций,
вызывающих термолабильность, на хромосоме фага T4D носит
почти случайный характер: эти мутации затрагивают 38 отдель-
ных генов (Epstein et al., 1963; Edgar et al., 1964; Edgar, Lielau-
sis, 1964).,Аналогичное ограниченное генетическое распределе-
ние мутаций, приводящих к появлению холодочувствительных
мутантов, было найдено у бактерий. О’Донован и Ингрэм (O’Do-
novan, Ingraham, 1965) выделили семь различных штаммов Е. co-
ll, которые были прототрофными при 37°С, ауксотрофными—при
20°С, а при низких температурах переставали синтезировать гис-
тидин. Хотя существует девять генов, кодирующих ферменты
биосинтеза гистидина, все мутации, приводящие к появлению
холодочувствительных мутантов, затрагивали один-единствеиный
ген — тот, который кодирует первый фермент биосинтеза гистиди-
на фосфорибозил-АТР—пирофосфорилазу. Мутанты, которые по-
гибают при низких температурах (условно летальные), возникают
в результате изменений лишь небольшого числа генов. Было ус-
тановлено, что около 40% подобных мутаций затрагивают гены,
которые передаются путем трансдукции вместе с локусом устой-
чивости к стрептомицину Salmonella typhimurium, т. е. те самые
гены, которые кодируют рибосомные белки (Tai et al., 1969).
Аналогичные выводы были сделаны на основании изучения ус-
ловно-летальных холодочувствительных мутантов Е. coll: при-
мерно в половине из них была повреждена сборка рибосом, по-
видимому, в результате изменения рибосомных белков (Guthrie
et al., 1969). Таким образом, генов, по которым происходят мута-
ции, приводящие к возникновению холодочувствительных мутан-
тов, очевидно, меньше, чем генов, ответственных за появление
термолабильности. Изучение модифицированных белков холодо-
чувствительных мутантов показало, что они обладают некоторы-
ми общими свойствами. Следовательно, можно сделать вывод,
что в генетическом отношении лишь небольшой класс белков
подвергается изменениям, приводящим к потере функции только
при низкой температуре. К таким белкам относятся субъединицы
ферментов или субклеточные структуры, функционирование кото-
рых зависит от конформации. Так, например, все мутанты Е. coll,
утратившие способность синтезировать гистидин при низкой тем-
пературе, образовывали модифицированные формы первого фер-
мента пути биосинтеза гистидина — фосфорибозил-АТР — пиро-
фосфорилазы (O’Donovan, Ingraham, 1965). Хотя модифициро-
112
Глава 3
ванные ферменты сохраняли каталитическую активность и почти
нормально функционировали при 37°С, их регуляторные свойства
были значительно изменены: эти ферменты были в 100—1000 раз
более чувствительны к ингибированию по принципу обратной
связи под действием конечного продукта биосинтетического пу-
ти— гистидина. Кроме того, чувствительность исходного и моди-
фицированного ферментов к ингибированию по принципу обрат-
ной связи возрастала по мере уменьшения температуры: эти фер-
менты были почти в 10 раз чувствительнее при 20°С, чем при
37°С. Потеря функции при низкой температуре объясняется как
влиянием температуры на ингибирование активности фермента
по принципу обратной связи, так и самим эффектом мутации: при
низкой температуре фермент переставал функционировать из-за
того, что внутриклеточная концентрация гистидина была слишком
низкой для протекания синтеза белка. Этот вывод подтверждается
исследованиями реверсии. Ревертированные формы, отобранные
на основании их способности расти при 20°С в отсутствие экзо-
генного гистидина, синтезировали фермент, чувствительность ко-
торого к ингибированию по принципу обратной связи была такой
же, как и у дикого типа. Мутанты, отобранные на основании
устойчивости к ингибированию по принципу обратной связи при
37°С (устойчивость к аналогу гистидина тиазолаланину), были
способны к росту при 20°С в отсутствие экзогенного гистидина.
Таким образом, мутанты, не способные к синтезу гистидина
при низких температурах, могут быть выделены, если их фермент
чувствителен к ингибированию по принципу обратной связи, осо-
бенно при низкой температуре. Если подобная причина утраты
функции при низкой температуре носит общий характер, то изме-
нения чувствительности ферментов к ингибированию по принци-
пу обратной связи также должны быть общераспространенным
явлением. Не исключено, что это на самом деле так. Например,
фруктозо-бисдифосфатаза из печени крысы ингибируется на 50%
по принципу обратной связи под действием АМР в концентрации
8-10—4 М при 46°С и в концентрации всего лишь 8-Ю-6 М при
2°С (Takita, Pogell, 1965). Другим примером может служить
аспартат-транскарбамилаза из Saccharomyces cerevisiae, кото-
рая более чувствительна к ингибированию по принципу обрат-
ной связи под действием UTP при низкой температуре (3°С),
чем при более высокой (Kaplan et al., 1967). Карбамоилфосфат-
синтаза из Salmonella typhimurium лучше активируется орнити-
ном при 20, чем при 37°С (Abd-El-Al, Ingraham, 1969). Несмот-
ря на то что изменение чувствительности ферментов к их эффек-
торам под действием температуры носит, по-видимому, общий
характер, предсказать направление этого изменения невозмож-
но. Как было отмечено выше, транскарбамилаза аспарагиновой
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 113
кислоты из S. cerevisiae более чувствительна к подавлению при
низкой температуре, в то время как сходные ферменты из Е. coli
и 5. typhimurium по мере снижения температуры постепенно
утрачивают чувствительность к ингибитору (СТР). Наконец, при
очень низкой температуре (4°С) кривые, выражающие зависи-
мость скорости реакций, катализируемых этими ферментами, от
концентрации субстрата, имеют вид гиперболы (что характерно
для нерегулируемого фермента), а не сигмоидную форму (что
типично для регулируемого фермента при высокой температуре).
Изменение чувствительности регулируемых ферментов с темпе-
ратурой означает, что регуляция может быть оптимальной
только при какой-то одной температуре, выше и ниже которой
она нарушается. Как уже было продемонстрировано на примере
мутантов, которые перестают синтезировать гистидин при низ-
ких температурах, при очень сильном нарушении регуляции
нарушается функционирование фермента при низкой темпера-
туре.
Мутации по генам, кодирующим рибосомные белки, также
часто приводят к возникновению холодочувствительного феноти-
па (Guthrie et aL, 1969; Tai et al., 1969; Bayliss, Ingraham, 1974).
Штаммы с подобными мутациями не способны к сборке рибосом
из субчастиц при низких температурах, и в клетках накапливают-
ся недостроенные субчастицы, лишенные функциональной актив-
ности. При низких температурах рост такой культуры прекра-
щается лишь постепенно, гак как рибосомы, синтезированные до
этого при высокой температуре, продолжают функционировать
при низкой температуре.
Вполне вероятно, что общий механизм чувствительности к
холоду, которая появляется в результате мутаций генов, коди-
рующих рибосомные белки, а также генов, кодирующих регуля-
торные ферменты, связан с требованием точной конформации
белков обоих классов. К изменениям конформации приводит, по-
видимому, ослабление гидрофобных связей при низких темпе-
ратурах (Brandts, 1967).
Холодочувствительные мутанты все шире и шире использу-
ются (так же как в свое время термолабильные мутанты) для
изучения внутриклеточных процессов, продукты которых не мо-
гут быть получены из окружающей среды (Ingraham, Neuhard,
1972; Ginther, Ingraham, 1974; Reid, 1971; Wehr et al., 1975;
Waskell, Glaser, 1974). Биохимический механизм, лежащий в ос-
нове чувствительности модифицированных белков к холоду,
остается неизвестным.
Вместе с тем показано, что чувствительность фагового лизо-
цима к холоду обусловлена изменением энергии активации фер-
ментативной реакции (Liebscher et al., 1974; Dauberschmidt et al.,
114
Глава 3
Б. СОСТАВ ЛИПИДОВ И ПРОНИЦАЕМОСТЬ МЕМБРАН
ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Влияние температуры на состав липидов пойкилотермных
животных известно уже давно. Как правило, с уменьшением тем-
пературы содержание ненасыщенных жирных кислот в липидах
возрастает. То же самое справедливо для бактерий (табл. 3.4),
в которых жирные кислоты сосредоточены в основном в фосфо-
липидах мембран. Это общераспространенное явление следует
рассматривать как гомеостатный механизм. Переход от жидкого
к кристаллическому состоянию протекает при более низкой тем-
пературе у тех фосфолипидов, которые содержат больше нена-
сыщенных жирных кислот (Byrne, Chapman, 1964); возрастаю-
щее количество ненасыщенных жирных кислот по мере уменьше-
ния температуры роста может обеспечивать оптимальную сте-
пень текучести липидных компонентов клеточной мембраны
(Farrell, Rose, 1967; Chapman, 1967).
Таблица 3.4
Влияние температуры роста на жирнокислотный состав (%) клеток
Escherichia coli ML 30, культивируемых на минимальной среде с глюкозой
и собранных во время экспоненциальной фазы роста (Marr, Ingraham, 1962)
Жирная кислота Температура, ’С
10 15 20 25 30 35 40 43
Насыщенная Миристиновая 3,9 3,8 4,1 3,8 4,1 4,7 6,1 7,7
Пальмитиновая 18,2 21,9 25,4 27,6 28,9 31,7 37,1 48,0
Метиленгексадекановая 1,3 1,1 1,5 3,1 3,4 4,8 3,2 11,6
Ненасыщенная 0 0 0 0 0 0 0 3,7
Гексадеценовая 26,0 25,3 24,4 23,2 23,3 23,3 28,0 9,0
Октадеценовая 37,9 35,4 34,2 35,5 30,3 24,6 20,8 12,2
Имеются прямые доказательства в пользу того, что мембраны
с более высоким содержанием ненасыщенных жирных кислот
лучше функционируют при низкой температуре (Wilson et al.,
1970). Культуру Е. coli, ауксотрофную в отношении ненасыщен-
ных жирных кислот, выращивали на среде с олеиновой кисло-
той (содержащей одну ненасыщенную связь) и на среде с лино-
левой кислотой (две ненасыщенные связи); эти две кислоты слу-
жили источником ненасыщенных жирных кислот. Графики
Аррениуса, характеризующие поглощение (З-галактозидов и
р-глюкозидов этими клетками, носят двухфазный характер. На
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
115
графике, построенном для клеток, которые росли в присутствии
олеиновой кислоты, угол наклона кривой резко увеличивался
при температуре ниже 13°С, а в случае клеток, культивируемых
на среде с линолевой кислотой, — при температуре ниже 7°С.
Хотя линолевая кислота и не является обычным компонентом
бактериальных липидов, эти результаты показывают, что мем-
брана может функционировать при более низкой температуре
благодаря возрастанию количества ненасыщенных жирных кис-
лот в фосфолипидах мембраны. В аналогичной серии опытов
Уилсон и Фокс (Wilson, Fox, 1971) использовали пять различ-
ных источников жирных кислот. Они установили, что точка пере-
гиба кривой на графике Аррениуса, характеризующем поглоще-
ние клетками данного соединения, снижается вместе со степенью
ненасыщенности добавляемой жирной кислоты. Кроме того, они
показали, что включение ненасыщенных жирных кислот проис-
ходит быстрее при более низких температурах роста. Шайрер и
Оверат (Schairer, Overath, 1969) обнаружили, что температур-
ная характеристика поглощения связана со степенью текучести
мембраны, которая регулируется поступлением жирных кислот.
Таким образом, можно с достаточной уверенностью считать, что
степень текучести мембраны определяет ее функциональную спо-
собность и что наблюдаемые изменения в жирнокислотном со-
ставе бактериальных липидов, вызванные повышением или сни-
жением температуры роста, действительно представляют собой
гомеостатный механизм. Интересно, что мутанты S. typhimurium,
более быстро растущие при 15°С, действительно имеют измене-
ния в своем липидном составе (Vinopal, 1972).
Развивая тезис относительно того, что возрастающее содер-
жание ненасыщенных жирных кислот в липидах мембраны
позволяет ей лучше функционировать при низких температурах,
можно сделать следующий вывод: минимальная температура
роста определяется тем, что клетка не способна синтезировать
более высоко ненасыщенные жирные кислоты. Однако резуль-
таты некоторых опытов противоречат этой гипотезе. Шоу и Ин-
грэм (Shaw, Ingraham, 1965) подобрали состав среды, на кото-
рой клетки Е. coli росли (по крайней мере в течение некоторого
времени) при 12°С, причем их липидный состав был типичен для
клеток, растущих при 37°С. Кроме того, мутанты Е. coli, культи-
вируемые в условиях, при которых в них не могло увеличивать-
ся содержание ненасыщенной жирной ipzc-вакциновой кислоты,
совершенно нормально росли при умеренно низкой для этой бак-
терии температуре 15°С (Gelman, Cronan, 1972).
Биохимические механизмы, при помощи которых бактерии
изменяют свой жирнокислотный состав в ответ на изменение
температуры, были изучены у Е. coli и у бацилл. Существует в ос-
новном два механизма, посредством которых температура спо-
116
Глава 3
собна регулировать соотношение жирных кислот в мембранах.
Температура либо влияет на включение жирных кислот в мем-
брану, либо воздействует на соотношение синтезируемых насы-
щенных и ненасыщенных жирных кислот. Первый из этих меха-
низмов осуществляется в клетках Е. coli (Simensky, 1971). Отно-
шение между олеиновой и стеариновой кислотами, которые
включаются в фосфолипиды Е. coli из среды, увеличивается по
мере снижения температуры роста. Такие же результаты были
получены в опытах in vitro (табл. 3.5); сравнение скоростей
Таблица 3.5
Влияние температуры на активность трансацети-
лазы в бесклеточных экстрактах Е. coli
(Simensky, 1971)
Температу- ра инкуба- ции, °C Соотношение между пальмитиновой и олеи- новой кислотами в фосфатидной кислоте
рост клеток при 20°С рост клеток при 37°С
10 0,382 0,310
30 0,567 0,582
трансацилирования пальмитил-СоА и олеин-СоА показало, что
по мере снижения температуры предпочтение все больше отдает-
ся ненасыщенной жирной кислоте. Этот эффект определяется
исключительно температурой, при которой проявляется актив-
ность фермента, а не температурой, при которой он синтезиру-
ется. Таким образом, в случае Е. coll под воздействием темпе-
ратуры происходит регуляция специфичности ферментативной
активности, а не изменение набора клеточных ферментов.
Вместе с тем у бацилл температура контролирует жирнокис-
лотный состав клеточной мембраны, изменяя соотношение син-
тезирующихся насыщенных и ненасыщенных жирных кислот;
в свою очередь это воздействие осуществляется при помощи
регуляции количеств различных ферментов биосинтеза (Fulco,
1969, 1970). Примером такого типа регуляции может служить
спорообразующая бактерия Bacillus megaterium, которая не син-
тезирует ненасыщенные жирные кислоты во время роста при
30°С или выше, но превращает пальмитиновую кислоту в нена-
сыщенную при температуре около 20°С. Оказалось, что соответ-
ствующая «десатураза» жирных кислот отсутствует в клетках,
растущих при 30°С, но быстро индуцируется, если уменьшить
температуру культивирования до 20°С; при этом количество
образовавшегося фермента намного превышает его уровень в
культурах, которые постоянно находились при 20°С (Fulco,
1970). Если клетки опять содержать при температуре 30°С, то
индуцированный фермент быстро теряет активность in vivo.
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
117
Таким образом, уровень десатуразы жирных кислот у В. те-
gaterium регулируют три контрольных механизма: синтез фер-
мента de novo индуцируется при низкой температуре; фермент
необратимо инактивируется при высокой температуре; способ
ность к синтезу фермента утрачивается при высокой температуре
(Fulco, 1970).
Итак, можно сделать вывод, что регуляция жирнокислотного
состава клеточных мембран, которая осуществляется при помо-
щи различных механизмов, является важным условием, опреде-
ляющим способность клетки расти при низких температурах.
Тем не менее минимальная температура роста, по-видимому, не
зависит непосредственно от температуры, при которой эти регу-
лирующие механизмы перестают действовать.
в. ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ РИБОСОМ
ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ
Как было сказано выше, широко распространенным классом
холодочувствительных мутантов являются те из них, которые не
способны к синтезу рибосом при низких температурах. Тем не
менее мы не располагаем данными в отношении того, что какие-
либо организмы дикого типа отличаются сходными дефектами,
когда они растут при минимальной для них температуре или
около нее, либо когда их подвергают действию температур ниже
той, которая является минимальной для поддержания непрерыв-
ного роста. Однако способность к образованию полисом при
этом, по-видимому, утрачивается. При изучении скорости удли-
нения пептидных цепей было установлено, что синтез белка куль-
турами Е. coli идет с постоянной скоростью в течение нескольких
часов при температуре ниже минимальной температуры роста
этого организма; затем синтез постепенно замедляется и, нако-
нец, полностью прекращается (Goldstein et aL, 1964). Позднее
было высказано предположение, что чувствительной к холоду
стадией синтеза белка является повторное присоединение рибо-
сом к мРНК после того, как они «сошли» с ее З'-конца, завершив
предыдущий цикл трансляции (Das, Goldstein, 1968). Авторы,
высказавшие это предположение, обнаружили, что клетки Е. coli,
инкубированные при 0°С в течение 4 ч, совсем не содержали
полисом и не могли синтезировать белки. Однако способность к
биосинтезу белка почти немедленно восстанавливалась под дей-
ствием температуры 37°С в течение короткого промежутка вре-
мени. По мнению указанных исследователей, прекращение роста
при низких температурах обусловлено утратой клетками Е. coli
способности образовывать полисомы.
Было также показано, что после инкубирования при низкой
температуре исчезают полисомы Azotobacter vinelandii (Oppen-
118
Глава 3
heim et al., 1968) и Bacillus stearothermophilus (Algranati et al.,
1969). К сожалению, ни в одном из этих случаев не удалось про-
следить четкую взаимосвязь между температурой, при которой
исчезали полисомы, и минимальной температурой роста.
Сравнительно недавно было установлено, что способность
изолированных полисом Е. coli удлинять пептидную цепь гораз-
до менее чувствительна к низкой температуре, чем их способ-
ность к инициации полипептидного синтеза (образование поли-
сом) (Tai et al., 1973). При 14°С скорость реакции удлинения
цепи была в три раза меньше, чем при 34°С, в то время как ини-
циация почти совсем прекращалась. Предполагают, что лимити-
рующей реакцией при низких температурах может быть ассо-
циация рибосом, сошедших с мРНК, которую катализирует
фактор инициации IF3.
Г. ЗАКЛЮЧЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО
МИНИМАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ РОСТА
Исследование холодочувствительных мутантов способство-
вало расширению наших знаний о тех повреждениях, которые
приводят к потере функциональной активности при низких тем-
пературах. В случае мутантов именно эти повреждения опреде-
ляют минимальную температуру роста. Вполне вероятно, что
аналогичные нарушения обусловливают минимальную темпера-
туру роста штаммов дикого типа.
Изменение липидного состава под влиянием температуры
служит бесспорно важным фактором, позволяющим микроорга-
низму расти с максимальной скоростью при низкой температуре;
тем не менее нарушение этого типа регуляции вряд ли ответст-
венно за минимальную температуру роста.
Высокая чувствительность процесса образования полисом к
низким температурам, наблюдающаяся у ряда организмов, сви-
детельствует о том, что именно эта стадия может быть причиной
прекращения роста некоторых штаммов. Остается выяснить,
почему эта реакция подавляется при низкой температуре и какие
механизмы позволяют организмам, растущим при низких темпе-
ратурах, осуществлять образование полисом.
Мы уже довольно много знаем о росте бактерий при низких
температурах и все-таки пока не можем ответить на следующий
важный вопрос: почему одни бактерии перестают расти при тем-
пературах гораздо выше точки замерзания воды, а другие про-
должают расти? Исчерпывающий ответ на этот вопрос будет
способствовать более глубокому пониманию всего процесса рос-
та бактерий.
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
119
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ«
Abd-El-Al A., Ingraham I. L. (1969). Cold-sensitivity and other phenotypes
resulting from mutation in pyrA gene, J. Biol. Chem., 244, 4039—4045.
Adams J. C„ Stokes J. L. (1968). Vitamin requirements of psychrophilic species
of Bacillus, J. Bacteriol., 95, 239—240.
Albright L. J., Morita R. Y. (1968). Effect of hydrostatic pressure on synthesis
of protein, ribonucleic acid, and deoxyribonucleic acid by the psychrophilic
marine bacterium, Vibrio marinus, Limnol. Oceanogr., 13, 637—643.
Algranati I. D., Gonzalez N. S., Bade E. G. (1969). Physiological role of 70S
ribosomes in bacteria, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 62, 574—580.
Allen M. B. (1953). The thermophilic aerobic sporeforming bacteria, Bacteriol.
Rev., 17, 125—175.
Alsobrook D., Larkin J. M., Sega M. W. (1972). Effect of temperature on the
cellular integrity of Bacillus psychrophilus. Can. J. Microbiol., 18, 1671—
1678.
Azurna ¥., Newton S. B., Witter L. D. (1962). Production of psychrophilic mutants
from mesophilic bacteria by ultraviolet irradiation, J. Dairy Sci., 45,
1529—1530.
Baig I. A., Hopton J. W. (1969). Psychrophilic properties and the temperature
characteristic of growth of bacteria, J. Bacteriol., 100, 552—553.
-Bayliss F. A., Ingraham J. L. (1974). Mutation in Saccharomyces cerevisiae
conferring streptomycin and cold sensitivity by affecting ribosome
formation and function, J. Bacteriol., 118, 319—337.
Bobier S. R., Ferroni G. D., Inniss W. E. (1972). Protein synthesis by the
psychrophiles Bacillus psychrophilus and Bacillus insolitus, Can. J.
Microbiol., 18, 1837—1843.
.Brandts I. F. (1967). Heat effects on proteins and enzymes. In: Thermobiology
(Ed. A. H. Rose), Academic Press, New York — London.
Byrne P., Chapman D. (1964). Liquid crystalline nature of phospholipids,
Nature, Lond., 202, 987—988.
* Cameron R E., Honour R. C., Morelli F. A. (1976). Antarctic microbiology —
preparation for Mars life detection, quarantine, and back contamination.
In: Extreme Environments, Mechanisms of Microbial Adaptation (Ed.
M. R. Heinrich), Academic Press, New York — London.
Chapman D. (1967). The effect of heat on membranes and membrane constituents.
In: Thermobiology (Ed. A. H. Rose), Academic Press, New York —
London.
Cooper M. F., Morita R. Y. lysTL}. Interaction of salinity and temperature on
net protein synthesis and viability of Vibrio marinus, Limnol. Oceanogr.,
17, 556—565.
D’Aoust J. Y., Kushner D. J. (1971). Structural changes during lysis of a
psychrophilic marine bacterium, J. Bacteriol., 108, 916—927.
D’Aoust J. Y., Kushner D. I. (1972). Vibrio psuchroerythrus sp. n.: Classification
of the psychrophilic marine bacterium, NRC 1004, J. Bacteriol., Ill, 340—
342.
Das H. K-, Goldstein A. (1968). Limited capacity for protein synthesis at zero
degrees centigrade in Escherichia coli, J. Mol. Biol., 31, 209—226.
Dauberschmidt R., Liebscher D. H., Thiele В. J., Rappaport S. M., Heitmann P„
Rosenthal H. A. (1974). Untersuchungen uber Phage — lysozym III.
Reinigung und vergleichende Charakterisierung des Lysozyms des
T4D-Wildtyps und der Kaeltempfindlichen Mutante cseBU56, Acta Biol.
Med. Germ , 32, 315—329.
1 Звездочкой обозначены недавние публикации, на которые иет ссылок в
тексте.
120
Г шва 3
Dejardin R A, Ward Е W В (1971а) Growth and respiration of psychrophihc
species of the genus Typhula, Can J. Bot, 49, 339—347
Dejardin R A , Ward E W В (1971b) Studies on the endogenous respiration
of the psychrophihc fungus Typhula tdahoensis, Can J Bot, 49, 2081—2087
Edgar R S, Denhardt G H Epstein R H (1964) A comparative study of
conditional lethal mutations of bacteriophage T4D, Genetics, 59, 635—648
Edgar R S , Lielausts A (1964) Temperature sensitive mutants of bacteriophage
T4D their isolation and genetic characterization, Genetics, 49, 649—662
Epstein R H, Bolle A , Steinberg С M, Kellenberger E Boy De La Tour E,
Chevalley R, Edgar R S, Susman S, Denhardt G H, Ltelausis A
(1963) Physiological studies on conditional lethal mutants of bacteriophage
T4D, Cold Spring Harbor Symp Quant Biol, 28, 375—394
Fan D P (1970) Cell wall binding properties of the Bacillus subtilis
autolysm(s), J Bacteriol, 103, 488—493
Farrell J, Rose A H (1967) Temperature effects on microorganisms In
Thermobiology (Ed A H Rose), Academic Press, New York — London
Ferrom G D, Inntss W E (1973) Thermally caused filament formation in the
psychrophile Bacillus insolitus, Can J Microbiol, 19, 581—584
Ferrom G D, Inniss W E (1974) Reversal of filament formation in the
psychrophile Bacillus insolitus, Can J Microbiol, 20, 1281—1283
*Finne G Matches J R (1976) Spin labeling studies on the lipids of psychro-
phihc, psychrotrophic, and mesophihc clostndia, J Bacteriol, 125,
211—219
Ftnne G, Matches J R, Liston J (1975) A comparative study on the heat
stability of triosephosphate isomerase in psychrophihc, psychrotrophic, and
mesophihc clostndia, Can J Microbiol, 21, 1719—1723
Foter M J, Rahn О (1936) Growth and fermentation of bacteria near their
minimum temperature, J Bacteriol, 32, 485—499
Frank H A, Retd A, Santo L M , Lum N A , Sandler S T (1972) Similarity
in several properties of psychrophihc bacteria grown at low and moderate
temperatures, Appl Microbiol, 24, 571—574
Fulco A J (1969) Biosynthesis of unsaturated fatty acids in bacilli, J Biol
Chem, 244, 889—896
Fulco A J (1970) Biosynthesis of unsaturated fatty acids in bacilli II Tempe-
rature dependent biosynthesis of polyunsaturated acids, J Biol Chem,
245, 2985—2990
Geesey G G, Morita R У (1975) Some physiological effects of near maximum
growth temperatures on an obligately psychrophihc marine bacterium,
Can J Microbiol, 21, 811—818
Gelman E P Cronan J E (1972) Mutant of Escherichia coli deficient in the
synthesis of cis-vaccmic acid, J Bacteriol , 112, 381—387
Ginther C, Ing’aha m J L (1974) Cold sensitive mutant of Salmonella
typhimurium defective in nucleosidediphosphokinase, J Bacteriol, 118,
1020—1026
Goldstein A , Goldstein D P, Lowney L I (1964) Protein synthesis at 0 C in
Escherichia coli J Mol Biol, 9, 213—235
*Gounot A M (1976) Effects of temperature on the growth of psychrophihc
bacteria from glaciers, Can J Microbiol, 22, 839—846.
*Gounot A M, Novitsky T J, Kushner D J (1977) Effects of temperature on
the macromolecular composition and fine structure of psychrophihc
Arthrobacter species, Can J Microbiol, 23, 357—362
Grant D W, Sinclair N A, Nash С H (1968) Temperature-sensitive glucose
fermentation in the obligately psychrophihc yeast Candida geltaa. Can
J Microbiol, 14, 1105—1100
Gray R J H, Jackson H (1973) Growth and macromolecular composition of
a psychrophile, Micrococcus cryophtlus, at elevated temperatures, Antonie
van Leeuwenhoek, 39, 497—504 , ,
Griffiths R. P, Haight R D (1973) Reversible heat injury in the marine
Низкие температуры механизмы и молекулярные аспекты
121
psychrophilic bacterium Vtbiio marinas MP 1, Can J Microbiol 19
557—561 ' ’
Guthrie C, Nashimoto H, Nomura M (1969) Structure and function of E coll
ribosomes VIII Cold-sensitive mutants defective in nbdsome assembly
Proc Natl Acad Sci USA, 63, 384—392
Haight R D, Morita R Y (1966) Thermally induced leakage from Vibrio
marinus, an obligately psycrophilic marine bacterium, J Bacteriol 92
1288—1393
Hanus F J, Moi ita R У (1968) Significance of the temperature characteristic
of growth, J Bacteriol , 95, 736—737
Harder W Veldkamp H (1967) A continuous culture study of an obligately
psychrophilic Pseudomonas species, Arch Mikrobiol , 59, 123—130
Harder W, Veldkamp H (1968) Physiology of an obligately psychrophilic
marine Pseudomonas species, J Appl Bacteriol, 31, 12—23
Harder V, Veldkamp H (1971) Competition of marine psychrophilic bacteria
at low temperatures, Antonie van Leeuwenhoek, 37, 51—63
Hoffman В (1967) Wachstum und Vermehrung von Escherichia colt bei niedern
Temperaturen, Arch Microbiol, 58, 302—304
Ingraham J L (1958) Growth of psychrophilic bacteria, J Bacteriol, 76, 75—80
Ingraham J L, Neuhard J (1972) Cold sensitive mutants of Salmonella typhi-
murium defective in undine monophosphate kinase (pyrH)), J Biol Chem ,
247, 6259—6265
Irwin С C, Akagi J M Himes R H (1973) Ribosomes, polyribosomes, and
deoxyribonucleic acid from thermophilic, mesophihc, and psychrophilic
clostndia, J Bacteriol, 113, 252—262
* Joakim A , Innis V7 E (1976) Reversible filamentous growth in the psychro
phile Bacillus psychroph'lus, Cryobiology, 13, 563—571
Kaplan J G, Daphil M, Lacroutc F (1967) A study of the aspartate
transcarbamylase activity of yeast, Arch Biochem Biophys, 119,
541—551
Kato N, Aagasawa T, Tani Y, Ogata К (1972) Protease formation by a marine
psychrophilic bacterium, Agr Biol Chem, 36, 1177—1184
Kenis P R, Morita R У (1968) Thermally induced leakage of cellular material
and viability in Vibrio marinus, a psychrophilic marine bacterium, Can J
Microbiol , 14, 1239—1244
Kimmel К E Mater S (1969) Effect of cultural conditions on the synthesis of
violacein in mesophihc and psychrophilic strains of Chromobacterium,
Can J Microbiol, 15, 111—116
Korngold R R, Kushner D J (1968) Responses of a psychrophilic marine
bacterium to changes in its ionic environment, Can J, Microbiol, 14, 253—
263
Langridge P, Morita R Y (1966) Thermolabihty of malic dehydrogenase from
the obligate psychrophile Vibrio marinus, J Bacteriol, 92, 418—423
Langvad F, Goksoyr J. (1967) Effects of supraoptimal temperatures, on
Meruhus lacrymans, Physiol Plant, 20, 702—712
Larkin J M, Stokes J L (1968) Growth of psychrophilic microorganisms at
subzero temperatures, Can J Microbiol, 14, 97—101
Ledebo I, Ljunger C (1973) Permeability of bacteria to inorganic cations
A comparison between a psychrophilic Achromobacter strain and
Escherichia coll, Physiol Plant, 28, 535—540
Ltebscher D H Dauberschmidt R, Rappaport S M, Heitmann P, Rosen-
thal H A (1974) Untersuchungen ueber Phagelysozym IV Die molekulare
Ursache des kaeltempfindlichen Phaenotyps der Mutant cseBU56 des
Phagen T4D Der aminosauereaustausch Tryosin 88 —► Histidin, Mol
Gen Genet, 132, 321—333
Madeley J R Korngold R R, Kushner D J, Gibbons N E (1967) The lysis
oi a psychrophilic marine bacterium as studied by microelectrophoresis,
Can J Microbiol, 13, 45—55
122
Глава 3
Makemson J. С. (1973). Control of in vivo luminescence in psychrophilic marine
photobacterium, Arch. Mikrobiol., 93, 347—358.
Malcolm N. L. (1968a). A temperature-induced lesion in amino acid-transfer
ribonucleic acid attachment in a psychrophile, Biochim. Bioohvs Acta.
157, 493—503.
Malcolm N. L. (1968b). Synthesis of protein and ribonucleic acid in a psychro-
phile at normal and restrictive growth temperatures, J. Bacteriol. 95,
1388—1399.
Malcolm N. L. (1969a). Subunit structure and function of Micrococcus cryophilus
glutamyl transfer RNA synthetase, Biochim. Biophys. Acta, 190, 347—357.
Malcolm N. L. (1969b). Molecular determinants of obligate psychrophily Nature,
Loud., 221, 1031—1033.
Marr A. G., Ingraham J. L. (1962). Effect of temperature on the composition of
fatty acids in Escherichia coli, J. Bacteriol., 84, 1260—1267.
Mattingly S. J., Best G. K. (1971). The effect of temperature on lysis of cells
and cell walls of Bacillus psychrophilus, Can. J. Microbiol., 17, 1161—1168.
Mattingly S. J., Best G. К. (T972). Effect of temperature on the integrity of
Bacillus psychrophilus cell walls, J. Bacteriol., 109, 645—651.
Mosser J. L., Herdrich G. M., Brock T. D. (1976). Temperature optima for bacteria
and yeasts from cold-mountain habitats, Can. J. Microbiol., 22, 324—325.
Nash С. H., Grant D. W. (1969). Thermal stability of ribosomes from a psychro-
philic and a mesophilic yeast, Can. J. Microbiol., 15, 1116—1118.
Nash С. H., Sinclair N. A. (1968). Thermal injury and death in an obligately
psychrophilic yeast, Candida nivalis. Can. J. Microbiol., 14, 691—697.
Nash С. H., Grant D. W., Sinclair N. A. (1969). Thermolability of protein
synthesis in a cell-free system from the obligately psychrophilic yeast
Candida gelida, Can. J. Microbiol., 15, 339—343.
O’Donovan G. A., Ingraham J. L. (1965). Cold-sensitive mutants of Escherichia
coli resulting from increased feedback inhibition, Proc. Natl. Acad Sci.
USA, 54, 451—457.
Olsen R. H., Metcalf E. S. (1968). Conversion of mesophilic to psychrophilic
bacteria, Science, 162, 1288—1289.
Oppenheim J., Scheinbuks J., Biava C., Marcus L. (1968). Polyribosomes in
Azotobacter vinelandii. I. Isolation, characterization and distribution of
ribosomes, polyribosomes and subunits in logarithmically growing Azoto-
bacter, Biochim. Biophys. Acta, 161, 386—401.
Pace B., Campbell L. L. (1967). Correlation of maximal growth temperature and
ribosome heat stability, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 57, 1109—1116.
Pooley H. M„ Porres-Iuan J. M., Shockman G. D. (1970). Dissociation of an
autolytic enzyme — cell wall complex by treatment with unusually high
concentrations of salt, Biochem. Biophys. Res. Commun., 38, 1134—1140.
Purohit K., Stokes I. L. (1967). Heat labile enzymes in a psychrophilic bacterium,
X Bacteriol., 93, 199—206.
Quist R. G., Stokes J. L. (1969). Temperature range for formic hydrogenlyase
induction and activity in psychrophilic and mesophilic bacteria, Antonie
van Leeuwenhoek, 35, 1—8.
Quist R. G., Stokes I. L. (1972). Comparative effect of temperature on the
induced synthesis of hydrogenase and enzymes of the benzoate oxidation
system in psychrophilic and mesophilic bacteria, Can. J. Microbiol., 18,
1233—1239.
Reid P. (1971). Isolation of cold-sensitive rifampicin-resistant RNA polymerase
mutants of Escherichia coli, Biochem. Biophys. Res. Commun., 44,
737—744.
Schairer H. U., Overath P. (1969). Lipids containing trans-unsaturated fatty
acids change the temperature characteristic of thiomethylgalactoside
accumulation in Escherichia coli, J. Mol. Biol., 44, 209—214.
Scotti P. D. (1968). A new class of conditional lethal mutants of bacteriophage
T4D, Mutat. Res., 6, 1—14.
Низкие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
123
Shaw М. К. (1967). Effect of abrupt temperature shift on the growth of meso-
philic and psychrophilic yeasts. J. Bacteriol., 93, 1332—1336.
Shaw M., Ingraham I. L. (1965). Fatty acid composition of Escherichia coli
as a possible controlling factor of the minimal growth temperature
J. Bacteriol., 90, 141—146.
Shaw M., Marr A. G., Ingraham J. L. (1971). Determination of the minimal
temperature for growth of Escherichia coli, J. Bacteriol., 105, 683—684.
Shing Y. W., Akagi I. M., Himes R. H. (1972). Thermolabile triose phosphate
isomerase in a psychrophilic Clostridium, J. Bacteriol., 109, 1325—1327.
Shing Y. IF., Akagi J. M., Himes R. H. (1975). Psychrophilic, mesophilic, and
thermophilic triosephosphate isomerases from three clostridial species,
J. Bacteriol., 122, 177—184.
Simensky M. (1971). Temperature control of phospholipid biosynthesis in
Escherichia coli, J. Bacteriol., 106, 449—455.
Stevens D. L., Strobel G. A. (1968). Origin of cyanide in cultures of a psychro-
philic basidiomycete, J. Bacteriol., 95, 1094—1102.
Stokes J. L., Larkin J. M. (1968). Comparative effect of temperature on the
oxidative metabolism of whole and disrupted cells of a psychrophilic and
mesophilic species of Bacillus, J. Bacteriol., 94, 95—98.
Szer W. (1970). Cell-free protein synthesis at 0°. An activating factor from
ribosomes of a psychrophilic microorganism, Biochim. Biophys. Acta, 213,
159—170.
Taketa K., Pogell M. (1965). Allosteric inhibition of rat liver fructose-1,6-
diphosphatase by adenosine-5'-monophosphate, J. Biol. Chem., 240, 651—
662.
Tai P.-С., Jackson H. (1969). Growth and respiration of an obligate psychrophile,
Micrococcus cryophilus, and its mesophilic mutants, Can. J. Microbiol.,
15, 1151—1155.
Tai P.-С., Ressler D. P., Ingraham I. L. (1969). Cold-sensitive mutations in
Salmonella typhimurium which affect ribosome synthesis, J. Bacteriol.,
97, 1298—1304.
Tai P.-С., Wallace В. J., Herzog E. L., Davis B. D. (1973). Properties of
initiation-free polysomes of Escherichia coli. Biochemistry, 12, 609—615.
Upadhyay J., Stokes I. L. (1962). Anaerobic growth of psychrophilic bacteria,
J. Bacteriol., 83, 27—2075.
*Uydess I. L., Vishniac W. V. (1976). Electron microscopy of Antarctic soil
bacteria. In: Extreme Environments, Mechanisms of Microbial Adaptation
(Ed. M. R. Heinrich), Academic Press, New York — London.
V inopal R. T. (1972). Cold-fitter mutants of Salmonella typhimurium, Thesis,
University California, Davis.
Ward E. W. B. (1966). Preliminary studies of the physiology of Sclerotinia
borealis, a highly psychrophilic fungus, Can. J. Bot., 44, 237—246.
Ward E. W. B. (1968). Temperature-induced changes in the hyphal morphology
of the psychrophile Sclerotinia borealis, Can. J. Bot., 46, 524—525.
Waskell L., Glaser D. A. (1974). Mutants of Escherichia coli with cold-sensitive
deoxyribonucleic acid synthesis, J. Bacteriol., 118, 1027—1040.
Wehr С. T., Waskell L., Glaser D. A. (1975). Characteristics of cold-sensitive
mutants of Escherichia coli K-12 defective in deoxyribonucleic acid
replication, J. Bacteriol., 121, 99—107.
Wilson G., Fox C. F. (1971). Biogenesis of microbial transport systems: Evidence
for coupled incorporation of newly synthesized lipids and proteins into
membrane, J. Mol. Biol., 55, 49—60.
Wilson G., Rose S. P„ Fox C. F. (1970). The effect of membrane lipid unsaturation
on glycoside transport, Biochem. Biophys. Res. Commun., 38, 617—723.
ГЛАВА 4
ЖИЗНЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ
Р. Маркиз, П. Мацумура
(R. Е. Marquis, Р. Matsumura, University of Rochester School
of Medicine and Dentisty)
I. ВВЕДЕНИЕ
Баробиология микроорганизмов своим происхождением обя-
зана морской экологии; в настоящее время эта наука изучает в
основном роль гидростатического давления как экологического
фактора, влияющего на распространение и активность микроор-
ганизмов в глубине морей. В океане давление возрастает с уве-
личением веса водяного столба примерно на 1 атм по мере уве-
личения глубины на каждые 10 м, достигая максимума около
1160 атм на дне впадины Челленджера в Тихом океане. Среднее
давление на дне океана составляет около 380 атм (Кдппе, 1972);
высокое давление в сочетании с низкими температурами (нена-
много выше 0°С) —это весьма неблагоприятные условия для
жизни в морских глубинах. Действительно, лишь немногие из
бактерий, описанных в определителе Берги, могуг расти при
температурах от 0 до 4°С и давлении 380 атм. Тем не менее, в
пробах, взятых на любой глубине океана, включая впадину Чел-
ленджера, были обнаружены жизнеспособные микроорганизмы.
Более того, есть основания полагать, что наряду с баротолеранг-
ными организмами существуют и облигатные барофилы, кото-
рые обитают в глубине океана и растут только при повышенном
давлении (ZoBell, Morita, 1957). Не исключено, что многие глу-
боководные морские бактерии находятся в среде их местообита-
ния в покоящемся состоянии. Действительно, попытки использо-
вать гидростатическое давление для стерилизации не увенчались
успехом, так как некоторые устойчивые формы выдерживали дав-
ление в несколько килобар (Timson, Short, 1965). В морских
глубинах встречаются бактерии, которые являются компонен-
тами обычной микрофлоры рыб и других животных, приспособ-
ленных к жизни при довольно высоком давлении.
Хотя бактерии и адаптируются к условиям повышенного дав-
ления, в глубине океанов они проявляют очень низкую актив-
ность. Одним из наиболее ярких примеров медленного роста
бактерий при повышенном давлении и температурах, характер-
ных для морских глубин, могут служить результаты опытов по
культивированию Pseudomonas bathycetes, выделенного из глу-
Повышенное давление
125
боководных морских проб, при 1000 атм и 3°С (Schwarz, Colwell,
1975а). Лаг-фаза таких культур составляла около четырех меся-
цев, время генерации в экспоненциальной фазе роста занимало
33 дня, а стационарная фаза наступала тогда, когда количество
жизнеспособных клеток в 1 мл достигало величины, примерно
в сто раз меньшей, чем в случае клеток, выращиваемых при
1 атм. Такой весьма растянутый цикл роста культуры резко от-
личается от цикла роста при 37°С и 1 атм, который продолжа-
ется всего несколько часов, причем время генерации занимает
меньше часа. Таким образом, рост в условиях, присущих морским
глубинам, протекал почти в 1000 раз медленнее по сравнению с
условиями, близкими к оптимальным, и давал очень низкий вы-
ход биомассы. Сравнительно недавно было установлено, что
по крайней мере некоторые из бактерий, выделенных из содер-
жимого кишечника глубоководных морских бокоплавов, могут
быстро расти при 3°С и 750 атм в отличие от бактерий, выделен-
ных из проб придонных осадков или воды, взятой на большой
глубине (Schwarz et al., 1976). Крупные бокоплавы, по-видимо-
му, довольно широко распространены в морских глубинах; как
видно на фотографиях, снятых под водой (Hessler et al., 1972),
эти животные с жадностью пожирают мертвую рыбу, которая
используется в качестве приманки. Очевидно, они играют важ-
ную роль, очищая провалы и впадины в глубине морей от тру-
пов животных. Эту же функцию выполняют, по-видимому, бак-
терии, обитающие в кишечнике бокоплавов. Существует много
интересных ассоциаций микроорганизмов и глубоководных мор-
ских животных, в том числе скопления бактерий в светящихся
органах глубоководных рыб.
Итак, можно считать установленным, что одни микроорга-
низмы могут расти в глубоководных морских условиях, а другие
способны находиться там в течение длительного времени. Тем
не менее возникает вопрос: существуют ли истинные барофиль-
ные бактерии, приспособленные к функционированию только
при высоких давлениях, которые встречаются в глубине морей?
Зобел и Морита (ZoBell, Morita, 1957) обнаружили, что пробы,
взятые на большой глубине из расщелин на дне Тихого океана,
содержат больше бактерий, определенных методом разведения
и учета наиболее вероятного числа, если вести инкубацию при
1000 атм, а не при 1 атм; однако этим авторам не удалось пас-
сировать гипотетически барофильные бактерии. Многие бакте-
рии проявляют некоторую барофильность в том отношении, что
они лучше растут при давлении 100—200 атм и даже 300—
350 атм (Крис, Мицкевич, 1967), чем при 1 атм.
Максимальные давления в пресноводных бассейнах значи-
тельно ниже, чем в морях и океанах. В одном из глубоких мест
озера Байкал, которое является самым глубоким озером во всем
126
Глава 4
мире, давление составляет всего 160 атм. Максимальное давле-
ние на дне озера Верхнего, одного из Великих озер, не превы-
шает 40 атм. Однако и такое относительно невысокое давление
оказывает биологическое воздействие. Например, микроорганиз-
мы, содержащие газовые вакуоли, весьма чувствительны к дав-
лению. Газовые вакуоли Halobacterium и фотосинтезирующих
бактерий лопаются, если давление снаружи клеток повысить
хотя бы до 5 атм (Walsby, 1971, 1972). Все вакуоли Halobacteri-
um разрывались уже при давлении 2 атм. Распределение некото-
рых сине-зеленых бактерий в столбе воды связано, по-видимому,
с их метаболической активностью (Walsby, 1971; Dinsdale, Wal-
sby, 1972). При высокой интенсивности освещения тургорное
давление в клетках возрастает, очевидно, благодаря интенсифи-
кации фотосинтеза, и часть газовых вакуолей лопается, в резуль-
тате чего понижается плавучесть организма. Вследствие этого
клетки оседают и попадают в ту часть водного столба, где осве-
щение слабее. По мере оседания клеток гидростатическое давле-
ние возрастает, и это способствует разрыву новых вакуолей и
ускоряет оседание клеток. Для того чтобы обрести прежнюю
плавучесть, организмы должны, по-видимому, синтезировать но-
вые вакуоли. В данном случае высокая чувствительность к дав-
лению вызвана наличием внутри клеток газовой фазы.
Высокая чувствительность к давлению может также объяс-
няться тем, что окружающие условия отличаются от оптималь-
ных. Например, большинство организмов наиболее баротоле-
рантны при температурах, незначительно превышающих опти-
мальную температуру роста при 1 атм. При более высоких или
низких температурах их баротолерантность уменьшается. Так,
при температурах от 30 до 40°С Escherichia coli может расти
даже при давлении в 500 атм, однако рост этой бактерии очень
сильно замедляется уже при 50—100 атм, если температура вы-
ращивания равна 9 или 49°С. Повышенная чувствительность к
давлению наблюдается также, если организм растет при край-
них значениях pH, Например, рост Е. coli полностью прекраща-
ется уже при 100 атм и 30°С, если понизить pH среды до 5,2.
Создается впечатление, что во многих относительно мелких вод-
ных бассейнах давление может играть роль важного экологиче-
ского фактора хотя бы потому, что окружающие условия не яв-
ляются оптимальными для роста попадающих туда организмов
и даже для развития местной микрофлоры.
Еще одним природным местообитанием, где преобладают
высокие давления, являются глубинные месторождения нефти и
серы. Давление в земле возрастает с глубиной со средней ско-
ростью около 0,1 атм-м-1. Температура также увеличивается с
глубиной в среднем на 0,014°С на 1 м, однако температурный
профиль носит весьма неравномерный характер. Термофильные
Повышенное давление
127
сульфатредуцирующие бактерии были выделены из скважин на
глубине свыше 3500 м в нефтеносных и серусодержащих колод-
цах, где давление составляет около 400 атм, а температура коле-
балась от 60 до 105°С (ZoBell, 1958). Микроорганизмы, обитаю-
щие в других подземных месторождениях, например угольных,
также могут подвергаться действию высокого давления, обуслов-
ленного весом земной коры (Jaschhof, Schwartz, 1969). И в этих
случаях с повышением давления увеличивается температура.
Не исключено, что микроорганизмы подвергаются действию
высокого давления в промышленных установках некоторых ти-
пов. В промышленных условиях процессы ферментации осуще-
ствляют обычно под давлением в несколько атмосфер, а многие
химические процессы проводят при гораздо более высоких дав-
лениях. Насколько нам известно, никаких сообщений относитель-
но влияния давления на активность микроорганизмов в этих
условиях пока не опубликовано.
Помимо экологического аспекта баробиологии микроорга-
низмов большой интерес представляет использование давления
для решения ряда проблем общей и прикладной микробиологии.
В физиологии и молекулярной биологии получить необходимую
информацию часто помогают такие опыты, в которых исследуе-
мую систему подвергают воздействию неблагоприятного факто-
ра, а затем наблюдают ее реакцию во время воздействия этого
фактора и после его удаления. Одним из таких наиболее общих
факторов, определяющих внутренние параметры данной систе-
мы, является гидростатическое давление, а также температура.
Сравнительно недавно стало очевидным (Marquis, 1976), что
закон идеального газа нельзя безоговорочно применять к таким
сложным системам, как живые клетки, и что их реакции на из-
менение давления нельзя рассматривать как нечто, противопо-
ложное реакциям на изменение температуры. Поэтому клетки
мутантов, чувствительные или устойчивые к действию давления,
должны отличаться от термолабильных или чувствительных к
холоду мутантных организмов.
В общем можно сказать, что давление благоприятствует тем
реакциям или процессам, которые сопровождаются уменьшением
объема, но подавляет такие реакции или процессы, при которых
происходит увеличение объема. Таким образом, если знать, ка-
ким образом давление воздействует на тот или иной процесс
либо реакцию, то можно рассчитать происходящее при этом из-
менение объема. Подобная информация относительно измене-
ния объема помогает понять механизмы реакции. Более того,
зная изменение объема, можно рассчитать работу, затраченную
на это изменение под действием давления в данном процессе
Или реакции; она равна PAV, где Р— это давление, a AV—из-
менение объема. Итак, исследование влияния давления на био-
128
Глава 4
логические реакции и изучение действия температуры на эти ре-
акции, способствует получению информации, необходимой для
детального анализа механизмов биологических реакций.
Некоторые аспекты исследований в области баробиологии
микроорганизмов имеют также практическое значение. Напри-
мер, давление может рассматриваться как перспективный агент
для воздействия на физиологию промышленно важных микро-
организмов, а также для использования его в целях стерилиза-
ции и дезинфекции, особенно в случае лабильных материалов;
кроме того, давление может играть роль модифицирующего фак-
тора в процессах промышленных ферментаций, в том числе там,
где применяются иммобилизованные ферменты. В последние
годы интерес исследователей привлекает влияние давления на
нормальную микрофлору человека. Человек способен, по-види-
мому, работать при более высоком давлении, чем было принято
считать раньше. Изучение результатов погружения в воду в мо-
дельных системах в лабораторных условиях при повышенном
давлении показало, что человек может работать при давлении
~ 150 атм, которое существует в морях на глубине около 1500 м.
Есть все основания полагать, что такое давление не может не
оказывать воздействия на микроорганизмы дыхательных путей,
тем более что оно создается в основном при помощи инертных
газов, которые при высоких давлениях оказывают наркотический
эффект. Действительно, способность человека работать при та-
ком высоком давлении зависит, по-видимому, от равновесия
между наркотическим действием инертных газов и стимулирую-
щим эффектом давления (Macdonald, 1975а, Ь).
В силу необходимости эта глава по своему подходу к про-
блеме будет отличаться от многих других глав книги, поскольку
у нас до сих пор нет твердой уверенности в том, что какие-либо
организмы подверглись специфической адаптации, позволяющей
им существовать в условиях повышенного давления. По этой
причине мы не можем обсуждать природу такой адаптации. Ярко
выраженная баротолерантность некоторых бактерий представля-
ется пока чистой случайностью, которая не имеет отношения к
специфической адаптации. Так, Криссу (1962) удалось выделить
баротолерантные бактерии из садовой почвы.
Тем не менее воздействие давления на биополимеры относит-
ся к воздействиям тех же общих типов, что и влияние повышен-
ной или пониженной температуры и высокой ионной силы. Таким
образом, вполне вероятно, что при замещении некоторых амино-
кислот в белках образуются молекулы, которые лучше сохраня-
ют свою нативную конформацию при повышенном давлении,
чем при давлении 1 атм. Следовательно, не исключено, что обли-
гатные барофильные бактерии действительно существуют или
могут быть получены при помощи мутаций; проводимые в настоя-
Повышенное давление
129
щее время исследования, включающие отбор проб в морях и
океанах на большой глубине, возможно, помогут вскоре обнару-
жить такие организмы.
Авторы настоящей главы являются специалистами в области
физиологии микроорганизмов, а не морской биологии; они заин-
тересовались баробиологией в связи с вопросом о том, как дав-
ление ингибирует рост бактерий. Вот почему данная глава посвя-
щена в основном рассмотрению физиологических, биохимических
и молекулярных механизмов, лежащих в основе реакций микро-
организмов на повышенное давление. Обзорные статьи, где более
основательно затрагиваются темы морской биологии, можно
найти в книгах по баробиологии, опубликованных за последние
годы (Zimmerman, 1970; Brauer, 1972; Sleigh, Macdonald, 1972).
Кроме того, монография «Морская экология» (Kinne, 1972) со-
держит статьи Кинне, Мориты, Видейвера и Флюгеля, в которых
давление рассматривается как фактор окружающей среды в оке-
ане. В книге Макдональда (Macdonald, 1975b) можно найти пре-
красные обзоры по различным вопросам баробиологии, в том
числе по микробиологическим аспектам. [См. также Крисс А. Е.
Жизненные процессы и гидростатическое давление. М.: Наука,
1973. — Ред. перев.]
В настоящей главе давление, как правило, выражается в ат-
мосферах, так как эта единица измерения наиболее привычна
для биологов. Одна стандартная атмосфера = 1,033 кг-см-2 =
= 1,013 бар = 0,013-105Н-м~2.
II. ОБЩИЕ МЕХАНИЗМЫ, ЛЕЖАЩИЕ
В ОСНОВЕ РЕАКЦИИ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
НА ПОВЫШЕННОЕ ДАВЛЕНИЕ
Нам кажется целесообразным с точки зрения общей ориентаг
ции сначала рассмотреть вкратце общие механизмы воздействия
давления на живые клетки, а затем перейти к специфическим
реакциям. Каким образом клетки воспринимают изменения гид-
ростатического давления? В нашем обзоре мы отдельно обсудим
влияние давления на процессы биохимического равновесия и на
скорости реакций. В баробиологии имеют значение воздействия
обоих типов. Их можно описать следующими двумя основными
уравнениями:
=— W/RT, (1)
\ дР ]т
где Д'—константа равновесия, k — константа скорости реакции,
Р — давление, А V — изменение объема реакции, А К*— кажу-
130
Глава 4
щееся изменение объема активации, R — газовая постоянная, а
Т— температура по шкале Кельвина. Вывод этих уравнений
можно найти в стандартных руководствах по химии высоких дав-
лений (см., например, Weale, 1967).
А. ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЦЕССЫ
БИОЛОГИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ
В результате большинства химических реакций происходит
изменение объема, так как сумма парциальных молярных объе-
мов продуктов, как правило, отличается от суммы соответствую-
щих объемов реагирующих веществ. Изменение объема опреде-
ляется прежде всего изменениями в структуре молекул; напри-
мер, разрыв ковалентной связи приводит к увеличению объема.
Кроме того, изменение объема может быть вызвано изменениями
в растворителе или инкубационной среде; очень часто наблюда-
ется электрострикция воды около ионов и в результате этого
объем уменьшается. Изменение объема в данном случае выра-
жается величиной ДУ в уравнении реакции (1). Его можно опре-
делить двумя способами: оценивая ответ системы на изменение
давления или — более непосредственно — при помощи дилато-
метра. Чаще всего применяется дилатометр или сосуд Карлсбер-
га, который представляет собой U-образную стеклянную реакци-
онную камеру, соединенную с калиброванной капиллярной труб-
кой, снабженной шкалой. В нижней части камеры имеется трех-
ходовой кран, при помощи которого в каждое из двух колен
помещают реагирующие вещества, после чего остальную часть
сосуда заполняют инертной жидкостью, например керосином или
гептаном. После установления температурного равновесия
(обычно в водяной бане, где температуру контролируют с точ-
ностью до сотых градуса по Кельвину) содержание керосина
или гептана в сосуде доводят до такого количества, чтобы ме-
ниск находился у нулевого деления капилляра. Затем кран пере-
крывают, сосуд переворачивают и отмечают смёщение мениска
ио мере протекания реакции. Для специальных целей можно
сделать более сложные дилатометры; их конструкция описана
в литературе (см. например, Katz, Ferris, 1966; Christensen, Cas-
sel, 1967; Marquis, Fenn, 1969; Jaenicke, 1971). Можно также
рассчитать А У, измеряя изменения плотности системы в процес-
се химической реакции. Зная А У реакции, можно точно предска-
зать влияние давления на константу равновесия, пользуясь урав-
нением (1). И наоборот, зная, как действует давление на кон-
станту равновесия, можно точно рассчитать изменение объема.
В табл. 4.1 показано изменение объема в ходе некоторых
реакций. Для простых реакций с участием мономеров объем
меняется довольно незначительно — меньше, чем 30 мл-моль-1.
Повышенное давление
131
Таблица 4.1
Изменения объема (AV), определенные для некоторых биологически
важных реакций
Реакция ДУ (мл моль”1) Источник данных
Н,О -> Н++ОН~ 21,3 Bodanszky, Kauzmann, 1962
НРО^+Н+ H2POf 24,0 Johnson et al., 1954
Белок-СОО~+Н+ ->-Белок-СООН 11,0 (среднее) Kauzmann et al., 1962
Дигли цин-НН2+Н+ Диглицин-NH^ —4,4 To же
Имидазол +Н+ -+ Имидазол-Н+ — 1,1 »
Белок-NH^+OH~->- Белок- nh2+h2o 16—18
Глюкоза -+ 2 Молочная кислота 11,8 (молочная кислота) Marquis, Fenn, 1969
Молочная кислота -+ Лактат- анион-|- Н+ —11,7 To же
Аргинин+ 4Н2О Орнитин+ +CO2+2NH4OH —22,8 (NH,OH) »
Нативная ДНК Денатуриро- 0—2,7 Chapman, Sturtevant, 1969;
ванная ДНК (пары осно- ваний) Gunter, Gunter, 1972
Нативный метмиоглобин -> Де- натурированный метмиоглобин —98 Katz et al., 1973
Переход гель—жидкость—кри- сталл для д истеарои л-L-а-леци- тина 20,5 Melchior, Morowitz, 1972
Аллостерическое связывание треонина аспартаткиназой—го- мосер ин дегидрогеназой 1 E.coli +40 мл на 105 г белка Wampler, Katz, 1974
Агрегация поли-Е-валил-рибо- нуклеазы 203 Kettman et al., 1965
ФлагеллинЖгутиковые нити 157 Gerber, Noguchi, 1967
Рибосомные субчастицы Ри- 500 Infante, Baierlein, 1971
Микротубулин-»-Микротрубочки 90—400 Salmon, 1975a, b
132
Глава 4
Для кооперативных реакций и реакций с участием полимеров-
изменения могут быть существенно больше — примерно на поря-
док. Например, величина AV для реакции ассоциации рибосом-
ных субчастиц равна примерно 500 мл-моль-1, на что указывает
чувствительность процесса диссоциации к давлению (Infante,
Baierlein, 1971). Изменения объема такого порядка однозначно
говорят о том, что процесс сопровождается кооперативными яв-
лениями. Ассоциация рибосомных субчастиц представляет собой,
по-видимому, последовательность сопряженных «мономерных»
реакций, причем наличием сопряжений и объясняется высокая
чувствительность этого процесса к повышенному давлению.
1. Денатурация биополимеров под действием
давления
Пожалуй, наиболее подробно изученными кооперативными
реакциями в биохимии являются процессы денатурации биопо-
лимеров. Денатурация белков под действием давления служила
объектом многочисленных исследований, начиная с ранней рабо-
ты Бридгмана (Bridgman, 1914). Недавно Зип и Каузман (Zipp,
Kauzmann, 1973) провели изучение денатурации метмиоглоби-
на, сравнивая дифференциальное поглощение света геминовой
группы молекулы этого белка в нативном и денатурированном
состоянии. Они установили, что давление до -~3500 кг-см-2 не
оказывает практически никакого влияния. Затем в сравнительна
узкой области давлений от 3500 до 5000 кг-см-2 белок подвер-
гается кооперативной обратимой денатурации. В обзорной статье
Сузуки и Танигучи (Suzuki, Taniguchi, 1972) можно найти и дру-
гие примеры кооперативной денатурации; денатурация белков
на 50% происходит под давлением около 3500 атм для 0-лакто-
глобулина при pH 5,2 и 30°С и около 9000 атм для а-амилазы
при pH 5,8 и температуре 30°С. Точно определив изменения
объема при денатурации белков, исследователи, работающие в-
области химии белков, оказались в чрезвычайно трудном поло-
жении. Они обнаружили, что регистрируемые изменения объема
весьма незначительны, а это противоречит современным пред-
ставлениям о силах, которые сообщают белкам конформацион-
ную устойчивость.
Принято считать, что основную роль в определении нативной
конформации белков играют гидрофобные взаимодействия. Раз-
рыв гидрофобных связей обычно приводит к уменьшению объ-
ема примерно на 10—20 мл-моль-1 (Kauzmann, 1959). По-види-
мому, при переносе неполярных групп из гидрофобной среды,
которая существует внутри молекулы глобулярного белка, в вод-
ное окружение происходит упорядочение молекул воды. Упоря-
доченная структура воды носит название «клатрата» или «айс-
Повышенное давление
433
берга». Клатратная вода отличается от обычного льда тем, что
она плотнее жидкой воды. Следовательно, разрыв гидрофобных
связей приводит к сокращению объема, а повышенное давление
вызывает разрыв гидрофобных связей. Можно было бы ожидать,
что денатурация белка с разрывом большого количества гидро-
фобных связей будет сопровождаться значительным уменьшени-
ем объема порядка сотен миллилитров на моль.
В амфотерных белках денатурация приводит к разрыву
электростатических связей. В результате этого разрыва заряжен-
ные группы приходят в соприкосновение с водной средой. Вода
вокруг таких групп подвергается электрострикции и происходит
уменьшение объема, как правило, на 1—11 мл на 1 моль заря-
женных групп.
При денатурации может также происходить разрыв водород-
ных связей. Однако при этом объем увеличивается только на
3—4 мл-моль-1. Объем увеличивается и при разрыве ковалент-
ных связей. Например, в результате разрыва углерод-углеродной
связи объем возрастает обычно на 12 мл-моль-1. При обратимой
денатурации разрыва ковалентных связей, как правило, не про-
исходит.
Некоторые авторы (Tanford, 1968; Brandts et al., 1970; Zipp,
Kauzmann, 1973) считают, что при денатурации белков объем
должен в значительной степени уменьшаться, так как разрыв
гидрофобных и электростатических связей проявляется гораздо
сильнее, чем разрыв водородных связей. Попытки обнаружить
другие процессы, способные вызвать компенсирующие увеличе-
ния объема, не увенчались успехом. Создается впечатление, что
представления о конформации белков страдают неточностью;
Зип и Каузман (Zipp, Kauzmann, 1973) высказали предположе-
ние, что конформационная устойчивость в действительности не
определяется в первую очередь гидрофобными взаимодейст-
виями.
Было выдвинуто и другое, менее противоречащее общеприня-
тым взглядам объяснение расхождения между измеренными и
ожидаемыми изменениями объема при денатурации белков
(B0je, Hvidt, 1972; Hvidt, 1975). Авторы этого объяснения ука-
зывают на то, что химические группы полимера находятся в не-
котором смысле в очень концентрированном растворе из-за близ-
кого расположения соседних групп. На примере модельных сое-
динений эти авторы показали, что разрыв гидрофобных связей в
концентрированных растворах приводит к увеличению, а не
уменьшению объема. Следовательно, разрыв гидрофобных свя-
зей при денатурации белков может привести к незначительному
увеличению объема. Небольшие отрицательные изменения объе-
ма, измеренные экспериментально, отражают, по-видимому, сум-
марный результат увеличений объема за счет разрыва гидрофоб-
134
Глава 4
ных и водородных связей и уменьшений объема за счет разрыва
электростатических связей. Это, бесспорно, чрезвычайно инте-
ресный аспект исследований действия давления, который привел
к кардинальной переоценке основных представлений химии био-
полимеров.
Денатурация молекул нативной ДНК также вызывает незна-
чительные изменения объема (Weida, Gill, 1966; Gunter, Gunter,
1972; Chapman, Sturtevant, 1969); однако в данном случае изме-
нения носят положительный характер, и давление стабилизирует
ДНК в нативном состоянии. Оказалось, что давление противо-
действует денатурирующему эффекту высокой температуры и
повышает температуру «плавления» ДНК на несколько градусов
(Heden et al., 1964; Weida, Gill, 1966; Suzuki et al., 1971, 1972).
Влияние нагревания на нативную ДНК четко показывает, что
денатурация представляет собой кооперативный процесс. По-ви-
днмому, небольшое изменение объема вызвано компенсирующи-
ми друг друга увеличениями и уменьшениями объема, происхо-
дящими на различных этапах суммарной реакции.
Большинство исследований денатурации белков проводится с
давлениями порядка тысяч атмосфер, а не с давлениями ниже
1160 атм, которые встречаются в морских глубинах. Принято да-
же считать, что давления меньше 1000 атм стабилизируют натив-
ную конформацию белков, как это установили, например, Джон-
сон и Эйринг (Johnson, Eyring, 1970), изучавшие действие дав-
ления на биолюминесценцию. По-видимому, денатурация белков
не играет определяющей роли в подавлении роста давлением,
которое обычно встречается в биосфере. Тем не менее это утвер-
ждение нельзя принимать безоговорочно. Изучая денатурацию
химотрипсина под действием давления, Хоули (Hawley, 1971)
построил графики площадей изменения свободной энергии в за-
висимости от температуры и давления. Денатурацию можно рас-
сматривать как двухстадийный процесс, при котором нативное
состояние (N) находится в равновесии с денатурированным
(D). Тогда константа равновесия реакции равна (£>)/(Л7), а из-
менение свободной энергии составляет —RT\n(D)/(N). Графики
Хоули для нулевого изменения свободной энергии описывают
условия, при которых (D) = (N). Они представляют собой замк-
нутые эллипсы, причем площадь, заключенная внутри эллипса,
соответствует условиям, при которых предпочтение отдается на-
тивному состоянию, а площадь вне эллипса соответствует услови-
ям. благоприятным для денатурированного состояния. При изу-
чении денатурации метмиоглобина Зип и Каузман (Zipp, Kauz-
mann, 1973) расширили этот анализ, введя дополнительную ось
для pH, и получили пространственную замкнутую структуру.
Если проследить за ее очертаниями при постоянной температуре,
скажем, при 20°С, в поисках точек, соответствующих нулевому
Повышенное давление
135
изменению свободной энергии при различных значениях pH, то
мы найдем, что (D) = (N) при pH 6 и давлении около
4300 кг-см-2, а также при pH 5 и давлении около 3000 кг-см-2.
При pH 4 то же самое условие равновесия соблюдается при дав-
лении уже около 900 кг-см-2. Иными словами, при этом низком
значении pH давления, существующие в глубине морей, могут
вызвать денатурацию метмиоглобина. Если температура в морях
на большой глубине не превышает нескольких градусов, то для
того, чтобы денатурация произошла при pH 4, достаточно дав-
ления в несколько сот атмосфер. В морях можно найти лишь
немного мест на большой глубине, где pH = 4, поскольку в воде
содержатся бикарбоиатные и другие ионы, оказывающие забу-
феривающее действие. Тем не менее главный вывод заключается
в том, что давления, существующие в глубине морей, способны
вызвать денатурацию белков, если остальные физические и хи-
мические параметры не являются оптимальными для поддержа-
ния нативного конформационного состояния.
Было изучено взаимовлияние уровней давления и pH при
ингибировании роста бактерий (Matsumura et al., 1974). Данные,
полученные в этих исследованиях, можно сопоставить с резуль-
татами опытов по денатурации белков. Общая закономерность
заключается в том, что область pH, при которой возможен рост,
сужается по мере возрастания давления. Вместе с тем при кис-
лых или щелочных значениях pH среды чувствительность бакте-
рий к давлению увеличивается. Как правило, при повышенном
давлении выход биомассы и скорость роста уменьшаются. Мацу-
мура и др. (Matsumura et al., 1974) установили, что для многих
бактерий этот эффект давления, по крайней мере отчасти, объ-
ясняется повышенной чувствительностью к кислотам, которые
накапливаются в результате обмена веществ в замкнутых сосу-
дах для культивирования. Нейтрализация этих кислот приводит
к увеличению выхода биомассы, который тем не менее остается
ниже, чем у культур, выращиваемых при 1 атм, поскольку дав-
ление оказывает и иные воздействия на эффективность роста.
Сходство между реакцией микроорганизмов на -комбиниро-
ванное действие давления, температуры и pH и влиянием этих
факторов на денатурацию белков вряд ли можно считать чисто
случайным. Не исключено, что во многих случаях неспособность
микроорганизма расти при повышенном давлении объясняется
обратимой денатурацией ферментов или других клеточных бел-
ков. Конечно, эти случаи могут характеризоваться неоптималь-
ными условиями, однако не следует забывать, что оптимальные
условия роста в природе являются скорее исключением, чем пра-
вилом.
136
Глава 4
2. Изменения липидной фазы
За последние несколько лет удалось выяснить, что в ответ
на изменения температуры липиды в биологических мембранах
претерпевают фазовые изменения. Внутренняя часть функциони-
рующих мембран представляет собой текучую жидкокристалли-
ческую структуру. В результате охлаждения эта структура пре-
вращается в гель, что приводит к подавлению функционирова-
ния мембраны. Температура, при которой наблюдается фазовый
переход, определяется химической природой мембранных липи-
дов. Мембраны с высоким содержанием ненасыщенных жирных
кислот или кислот с разветвленной углеводородной цепью отли-
чаются более низкими температурами перехода по сравнению с
мембранами, богатыми насыщенными жирными кислотами с
неразветвленными цепями. По крайней мере для некоторых ор-
ганизмов жирнокислотный .состав мембран является, по-видимо-
му, основным фактором, определяющим область температур, при
которых возможен рост, как было показано, например, для
Acholeplasma laidlawii (McElhaney, 1974).
Очевидно, что давление также оказывает влияние на фазо-
вое состояние липидных агрегатов мембран и на температуры,
при которых происходит фазовый переход. Однако это влияние
незначительно, и изменения объема, сопровождающие фазовые
переходы липидов, невелики. Например, величины ДЕ для пере-
ходов от геля к жидкому кристаллу димиристоил-, дипальми-
тоил- или дистеароил-Ь-а-лецитина в мицеллярных или везику-
лярных структурах равны соответственно 11,8, 14,1 и 20,5 мл-
•моль-1 (Melchior, Morowitz, 1972). Далее, относительно широ-
кая область температур, при которых происходят отдельные
мембранные фазовые переходы, свидетельствует о том, что эти
процессы в отличие от плавления молекул ДНК имеют сравни-
тельно некооперативный характер. Кроме того, взаимодействие
солей с заряженным липидом приводит к изменению объема.
Так, средняя плотность смеси полярных липидов Halobacterium
выше в 0,1 М растворе MgCh, чем в 4,0 М растворе NaCl (Plachy
et al., 1974). Можно рассчитать, что при переходе от первого рас-
твора ко второму объем увеличится меньше чем на
10 мл-моль-1 — это опять-таки сравнительно небольшое измене-
ние объема. Давление благоприятствует существованию плотно
упакованных гелевых фаз мембранных липидов; так, давление
в 136 атм, создаваемое газообразным гелием, повышает на 3—
5°С температуры, при которых происходит переход смешанных
двойных слоев фосфатидилхолина из твердой фазы в жидкую
(Tiudell et al., 1974). Можно считать почти аксиомой, что давле-
ние должно оказывать влияние на минимальные, оптимальные
и максимальные температуры роста в тех случаях, когда эти тем-
Повышенное давление
137
пературы определяются физическим состоянием мембранных
липидов. Известно, что с увеличением давления оптимальные
температуры роста слегка повышаются (ZoBell, 1956; Johnson,
1957); причина этого явления может отчасти заключаться в том,
что давление способствует образованию конденсированных фаз.
Сдвиг температуры в данном случае весьма незначителен — он
равен приблизительно нескольким градусам, но и подобный
сдвиг способен играть важную роль в природных условиях, где
между живыми организмами существует жестокая конкуренция
за источники питания.
3. Агрегация полимеров
В отличие от фазовых переходов липидов, сопровождающихся
небольшими изменениями объема (некооперативные процессы),
многие реакции агрегации полимеров характеризуются значи-
тельными изменениями объема (табл. 4.1). Высокая чувствитель-
ность этих реакций к давлению выдвинула ряд проблем, связан-
ных с интерпретацией профилей седиментации при ультрацентри-
фугировании, где давление может доходить до 1950 атм (van Di-
ggelen et aL, 1973).
Помимо проблем, с которыми сталкиваются экспериментато-
ры при использовании ультрацентрифуги, существуют также про-
блемы, связанные с тем, что живые организмы могут сильно стра-
дать от повышенного давления из-за дезагрегации таких струк-
тур, как микротрубочки. Например, давление от 400 до 600 атм
способно вызывать резкие изменения у простейших и в яйцах
морских ежей. При таком давлении утрачивается подвижность
клеток (Regnard, 1884; Certes, 1884 b; Ebbecke, 1935 a, b; Kit-
ching, 1957 a; Young et aL, 1972); блокируются фагоцитоз и пи-
ноцитоз (Marsland, Brown, 1936; Zimmerman, Rustand, 1965);
происходит коллапс аксоподий солнечников (Kitching, 1957 b;
Tilney et aL, 1966); изменяется знак гальванотаксиса Tetrahyme-
na (Murakami, Zimmerman, 1970); клетки округляются (Mars-
land, 1970); митотический аппарат «замораживается» (Pease,
1941, 1946). Многие из этих явлений, если не все, вызваны дезаг-
регацией микротрубочек под действием давления. Как было уста-
новлено при помощи электронной микроскопии, коллапс аксопо-
дий связан с обратимой дезагрегацией микротрубочек (Tilney et
al„ 1966). Этим же объясняется утрата подвижности клетками
Tetrahymena pyriformis (Kennedy, Zimmerman, 1970). Под дейст-
вием давления 408 атм эмбрионы Arbacia полностью утрачивают
цитоплазматические микротрубочки (Tilney, Gibbins, 1969). Дав-
ление в 680 атм приводит к почти полной деполимеризации аст-
ральных и интерполярных микротрубочек в клетках HeLa (Sal-
mon et aL, 1976). Более того, такие агенты, стабилизирующие
138
Глава 4
структуру микротрубочек, как D2O, препятствуют ингибированию
митоза при повышении давления (Marsland, 1970), и, напротив,
такие агенты, как колхицин, которые ингибируют образование
этих структур, усиливают действие давления. Таким образом,
имеются веские доказательства в пользу того, что дезагрегация
микротрубочек лежит в основе многих отрицательных реакций
животных клеток в ответ на действие давления. Недавно было
установлено, что микротрубочки весьма чувствительны к давле-
нию in vivo и что регистрируемое изменение объема при их
сборке равно 90—400 мл на моль тубулина (Salmon, 1975 а, Ь;
Inoue et al., 1975). Однако имеются данные, что некоторые виды
микротрубочек, в частности нейронные, устойчивы к действию
давления (O’Connor et aL, 1974). Аналогичные результаты были
получены для микротрубочек веретена клеток грибов (Heath,
1975). Было также установлено,-что изолированный митотичес-
кий аппарат зигот морского ежа содержит чувствительные к
давлению элементы, не относящиеся к микротрубочкам, которые
обусловливают уменьшение двойного лучепреломления под дей-
ствием давления (Forer, Zimmerman, 1976). Сравнительно ус-
тойчивы к давлению микротрубочки центромерных нитей клеток
HeLa (Salmon et aL, 1976). Надо полагать, что животные, оби-
тающие в океане на большой глубине, содержат микротрубочки,
которые не подвергаются дезагрегации под действием давления.
Самое сильное изменение объема (около 500 мл-моль-2) в
табл. 4.1 относится к диссоциации рибосомных субчастиц. Эта
цифра относится к рибосомам неоплодотворенных яиц морского
ежа (Infante, Baierlein, 1971), однако близкие результаты были
получены для рибосом прокариот (van Diggelen et al., 1971, 1973).
Шульц и др. (Schulz et aL, 1976) установили, что изменение объе-
ма при диссоциации рибосом Е. coli равно —240 мл-моль-1. Эти
авторы обнаружили, что действие давления носило обратимый
характер даже после диссоциации при ~1500 атм и что наличие
ионов Mg2+ в сильной степени увеличивало либо уменьшало чув-
ствительность к давлению в зависимости от взятой концентрации.
Некоторые трудности возникают при попытках установить взаи-
мосвязь между поведением рибосом в ультрацентрифуге, т. е.
in vitro, и реакцией всего организма на давление in vivo. По дан-
ным ряда авторов синтез белка более чувствителен к давлению
по сравнению с синтезом РНК или ДНК (Landau, 1966, 1970;
Pollard, Weller, 1966; Albright, 1969; Zimmerman, 1971). Подроб-
ное исследование чувствительности отдельных стадий процесса
белкового синтеза к давлению позволило недавно установить,
что наиболее чувствительной из них является стадия аминоаци-
лирования тРНК (Hardon, Albright, 1974) или связывания тРНК
с полисомами (Pope et aL, 1975 b). Оказалось, что полисомы в
целых клетках и в бесклеточных экстрактах стабильны при дав-
Повышенное давление
139
лениях, которые полностью ингибируют синтез белка (Schwarz,
Landau, 1972 а; Pope et al., 1975 a). Были получены гибридные
рибосомы для систем, синтезирующих белок in vitro, из Pseudo-
monas и Е. coli. (Pope et al., 1975 а; Smith et aL, 1975). Синтез
белка в случае Е. coli относительно чувствителен к давлению, в
то время как в случае Pseudomonas он довольно устойчив к это-
му фактору. Оказалось, что устойчивость связана с рибосомной
субчастицей 30 S, а не с субчастицей 50 S или растворимыми фак-
торами.
Итак, создается впечатление, что чувствительность белкового
синтеза к давлению не может быть непосредственно приписана
чувствительности к давлению реакции диссоциации субчастиц.
Не исключено, что в составе полисом рибосомы приобретают
большую устойчивость. Возможно также, что неорганические ио-
ны способны проявлять стабилизирующее действие и что комби-
нация ионов, применяемых для синтеза белка in vitro, защищает
70 S-рибосомы от диссоциации при повышении давления.
Расхождение между предсказываемыми или ожидаемыми ре-
акциями организмов, исходя из известного поведения субкле-
точных фракций, и истинными реакциями интактных живых ор-
ганизмов в ответ на повышение давления наблюдается не только
в случае синтеза белков. Гербер и Ногучи (Gerber, Noguchi,
1967) установили, что ДР для образования жгутиковых нитей из
мономеров флагеллина равно 157 мл на моль флагеллина. Сле-
довательно, можно было бы ожидать, что при повышении давле-
ния произойдет дезагрегация нитей. Однако давление в 612 атм
не приводило к дезагрегации жгутиков интактных бактерий, хо-
тя давление 100—200 атм ингибировало образование новых жгу-
тиков (Meganathan, Marquis, 1973). По-видимому, in vivo какой-
то фактор (или факторы) стабилизирует жгутики против диссо-
циирующего действия давления.
Несколько лет назад Пеннистон (Penniston, 1971) выдвинул
интересное предположение, согласно которому с повышением
давления стимулируется активность мономерных ферментов, на-
сыщенных субстратом, но ингибируются ферменты, состоящие из
нескольких субъединиц, так как они при этом действительно дис-
социируют. Для подтверждения своей точки зрения Пеннистон
воспользовался данными, полученными с различными мономер-
ными и мультимерными ферментами. Позднее Дикамелли и др.
(Dicamelli et aL, 1973) четко показали, что при повышении дав-
ления действительно происходит диссоциация триптофансинте-
таз из Е. colt и Salmonella typhimurium, причем образующиеся
субъединицы можно разделить в гравитационном поле с помо-
щью ультрацентрифуги. Как показали дальнейшие исследования
с другими ферментами, гипотеза Пеннистона применима далеко
не ко всем ферментам. В сущности, следовало бы ожидать, что
140
Глава 4
Диссоциация ферментов на составляющие их субъединицы приве-
дет к увеличению объема, а не к его уменьшению и, следователь-
но, давление может оказывать стабилизирующее действие. Мы
установили, что при высоких концентрациях субстрата давление
действительно повышает активность мембранной ЛТРазы из
Streptococcus faecalis, состоящей из нескольких субъединиц
(Matsumura, Marquis, 1975). Очевидно, что диссоциация и инак-
тивация этого фермента не определяют его ответную реакцию на
действие давления.
Известны другие процессы агрегации полимеров, где воздей-
ствие давления на равновесие лежит, по-видимому, в основе ре-
акций интактных организмов на давление. Например, в ходе
продолжения исследований, начатых Ландау (Landau, 1967)
и касавшихся действия давления на Мс-оперон, было установлено,
что реакция Е. coli на давление определяется равновесием меж-
ду индуктором и комплексом оператор — репрессор, с одной сто-
роны, и комплексом индуктор — оператор — репрессор — с другой
(Marquis, Keller, 1975). Давление подавляет дерепрессию, а так-
же замедляет синтез fj-галактозидазы после добавления индукто-
ра. Кроме того, давление уменьшает степень дерепрессии, так что
при 300—400 атм полной дерепрессии клеток не происходит. Де-
репрессия оказалась значительно более сложным процессом, чем
было принято считать раньше (Barkley et aL, 1975); тем не менее
влияние на нее давления можно представить себе как сдвиги
равновесия, определяющие, сколько именно репрессора в актив-
ной форме связывается с оператором.
Б. ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА СКОРОСТИ
БИОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
Многие реакции живых организмов на давление объясняют-
ся изменениями скоростей биохимических реакций под влиянием
этого фактора, а не его воздействием на процессы равновесия.
Живые организмы никогда не находятся в состоянии термоди-
намического равновесия, и между клеткой и окружающей ее сре-
дой происходит постоянный обмен энергии и различных веществ.
Более того, все внутриклеточные биохимические реакции в со-
вокупности взаимосвязаны между собой сложным образом, так
что каждая реакция в какой-то степени зависит от любой другой
реакции. Вот почему влияние давления на скорости внутрикле-
точных реакций носит весьма сложный характер, и во многих
случаях попытки рассматривать действие давления на какую-то
отдельную реакцию могут привести к ошибочным представле-
ниям.
Влияние давления на скорость реакции принято выражать
уравнением (2). Соответствующее изменение объема является
Повышенное давление
141
кажущимся объемом активации, или ДУ*. (Развитие представ-
лений об активированном комплексе будет рассмотрено в
разд. III). К сожалению, ДУ* можно определить только одним
способом — изучая действие давления на скорость реакции. В на-
стоящее время мы не располагаем возможностью измерять пар-
циальные молярные объемы переходных активированных комп-
лексов. Из уравнения (2) следует, что ДУ* не зависит от давле-
ния. Однако чаще всего — особенно в случае биологических
процессов — это не так. Различия в сжимаемости реагирующих
веществ и активированных комплексов приводят к тому, что ве-
личина ДУ* непостоянна. В сложных биологических системах
природа реакции может меняться в зависимости от давления;
очень часто дополнительные осложнения возникают вследствие
инактивации ферментов под действием давления. Кроме того,
очевидно, что ДУ* не связано с ДУ, несмотря на то, что процес-
сы, приводящие к изменению объема, носят в обоих случаях
один и тот же характер. Иными словами, объем меняется в про-
цессе реакции или при образовании активированных комплексов
либо из-за разрыва, либо из-за возникновения связей, а также в
силу изменений взаимодействий растворителя. Тем не менее из-
менение объема при образовании активированного комплекса
не равно изменению объема, характерного для данной реакции, и
может даже иметь противоположный знак. Например, ДУ для
гидролиза белка представляет собой отрицательную величину: в
основном это объясняется тем, что число заряженных групп в
течение этого процесса возрастает. Однако при повышении дав-
ления ферментативный протеолиз обычно замедляется. Следо-
вательно, хотя ДУ реакции является отрицательной величиной,
ДУ* имеет положительный знак.
При любом исследовании действия давления на скорости био-
логических реакций необходимо пользоваться концепциями дей-
ствия давления на ферменты, общие аспекты которых были раз-
работаны в основном Лейдлером (Laidler, 1951), в то время как
аспекты, связанные с регуляторными механизмами, рассмотрены
Хочачкой и др. (Hochachka et al., 1972). Мы остановимся здесь
лишь на нескольких основных положениях, более подробные дан-
ные читатель найдет в книге Лейдлера и Бантинга (Laidler, Bun-
ting, 1973).
Наиболее простую ферментативную реакцию можно предста-
вить как двухстадийный процесс:
E + S^ES-^ Е + Р, (3)
й-1
где Е — фермент, S — субстрат, ES — фермент-субстратный ком-
плекс, а Р — продукт. Символами k обозначены константы скоро-
142
Глава 4
сти реакции. В процессе первой стадии происходит образование
фермент-субстратного комплекса или связывание субстрата, а
вторая стадия заключается в превращении этого комплекса в
продукты реакции. Согласно современным представлениям, вто-
рая стадия в свою очередь состоит из двух этапов — перехода
фермент-субстратного комплекса в активированное состояние
и распада активированного комплекса на фермент и продукт ре-
акции. Для большинства реакций распад активированного комп-
лекса протекает очень быстро, и поэтому именно его образование
служит стадией, ограничивающей скорость реакции. Таким об-
разом, параметром, обусловливающим влияние давления, яв-
ляется изменение объема, связанное с активацией. Величи-
на АР*, вычисленная при помощи уравнения (2) и данных, по-
лученных при высоких концентрациях субстрата, представляет
собой обычно АР* процесса активации Однако при низких кон-
центрациях субстрата, которые нередко имеют место внутри
клеток, положение осложняется тем, что стадией, ограничиваю-
щей скорость реакции, может оказаться исходное связывание
субстрата. Лейдлер (Laidler, 1951) рассмотрел два случая:
1) когда k-\^>k2 и 2) когда В первом случае АР*, опре-
деленное при помощи уравнения (2), равно изменению объема
реакции для образования фермент-субстратного комплекса плюс
изменение объема, связанное с активацией комплекса. Во втором
случае, который чаще встречается на практике, величина АР*,
определенная при помощи уравнения (2), представляет собой
изменение объема активации для связывания субстрата с фер-
ментом. Таким образом, при низких концентрациях субстрата
изменение объема в ответ на повышение давления относится к
реакции связывания субстрата с ферментом, в то время как при
высоких концентрациях субстрата связанное с давлением изме-
нение объема происходит на стадии активации фермент-субстрат-
ного комплекса. Конечно, можно рассмотреть и более сложные
реакции, однако и этого примера достаточно для того, чтобы сде-
лать следующий важный вывод: влияние давления на скорости
ферментативных реакций может проявляться как на стадии свя-
зывания субстрата, так и на стадии активации фермент-субстрат-
ного комплекса либо сразу на обеих стадиях. Для того чтобы ре-
шить, какая стадия процесса ответственна в основном за наблю-
даемый эффект, должен быть подробно проанализирован каж-
дый отдельный случай. Величина АР* для связывания субстрата
может отличаться по знаку от величины АР* для активации ком-
плекса. Мы обнаружили, например, что давление ингибирует ак-
тивность АТРазы из мембран Streptococcus faecalis при низких
концентрациях субстрата, но стимулирует ее в случае высокого
уровня АТР. В этой реакции, по-видимому, величина АР* для
связывания субстрата положительна, а для активации фермент-
Повышенное давление
143
субстратного комплекса отрицательна. В литературе можно най-
ти много других примеров реакций, два объема активации кото-
рых имеют противоположные знаки.
Хочачка и сотр. (Hochachka et al., 1972) изучали ферменты,
выделенные из рыб, обитающих на средней и большой глубине;
они хотели определить природу адаптивных изменений в струк-
туре ферментов, в результате которых эти катализаторы приоб-
ретают способность функционировать при давлениях, существую-
щих на больших глубинах. Исследователи пришли к заключению,
что «адаптация ферментов к высоким давлениям обусловлена вы-
сокой степенью сродства ферментов к субстратам, кофакторам и
модуляторам, а не величиной АР* или энергией активации». Сле-
дует отметить, что величина АР*, которая имеется здесь в виду,
представляет собой изменение объема конкретно для активации
фермент-субстратного комплекса, а совсем не обязательно явля-
ется АР* в уравнении (2). По мнению Хочачки и сотр., в при-
родных условиях, где концентрация субстратов может быть низ-
кой, стадия связывания субстратов имеет первостепенную важ-
ность так же, впрочем, как стадия связывания кофакторов и
модулирующих лигандов.
Одним из ферментов, которые они исследовали более подроб-
но, была фруктозодифосфатаза, выделенная из радужной форе-
ли и из глубоководных химеровых рыб. Оказалось, что при зна-
чениях pH выше 7,7 и при высоких концентрациях субстрата дав-
ление стимулирует активность обоих ферментов. Однако при
низких концентрациях субстрата фермент из химеровых рыб по-
прежнему проявлял активность, в то время как активность фер-
мента форели подавлялась. Поэтому был сделан вывод о том,
что при повышении давления константа Михаэлиса фермента хи-
меровых рыб снижается, а для фермента из форели она повыша-
ется. Сходное поведение в отношении константы Михаэлиса было
отмечено для связывания Mg2+, играющего роль кофактора.
Характер влияния на ферменты регуляторного ингибитора, аде-
нозинмонофосфата, также говорит о том, что фермент химеровых
рыб лучше приспособлен к функционированию при повышенном
давлении, особенно при высоких концентрациях АМР. Естествен-
но, прежде чем прийти к каким-то обобщениям, необходимо под-
робно изучить как можно больше других подобных примеров. Не
следует также забывать о том, что существуют ферменты, выде-
ленные из организмов, встречающихся вне больших глубин, ак-
тивность которых при низких концентрациях субстратов может
повышаться под действием давления; к ним относится, например,
лизоцим (Neville, Eyring, 1972). Поэтому не исключено, что по-
ведение фруктозодифосфатазы химеровых рыб носит чисто слу-
чайный характер, а не обусловлено ее адаптацией к повышенно-
му давлению.
144
Глава 4
В. ВЫВОДЫ
Как следует из материала, рассмотренного в данном разделе,
для того чтобы объяснить механизмы реакций живых организ-
мов на давление в биохимических терминах, необходимо рас-
смотреть его действие на процессы химического равновесия п ско-
рости реакций. Наиболее яркими примерами действия давления
на процессы равновесия может служить вызываемая им диссо-
циация специфических полимерных агрегатов, таких, как микро-
трубочки или ферменты, построенные из нескольких субъединиц.
Важную роль в природных условиях может также играть дена-
турирующее действие давления на белки, особенно если другие
параметры окружающей среды, такие, как температура, pH или
.ионная сила, отличаются от оптимальных. Как показало изучение
выделенных белков, они могут подвергаться денатурации под
давлением значительно ниже одного килобара. Влияние давле-
ния на большинство процессов катаболизма или биосинтеза в-
клетках проявляется прежде всего в том, что под действием это-
го фактора меняются скорости реакций. В большинстве случаев-
они замедляются, если давление составляет -—300 или более ат-
мосфер. Однако многие другие реакции при повышении давле-
ния ускоряются. Из-за различной чувствительности к давлению-
огромного множества внутриклеточных реакций в условиях по-
вышенного давления могут происходить существенные наруше-
ния в метаболической регуляторной системе клеток.
III. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ
ЖИЗНИ МИКРООРГАНИЗМОВ ПРИ ПОВЫШЕННОМ
ДАВЛЕНИИ
Мы не ставим перед собой цели подробно изложить здесь в
хронологическом порядке историю баробиологии. Интересующих-
ся ею читателей мы отсылаем к книге Джонсона с соавторами
(Johnson et al., 1954), а также некоторым обзорам (Cattell, 1936;
Fenn, 1970 в монографии Реньяра) Однако ряд вопросов целе-
сообразно рассмотреть в исторической перспективе.
Первые баробиологические исследования были проведены
французскими авторами (Certes, 1884; Regnard, 1884). Обнару-
жение живых организмов на глубине 8200 м во время экспеди-
ции Челленджера в 1872 г. опровергло бытовавшую в то время-
точку зрения, согласно которой жизнь в морских глубинах не-
возможна. Впрочем, еще за семь лет до экспедиции Челлендже-
ра один вид коралла, который до тех пор находили только среди
ископаемых, был обнаружен в живом состоянии на оборванном
телеграфном кабеле на глубине 2000 м между Сардинией и Ал-
жиром. В последующих экспедициях Травайе и Талисмана было
найдено еще больше глубоководных живых организмов, в том:
Повышенное давление
145-
числе микроорганизмов, в пробах воды и придонных осадков,,
взятых Сертом с помощью Милн-Эдвардса. Первое сообщение от
имени Серта (Certes, 1884а) в Парижской Академии наук отно-
сительно этих находок сделал Милн-Эдвардс. Оно было опубли-
ковано всего за пять дней до того, как Реиьяр сделал первый
доклад в Биологическом обществе (Regnard, 1884). Правда,
Реньяр признал, что сообщение Серта вынудило его представить-
свои собственные результаты несколько преждевременно, до то-
го как «...они уложились в законченную доктрину». В своей
статье Серт сосредоточил основное внимание на выделении глу-
боководных бактерий и на проблемах, связанных с тем, как ос-
вободиться от загрязняющих организмов. Только в конце статьи
он остановился на опытах, проведенных в лаборатории Пастера
с модифицированным прессом Кайетэ. По мнению Серта. выде-
ленные им глубоководные бактерии находились в покоящемся
состоянии.
«Таким образом, можно считать в настоящее время установ-
ленным, что на больших глубинах океана вода и придонные-
осадки содержат микроорганизмы, которые, несмотря на огром-
ное давление, не утратили способности размножаться в благо-
приятных условиях среды и при соответствующей температуре».
Реньяр также называет жизнь в глубине океана латентной.
Позднее Серт (Certes, 1884в) несколько изменил свою точку
зрения, после того как обнаружил, что бактерии, выделенные с
глубины около 5000 м, лучше выдерживают давление при куль-
тивировании в лабораторных условиях, чем испытанные им назем-
ные виды микроорганизмов. В более поздних исследованиях глу-
боководных морских проб в целом подтвердилось существование
баротолерантных бактерий, найденных Сертом (ZoBell, 1956; Zo-
Bell, Morita, 1957; Крис, 1962). Тем не менее даже сейчас мы не
можем быть совершенно уверены в том, что бактерии в глубине
морей специфически адаптированы к росту при высоких давле-
ниях. Наличие баротолерантной бактериальной популяции на
большой глубине может просто отражать процесс отбора более-
баротолерантных организмов, опускающихся на дно океана.
Крисс (1962), например, нашел в пробах садовой почвы бактерии,
которые более устойчивы к давлению, чем микроорганизмы, вы-
деленные из глубоководного ила. Бесспорно, однозначный ответ
на вопрос об адаптации глубоководных микроорганизмов к высо-
ким давлениям мы получим лишь после выделения облигатно
барофильных бактерий.
Серт и Реньяр независимо друг от друга исследовали дейст-
вие давлений ниже 1000 атм на различные организмы и физио-
логические процессы. Им удалось выяснить, что давления поряд-
ка сотен атмосфер замедляли одни биологические процессы и
ускоряли другие. Рост бактерий на естественных или синтетиче-
146
Глава 4
ских средах служит примером процессов первого типа, так как
давления от 300 до 600 атм существенно замедляют их рост.
Ферменты, присутствующие в слюне, оказались более устойчи-
выми к ингибирующему действию давления по сравнению с ин-
тактными организмами; вместе с тем такие процессы, как броже-
ние и гниение, осуществляемые интактными клетками ,или бес-
клеточными экстрактами, значительно замедлялись в условиях
повышенного давления. Более подробные исследования, прове-
денные позднее другими авторами (ZoBell, Johnson, 1949; Zo-
Bell, Oppenheimer, 1950), показали, что лишь очень немногие бак-
терии могли расти под давлениями выше 600 атм при оптималь-
ных для них температурах роста. Действительно, известны бакте-
рии, рост которых полностью прекращается под давлением
200 атм и даже меньше.
Интерес к баробиологическим исследованиям у Серта и
Реньяра определялся, по-видимому, их научными связями. Серт
долго работал в лаборатории Пастера и в основном интересовал-
ся прокариотами и грибами. Учителем Реньяра был Поль Бер;
Реньяр проводил исследования с микроорганизмами, так как с
ними легче работать, но он также интересовался тем, как влия-
ет давление на животных, на их мышечную и нервную ткани. Он
был талантливым экспериментатором и даже изобрел прибор,
при помощи которого он наблюдал через кварцевые окошки за
тем, как действует давление на мышцы и на микроскопических
животных. Как было принято среди научных исследователей того
времени, он демонстрировал некоторые из своих опытов перед
зрителями. Результаты своей работы в области баробиологии он
описал в монографии «Экспериментальные исследования физи-
ческих условий жизни в воде» (Regnard, 1891).
Дальнейшие успехи в области технологии высоких давлений
позволили сначала добиться давлений — 12 000 атм в аппарате с
автоматически закрывающимися затворами и подвижными порш-
нями, а затем перейти к давлениям от 50 000 до 60 000 атм при
использовании поршней из карбида вольфрама и, наконец, по-
лучить давление в 100 000 атм при помощи аппарата, в котором
поршень с цилиндром помещались внутри другого поршня с ци-
линдром, что создавало защитную оболочку сжатой жидкости.
Выдающимся исследователем в этой области был Бридгман, ко-
торый описал историю ее развития в своей книге по физике вы-
соких давлений (Bridgman, 1949). Одним из крупнейших дости-
жений в технологии высоких давлений было получение алмаза
из графита при давлениях от 45 000 до 90 000 атм и температу-
рах от 1500 до 3000°К.
Конечно, упомянутые аппараты для получения очень высоких
давлений не часто используются в баробиологии. Простые аппа-
раты, в которых биологические объекты подвергаются действию
Повышенное давление
147
давления ~2000 атм, были довольно подробно описаны Мори-
той (Morita, 1967, 1970). Аппарат, который обычно применяется
в биологических лабораториях, состоит из гидравлического руч-
ного насоса, соединенного с цилиндром трубкой высокого дав-
ления. В систему могут быть встроены клапаны высокого дав-
ления, которые позволяют перекрывать любую часть аппарата.
Известно много типов цилиндров высокого давления, или баро-
камов. Цилиндр наиболее широко распространенного типа
состоит из полой трубки, сделанной из нержавеющей стали се-
рии 300, с перекрывающимся завинчивающимся колпачком. Оп-
пенхеймер и Зобелл (Oppenheimer, ZoBell, 1952) модифицирова-
ли основную схему Джонсона и Левина (Johnson, Lewin, 1946),
введя О-кольцевые затворы и наружную нарезку на колпачке,
который входит в игольчатый клапан высокого давления с внут-
ренней нарезкой. При помощи этого клапана цилиндр перекры-
вается и может быть отсоединен от насоса без потери давления.
Эта основная схема может быть дополнительно усовершенство-
вана кварцевыми окошками, электрическими проводами, пропу-
щенными через колпачок в главную камеру, мешалками, прохо-
дящими сквозь колпачок, и т. д.
Как только был получен аппарат, позволяющий получать дав-
ления в несколько килобар в лабораторных условиях, баробио-
логи направили свои усилия на исследование действия таких дав-
лений, столь нехарактерных для биосферы В сущности, в период
с конца прошлого века и до начала тридцатых годов этого сто-
летия баробиологи изучали в основном влияние давлений в не-
сколько килобар, а также возможность использования давления
в качестве дезинфицирующего агента. Давления порядка не-
скольких килобар приводят к гибели клеточных микроорганиз-
мов, включая эндоспоры бактерий, и инактивируют вирусы.
Обзор ранних работ по изучению летального и денатурирующего
действия таких высоких давлений дан в книге Джонсона и со-
авторов (Johnson et al, 1954). Поскольку давления в несколько
килобар вызывают денатурацию белков, не удивительно, что они
приводят к гибели клеток, хотя причиной гибели не всегда можно
считать денатурацию. Например, при гибели колифага Т4 под
действием давления сжатие вызывает нормальное сокращение
оболочки фагового отростка и абортивное освобождение ДНК
(Solomon et al., 1966). Тем не менее результаты исследования
денатурации при очень высоких давлениях были широко исполь-
зованы при интерпретации дайствия давлений, существующих в
глубине морей, на различные организмы, и это заставило Джон-
сона и соавторов (Johnson et al., 1954) высказать следующее пре-
достережение.
«Данные, накопленные за этот период времени относительно
действия очень высоких давлений, Привели к широко распростра-
J48
Глава 4
неиной точке зрения, согласно которой биологический эффект
высокого гидростатического давления в общем сводится либо
к денатурации белков, либо к уничтожению жизни в результате
денатурации белков или на основании иных, недостаточно выяс-
ненных механизмов. Эта точка зрения очень далека от истины».
Интересно, что спустя лет двадцать после того, как было вы-
сказано это утверждение (Johnson et al., 1954), мы постепенно
приходим к выводу, что следует занять компромиссную позицию,
описанную в предыдущем разделе. Биологическое действие дав-
лений, встречающихся на большой глубине морей и океанов, по-
видимому, все-таки связано с денатурацией белков, особенно в
случае организмов, растущих в неоптимальных условиях. Бес-
спорно, что некоторые из эффектов давления обусловлены нару-
шениями таких процессов равновесия, как, например, равнове-
сие между микротубулином и микротрубочками в клетках эука-
риот. Однако многие эффекты давления вызваны не денатура-
цией белков или другими сдвигами равновесия, а, как уже было
указано выше (Johnson et al., 1954), изменениями скоростей
реакций.
Разработка теоретической основы для изучения действия дав-
ления на скорости реакций тесно связана с аналогичными иссле-
дованиями в отношении температуры. Измеряя изменения скоро-
стей реакций в зависимости от температуры, Аррениус вывел
хорошо известное уравнение:
k = A^lRT,
где k — скорость реакции, ц— энергия активации, или темпера-
турная характеристика, R— газовая постоянная, Г —температу-
ра по Кельвину, А — константа. Было найдено, что ц = —RT,
где Н — энтальпия активации. В своей книге по физической и тео-
ретической химии, опубликованной в 1901 г., Вант-Гоф привел
аналогичное уравнение для действия давления; он вывел это
уравнение на основании экспериментально определенных изме-
нений скоростей гидролиза сахарозы и метилацетата, вызванных
повышением давления. Это уравнение, которое он приводит со
ссылкой на более раннюю работу Планка, выглядит следующим
образом:
dlog у _ At*
dp 2Г '
Здесь v — соответствующее изменение объема (AV'* по совре-
менной терминологии), а К равно отношению скоростей реакции
при двух разных давлениях, или, по Вант-Гофу, fcn/fo.
Потенциальное значение давления в промышленных процес-
сах было довольно подробно выяснено рядом исследователей,
в частности Фосетом и Гибсоном (Fawcett, Gibson, 1934), кото-
рые установили, что при повышении давления скорость различ-
Повышенное давление
149
ных реакций органической химии возрастает. Конечно, высокие
давления использовались в промышленности и раньше, например
в процессе аммонификации по Габеру. Фосет и Гибсон рассмотре-
ли теоретические следствия, вытекающие из опубликованной ими
работы, и сделали следующий вывод:
«Давление оказывает влияние на скорость реакции, если по-
тенциальная энергия, приобретенная системой в результате изо-
термического сжатия, доступна как часть энергии активации,
необходимой для реакции».
Ивенс и Поляни (Evans, Polanyi, 1935) развили дальше это
утверждение, рассматривая влияние давления на скорости реак-
ций. Они составили уравнение, связывающее вероятность пере-
ходного состояния с константой равновесия для образования пе-
реходного состояния или активированного комплекса из исход-
ного состояния. Затем они отметили, что изменение константы
равновесия с изменением давления связано экспоненциально с
отношением V/RT, где V — изменение объема, сопровождающее
образование переходного состояния, или АЕ^ , согласно принятой
сейчас терминологии. Ивенс и Поляни подчеркнули, что объем
может меняться в результате изменений как самих реагирующих
молекул в процессе достижения системой переходного состояния,
так и молекул растворителя. Распад переходного комплекса с об-
разованием продуктов реакции протекает, как правило, очень
быстро: среднее время жизни активированного комплекса соста-
вляет около 1013с. Таким образом, скорость реакции может быть
непосредственно связана с вероятностью образования переходно-
го комплекса, а давление способно повышать либо снижать сте-
пень этой вероятности.
В том же году, когда была опубликована статья Ивенса и
Поляни, Эйринг (Eyeing, 1935а, Ь) выступил в печати со своей
теорией относительно роли активированных комплексов в опре-
делении абсолютных скоростей реакций. Перед этим он и Поляни
построили диаграммы потенциальной поверхности для реакций,
протекающих в газовой фазе, которые позволяют, по крайней
мере приблизительно, рассчитывать энергию активации. Затем
Эйрингу удалось вычислить вероятность активированного, или
переходного, состояния при помощи статистической механики.
Эта вероятность, помноженная на скорость диссоциации активи-
рованного комплекса, дает удельную скорость реакции. Впослед-
ствии Джонсон и Эйринг успешно применили теорию абсолютных
скоростей реакции для интерпретации влияния давления на био-
логические реакции, включая и такие сложные реакции, как био-
люминесценция и рост. Их работа является, бесспорно, крупным
достижением в этой области. Результаты своих исследований
они обсуждают в книге, которая вышла недавно под редакцией
Циммермана (Johnson, Eyring, 1970).
150
Глава 4
IV. РОСТ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ ПОВЫШЕННОМ ДАВЛЕНИИ
Одно из первоначальных наблюдений, сделанных Сертом и
Рсньяром в восьмидесятых годах прошлого века, заключается
в том, что давление подавляет рост микроорганизмов. Дальней-
шие исследования в этой области позволили установить, что
существуют относительно барочувствительные микроорганизмы,
не способные расти при давлениях, намного превышающих
200 атм, относительно баротолерантные организмы, растущие
при давлениях до 550 атм, а также небольшое число высоко ба-
ротолерантных форм, которые могут расти при давлениях даже
1000 атм и выше. Самое высокое давление, при котором был об-
наружен рост, равно 1400 атм (работа Зобелла, цит. по Vallen-
tyne, 1963). Чем объясняется столь широкая область баротоле-
рантности и каким именно образом давление тормозит рост?
В этом разделе мы коротко рассмотрим попытки ответить на эти
вопросы, сделанные различными исследователями. Мы не соби-
раемся подробно рассматривать действие давления на разно-
образные биохимические реакции или физиологические процес-
сы микроорганизмов. Подробно эти вопросы обсуждаются в со-
ответствующих обзорах (ZoBell, 1964, 1970; Morita, 1967, 1972;
Marquis, 1976).
Рассматривая устойчивость роста какого-либо микроорганиз-
ма к давлению, мы можем выделить кардинальные давления—
максимальное, минимальное и оптимальное. Максимальные для
роста давления в очень большой степени зависят от окружаю-
щей среды. Например, максимальное давление для роста гомо-
ферментативного молочнокислого организма S. faecalis при
25—30°С очень сильно зависит от источника АТР для роста
(Marquis et al., 1971; Marquis, ZoBell, 1971). Рост культур в
среде, содержащей триптон и дрожжевой экстракт, отсутствовал
при давлениях выше -—200 атм, если источником энергии слу-
жил пируват. Однако, если в качестве источника энергии брали
рибозу, микроорганизм мог расти при давлении —450 атм, а при
использовании глюкозы, галактозы, мальтозы или лактозы в
качестве источника энергии рост наблюдался при давлении
550 атм. В присутствии этих сахаров рост был отмечен при дав-
лении 750 атм, если в среду добавляли ионы Mg2+ или Са2+ в
концентрации 50 мМ. Следовательно, даже клетки одного вида
микроорганизмов могут отличаться чрезвычайно широкой обла-
стью баротолерантности в зависимости от окружающих условий.
Неорганические соли способны повышать баротолерантность
многих бактерий; их действие обладает определенной специ-»,
фичностью. Для S. faecalis эффективны только ионы Mg2+и Са2+.
Баротолерантность Vibrio marinus и других морских бактерий
Повышенное давление
151
лучше всего повышает NaCl (Palmer, Albright, 1970; Albright,
Henigman, 1971). Другие соли были менее эффективны, особен-
но соли двухвалентных катионов. Ионы Mg2+ и Са2+ повышают
устойчивость многих бактерий к кислотам при повышенном
давлении (Matsumura et al., 1974); отчасти они усиливают баро-
толерантность тем, что расширяют область значений pH, бла-
гоприятных для роста под действием давления. Недавно было
обнаружено, что рост галофильного организма Halobacterium
salinarium и синтез белков в его клетках отличаются очень высо-
кой устойчивостью к давлению и при 1000 атм снижаются лишь
на 50% по сравнению со скоростями при 1 атм (Pope et al., 1976b).
Изменения температуры роста также сказываются на баро-
толерантности микроорганизмов. Наибольшая толерантность
проявляется обычно при температуре, которая на несколько гра-
дусов превышает оптимальную температуру роста. Дальнейшее
возрастание температуры приводит к значительному снижению
баротолерантности. Ниже оптимальной повышение температуры
увеличивает баротолерантность.
Очевидно, что закон идеального газа не может быть приме-
нен в тех случаях, когда требуется предсказать, как будут вли-
ять температура и давление на рост микроорганизмов в конден-
сированных водных фазах. Сама клетка представляет собой
смесь водной фазы и нескольких твердых фаз. Взаимодействия
температуры и давления можно объяснить, исходя из того влия-
ния, которое они оказывают на различные химические связи,
необходимые для поддержания биологической структуры. В мо-
дельных системах водородные связи стабилизируются давлением,
но разрываются при повышении температуры. Гидрофобные
связи в большинстве случаев разрываются при повышении дав-
ления примерно до 1000—3000 атм, однако дальнейшее повыше-
ние давления стабилизирует эти связи (Suzuki, Taniguchi, 1972).
Как было отмечено в предыдущем разделе, низкие давления спо-
собны стабилизировать гидрофобные связи, например, в центре
глобулярного белка. При повышении температуры эти связи
также, как правило, стабилизируются, однако если она превы-
сит 60°С, то гидрофобные связи разрываются. Повышение дав-
ления неблагоприятно для электростатического притяжения в
полимерах, в то время как при повышении температуры эти свя-
зи в зависимости от конкретной природы химических групп могут
стабилизироваться или разрываться. С увеличением давления
электростатическое отталкивание усиливается, так как при этом
создаются условия, благоприятные для существования ионизи-
руемых групп. Вместе с тем с повышением температуры электро-
статическое отталкивание может увеличиваться или уменьшать-
ся в зависимости от природы химических групп. Итак, повышение
температуры и повышение давления способны оказывать одина-
152
Глава 4
ковое либо противоположное действие в зависимости от конкрет-
ного случая и типов связей, которые играют важную роль в
поддержании биологической структуры. Конечно, эффекты высо-
кого давления нельзя обычно изменить на противоположные
простым повышением температуры. Более того, сравнительное
рассмотрение действия этих двух параметров на различные хи-
мические связи показывает, что, например, при денатурации бел-
ка, вызванной давлением, связи разрываются и образуются в
ином порядке, чем при денатурации его в результате нагрева-
ния или замораживания.
Температурная адаптация не оказывает почти никакого влия-
ния на баротолерантность. Мы определяли температуры, при
которых проявляется максимальная баротолерантность, для
психрофильного организма V. marinus, ряда мезофилов и термо-
фильной культуры Bacillus stearothermophilus. Баротолерант-
ность каждого из этих микроорганизмов была наибольшей при
температуре, несколько превышающей оптимальную температу-
ру роста. Исследования, проведенные на V. marinus и других
бактериях, способных расти при низких температурах, показали,
что эта способность не связана со способностью расти при высо-
ком давлении.
Другие факторы окружающей среды, такие, как Еъ и ионная
сила, также должны оказывать влияние на баротолерантность,
но мы пока мало знаем об их специфическом действии. К тому
же довольно трудно осуществить такие опыты, в которых будет
меняться только один фактор окружающей среды. Так, напри-
мер, pH любой среды зависит от давления, которое влияет на
реакции диссоциации. Поэтому если повышается давление, то
меняется и pH. Кроме того, давление значительно усиливает
ингибирование роста микроорганизмов под действием кислот и
оснований (Matsumura et al., 1974). Взаимодействия факторов
окружающей среды, как правило, не характеризуются аддитив-
ностью, а, напротив, являются антагонистичными или синергич-
ными.
Минимальные давления для роста большинства микроорганиз-
мов должны, по-видимому, лежать в области отрицательных
давлений; конечно, это не относится к барофилам, если таковые
действительно существуют. Отрицательные давления можно по-
лучить в лаборатории различными способами (Hayward, 1971),
в том числе разводя пластинки, между которыми находится тон-
кая пленка вязкой жидкости. В природных условиях отрицатель-
ные давления встречаются у растений. Например, давление кле-
точного сока у сосудистых растений равно —5 атм и может па-
дать до —60 атм.
Наши последние исследования давлений, оптимальных для
роста микроорганизмов, показали, что многие бактерии лучше
Повышенное давление
153
Рис 4 1 Рост S. faecahs 9790 на среде, содержащей триптон, дрожжевой экст-
ракт и рибозу, при 45°С.
всего растут при давлениях, несколько превышающих 1 атм.
Например, на рис. 4.1 приведены кривые роста S. faecalis на
сложной среде, содержащей триптон, дрожжевой экстракт и ри-
бозу, при температуре 45°С. Видно, что при 100 атм культура
росла быстрее и давала значительно большую биомассу, чем при
1 атм. При 200 атм рост и выход биомассы были лишь ненамного
больше, чем при 1 атм, а при 300 атм (как показали другие опы-
ты) рост и образование биомассы были сильно подавлены. Дав-
154
Глава 4
Рис 4 2. Рост Е. coli В на трнптиказо-соевом бульоне, содержащем 1 г KNO3
на литр, при 9°С.
ления 50 и 150 атм стимулировали рост в несколько меньшей
степени, чем 100 атм. Температура роста в данном случае (45°С)
несколько превышала оптимальную, но именно при ней прояв-
лялось сильнее всего стимулирующее действие давления. Самым
важным здесь является то, что скорость роста и выход биомас-
сы при 100 атм и 45°С выше тех, которые наблюдаются для
любой температуры при 1 атм, как это было уже найдено для
Е. coli (Marquis, 1976). Невысокие давления стимулируют рост
и других бактерий, например V. marinus (Morita, 1975) и мор-
ской псевдомонады (Крис, Мицкевич, 1967).
Чувствительность бактерий к давлению резко возрастает
вблизи крайних нижних границ температурной области роста.
На рис. 4.2 показаны кривые роста Е. coli на сложной среде при
9°С и давлениях 1, 50 или 100 атм. Видно, что даже сравнитель-
но низкие давления довольно сильно ингибируют рост при низ-
кой температуре. Столь высокая чувствительность должна иметь
экологическое значение в таких пресноводных водоемах, как, на-
пример, Великие озера, где максимальное давление в озере
Верхнем составляет около 40 атм. Конечно, такие бактерии, как
Е. coli, попадают в больших количествах в Великие озера, где
температура воды обычно низкая. Таким образом, естественно,
что давление служит фактором, ограничивающим рост Е. coli
Повышенное давление
155
по крайней мере в более глубоких местах озер. Однако давление
играет еще более важную роль по отношению к собственно озер-
ной микрофлоре, поскольку многие из представителей этой ми-
крофлоры являются не психрофилами, а мезофилами, способны-
ми расти и при низкой температуре. Таким образом, имеются
достаточно веские основания считать давление экологически
важным фактором как в пресной, так и в соленой воде. Кроме
того, низкие давления имеют, по-видимому, важное экологиче-
ское значение в прибрежных мелководных районах океана.
Что же определяет максимальное давление, при котором
возможен рост данного микроорганизма? В настоящее время
существует много ответов на этот вопрос, и, по-видимому, каж-
дый из них можно считать правильным в применении к опреде-
ленным организмам. Сначала было обнаружено, что при повы-
шенном давлении ряд бактерий растет в виде длинных нитей с
очень небольшим количеством перегородок (ZoBell, Cobet, 1964).
Эти данные убедительно говорят о том, что клеточное деление
некоторых бактерий более чувствительно к давлению, чем кле-
точный рост. Многие другие бактерии не отличаются подобной
дифференциальной чувствительностью. Е. coli, например, очень
часто образует нити при повышенном давлении; кроме того,
содержание ДНК в ее клетках при этом снижается, содержание
РНК повышается, а количество белка почти не меняется (на еди-
ницу биомассы) (ZoBell, Cobet, 1964). Поначалу создавалось
впечатление, что синтез ДНК чрезвычайно чувствителен к дав-
лению.
Исследования, проведенные позднее с Е. coli другими авто-
рами (Pollard, Weller, 1966; Landau, 1966, 1967; Yayanos, Pollard,
1969), показали, что синтез белков ингибируется давлением
сильнее, чем синтез нуклеиновых кислот; уже начавшаяся реп-
ликация хромосом продолжалась и под давлением, но новые
циклы репликации не начинались, по-видимому, по той причине,
что синтез белков, участвующих в инициации или терминации,
был подавлен. Синтез белков Е. coli стимулировался низкими
давлениями, не зависел от давления ^400 атм и полностью тор-
мозился при давлении выше 670 атм (37°С).
Максимальное давление для роста Е. coli на сложных средах
равно примерно 550 атм, а на минимальных средах оно несколь-
ко ниже. Нитевидные клетки Е. coli, полученные при высоком
давлении, а затем перенесенные обратно в условия с давлением
1 атм, претерпевают деление и становятся нормальными. Сле-
довательно, давление не вызывает—по крайней мере, если оно
действует в течение коротких промежутков времени — необра-
тимых повреждений. Было даже обнаружено, что давление около
600 атм стимулирует расхождение клеток Е. coli после деления
(Yayanos, 1975). Деление клеток простейших также страдало
156
Глава 4
от давления больше, чем увеличение их клеточной биомассы
(Macdonald, 1967а, Ь). Если подвергнуть клетки Tetrahymena
pyriformis импульсному воздействию давления, то их деление
может быть синхронизировано (Zimmerman, Laurence, 1975).
В настоящее время можно лишь предполагать, что между чувст-
вительностью к давлению клеточного деления и чувствительно-
стью к давлению белкового синтеза существует взаимосвязь,
однако четкого экспериментального подтверждения этому пока
не найдено. Более того, Крис и др. (1969) установили, что при
выращивании под давлением выделенной из морской воды псев-
домонады появляются клетки, в которых содержание РНК и
полисахаридов снижено на единицу биомассы, в то время как
содержание ДНК и белка не меняется. Таким образом, синтез
РНК этой бактерией, по-видимому, более чувствителен к давле-
нию, чем синтез белка.
Как правило, реакции биосинтеза сильнее ингибируются дав-
лением по сравнению с реакциями катаболизма. Это различие,
а также сравнительно высокая чувствительность к давлению
синтеза белка свидетельствуют о том, что торможение роста
микроорганизмов под действием давления, возможно, вызвано
ингибированием синтеза белка (Pope, Berger, 1973; Berger,
1974). Этой же точки зрения придерживается и Элбрайт
(Albright, 1975). Подробное изучение действия давления на раз-
личные этапы процесса белкового синтеза (Albright, 1969; Hil-
debrand, Pollard, 1972; Pope et al., 1975a, b; Schwarz, Landau,
1972a, b; Smith et al., 1975) позволило сделать вывод, что рибо-
сомы играют очень важную роль в барочувствительности и что
связывание аминоацилированной тРНК с полисомами является,
по-вндимому, наиболее чувствительной к давлению стадией про-
цесса белкового синтеза. Однако, как показали исследования
Элбрайта и соавторов (Arnold, Albright, 1971; Hardon, Albright,
1974), по крайней мере в некоторых случаях наиболее чувстви-
тельным к давлению этапом может быть аминоацилирование
тРНК-
У высоко баротолерантной бактерии Pseudomonas bathycetes
или у Р. fluorescens включение меченых аминокислот во фрак-
цию, нерастворимую в трихлоруксусной кислоте, гораздо меньше
ингибируется давлением, чем их включение в соответствующую
фракцию Е. coli, хотя Р. fluorescens и нельзя назвать организмом
с высокой барочувствительностью (Swartz et al., 1974). Поуп
и др. (Pope et al., 1975а) воспользовались этим различием для
идентификации компонентов в системах, играющих наиболее
важную роль в реакции организма на давление. Эти авторы по-
лучили гибридные системы для синтеза белка in vitro, которые
содержали часть компонентов из Е. coll, а часть — из Pseudomo-
nas. Устойчивость к давлению зависела от того, из какого источ-
Повышенное давление
157
ника были взяты рибосомы, в то время как происхождение рас-
творимых факторов не оказывало никакого влияния на эту устой-
чивость. Более тонкий анализ показал, что основное значение
имеет происхождение ЗОБ-субчастицы (Smith et al., 1975). Кро-
ме того, функционирование рибосом под давлением зависит от
содержания ионов в окружающей среде. Рибосомы Е. coli до-
вольно чувствительны к давлению при высоких (150 мМ Na+ +
+60 мМ Mg2+) или низких (в отсутствие Na+ или в присутствии
16 мМ Mg2+) концентрациях ионов. Рибосомы Р. fluorescent
относительно баротолерантны при обоих уровнях концентрации,
а рибосомы Р. bathycetes баротолерантны только при более высо-
ких концентрациях (Smith et al., 1976). Эти исследования позво-
ляют объяснить механизмы баротолерантности на молекулярном-
уровне, и можно ожидать, что в ближайшем будущем будут
проведены интересные генетические эксперименты, которые рас-
ширят наши знания в этой области.
Как мы уже упоминали выше, способность S. faecalis расти при
высоком давлении на сложных средах зависит от источника энер-
гии. Одна из последних работ Мацумуры (Matsumura, 1975) поз-
воляет объяснить это явление. Мацумура установил, что сущест-
вует прямая зависимость между баротолерантностью и
скоростями, с которыми АТР может быть получен из различных
источников энергии. Чем выше эти скорости, тем устойчивее
бактерия к давлению. Кроме того, потребность в АТР для роста
возрастает вместе с давлением, на что указывает более низкий
выход биомассы клеток на моль АТР (Marquis et al., 1971; Mat-
sumura, 1975). Давление мало влияет на катаболизм и образо-
вание АТР, но гораздо сильнее действует на рост и потребление
АТР. При высоком давлении АТР поступает несколько меньше,
а клеткам требуется его больше. Эта возросшая потребность
объясняется, по-видимому, тем, что давление стимулирует
АТРазу мембран 5. faecalis и выход клеточной биомассы на моль
АТР можно увеличить, если добавить к питательной среде
0,01 мМ дициклогексилкарбодиимид, ингибитор АТРазы.
Создается впечатление, что в некоторых случаях давление
ингибирует транспорт растворенных веществ в клетки и тем са-
мым тормозит их рост. Это было показано, например, для 5. fae-
calis (Matsumura, 1975). Транспорт лактозы в клетки этого1
организма осуществляется при помощи фосфотрансферазной сис-
темы (Citti et al., 1965). При 1 атм поглощение и гидролиз лак-
тозы ограничивают скорость роста — на среде с лактозой он про-
текает медленнее, чем на средах, которые вместо лактозы содер-
жат глюкозу или галактозу. Скорость гидролиза мало зависит от
давления, но транспорт сахара замедляется при его повышении.
Таким образом торможение роста определяется непосредственно*
влиянием давления на транспорт.
158
Глава 4
По мнению Мориты (Morita, 1975), давление в первую оче-
редь повреждает клеточную мембрану, по крайней мере у пси-
хрофильных бактерий. Он пришел к этому выводу на основании
исследования включения аминокислот или урацила и их катабо-
лизма клетками психрофилов при 1 атм и при высоком давлении.
Напротив, у других бактерий давление может стимулировать
включение аминокислот (Schwarz, Landau, 1972а); таким обра-
зом, давление не всегда тормозит процессы транспорта. Напри-
мер, при повышении давления усиливается поступление р-галак-
тозидов в клетки Е. coli (Schlamm, Daily, 1971; Marquis, Keller,
1975).
Однако несколько неожиданно мы обнаружили, что давление
сильно влияет на содержание калия в растущих клетках 5. fae-
calis. Как видно на рис. 4,3, содержание ионов К+ в клетках,
растущих на сложной среде при 400 атм и 30°С, гораздо ниже
в течение всего цикла развития культуры, чем в клетках, расту-
щих на той же среде при 1 атм. Уменьшение содержания К+
вряд ли вызвано замедлением роста клеток, так как при сниже-
нии скорости роста в результате выращивания клеток на среде
при 15°С содержание К+ не меняется даже тогда, когда скорость
роста меньше, чем при 400 атм и 30°С. Показанное на рис. 4.3
уменьшение содержания К+ выражено очень резко. Потеря ка-
лия может быть одной из причин торможения роста при высоком
давлении, так как К+ служит кофактором белкового синтеза и
низкое внутриклеточное содержание ионов калия приводит к за-
медлению синтеза (Harold, Baarda, 1968).
Способность организма расти под давлением в условиях, тре-
бующих образования адаптивных ферментов, может быть огра-
ничена чувствительностью адаптивного процесса к давлению.
Например, Маркиз и Келлер (Marqus, Keller, 1975) продолжили
исследования Ландау (Landau, 1967), который изучал действие
давления на дерепрессию /ас-оперона у Е. coli. Этот адаптивный
процесс довольно чувствителен к давлению, и при высеве на ми-
нимальную среду с лактозой в качестве единственного источника
углерода и энергии для роста неиндуцированные клетки Е. coli
оказываются гораздо более чувствительными к давлению, чем
предварительно индуцированные клетки. Эта повышенная чувст-
вительность выражается в очень длинной лаг-фазе до начала
роста, более медленном последующем росте и значительно мень-
шей величине максимального для роста давления. Индукция
синтеза пенициллиназы у Bacillus licheniformis также довольно
чувствительна к давлению. Однако некоторые другие адаптивные
системы относительно устойчивы к давлению, и адаптация к но-
вым субстратам при повышенном давлении протекает так же
хорошо, как и при 1 атм (Marquis, Keller, 1975).
Повышенное давление
159
Рис. 4 3. Содержание калия в клетках S faecalis 9790, растущих при 30°С и 1
или 400 атм. По абсциссе отложена оптическая плотность культур, из которых
взяты клетки. Питательная среда содержала триптон, дрожжевой экстракт и
глюкозу. Клетки собирали центрифугированием на холоду, промывали один
раз холодной деионизованной водой и разводили в определенном объеме
6N НС1. Затем суспензию центрифугировали, после чего определяли содержа-
ние К+ в иадосадочной жидкости при помощи атомно-абсорбционного спект-
рофотометра.
Длительное выживание простейших под давлением обуслов-
лено, по-видимому, действием давления на микротрубочки. Дав-
ление нарушает процесс митоза, сдвигая равновесие между мик-
ротубулином и микротрубочками в сторону мономера (Salmon,
1975а, b; Salmon et al., 1976; Inoue et al., 1975). Давление поряд-
ка 400 атм вызывает гибель Тetrahymena и амеб (Marsland,
Brown, 1936). Кроме того, оно подавляет митоз и вызывает дис-
социацию микротрубочек. Следовательно, такая диссоциация
является достаточным, а может быть, даже необходимым усло-
вием гибели клеток.
160
Глава 4
В заключение можно сказать, что максимальные давления,
при которых возможен рост того или иного организма, определя-
ются барочувствительностью многих физиологических процес-
сов— белкового синтеза, образования и использования АТР,
транспорта растворимых веществ через мембрану, регуляторных
функций, сборки микротрубочек из микротубулина или сохране-
ния нативного состояния белков. Какой из этих процессов играет
наиболее важную роль в определении величины такого давления,
зависит от организма и конкретных условий его роста.
V. ГИБЕЛЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
На первый взгляд летальное действие высокого давления
на микроорганизмы сходно с действием нагревания. Однако,
как мы уже неоднократно отмечали в этой главе, действие дав-
ления коренным образом отличается от действия температуры.
Хотя денатурацию белков могут вызвать как высокие давления,
так и нагревание или замораживание, этот процесс протекает
различно в зависимости от характера воздействия. Конечно, фи-
зиологический эффект во всех трех случаях один и тот же — бе-
лок перестает функционировать. Гибель клеток под действием
высокого давления так же зависит от дозы, как и их гибель при
нагревании. Обычно существует пороговая величина давления,
ниже которой клетки не погибают. При летальном давлении его
воздействие зависит как от интенсивности, так и от продолжи-
тельности По устойчивости к высокому давлению различные
микроорганизмы можно расположить примерно в таком же по-
рядке, как и по устойчивости к нагреванию. Так, структура и
организация вирусов проще, чем у клеточных микроорганизмов,
и они же, как правило, оказываются более устойчивыми к ле-
тальному действию нагревания и давления. К сожалению, очень
редко чувствительность вирусов и клеточных организмов к дав-
лению сравнивали при одних и тех же условиях; относительно
мало также исследований, которые позволили бы рассчитать
скорости гибели Рутберг (Rutberg, 1964а, Ь) провел такое иссле-
дование с Е. coli и двумя фагами этого микроорганизма — Т2 и
Т4. При 37°С и 2000 атм константа скорости экспоненциальной
гибели составляла около 0,125 мин-1 для бактерий и лишь соот-
ветственно 0,045 и 0,033 мин-1 для двух фагов Колифаг Т5 по
•своей чувствительности занимает промежуточное положение
между фагами Т2 и Т4. Позднее Соломон и др. (Solomon et al.,
1966) установили, что скорость гибели фага Т4 при 25°С была
менее 0,1 мин-1 при давлениях ниже -~3400 атм, но она экспо-
ненциально возрастала при более высоких давлениях. Инакти-
вация подчинялась кинетике первого порядка при всех испытан-
Повышенное давление
161
ных давлениях, а оптимальная температура инактивации равня-
лась примерно 25°С в изученной области от 0 до 50°С. Как
показали фотографии, сделанные в электронном микроскопе,
большинство убитых вирусов в суспензиях, подвергнутых дейст-
вию высокого давления, имели сокращенные чехлы отростков, а
у многих из них головки были лишены содержимого. Аналогич-
ные изменения происходят под действием мочевины или в резуль-
тате инкубации вируса со стенками клетки-хозяина.
Давление способно также нарушить равновесие между лизо-
генной клеткой-хозяином и профагом. Если клетки Е. coli инку-
бировали под давлением 2000 атм при 37°С в течение 5 мин, то
они освобождали вирулентные фаговые частицы (Rutberg, Не-
den, 1960); эти частицы, как видно на электронных микрофото-
графиях, в морфологическом отношении сходны с колифагом
Т5 и, возможно, Pl (Edebo, Rutberg, 1960). В дальнейших иссле-
дованиях было показано, что давление 290 атм индуцирует осво-
бождение фага X лизогенной культурой Е. coli К (Rutberg,
1964с).
Как и следовало ожидать, фаги отличаются относительно
широким спектром чувствительности к давлению. Раутенштейн
и Мурадов (1966) обнаружили, что четыре фага, выделенные из
полилизогенного штамма Actinomyces levoris, отличаются очень
высокой барочувствительностью и инактивируются уже при
давлении около 500 атм и температуре 28°С за 30 мин. Фаги из
другого актиномицета, A. olivaceus, были более устойчивыми —
давление в 700 атм почти не действовало на них в течение 30 мин.
Давление всего в 200 атм индуцирует освобождение вышеупомя-
нутых четырех фагов спорами A. levoris, в то время как даже для
минимальной индукции освобождения фагов спорами A. oliva-
ceus требуются более высокие давления: от 500 до 700 атм.
Инкубация спор обоих организмов при 700 атм в течение 30 мин
не приводит к их гибели.
Давление может также инактивировать вирусы животных и
растений. Было найдено, что стафилококковые фаги инактиви-
руются в течение 45 мин при давлении от 2000 до 3000 атм, ви-
рус герпеса —при давлении 3000 атм, вирусы осповакцины, бе-
шенства, ящура и куриной оспы — при давлении 4000—5000 атм,
а вирус энцефаломиелита лошадей — при давлении 7000 атм
(Basset et al., 1938). Наиболее подробно была изучена инакти-
вация под действием давления вируса табачной мозаики (Bas-
set et al., 1938; Lauffer, Dow, 1941). Этот процесс носит по-види-
мому, кооперативный характер, поскольку давления от 5000 до
6000 атм не оказывали никакого действия, в то время как дав-
ления от 7500 до 9000 атм уже через несколько минут приводили
к инактивации вируса, причем изменение объема было весьма
значительным. Во время инактивации происходила коагуляция
162
Глава 4
вирусного белка и освобождение вирусной нуклеиновой кислоты.
Оказалось, однако, что сначала имеет место инактивация, а по-
том уже коагуляция, которая представляет собой, по-видимому,
вторичный процесс, следующий за дезинтеграцией вируса
(Lauffer, Dow, 1941).
Относительная устойчивость вирусов к давлению наводит
на мысль, что эти организмы способны выживать в течение очень
длительных периодов времени в глубине океана, где процессы,
приводящие в обычных условиях к их деструкции, протекают
медленнее. Не исключено, что работа с пробами глубоководных
осадков требует особых предосторожностей.
Гибель вегетативных бактериальных клеток под действием
давления примечательна в том отношении, что она происходит
при сравнительно низких давлениях; кроме того, мы вообще
мало знаем об основных механизмах этого процесса. Как пра-
вило, давления, лишь ненамного превышающие значение макси-
мального для роста давления, легальны для бактерий. Клетки
погибают не просто потому, что перестают расти, а потому, что
эти давления убивают их непосредственно. Мы обнаружили, на-
пример, что клетки Arthrobacter crystallopoietes быстро погибают
в деионизованной воде, морской воде или разбавленном фосфат-
ном буфере под действием давления всего лишь в 1000 атм, хотя
в покоящемся состоянии эти организмы могут пребывать при
1 атм несколько недель. Типичные константы скорости экспонен-
циальной гибели варьировали от ~0,185 ч"1 в деионизованной
воде при 35°С до ~ 0,055 ч-1 в 10 мМ растворе NaCl при 4°С.
Гибель клеток A. crystallopoietes под действием повышенного
давления была меньше при 4°С, чем при комнатной температуре.
Таким образом, взаимодействие температуры и давления в дан-
ном случае отличается от закономерностей, которые наблюда-
ются для роста. Мы установили, что охлаждение защищает и
другие бактерии от гибели под действием давления. Напротив,
гибель клеток Е. coli и Serratia marinorubra, вызванная давле-
нием 1000 атм, происходила быстрее при 4°С, чем при 8,5; 15
или 25°С (Kim, ZoBell, 1971). Мы обнаружили также, что соли
защищают клетки от гибели, однако их действие связано скорее
с изменениями ионной силы, а не со специфическим эффектом
ионов. Морита и Бекер (Morita, Becker, 1970) также отмечают
защитное действие солей. Как давление, так и соли влияют на
электростатические взаимодействия в биополимерах, и не труд-
но предствить себе, каким образом они могут оказывать проти-
воположное действие.
Даже такие относительно низкие давления, как 200 атм, мо-
гут быть летальными для многих бактерий (ZoBell, Johnson,
1949; Oppenheimer, ZoBell, 1952). Мы не располагаем многочис-
ленными данными определения скоростей гибели клеток; тем не
Повышенное давление
163
менее, как видно из предыдущего абзаца, эти величины сильно
зависят от экспериментальных условий. Как правило, споры
устойчивее к давлению, чем вегетативные клетки, за одним до-
вольно интересным исключением. При относительно низких дав-
лениях бактериальные споры способны прорастать (Clouston,
Wills, 1969, 1970; Gould, Sale, 1970, 1972; Sale et al., 1970); воз-
никающие в результате проросшие формы гораздо чувствитель-
нее к давлению, чем споры — почти в такой же степени, как и
вегетативные бактерии. Например, споры Bacillus pumilus поги-
бают уже при 610 атм — это давление вызывает прорастание
(Clouston, Wills, 1969); в то же время споры многих видов Ba-
cillus выдерживают давления свыше 12 000 атм, которые подав-
ляют прорастание (Larson et al., 1918; Basset, Macheboeuf, 1932).
Следовательно, сравнительно низкие давления могут оказаться
летальными для спор, а более высокие давления — нет. Сейл
и др. (Sale et al., 1970) обнаружили, что прорастание и гибель
спор Bacillus coagulans под действием давления проявляются
сильнее при высоких температурах, а не при низких, и что NaCl
или СаСЬ оказывают защитный эффект.
Клетки эукариот также погибают при высоком давлении;
кроме того, в среднем они гораздо чувствительнее к давлению
по сравнению с клетками прокариот. При повышении давления
скорее погибали клетки Saccharomyces cerevisiae, чем клетки
Serratia marcescens (Hite et al., 1914). Эти два организма поги-
бали при действии в течение часа давлений соответственно 2040
и 2720 атм. Хил и Морита (Hill, Morita, 1964) установили, что
давления от 600 до 1000 атм убивали при 27°С мицелий и зооспо-
ры пресноводной плесени Allomyces macrogynus; эти авторы
высказали предположение, что одна из причин гибели клеток
заключается в обнаруженном ими ингибировании дыхания ми-
тохондрий под действием давления. Еще более чувствительны к
действию давления Amoeba proteus и Amoeba dubia, так как они
погибали через 1 ч при 450 атм (Marsland, Brown, 1936).
Следует отметить, что мы до сих пор очень мало знаем о ме-
ханизмах гибели микроорганизмов под действием давления.
Повреждения, наносимые им, имеют скрытый характер, так как
их почти не удается обнаружить в фазово-контрастном микро-
скопе у клеток бактерий или грибов, убитых давлением. Кроме
того, гидростатическое давление можно рассматривать как по-
тенциальный дезинфицирующий агент, особенно в свете того,
что нередко бактерии и грибы погибают при давлениях, которые
не денатурируют многие лабильные биополимеры. Так, молоко
можно стерилизовать под давлением около 6800 атм при ком-
натной температуре в течение семи дней, и при этом ферменты
в молоке не утрачивают своей активности (Hite et al., 1914).
Хайт и др. (Hite et al., 1914) также установили, что груши,
164
Глава 4
персики, виноградный и яблочный сок стерилизуются даже при
более низких давлениях, хотя овощи и ягоды после обработки
давлением портятся. Сравнительно недавно Тимсон и Шорт
(Timson, Short, 1965) сделали попытку стерилизовать молоко
при помощи давления, однако Bacillus, Micrococcus и некоторые
другие организмы не удалось устранить полностью даже под
давлением около 10 000 атм. Тем не менее обработка давлением,
так же как пастеризация, помогает уменьшить количество бак-
терий в молоке. При инкубации проб сточной воды под давле-
нием от 500 до 1000 атм при 4°С выживали в основном виды
Arthrobacter и Corynebacterium (Baross et al., 1975).
VI. ДАВЛЕНИЕ,
ЗАГРЯЗНЕНИЕ МОРСКОЙ СРЕДЫ,
МИКРОБИОЛОГИЯ НЕФТИ
И ГЛУБОКОВОДНАЯ ДОБЫЧА РУД
Загрязнение морской среды вызывает в настоящее время
вполне оправданное беспокойство, поскольку неконтролируемый
спуск в моря отходов, особенно токсичных веществ, может нане-
сти непоправимый вред существующим там сообществам орга-
низмов и даже привести к их гибели. Это беспокойство по край-
ней мере отчасти объясняется тем, что при низких температурах
и высоких давлениях, присущих морским глубинам, многие мик-
робиологические процессы сильно подавлены. Измерения in situ
разложения органического вещества в морских глубинах (Jan-
nasch et al., 1971; Jannasch, Wirsen, 1973) мало способствовали
уменьшению этих опасений. Как показали результаты подсчета,
в придонных осадках морей и океанов встречается довольно
много жизнеспособных организмов; тем не менее жизненные
процессы в этих условиях протекают очень медленно и при вы-
соких давлениях и низких температурах бактерии не могут адап
тироваться к быстрому функционированию. По мнению Мориты
(Morita, 1976), низкая активность метаболизма глубоководных
морских организмов способствует их длительному выживанию
в среде с низким содержанием питательных веществ.
Особого внимания заслуживает проблема загрязнения морей
и океанов нефтяными продуктами (Schwarz et al., 1974а, b, 1975).
Оказалось, что смешанная микрофлора, выделенная из проб,
взятых на поверхности раздела между водой и придонными осад-
ками Атлантического океана недалеко от побережья Флориды,
способна использовать н-гексадекан в качестве единственного
источника углерода при первичном культивировании на двух-
фазной среде, содержащей соли и 0,37% (по объему) н-гекса-
декана. В результате последующих пересевов удалось выделить
популяцию с повышенной способностью использовать этот алкан.
Повышенное давление
165
Шварц и др. (Schwarz et al., 1975) делают вывод, что углеводо-
роды (или по крайней мере н-гексадекан) в условиях in situ в
глубине морей могут разлагаться, но процесс разложения про-
текает медленно и для него необходимо наличие смешанной мик-
рофлоры.
Бактерии участвуют также в разрушении органических
веществ угля, который часто находится под большим давлением
лежащих над ним пластов. Бек и Пошенридер (Beck, Poschen-
rieder, 1957) считают, что устойчивость к давлению может слу-
жить критерием при идентификации автохтонной микрофлоры
бурого угля. Однако Яшхоп и Шварц (Jaschhop, Schwartz, 1969)
нашли в буром угле как барочувствительные, так и баротоле-
рантные бактерии; поэтому они сделали вывод, что бактерии
обоих типов являются автохтонными. Из 24 выделенных ими
штаммов 14 росли в течение четырех суток при 400 атм и 30°С,
7 штаммов не росли, но и не погибали, а 3 штамма утрачивали
жизнеспособность в этих условиях. При 300 атм 18 штаммов рос-
ли, 5 штаммов выживали, но не росли, а один штамм погибал.
Все выделенные штаммы росли при 200 атм. Самой барочувст-
вительной бактерией был Vibrio percolans-, организмы, которые
погибали при 400 атм, но не при 300 атм, относятся к родам
Alcaligenes и Bacillus. Однако ни один из этих организмов не
отличается высокой активностью при разложении органических
компонентов, экстрагированных из бурого угля водой, а также
при разрушении щелочного лигнина или гуминовых кислот. Сле-
довательно, пока еще окончательно не установлено, действи-
тельно ли эти бактерии играют важную роль в трансформации
бурого угля in situ.
Низкая скорость микробиологических процессов в морских
глубинах по крайней мере в некоторых случаях выгодна для
человека. Уиллингем и Куинби (Willingham, Quinby, 1971) уста-
новили, что блоки чистого железа, выплавленные в мартенов-
ской печи, подвергались коррозии под действием морских суль-
фатредуцирующих бактерий быстрее при 200 атм (20°С), чем
при 1 атм. Однако при 600 атм коррозия сильно замедлялась,
снижаясь даже ниже уровня стерильных контрольных образцов.
Иными словами, на глубине 6000 м в океане давление должно
очень сильно замедлять коррозию оборудования для нефтяных
скважин, сделанного из железа, а на глубине 2000 м оно должно
ускорять коррозию. В опытах, проведенных с 316 образцами
нержавеющей стали, было продемонстрировано полное или поч-
ти полное отсутствие коррозии при давлениях 1, 200 или 600 атм
Напротив, как показали испытания образцов алюминия, кото-
рый применяется для подводных сооружений, его коррозия зна-
чительно замедляется при 200 и 600 атм; следовательно, это дав-
ление должно защищать возводимые в море постройки из алю-
166
Глава 4
миния. Керк (Kirk, 1972) рассматривает в своем обзоре корро-
зию высокопрочных материалов в морской воде, но не касается
действия давления.
На дне океанов (особенно это относится к Тихому океану)
находится довольно много ферромарганцевых конкреций и за-
лежей, которые стали объектом глубоководной добычи руды за
последние годы. По мнению Эрлиха (Ehrlich, 1975), эти залежи
представляют собой бактериальные строматолиты, а бактерии,
окисляющие Мп (II), играют важную роль в их возникновении
и росте (гл. 10). Различные окисляющие бактерии, выделенные
из конкреций, способны расти при давлениях и температурах,
характерных для морских глубин, например при 4°С и 340 атм,
и окислять Мп (II) при давлении 476 атм (Ehrlich, 1975). Под
давлением и при низкой температуре процесс окисления проте-
кает очень медленно но, как указывает Эрлих (Ehrlich, 1975),
включение нового вещества происходит с очень низкой скоро-
стью— диаметр конкреции увеличивается примерно на 0,01 мм
за тысячу лет. Среди бактерий, окисляющих марганец, встреча-
ются Arthrobacter и грамотрицательные палочки. Конкреции со-
держат также грамотрицательные бактерии, восстанавливаю-
щие МпО2, которые активны при давлениях в глубине морей
(Ehrlich, 1974а). Восстанавливающая активность индуцируется,
и индукция может происходить даже при давлении 476 атм
(Ehrlich, 1974b).
VII. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
СЖАТЫХ ГАЗОВ НА МИКРООРГАНИЗМЫ
В опытах по изучению действия гидростатического давления
на микроорганизмы из сосудов, в которых они находятся, уда-
ляют воздух или другие газы. Кислород воздуха сразу убивает
анаэробные организмы, и даже аэробные или факультативные
организмы могут существовать лишь при определенной концен-
трации кислорода. Кислород служит важным и часто необходи-
мым субстратом дыхания, а в эукариотических клетках он тре-
буется для таких, например, процессов, как синтез мононенасы-
щенных жирных кислот. Однако кислород может оказывать и
летальное воздействие; появление механизмов для разложения
токсичных свободных радикалов и перекисей, возникающих при
метаболизме кислорода, явилось необходимым условием эволю-
ции жизни на Земле в далекие времена от первичных анаэроб-
ных форм к первым аэробным организмам. Главным объектом
проводимых в настоящее время исследований реакций детокси-
кации служит пероксид-дисмутаза — фермент, катализирующий
превращение перекисных радикалов в перекись водорода, кото-
рая может быть затем разрушена каталазами или пероксидаза-
Повышенное давление
167
ми (Fridovich, 1974, 1975). Если в сосуде, содержимое которого
затем будет подвергнуто действию высокого давления, останется
воздух, он будет медленно растворяться, и содержимое сосуда
подвергнется действию высокого давления кислорода. Послед-
нее может и не оказаться вредным для аэробного или факульта-
тивного организма, если количество оставшегося воздуха неве-
лико. В действительности часто возникает другая проблема —
предоставления организмам достаточного количества кислорода
для дыхания. Методы подачи кислорода под давлением, позво-
ляющие избегать действия чрезмерно высоких концентраций
этого газа на клетки, подробно рассмотрены в обзоре Маркиза
(Marquis, 1976).
В настоящее время усилия многих исследователей направ-
лены на то, чтобы установить природу повреждений, которые
возникают в клетках при высоком давлении кислорода. Соответ-
ствующие данные для микроорганизмов можно найти в обзоре
Готлиба (Gottlieb, 1971). Фридович (Fridovich, 1974, 1975) под-
робно рассматривает в целом проблему токсичности кислорода
и роль пероксид-дисмутазы, которая обеспечивает защиту про-
тив токсичности. Оказалось, что гидростатическое давление за-
метно усиливает токсичность кислорода для аэробных и факуль-
тативных бактерий (ZoBell, Hittie, 1967). Например, ~1 атм
кислорода (36 мкг-мл-1) при 1 атм гидростатического давления
иногда даже стимулирует рост Е. coli, Bacillus subtilis или Ba-
cillus megaterium в питательном бульоне. Однако при 100 атм
гидростатического давления тот же уровень О2 детален для кле
ток всех трех видов, хотя само по себе гидростатическое давле-
ние такого уровня не подавляет их рост. Недавно мы попытались
выяснить молекулярный механизм этого столь примечательного
усиливающего действия давления. Сначала было выдвинуто
предположение, что давление ингибирует активность пероксид-
дисмутазы. Однако Стефен Том (Stephen Thom, неопубликован-
ные данные) установил, что давления до 600 атм совсем не вли-
яют на активность пероксид-дисмутазы S. faecalis или Е. coli.
Не исключено, что давление способно повышать образование
свободных радикалов, что оно может стабилизировать их или
усиливать повреждения, которые они вызывают, но во всяком
случае давление не ингибирует активность пероксид-дисмутазы.
Мы обнаружили, что анестезирующие газы также увеличи-
вают токсичность кислорода для S. faecalis и что это увеличение
не зависит от какого-либо эффекта давления (Fenn, Marquis,
1968). Таким образом, создается впечатление, что в ингибирую-
щем действии анестезирующих газов, кислорода и самого по
себе давления может быть нечто общее. Мы установили также,
что анестезирующие газы эффективны не только в случае жи-
вотных, но и бактериальных клеток. Эффективность оценивали
168
Глава 4
по замедлению роста. По эффективности газы можно располо-
жить в следующем порядке: ксенон и закись азота>аргон>азот.
Гелий при давлениях газа до 41 атм не оказывает воздействия.
Однако при более высоких давлениях (около 100 атм) гелий
подавляет рост различных бактерий (Kenis, 1971). Напротив,
гелий при давлении 68 атм в присутствии 0,2 атм кислорода
стимулирует рост Е. coli на минимальной среде (Schlamm et al,
1974). Стимулирование выражается в том, что, как показывают
кривые роста, лаг-фаза сокращается, в то время как скорость
экспоненциального роста и выход биомассы остаются без изме-
нений. Сокращение лаг-фазы является, по-видимому, результа-
том усиленного поглощения железа, так как гелий не оказывал
влияния на культуры, к которым добавляли природное соедине-
ние, образующее хелатный комплекс с железом, а именно 2,3-
диоксибензоилсерин или его предшественник — 2,3-диоксибен-
зойную кислоту. Гидростатическое давление в 68 атм не оказы-
вало стимулирующего воздействия; следовательно, этот эффект
был вызван скорее гелием, а не давлением самим по себе. Как
было обнаружено ранее, гелий при давлении 68 атм увеличивает
также’ максимальную скорость поглощения 0-галактозида клет-
ками Е. coli, в то время как константа Михаэлиса реакции оста-
ется без изменений (Daily, Schlamm, 1972). То же самое давле-
ние гелия повышает чувствительность Staphylococcus aureus к
колистиметату, но снижает чувствительность к пенициллину,
цефалотину, ванкомицину и тетрациклину (Schlamm, Daily,
1972).
Анестезирующие газы замедляют рост Neurospora crassa
(Buchheit et al., 1966). Скорость роста уменьшается на 50% при
следующих парциальных давлениях газов: 0,8 атм Хе, 1,6 атм
Кг, 3,8 атм Аг, 35 атм Ne и около 303 атм Не. Гидростатическое
давление служит, по-видимому, важным фактором в подавлении
роста гелием, но не в ингибировании его другими газами. В дан-
ной работе азот оказался не очень эффективным; в ряду актив-
ности он занимал то же место, что и гелий. Относительная рас-
творимость газов в липидах непосредственно связана с их эф-
фективностью, например с наркотическим действием на живот-
ных; в первую очередь эта взаимосвязь позволяет предполагать,
что действие газов заключается в растворении липидной фазы
клеточной мембраны, приводящем к изменению структуры мем-
браны и обратимой потере функции. Кроме того, эффективность
непосредственно связана с размером молекул и поляризуемо-
стью Анестезирующие газы способны вызывать обратимые из-
менения структуры глобулярных белков (Balasubramanian, Wet-
laufer, 1966); их ингибирующее действие может объясняться тем,
что они денатурируют белки, а не тем — или по крайней мере
не только тем, — что под их влиянием мембрана расширяется.
Повышенное давление
169
Полинг (Pauling, 1961) высказал предположение, что действие
газов состоит в индуцировании образования клатратов и изме-
нении структуры клеточной воды. Однако это предположение
плохо согласуется с экспериментальными наблюдениями. В на-
стоящее время мы не располагаем никакими или почти никакими
подробными данными о биохимических механизмах, лежащих в
основе подавления роста анестезирующими газами.
Анестезирующие газы замедляют также рост клеток HeLa
в монослойной культуре (Bruemmer et al., 1967). По эффектив-
ности их можно расположить в следующей последовательности:
N2O и Xe>Kr>Ar^>Ne или Не. Ксенон при давлении 7,2 атм
наносил необратимые повреждения клеткам; эти результаты
отличаются от полученных нами данных, свидетельствующих
лишь об обратимом замедлении роста S. faecalis (Fenn, Marquis,
1968). Ксенон подавлял также прикрепление клеток HeLa
к стеклу.
Макдональд провел исследования действия высоких давлений
гелия или водорода и высоких гидростатических давлений на
деление клеток Tetrahymena pyriformis в массовой культуре или
в микрокаплях (Macdonald, 1975). Еще раньше он установил,
что гидростатическое давление в 175 атм ингибирует стадии,
предшествующие клеточному делению, сильнее, чем само деление
или увеличение биомассы (Macdonald, 1967а, Ь). Действие гид-
ростатического давления настолько селективно, что его можно
использовать для синхронизации клеточного цикла Tetrahymena
(Zimmerman, Laurence, 1975). Как показали непосредственные
наблюдения под микроскопом, гидростатические давления свыше
100 атм ингибируют деление клеток, в то время как действие
гелия или водорода при тех же давлениях было менее ингиби-
рующим (Macdonald, 1975). Иными словами, существует антаго-
низм между действием газов и торможением роста давлением.
Гелий ингибирует сильнее, чем водород. При культивировании в
микрокаплях при 100 атм кривые роста клеток под давлением
водорода или гелия почти не отличались от кривых их роста под
гидростатическим давлением. При 175 атм клетки лучше всего
росли под давлением водорода; однако под давлением гелия
клетки росли лучше, чем только под гидростатическим давлени-
ем, причем все эти различия особенно четко были выражены при
250 атм.
Антагонизм между давлением и анестезирующими газами
может быть с успехом использован для осуществления программ
исследований, проводимых с целью увеличения глубин, на кото-
рые возможно погружение человека. Опыты, которые проводят-
ся в Институте медицины окружающей среды при Пенсильван-
ском университете, показали, что человек способен эффективно
работать на глубине моря около 480 м (давление приблизитель-
170
Глава 4
но 50 атм), и морской флот США планирует погружение до 600 м
(давление приблизительно 62 атм). По мнению Макдональда
(Macdonald, 1975), физиологический предел давления для по-
гружения человека может достигать 150 атм. Как показали опы-
ты с животными (Brauer et al., 1971), судорог при высоких дав-
лениях от 50 до 100 атм можно избежать, если использовать
анестезирующие газы. Были разработаны простые модели, объ-
ясняющие благоприятное действие анестезирующих газов в ус-
ловиях повышенного давления. В этих моделях предполагается
расширение гидрофобных областей под действием анестезирую-
щих газов и антагонистическое сжатие данных областей под дей-
ствием давления (Lever et aL, 1971; Miller, 1972). Вместе с тем
хорошо известно, что так называемый нервный синдром высоко-
го давления сложен и состоит из многих элементов, только часть
которых снимается при помощи анестезирующих газов. Для того
чтобы мы смогли достаточно четко представить себе характер
взаимодействий между гидростатическим давлением и парци-
альным давлением кислорода и анестезирующих газов в процес-
се их влияния на биологические системы, необходимы многочис-
ленные исследования.
VIII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обзор последних достижений, сделанных в области баробио-
логии микроорганизмов, свидетельствует о том, что в ближай-
шее десятилетие мы вправе ожидать интересных результатов,
которые прольют свет на молекулярные аспекты этой проблемы
и позволят лучше оценить роль давления в качестве экологиче-
ского фактора биосферы. Результаты последних исследований
денатурации белков под действием давления заставили пере-
смотреть основные положения химии белков и ту роль, которую
гидрофобные взаимодействия играют в поддержании нативной
конформации белков Более того, оказалось, что биополимеры
способны подвергаться денатурации при давлениях биосферы
менее 1000 атм, если остальные условия для поддержания на-
тивных состояний отличаются от оптимальных. Чувствительность
к давлению эукариот определяется, по-видимому, в основном
диссоциацией микротрубочек под действием давления. Создает-
ся впечатление, что баротолерантность или барочувствитель-
ность прокариот также в сильной степени зависит от нарушения
равновесия между нативным и денатурированным или агрегиро-
ванным и диссоциированным состояниями биополимеров. Таким
образом, барофизиологические реакции организмов с молекуляр-
ной точки зрения объясняются скорее изменением объемов реак-
ции (AV), а не изменением объемов активации (AV*).
Высокая барочувствительность микроорганизмов при неоп-
Повышенное давление
171
тимальных условиях окружающей среды указывает на то, что
давление может играть роль эффективного экологического фак-
тора даже в относительно мелководных морских или пресновод-
ных местообитаниях и что основные экологически важные воз-
действия давления проявляются не только в глубине морей и
океанов. В сущности до сих пор изучение действия относительно
низкого давления на микроорганизмы вытеснялось поисками вы-
соко баротолерантных или барофильных микроорганизмов, ко-
торые имели незначительный успех.
Следует отметить также, что практические аспекты баробио-
логии микроорганизмов заслуживают большего внимания. Весь-
ма перспективным представляется использование давления для
сохранения лабильных материалов. Кроме того, оно может быть
рекомендовано, например, для сохранения молока, где полная
стерилизация, как правило, не требуется. Для того чтобы широ-
ко использовать давление в практических целях, скудных зна-
ний, которыми мы располагаем в настоящее время относительно
механизмов летального действия давления на микроорганизмы,
явно недостаточно. Тот факт, что для роста многих микроорга-
низмов давление в 1 атм не является оптимальным, имеет боль-
шое значение для применения давления в промышленной мик-
робиологии.
Использование давления в медицинских целях представляет
собой еще одну важную область, которая до сих пор почти не
изучена Высокое давление кислорода довольно широко приме-
няется для лечения таких заболеваний, как, например, клостри-
диальный мионекроз; правда, давление в три атмосферы счита-
ется здесь максимально безопасным пределом. Сейчас становит-
ся очевидным, что человек способен функционировать при отно-
сительно высоком давлении (может быть, даже при 150 атм) и
что эта способность, по крайней мере отчасти, объясняется анта-
гонизмом между высоким давлением и количеством присутст-
вующих наркотических газов. Следовательно, встает вопрос об
использовании давления в качестве основного или дополнитель-
ного терапевтического средства. Как показали предварительные
опыты, высокое давление водорода может служить эффектив-
ным противораковым агентом (Dole et aL, 1975).
ДОПОЛНЕНИЕ
С тех пор, как рукопись этой главы была сдана в печать, в
баробиологии микроорганизмов были достигнуты значительные
успехи. Поиски высоко баротолерантных или барофильных глу-
боководных морских бактерий стали более продуктивными с
появлением новой аппаратуры, позволяющей отбирать пробы на
большой глубине морей и океанов и переносить их на поверх-
172
Глава 4
ность при том же давлении, которое существует в месте, где была
взята проба (Taylor, Jannasch, 1976; Jannasch et al., 1976; Jan-
nasch, Wirsen, 1977a, b). Полученные до сих пор результаты го-
ворят о том, что у глубоководных бактерий отсутствует специ-
фическая адаптация, поэтому они функционируют при высоком
давлении так же, как и виды, обитающие на суше или в мелко-
водье; следовательно, необходимо сделать вывод, что микробио-
логические процессы в глубине океана протекают очень медлен-
но. Шварц и Колуэл (Schwarz, Colwell, 1975b) пришли к такому
же выводу на основании своих опытов, в ходе которых они поме-
щали пробы придонных осадков в условия обычного давления,
а затем снова подвергали их действию высокого давления. Эти
авторы считают также, что большая часть активности метабо-
лизма бактерий, растущих под давлением, связана с процессами
сохранения нативного состояния; данный вывод согласуется с
результатами, полученными Мацумурой и Маркизом (Matsumura,
Marquis, 1977), которые отмечают низкую скорость роста под
давлением. Вирсен и Яннаш (Wirsen, Jannasch, 1975) установи-
ли, что морские бактерии, растущие под давлением, характери-
зуются высокой величиной отношения дыхания .к биосинтезу.
Кроме того, эти авторы обнаружили, что психрофильные бакте-
рии лучше функционировали при высоком давлении и низкой
температуре, присущих морским глубинам, чем мезофилы. Тем
не менее даже психрофилы очень чувствительны к давлению при
низкой температуре, и ассимиляция субстрата в сильной степени
подавляется при 8°С даже давлением 20 атм.
В результате изучения барочувствительности систем белко-
вого синтеза различных бактерий Поуп и др. (Pope et al., 1976а)
пришли к заключению, что способность бактерий синтезировать
белок при давлении 680 атм, существующем в глубине морей, не
зависит от их местообитания, физиологического типа или таксо-
номической группы. Ландау и др. (Landau et al., 1977) продол-
жили свои опыты по изучению действия давления на синтез бел-
ка in vitro; им удалось четко продемонстрировать, что в опреде-
лении баротолерантности ключевую роль играют 30S-субчастицы
рибосом и что у Pseudomonas bathycetes эти субчастицы устой-
чивы к давлению при выделении в присутствии 150 мМ КС1, но
не 150 мМ NaCl.
Аркури и Эрлих (Arcuri, Ehrlich, 1977) обнаружили, что влия-
ние ионов тяжелых металлов на рост бактерий зависит от дав-
ления, однако эта зависимость носит сложный характер.
Морита (Morita, 1976) рассмотрел вопрос о выживании мик-
роорганизмов, обратив особое внимание на условия с низкой
температурой и высоким давлением. Он отмечает, что мезофиль-
ные бактерии лучше выдерживают давление при 4°С, чем психро-
фильные; по его мнейию не столь уж удивительно, что микроор-
Повышенное давление
173
ганизмы, выделенные из морских глубин, не относятся к психро-
филам. Действительно среди бактерий, выделенных из
глубоководных морских осадков, наиболее распространенными
являются, по-видимому, мезофильные представители рода Bacil-
lus. Бесспорно, следует проводить различие между простым выжи-
ванием и ростом в условиях высокого давления. Морита также об-
суждает взаимодействие температуры и давления в процессе их
влияния на поглощение растворенных веществ, ассимиляцию
этих веществ и рост бактерий; при этом, однако, он руководст-
вуется законом идеального газа. Между действием температуры
и давления на процессы, осуществляемые бактериями, не всегда
наблюдается антагонизм, что связано в значительной степени
с так называемым конденсированным состоянием клетки. Заслу-
живает внимания также интересное предварительное описание
вибриона Ант-300, выделенного из вод Антарктики, который в
условиях голодания очень сильно уменьшается и проходит сквозь
фильтры с диаметром пор 0,4 мкм. Имеется публикация (Novit-
sky, Morita, 1977) с более подробным описанием этой бактерии,
которая выживает в условиях голодания свыше года. К сожале-
нию, она довольно чувствительна к давлению, которое ускоряет
ее гибель при голодании.
Две работы посвящены изучению образования и выживания
бактериальных эндоспор под давлением. В первой из них было
установлено, что максимальное давление для споруляции раз-
личных видов Bacillus на 100—200 атм ниже максимального для
роста (Hauxhurst, 1976). Вторая работа служит продолжением
начатых прежде исследований индуцированного давлением про-
растания спор (Murrel, Wills, 1977). На основании термодина-
мических параметров этого процесса (в частности, больших от-
рицательных значений ДУ*) ее авторы пришли к выводу, что
при прорастании происходят изменение конформации и, кроме
того, гидратация или уменьшение вязкости среды в области серд-
цевины спор. Можно ожидать, что обработка давлением окажет-
ся полезной при консервации пищевых продуктов и медика-
ментов.
Уже после того как была написана эта глава, О’Брайен
(O’Brien, 1976) сообщил о стимуляции роста Bacillus eereus при
отрицательных давлениях, которые можно получить в устройст-
ве, состоящем из пластинки и линзы с находящейся между ними
культуральной жидкостью, при поднятии линзы. Максимальное
отрицательное давление, которое удавалось получить, было не
очень высоким (около 1,28-10~6 атм), но скорость роста воз-
растала тем не менее на 22%.
Изучение действия давления на живые организмы, проводи-
мое на молекулярном уровне, заставило пересмотреть основные
представления. Например, Лоу и Сомеро (Low, Somero, 1975)
174
Глава 4
обнаружили необычную линейную корреляцию между влиянием
солей на Утах (максимальную скорость ферментативной реак-
ции) и Д V*. Эти авторы объясняют данную корреляцию измене-
ниями организации воды, сопровождающими конформационные
изменения белка при катализе. По мнению Ли и др. (Li et al.,
1976), изменения объема, рассчитанные для денатурации белка
на основании чувствительности процесса к давлению, могут быть
сильно заниженными величинами из-за наличия большого числа
денатурированных форм. Иными словами, как указывают ре-
зультаты опытов с применением флуоресценции, денатурация
представляет собой многостадийный процесс с низкой степенью
кооперативности; таким образом, изменение объема для каждой
отдельной стадии не равно изменению объема для всего процес-
са. Это представление о денатурации белка как о некооператив-
ном многостадийном процессе позволяет дать иное объяснение
небольшим изменениям объема, сопровождающим денатурацию
белка под действием давления.
Макдональд и Миллер (Macdonald, Miller, 1976) рассмотрели
действие давления на биологические мембраны, обратив особое
внимание на мембраны эукариот. Они считают, что пока нет до-
статочно обоснованных данных для объяснения роли, которую
играют изменения мембран, вызванные давлением, в -таких
сложных процессах, как нервный синдром высокого давления.
Предложить какое-либо объяснение, исходя из превращений,
претерпеваемых молекулами мембраны, пока еще нельзя, не-
смотря на успехи, достигнутые при изучении синтетических мем-
бран (Trudell, 1976).
Действие давления на микротрубочки носит значительно
более сложный характер, чем было принято считать раньше.
Например, реакции микротрубочек мозга крыс на действие дав-
ления сильно зависит от температуры, и выше 25°С эффект про-
является лишь незначительно (Engelborghs et al., 1975). При
этом давление и температура влияли в основном на образова-
ние ядер, а не на размножение.
Успехи, достигнутые при осуществлении программ глубинно-
го погружения, повысили интерес к биологическим эффектам
сжатия газов, включая их действие на клетки прокариот. Уайлд
(Wild, 1977) обнаружил увеличение устойчивости стафилокок-
ков к пенициллину под давлением 68 атм гелия или азота либо
их смеси. Эти газы стимулировали индукцию пенициллиназы.
Аргон отличался тем, что он оказывал противоположное воздей-
ствие. Еще раньше Уайлд (Wild, 1976) установил, что высокое
давление газов с нормальным содержанием кислорода уменьшает
частоту реверсии триптофановых ауксотрофов Salmonella typhi-
murium, обработанных алкилирующими агентами, но усиливает
летальное действие нитрозогуанидина. Прорастание эндоспор
Повышенное давление
175
Bacillus cereus оказалось очень чувствительным к действию сжа-
тых газов (Enfors, Molin, 1975). По эффективности анестезиру-
ющие газы располагаются в следующем порядке: N2O>Ar>
>N2>He. СО2 сильно подавляет прорастание спор, в то время
как О2 является относительно слабым ингибитором. Мы повто-
рили эти опыты и получили аналогичные результаты. Однако
мы обнаружили также, что бактерии различаются по своей чув-
ствительности к анестезирующим газам и что рост некоторых
из них, например Staphylococcus aureus, штамм Н, столь же
чувствителен к действию этих газов, как и прорастание эндо-
спор. Тем не менее споры могут оказаться удобным объектом
для изучения в дальнейшем механизмов действия анестезирую-
щих газов.
Матис и Браун (Mathis, Brown, 1976) определяли концентра-
цию АТР в клетках Е. coli и установили, что токсичность кисло-
рода для этого организма при выращивании на минимальной
среде и давлении 4,2 атм не может быть вызвана недостатком
АТР в результате ингибирования дыхания, так как рост прекра-
щается задолго до того, как содержание АТР в клетках начинает
снижаться. Сравнительно недавно было обнаружено, что защит-
ное действие дрожжевого экстракта при выращивании Е. coli на
минимальной среде при высоком давлении кислорода обуслов-
лено присутствием десяти аминокислот (Boehme et al., 1976). По
мнению авторов, токсичность кислорода объясняется чувстви-
тельностью к кислороду ферментов биосинтеза аминокислот.
Бесспорно, бактерии представляют собой прекрасный объект
для изучения основных механизмов токсичности сжатых газов.
Эти газы воздействуют на любые клетки; по-видимому, сущест-
вуют мишени, общие для всех клеток, хотя некоторые клетки
могут содержать особые мишени с высокой чувствительностью
и специфичностью. Важнейшие исследования в области молеку-
лярной биологии за последние тридцать лет были проведены с
микроорганизмами, и несомненно в будущем они сыграют глав-
ную роль в изучении влияния высоких давлений на живые орга-
низмы в биологии и медицине.
БЛАГОДАРНОСТИ
Нам хотелось бы поблагодарить Диану Маркиз (Diana Mar-
quis) за внимательное прочтение рукописи главы и сделанные
критические замечания. Данная работа субсидирована U. S. Of-
fice of Naval Research.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Albright L. J. (1969). Alternative pressurization-depressurization effects on
growth and net protein, RNA and DNA synthesis by Escherichia coli and
Vibrio marinus, Can J. Microbiol., 15, 1237—1240.
176
Глава 4
Albright L. J. (1975). The influence of hydrostatic pressure upon biochemical
activities of heterotrophic bacteria, Can. J. Microbiol., 21, 1406—1412.
Albright L. J., Henigman J. F. (1971). Seawater salts — hydrostatic pressure
effects upon cell division of several bacteria, Can. J. Microbiol., 17,
1246—1248.
Ar cur i E. J., Ehrlich H. L. (1977). Influence of hydrostatic pressure on the
effects of the heavy metal cations of manganese, copper, cobalt, and
nickel on the growth of three deep-sea bacterial isolates, Appl. Environ.
Microbiol., 33, 282—288.
Arnold R. M., Albright L. J. (1971). Hydrostatic pressure effects on the
translation stages of protein synthesis in a cell-free system from
Escherichia coli, Biochim. Biophys. Acta, 238, 347—354.
Balasubramanian D., Wetlaufer D. B. (1966). Reversible alteration of the structure
of globular proteins by anesthetic agents, Proc. Natl. Acad Sci. USA, 55,
762—765
Barkley M. D., Riggs A. D., Jobe A., Bourgeois S. (1975) Interaction of effecting
ligands with lac repressor and repressor-operator complex, Biochemistry,
14, 1700—1712.
Baross J. A., Hanus F. J., Morita R. Y. (1975). Survival of human enteric and
other sewage microorganisms under simulated deep-sea conditions, Appl.
Microbiol., 30, 309—318.
Basset J., Macheboeuf M. A. (1932). Etude sur les effects biologiques des
ultrapressions: resistance des bacteries, des diastases et des toxines aux
pressions tres elevees, Compt. Rend. Acad. Sci., Paris, 195, 1431—1438
Basset J., Gratia A., Macheboeuf M., Manil P. (1938). Action of high pressures
on plant viruses, Proc. Soc. Exp. Biol Med, 38, 248—251.
Beck T., Poschenrieder H. (1957). Drucktoleranz, ein Kriterium ftir den autochtho-
nen Charakter der Braunkohlenmitroflora, Zentbl. Bakteriol., Abt. II, 110,
534—539.
Berger L. R. (1974). Enzyme kinetics, microbial respiration, and active transport
at increased hydrostatic pressure, Rev. Phys. Chem. Japan, Special Issue,
639—642.
Bodanszky A., Kauzmann IF. (1962). The apparent molar volume of sodium
hydroxide at infinite dilution and the volume change accompanying the
ionization of water, J Phys Chem., 66, 177—179.
Boehme D. E„ Vincent K, Brown O. R (1976). Oxygen and toxicity inhibition
of amino acid biosynthesis, Nature, London, 262, 418—420
Beje L„ Hvidt A. (1972). Volume effects in aqueous solutions of macromolecules
containing non-polar groups, Biopolymers, II, 2357—2364
Brandts J. F., Oliveira R. J., Westort C. (1970). Thermodynamics of protein
denaturation. Effect of pressure on the denaturation of ribonuclease A,
Biochemistry, 9, 1038—1047.
Brauer R. W. (1972). Barobiology and the Experimental Biology of the Deep
Sea, North Carolina Sea Grant Program, Chapel Hill, North Carolina
Brauer R. W., Way R. O., Jordan M. R., Parrish D. E. (1971). Experimental
studies on the high pressure hyperexcitability syndrome in various
mammalian species. In: Proceedings of the Fourth Underwater Physiology
Symposium (Ed. C. J. Lambertsen), pp. 487—500, Academic Press, New
York and London.
Bridgman P. W. (1914). The coagulation of albumen by pressure, J. Biol. Chem.,
19,511—512. , , ,
Bridgman P. IF (1949). The Physics of High Pressure, G. Bell, London.
Bruemmer J. H., Brunetti В. B„ Schreiner H. R. (1967). Effects of helium group
gases and nitrous oxide on HeLa cells, J. Cell. Physiol., 69, 385 392.
Buchheit R. 0., Schreiner H. R., Doebbler O. F. (1966). Growth responses of
Neurospora crassa to increased partial pressures of the noble gases and
nitrogen, J. Bacteriol., 91, 622—627.
Cattell M. (1936). The physiological effects of pressure, Biol. Rev,, 11, 441—476.
Повышенное давление
177
Certes А. (1884а). Sur la culture, a 1’abri des germes atmospheriques, des eaux
et des sediments rapportes par les expeditions du Travailleur et du
Talisman, Compt. Rend. Acad. Sci., Paris, 690—693.
Certes A. (1884b). Note relative a Faction des hautes pressions sur la vitalite
des micro-organismes d’eau douce et 1’eau de mer, Compt. Rend. Soc.
Biol, 36, 220—222.
Chapman R. E., Sturtevant J. M. (1969). Volume changes accompanying the
thermal denaturation of deoxyribonucleic acid. I. Denaturation at neutral
pH, Biopolymers, 7, 527—537.
Christensen R. G., Cassel J. M. (1967). Volume changes accompanying collagen
denaturation, Biopolymers, 5, 685—689.
Citti J. E., Sandine W. E., Elhker P. R. (1965). 0-Galactosidase of Streptococcus
lactis, J. Bacteriol., 89, 937—942.
Clouston J. G., Wills P. A. (1969). Initiation of germination and inactication of
Bacillus pumilis spores by hydrostatic pressure, J. Bacteriol., 97, 684—690.
Clouston J. G., Wills P. A. (1970). Kinetics of initiation of germination of
Bacillus pumilus spores by hydrostatic pressure, J. Bacteriol., 103, 140—143.
Daily О. P,, Schlamm N. A. (1972). Effect of hyperbaric atmospheres on
P-galactoside transport in Escherichia coli, Can. J. Microbiol., 18, 1162—
1164.
Dicamelli R. F., Balbinder E., Lebowitz J. (1973). Pressure effects on the
association of the a and 02 subunits of tryptophan synthetase for
Escherichia coli and Salmonella typhimurium, Arch. Biochem Biophys,
155, 315—324.
Dinsdale M. T., Walsby A. E. (1972). The interrelations of cell turgor pressure,
gas-vacuolation and buoyancy in a blue-green alga, J. Exp. Bot., 23,
561—570.
Dole M., Wilson F. R., Fife W. P. (1975). Hyperbaric hydrogen therapy: A possib-
le treatment of cancer, Science, 190, 152—154.
Ebbecke U. (1935a). Das Verhalten von Paramecien unter den Einwirkung hohen
Druckes, Pfliigers Arch. Ges. Physiol., 236, 658—661.
Ebbecke U. (1935b). Uber die Wirkungen hoher Drucke auf marine Lebewesen,
Pfliigers Aren. Ges. Physiol., 236, 648.
Edebo L., Rutberg L. (1960). Electron-microscopical observations on a pressure-
induced phage, J. Ultrastr. Res., 4, 89—91.
Ehrlich H. L. (1974a). Response of some activities of ferromanganese nodule
bacteria to hydrostatic pressure. In: Effect of the Ocean Environment on
Microbial Activities (Eds R. R. Colwell and R. Y. Morita), pp. 208—221,
University Park Press, Baltimore<
Ehrlich H. L. (1974b). Induction of MnO2-reductase activity under different
hydrostatic pressures at 15°C, Abst. Ann. Meeting Am. Soc. Microbiol.,
p. 47.
Ehrlich H. L (1975). The formation of ores in the sedimentary environment of
the deep sea with microbial participation: The case for ferromanganese
concretions, Soil Sci., 119, 36—41.
Enfors S. O., Molin N. (1975). Inhibition of germination in Bacillus cereus
spores by high gas pressure. In' Spores VI (Eds. P. Gerhardt,
R. N. Costilow and H. L. Sadoff), pp. 506—512, American Society for
Microbiology, Washington, D. C.
Engelborghs УHeremans К. A. H„ Hoebeke J. (1975). The effect of pressure
on neuronal microtubules. In: Microtubules and Microtubule Inhibitors
(Eds M. Borger and M. de Barbander), pp. 59—66, North-Holland
Publishing Co
Evans M, G., Polanyi M. (1935). Application of the transition-state method to
the calculation of reaction velocities, Trans. Faraday Soc., 31, 875—894.
Eyring H. (1935a). The activated complex in chemical reactions. J. Chem. Phys.,
3, 107—115.
178
Глава 4
Eyring Н. (1935b). The activated complex and the absolute rate of chemical
reactions, Chem. Rev., 1, 65—77.
Fawcett E. IV7., Gibson R. O. (1934). The influence of pressure on a number of
organic reactions in the liquid phase, J. Chem. Soc. (bond.), 386—395.
Fenn IV7. O. (1970). A study of aquatic life from the laboratory of Paul Bert.
A review of La Vie dans les Eaux, by Paul Regnard, Paris, 1891, Resp.
Physiol., 9, 95—107.
Fenn IF. O., Marquis R. E. (1968). Growth of Streptococcus faecalis under high
hydrostatic pressure and high partial pressures of inert gases, J. Gen.
Physiol., 52, 810—824.
Forer A., Zimmerman A. M. (1976). Spindle birefringence of isolated mitotic
apparatus analyzed by pressure treatment, J. Cell Sci., 20, 309—327.
Fridovich I. (1974). Superoxide dismutase, Adv. Enzymol., 41, 35—97.
Fridovich I. (1975). Oxygen: Boon or bane, Am. Sci., 63, 54—59.
Gerber B. R., Noguchi H. (1967). Volume change associated with the G-F
transformation of flagellin, J. Mol. Biol., 26, 197—210.
Gottlieb S. F. (1971). Effect of hyperbaric oxygen on microorganisms, Ann.
Rev. Microbiol., 25, 111—152.
Gould G. W„ Sale A. J. H. (1970). Initiation of germination of bacterial spores
by hydrostatic pressure, J. Gen. Microbiol., 60, 335—346.
Gould G. IV., Sale A. J. H. (1972). Role of pressure in the stabilization and
destabilization of bacterial spores. In: The Effects of Pressure on Living
Organisms (Eds. M. A. Sleigh and A. G. Macdonald), pp. 147—157,
Academic Press, New York and London.
Gunter T. E., Gunter К. K. (1972). Pressure dependence of the helix-coil
transition temperature for polynucleic acid helices, Biopolymers, 11,
667—678.
Harden M. J., Albright L. J. (1974). Hydrostatic pressure effects on several
stages of protein synthesis in Escherichia coli, Can. J. Microbiol., 20,
359—365.
Harold F. M., Baarda J. R. (1968). Effects of nigericin and monactin on cation
permeability of Streptococcus faecalis and metabolic capabilities of
potassium-depleted cells, J. Bacteriol., 95, 816—823.
Hauxhurst J. D. (1976). Lytic enzymes and the production and stability of
bacterial endospores at increased hydrostatic pressure, Ph. D. Thesis,
University of California.
Hawley S. A. (1971). Reversible pressure-temperature denaturation of chymo-
trypsinogen, Biochemistry, 10, 2436—2442 .
Hayward T. J. (1971). Negative pressure in lipids: Can it be harnessed to serve
man? Am. Sci., 59, 434—443.
Heath I. B. (1975). The effect of antitubule agents on the growth and ultra-
structure of the fungus Sapiolegnia ferax and their ineffectiveness in
disrupting hyphal microtubules, Protoplasma, 85, 147—176.
Heden C.-C. (1964). Effects of hydrostatic pressure on microbial systems,
Bacteriol. Rev., 28, 14—29. .
Heden C.-G., Lindahl T„ Toplin I. (1964). The stability of deoxyribonucleic acid
solutions under high pressure, Acta Chem. Scand., 18, 1150—1158.
Hessler R. R„ Isaacs J. D„ Mills E. L. (1972). Giant amphipod from the abyssal
Pacific Ocean, Science, 175, 636—637.
Hildebrand С. E., Pollard E. C. (1972). Hydrostatic pressure effects on protein
synthesis, Biophys. J., 12, 1235—1250.
Hill E. P„ Morita R. У. (1964). Dehydrogenase activity under hydrostatic pressure
by isolated mitochondria obtained from Allomyces macrogynus, Limnol.
Oceanogr., 9, 243—298.
Hite В. H., Giddings N. J., Weakly С. E. (1914). The effect of pressure on
certain microorganisms encountered in the preservations of fruits and
vegetables, W. Va. Agric. Exp. Stn. Bull., 146, 1—67.
Hochachka P. W., Moon T. W., Mustafa T. (1972). The adaptation of enzymes
Повышенное давление
179
to pressure in abyssal and midwater fishes. In: The Effects of Pressure on
Living Organisms (Eds. M. A. Sleigh and A. G. Macdonald), pp. 175—
195, Academic Press, New York and London.
Hvidt A. (1975). A discussion of pressure-volume effects in aqueous protein
solutions, J. Theor. Biol., 50, 245—252.
Infante A. A., Baierlein R. (1971). Pressure-induced dissociation of sedimenting
ribosomes: Effect on sedimentation patterns, Proc. Natl. Acad. Sci. USA,
68, 1780—1785.
Inoue S., Fuseler J., Salmon E. D., Ellis G. IF. (1975). Functional organization
of mitotic microtubules. Physical chemistry of the in vivo equilibrium
system, Biophys. J., 15, 725—744.
Jaenicke R. (1971). Volume changes in the isoelectric heat aggregation of serum
albumin, Eur. J. Biochem., 21, 110—115.
Jannasch H.'W., Wirsen С. O. (1973). Deep-sea microorganisms: in situ response
to nutrient enrichment, Science, 180, 641—643.
Jannasch H. W., Wirsen С. O. (1977a). Microbial life in the deep sea, Sci. Am.,
236, 42—52.
Jannasch H. W., Wirsen С. O. (1977b). Retrieval of concentrated and undecomp-
ressed microbial populations from the deep sea, Appl. Environ. Microbiol.,
33, 642—646.
Jannasch H. W., Eimhjellen K-, Wirsen С. O., Farmanfarmaian A. (1971).
Microbial degradation of organic matter in the deep sea, Science, 171,
672—675.
Jannasch H. W., Wirsen C. 0., Taylor C. D. (1976). Undecompressed microbial
populations from the deep sea, Appl. Environ. Microbiol., 32, 360—367.
Jaschhof H., Schwartz IF. (1969). Untersuchungen zur Geomikrobiologie der
Braunkohle. II. Verhalten von Bakterienstammen aus Braunkohle gegen-
iiber hoheren hydrostatischen Drucken und ihre biochemische, Akt. ivitat
Z. Allg. Mikrobiol., 9, 347—361.
Johnson F. H. (1957). The action of pressure and temperature. In: Microbial
Ecology (Eds. R. E. O. Williams and С. C. Spicer), pp. 134—167,
Cambridge University Press, Cambridge.
Johnson F. H., Eyring H. (1970). The kinetic basis of pressure effects in biology
and chemistry. In: High Pressure Effects on Cellular Processes (Ed.
A. M. Zimmerman), pp. 1—44, Academic Press. New York and London.
Johnson F. H., Lewin I. (1946). The disinfection of E. coli in relation to
temperature, hydrostatic pressure and quinine, J. Cell. Comp. Physiol., 28,
23—45.
Johnson F. H., Eyring H., Polissar M. J. (1954). In: The Kinetic Basis of
Molecular Biology, Wiley, New York. Имеется более позднее издание
(1974) этой книги под названием ,,The Theory of Rate Processes in
Biology and Medicine" в соавторстве с В. J. Stover.
Katz S., Ferris T. G. (1966). Dilatometric study of the interactions of bovine
serum albumin with urea, Biochemistry, 5, 3246 —3253.
Katz S., Crissman J. K-> Beall J. A. (1973). Structure-volume relationships of
proteins, J. Biol. Chem., 248, 4840—4845.
Kauzmann IF. (1959). Some factors in the interpretation of protein denaturation,
Adv. Protein Chem., 14, 1—63.
Kauzmann W., Bodanszky A., Rasper J. (1962). Volume changes in protein
reactions. II. Comparison of ionization reactions in proteins and small
molecules, J. Am. Chem. Soc., 84, 1777—1788.
Kenis P. R. (1971). Effects of high pressure helium on bacterial growth, Bact.
Proc., 57.
Kennedy J. R., Zimmerman A. M. (1970). The effects of high hydrostatic pressure
on the microtubules of Tetrahymena pyriformis, J. Cell Biol., 47, 568—576.
Kettman M. S., Hishikawa A. H., Morita R. Y., Becker R. R. (1965). Effect of
hydrostatic pressure on the aggregation reaction of poly-L-valyl-
ribonuclease, Biochem. Biophys. Res. Commun., 22, 262—267.
180
Глава 4
Кт J, ZoBell С Е (1971) Death rates of barophobic bacteria at deep sea
pressure and temperature, Bact Proc, 57
Kinne О (1972) Pressure, general introduction In Marine Ecology (Ed
О Kmne), Vol 1, part 3, pp 1323—1360, Wiley Interscience, London and
New York
Kirk W W (1972) Corrosion behavior of high strength materials in sea water
In Barobiology and the Experimental Biology of the Deep Sea (Ed
R W Brauer), pp 302—320, North Carolina Sea Grant Program, Chapel
Hill
Kitching J A (1957a) Effects of high hydrostatic pressures on the activity of
flagellates and cihates, J Exp Biol, 34, 494—510
Kitching J A (1957b) The effects of high hydrostatic pressures on Actinophrys
sol (Hehozoa), J Exp Biol, 34, 511—525
Крисс A E (1962) In Marine AAicrobiology (Deep Sea), pp 91—107, Wiley
Interscience, New York and London
Крисс A E, Мицкевич И H (19b7) Влияние питательной среды на толерант
ность баротолерантных бактерий к высоким давлениям, Микробиология,
36, 247—250
Крисс А Е, Мицкевич И Н, Черни Н Е (1969) Изменение ультраструктуры
и химического состава бактериальной клетки под влиянием высокого
гидростатического давления, Микробиология, 38, 108—115
Laidler К J (1951) The influence of pressure on rates of biological reactions,
Arch Biochem , 30, 226—236
Laidler К J, Bunting P S (1973) The Chemical Kinetics of Enzyme Action,
Oxford University Press
Landau J V (1966) Protein and nucleic acid synthesis in Escherichia coli
Pressure and temperature effects, Science, 153, 1273—1274
Landau J V (1967) Induction, transcription and translation in Escherichia coli
A hydrostatic pressure study, Biochim Biophys Acta, 149, 506—512
Landau J V (1970) Hydrostatic pressure on the biosynthesis of macromolecules
In High Pressure Effects on Cellular Processes (Ed A M Zimmerman),
pp 45—70, Academic Press, New York and London
Landau J V, Smith W P , Pope D H (1977) Role of the 30S ribosomal subunit,
initiation factors, and specific ion concentration in barotolerant protein
synthesis in Pseudomonas bathycetes, J Bacteriol, 130, 154—159
Larson W P, Hartzell T B, Diehl H S (1918) The effects of high pressures
on bacteria, J Infect Dis , 22, 271—284
Lauffer M A, Dow К В (1941) The denaturation of tobacco mosaic virus at
high pressures, J Biol Chem , 140, 509—518
Lever M J, Miller К W, Paton W D M , Smith E В (1971) Pressure reversal
of anaesthesia, Nature, Lond ,231, 368—371
Li T M Hook J W Drickamei H G , Weber G (1976) Plurality of pressure
denatured forms in chymotrypsinogen and lysozyme, Biochemistry, 15,
5571—5580
Low P S, Somero G N (1975) Protein hydration changes during catalysis
A new mechanism of enzyme rate enhancement and ion activation/infnbi
tion of catalysis, Proc Natl Acad Sci USA, 72, 3305—3309
Macdonald A G (1967a) The eifect of high hydrostatic pressure on the cell
division and growth of Tetrahymena pyriformts, Expl Cell Res, 47,
569—580
Macdonald A G (1967b) Delay in the cleavage of Tetrahymena pyriformts
exposed to high hydrostatic pressure, J Cell Physiol, 70, 127—130
Macdonald A G (1975a) The effect of helium and of hydrogen at high pressure
on the cell division of Tetrahymena pyriformts W, J Cell Physiol, 85,
511 —528 „ L ,
Macdonald A G (1975b) Physiological aspects of deep sea biology, Cambridge
University Press
Macdonald A G , Miller К IE (1976) Biological membranes at high hydrostatic
Повышенное давление
181
pressure In Biophysical and Biochemical Perspective in Marine Biology
(Eds J Sargent and D Malhns), pp 27—57, Academic Press, New York
and London
Marquis R E (1976) High pressure microbial physiology, Adv Microbial
Physiol, 14, 159—241
Marquis R E, Fenn IF О (1969) Dilatometric study of streptococcal growth
and metabolism, Can J Microbiol, 15, 953—940
Marquis R E, Keller D M (1975) Enzymic adaptation by bacteria under
pressure, J Bacteriol, 122, 575—584
Marquis R E, ZoBell С E. (1971) Magnesium and calcium ions enhance
barotolerance of streptococci, Arch Mikrobiol, 79, 80—92
Marquis R E, Brown IF P, Fenn IF О (1971) Pressure sensitivity of
streptococcal growth in relation to catabolism, J Bacteriol, 105, 504—511
Marsland D (1970) Pressure-temperature studies on the mechanism of cell
division In High Pressure Effects on Cellular Processes (Ed A M Zim-
merman), pp 259—312, Academic Press, New York and London
Marsland D , Brown DES (1936) Amoeboid movement at high hydrostatic
pressure, J Cell Comp Pnysiol, 8, 167—178
Mathis R R, Brown 0 R (1976). ATP concentration in Escherichia colt during
oxygen toxicity, Biochim Biophys Acta, 440, 723—732
Matsumura P (1975) The physiologic bases for streptococcal barotolerance,
Ph D Thesis, University of Rochester
Matsumuia P, Marquis R E (1975) Adenosine triphosphate supply and
barotolerance of streptococci, Abst Ann Meeting Am Soc Microbiol, 191
Matsumuia P Marquis R E (1977) Energetics of streptococcal growth
inhibition by hydrostatic pressure, Appl Environ Microbiol, 33, 885—892
Matsumura P, Kellei D M, Marquis R E (1974) Restricted pH ranges and
reduced yields for bacterial growth under pressure, Microbial Ecol, 1,
176—189
McElhaney R N (1974) The effect of alterations in the physical state of the
membrane lipids on the ability of Acholeplasma latdlawu В to grow at
various temperatures J Mol Biol, 84, 145—157
Meganaihan R, Marquis R E (1973) Loss of bacterial motility under pressure,
Nature, Lond , 246, 525—527
Melchior D L, Morowitz H J (1972) Dilatometry of dilute suspensions of
synthetic lecithin aggregates, Biochemis*ry, 11, 4558—4562
Miller К IF (1972) Inert gas narcosis and animals under high pressure, Symp
Soc Exp Biol, 26, 363—378
Morita R Y (1967) Effects of hydrostatic pressure on marine microorganisms,
Oceanogr Mar Biol Ann Rev, 5, 187—203
Morita R Y (1970) Application of hydrostatic pressure to microbial cultures
In Methods in Microbiology (Eds J R Norris and D W Ribbons),
Vol 2, pp 243—257, Academic Press, London and New York
Morita R Y (1972) Pressure Bacteria, fungi and blue green algae In Marine
Ecology (Ed О Kinne), Vol 1, part 3, pp 1361—1388, Wiley Interscience,
New York and London
Morita R Y (1975) Psychrophilic bacteria, Bacteriol Rev, 39, 144—167
Morita R Y (1976) Survival of bacteria in cold and moderate hydrostatic
pressure environments with special reference to psychrophilic and baro-
phihc bacteria In The Survival of Vegetative Microbes (Eds. T. R G Gray
and J R Postgate), pp 279—298, Cambridge University Press
Morita R Y, Becker R R (1970) Hydrostatic pressure effects on selected
biological systems In High Pressure Effects on Cellular Processes (Ed
A M Zimmerman), pp 71—83, Academic Press, New York and London
Murakami T H, Zimmerman A M (1970), A pressure study of galvanotaxis in
Tetrahymena In High Pressure Effects on Cellular Processes (Ed.
A M Zimmerman), pp 139—153, Academic Press, New York and London
Murrell IF G, Wills P A (1977) Initiation of Bacillus spore germination by
182
Глава 4
hydrostatic pressure: Effect of temperature, J. Bacteriol., 129, 1272—1280.
Neville W. M., Eyring H. (1972). Hydrostatic pressure and ionic strength effects
on the kinetics of lysozyme, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69, 2417—2419.
Novitsky J. A., Morita R. У, (1977). Survival of a psychophilic marine vibrio
under long-term nutrient starvation, Appl. Environ. Microbiol., 33, 635—641.
O’Brien W. J. (1976). Effects of capillary penetration and negative
pressure at sites of caries susceptibility. In: Microbial Aspects of Dental
Caries (Eds H. M. Stiles, W. J. Loesche and T. C. O’Brien), pp. 387—400,
Information Retrieval, Washington, D. C.
O’Connor T. M. et al. (1974). Stability of neuronal microtubules to high pressure
in vivo and in vitro, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 71, 4198—4202.
Oppenheimer С. H., ZoBell С. E. (1952). The growth and viability of sixty-three
species of marine bacteria as influenced by hydrostatic pressure, J. Marine
Res., 11, 10—18.
Palmer F. E. (1961). The effect of moderate hydrostatic pressures on the muta-
tion rate of Serratia marinorubra to streptomycin resistance, M. Sc. Thesis,
University of California.
Palmer D. S., Albright L. J. (1970). Salinity effects on the maximum hydrostatic
pressure for growth of the marine psychrophilic bacterium, Vibrio marinus.
Limnol. Oceanogr., 15, 343—347.
Pauling L. (1961). A molecular theory of general anesthesia, Science, 134, 15—21.
Pease D. C. (1941). Hydrostatic pressure effects upon the spindle figure and
chromosome movement. I. Experiments on the first mitotic division of
Urechis eggs., J. Morphol., 69, 405—441.
Pease D. C. (1946). Hydrostatic pressure effects upon the spindle figure and
chromosome movement. II. Experiments on the mitotic division of
Tradescantia pollen mother cells, Biol. Bull., 91, 145—169.
Penniston J. T. (1971). High hydrostatic pressure and enzyme activity: Inhibition
of multimeric enzymes by dissociation, Arch. Biochem. Biophys., 142,
322—332.
Plachy IT. Z., Lanyi J. K., Kates M. (1974). Lipid interactions in membranes of
extremely halophilic bacteria. I. Electron spin resonance and dilatometric
studies of bilayer structure, Biochemistry, 13, 4906—4913.
Pollard E. C., Weller P. K. (1966). The effect of hydrostatic pressure on the
synthetic processes in bacteria, Biochim. Biophys. Acta, 112, 573—580.
Pope D. H., Berger L. R. (1973). Inhibition of metabolism by hydrostatic
pressure: What limits microbial growth? Arch. Mikrobiol., 93, 367-—370.
Pope D. H., Smith W. P., Swartz R. W., Landau J. V. (1975a). Role of bacterial
ribosomes in barotolerance, J. Bacteriol., 121, 664—669.
Pope D. H., Connors N. T., Landau J. V. (1975b). Stability of Escherichia coli
polysomes at high hydrostatic pressure, J. Bacteriol., 121, 753—758.
Pope D. H., Smith W. P., Orgrinc M. A., Landau J. V. (1976a). Protein synthesis
at 680 atm: Is it related to environmental origin, physiological type, or
taxonomic group? Appl. Environ. Microbiol., 31, 1001—1002.
Pope D. H., Smith W. P., Landau J. V. (1976b). Effect of hydrostatic pressure
on growth and macromolecular synthesis in Halobacterium salinarium
Abst. Ann. Meeting Am. Soc. Microbiol., 125.
Раутенштейн Я И., Мурадов М. (1966). О влиянии высокого гидростатиче-
ского давления на некоторые лизогенные культуры актиномицетов н их
умеренные фаги, Микробиология, 35, 571—576.
Regnard Р. (1884). Note sur les conditions de la vie dans les profondeurs de
la mer, Compt. Rend. Soc. Biol., 36, 164—168.
Regnard P. (1891). Recherches Experimentales sur les Conditions Physiques de
la Vie dans les Eaux, Masson et Cie, Paris.
Rutberg L. (1964a). On the effects of high hydrostatic pressure on bacteria and
bacteriophage. 1. Action on the reproducibility of bacteria and their
ability to support growth of bacteriophage T2, Acta Pathol. Microbiol.
Scand., 61, 81—90.
Повышенное давление
183
Rutberg L. (1964b). On the effects of high hydrostatic pressure on bacteria and
bacteriophage. 2. Inactivation of bacteriophages, Acta Pathol. Microbiol.
Scand., 61, 91—97.
Rutberg L. (1964c). On the effects of high hydrostatic pressure on bacteria and
bacteriophage. 3. Induction with high hydrostatic pressure of Escherichia
coli К lysogenic for bacteriophage lambda, Acta Pathol. Microbiol. Scand.,
61, 98—105.
Rutberg L., Heden C.-C. (1960). The activation of prophage in E. coli В by high
pressure, Biochim. Biophys. Acta, 2, 114—116.
Sale A. J. H., Gould G .W., Hamilton W. A. (1970). Inactivation of bacterial
spores by hydrostatic pressure, J. Gen. Microbiol., 60, 323—334.
Salmon E. D. (1975a). Pressure-induced depolymerization of spindle microtubu-
les. II.-Thermodynamics of in vivo spindle assembly, J. Cell Biol., 66,
114—127.
Salmon E. D. (1975b). Spindle microtubules: Thermodynamics of in vivo
assembly and role in chromosome movement, Ann. N. Y. Acad. Sci., 253,
383—406.
Salmon E. D. et al. (1976). Pressure-induced depolymerization of spindle microtu-
bules. III. Differential stability in HeLa cells, J. Cell Biol., 69, 443—454.
Schlamm N. A., Daily О. P. (1971). Uptake of 0-galactosides by Escherichia coli
at elevated atmospheric pressure, J. Bacteriol., 105, 1202—1204.
Schlamm N. A., Daily О. P. (1972). Effect of elevated atmospheric pressure on
penicillin binding by Staphylococcus aureus and Streptococcus pyogenes,
Antimicrob. Agents Chemother., 3, 147—151.
Schlamm N. A., Perry J. E., Wild J. R. (1974). Effect of helium gas at elevated
pressure on iron transport and growth of Escherichia coli, J. Bacteriol.,
117, 170—174.
Scholander P. F. et al. (1965). Sap pressure in vascular plants, Science, 148, 339.
Schulz E, LUdemann H.-D., Jaenicke R. (1976). High pressure equilibrium
studies on the dissociation-association of Escherichia coli ribosomes,
FEBS Lett., 64, 40—43.
Schwarz J. R., Colwell R. R. (1975a). Macromolecular biosynthesis in Pseudomo-
nas bathycetes at deep-sea pressure and temperature, Abst. Ann. Meeting
Am. Soc. Microbiol., 162.
Schwarz J. R., Colwell R. R. (1975b). Heterotrophic activity of deep-sea
sediment bacteria, Appl. Microbiol., 30, 639—649.
Schwarz J. R., Landau J. V. (1972a). Hydrostatic pressure effects on Escherichia
coli: Site of inhibition of protein synthesis, J. Bacteriol.,*109, 945—948.
Schwarz J. R., Landau J. V. (1972b). Inhibition of cell-free protein synthesis by
hydrostatic pressure, J. Bacteriol., 112, 1222—1227.
Schwarz J. R., Walker J. D, Colwell R. R. (1974a). Growth of deep-sea bacteria
on hydrocarbons at ambient and in situ pressure. In: Developments in
Industrial Microbiology, Vol. 15, pp. 239—249, AIBS, Washington, D. C.
Schwarz J. R., Walker J. D., Colwell R. R. (1974b). Deep-sea bacteria: Growth
and utilization of hydrocarbons at ambient and in situ pressure, Appl.
Microbiol., 28, 982—986.
Schwarz J. R„ Walker J. D., Colwell R. R. (1975). Deep-sea bacteria: Growth
and utilization of n-hexadecane at in situ temperature and pressure, Can.
J. Microbiol., 21, 682—687.
Schwarz J. R., Yayanos A. A., Colwell R. R. (1976). Metabolic activities of the
intestinal microflora of a deep-sea vertebrate, Appl. Environ. Microbiol.,
31, 46—48.
Sleigh M. A., Macdonald A. G. (1972). The Effects of Pressure on Organisms,
Academic Press, New York and London.
Smith W., Pope D., Landau J. V. (1975). Role of bacterial ribosome subunits in
barotolerance, J. Bacteriol., 124, 582—584.
Smith W., Landau J, V., Pope D. (1976). Specific ion concentration as a factor
in barotolerant protein synthesis in bacteria, J. Bacteriol., 126, 654—660.
184
Глава 4
Solomon. L., Zeegen P., Eiserling F. A. (1966). The effects of high hydrostatic
pressure on coliphage T4, Biochim. Biophys. Acta, 112, 102—109.
Suzuki K., Taniguchi Y. (1972). Effect of pressure on biopolymers and model
systems. In: The Effects of Pressure on Living Organisms (Eds.
M. A. Sleigh and A. G. Macdonald), pp. 103—124, Academic Press, New-
York and London.
Suzuki K-, Miyosawa Y., Taniguchi Y. (1971). The effect of pressure on deoxyribo-
nucleic acid, J. Biochem., Tokyo, 69, 595—598.
Suzuki К-, Taniguchi Y„ Miyosawa Y. (1972). The effect of pressure on the
absorption spectra of DNA and DNA-dye complex, J. Biochem., Tokyo,
72, 1087—1091.
Swartz R. U'. et al. (1974). Comparative effects of pressure on protein and RNA
synthesis in bacteria isolated from marine sediments. In: Effect of the
Ocean Environment on Microbial Activities (Eds. R. R. Colwell and
R. Y. Morita) pp. 145—159, University Park Press, Baltimore.
Tanford C. (1968). Protein denaturation, Adv. Protein Chem., 23, 121—282.
Taylor C. D, Jannasch H. IE. (1976). Subsampling technique for measuring
growth of bacterial cultures under high hydrostatic pressure, Appl. Environ.
Microbiol., 32, 355—359.
Tilney L. G., Gibbins J. R. (1969). Microtubules in the formation and development
of the primary mesenchyme in Arbacia punctulata. II. An experimental
analysis of their role in development and maintenance of cell shape,
J. Cell Biol., 41, 227—250.
Tilney L. G., Hiramoto Y., Marsland D. (1966). Studies on the microtubules of
Heliozoa. III. A pressure analysis of the role of these structures in the
formation and maintenance of the axopodia of Actinosphaerium nucleofilum
(Barrett), J. Cell Biol., 29, 77—95.
Timson W. J , Short A. J. (1965). Resistance of microorganisms to hydrostatic
pressure, Biotech. Bioeng., 7, 139—159.
Trudell J. R. (1976). The effect of high pressure on phospholipid bilayer
membranes. In: Extreme Environments (Ed. M. P. Heinrich), pp. 349—
353, Academic Press, London and New York.
Trudell J. R., Payan D. G., Chin J. H., Cohen E. N. (1974). The effect of pressure
on the phase diagram of mixed dipalmitoyl-dimyristoyl-phosphatidyl-
choline bilayers, Biochim. Biophys. Acta, 373, 141—144.
Vallentyne J. R. (1963). Environmental biophysics and microbial ubiquity, Ann.
N. Y. Acad. Sci., 108, 342—352.
van Diggelen ОГР., Oostrom H., Bosch L. (1971). Association products of native
and derived ribosomal subunits of E. coli and their stability during
centrifugation, FEBS Lett., 19, 115—120.
van Diggelen О. P., Oostrom H., Bosch L. (1973). The association of ribosomal
subunits of Escherichia coli 2. Two types of association products
differing in sensitivity to hydrostatic pressure during centrifugation, Eur.
J. Biochem., 39, 511—523.
van’t Hoff J. H. (1901). Vorlesungen uber theoretische und physikalische Chemie.
In: Chemische Dynamik, Vol. 1, 2nd ed., 236.
Walsby A. E. (1971). The pressure relationships of gas vacuoles, Proc. R. Soc.
B„ 178, 301—326. lx x,
Walsby A. E. (1972). Gas-filled structures providing buoyancy in photosynthetic
organisms. In: The Effects of Pressure on Living Organisms (Eds
M. A. Sleigh and A. G. Macdonald), pp. 233—250, Academic Press, New
York and London. . , ,. ,
Wampler E., Katz S. (1974). Threonine inhibition of the aspartokinase-homoserine
dehydrogenase-1 complex of Escherichia coli: Dilatometric studies, Biochim.
Biophys. Acta, 365, 414—417. ста
Weale К. E. (1967). Chemical Reactions at High Pressures, Spon, London.
Weida B., Gill S. J. (1966). Pressure effect on deoxyribonucleic acid transition,
Biochim. Biophys. Acta, 112, 179—181.
Повышенное давление
185
Wild J. R. (1976). Enhancement of base pair substitution induced by alkylating
mutagens in simulated hyperbaric diving environments, Mutat. Res. 38
259—270.
Wild J. R. (1977). Induction of staphylococcal 0-lactamase in response to low
concentrations of methicillin under simulated diving environments Can
J. Microbiol, 23, 116—121.
Willingham C. A., Quinby H. L. (1971). Effects of hyrdostatic pressures on
anaerobic corrosion of various metals and alloys by sulfate-reducing
marine bacteria, Dev. Ind. Microbiol., 12, 278—284.
Wills P. A. (1975). Inactivation of B. pumilus spores by combination hydrostatic
pressure-radiation treatment of parenteral solutions. In: Radiosterilization
of Medical Products, pp. 45—61, International Atomic Energy Agency,
Vienna. -
Wirsen C. 0., Jannasch H. W. (1975). Activity of marine psychrophilic bacteria
at elevated hydrostatic pressures and low temperatures, Mar. Biol., 31
201—208.
Yayanos A. A. (1975). Stimulatory effect of hydrostatic pressure on cell division
in cultures of Escherichia coli, Biochim. Biophys. Acta, 392, 271—275.
Yayanos A. A., Pollard E. C. (1969). A study of the effects of hydrostatic
pressure on macromolecular synthesis in Escherichia coli, Biophys. J., 9,
1446—1482.
Young P. G., Young A. D., Zimmerman A. M. (1972). Action of hydrostatic
pressure on sea urchin cilia, Biol. Bull., 143, 256—264.
Zimmerman A. M. (1970). High Pressure Effects on Cellular Processes, Acade-
mic Press, New York and London.
Zimmerman A. At. (1971). High-pressure studies in cell biology, Int. Rev. CytoL,
30, 1—47.
Zimmerman A. M., Laurence H. L. (1975). Induction of division synchrony in
Tetrahymena pyriformis. A pressure study, Exp. Cell Res., 90, 119—126.
Zimmerman A. M„ Rustad R. C. (1965). Effects of high pressure on pinocytosis
in Amoeba proteus, J. Cell Biol., 25, 397—400.
Zipp A., Kauzmann W. (1973). Pressure denaturation of metmyoglobin,
Biochemistry, 12, 4217—4228.
ZoBell С. E. (1956). Effects of temperature and pressure on microbial activity,
Bacteriol. Rev., 20, 262.
ZoBell С. E. (1958). Ecology of sulfate reducing bacteria, Prod. Month., 22,
12—29.
ZoBell С. E. (1964). Hydrostatic pressure as a factor affecting the activities of
marine microbes In: Recent Researches in the Fields of Hydrosphere,
Atmosphere and Nuclear Geochemistry, pp. 83—116, Maruzen, Tokyo .
ZoBell С. E. (1970). Pressure effects on morphology and life processes of
bacteria. In: High Pressure Effects on Cellular Processes (Ed. A. M. Zim-
merman), pp. 85—130, Academic Press, New York and London.
ZoBell С. E„ Cobet A. B. (1964). Filament formation by Escherichia coli at
increased hydrostatic pressures, J Bacteriol., 87, 710—719.
ZoBell С. E, Hittie L. L. (1967). Some effects of hyperbaric oxygenation on
bacteria at increased hydrostatic pressures, Can. J. Microbiol., 13, 1311—
1319.
ZoBell С. E., Hittie L. L. (1969). Deep-sea pressure effects on starch hydrolysis
by marine bacteria, J. Oceanogr. Soc., Japan, 25, 36—47.
ZoBell С. E„ Johnson F. H. (1949). The influence of hydrostatic pressure on the
growth and viability of terrestrial and marine bacteria, J. Bacteriol., 57,
179—189.
ZoBell С. E., Morita R. Y. (1957). Barophilic bacteria in some deep sea sediments,
J. Bacteriol., 73, 563—568.
ZoBell С. E., Oppenheimer С. H. (1950). Some effects of hydrostatic pressure
on the multiplication and morphology of marine bacteria, J. Bacteriol., 60,
771—781.
ГЛАВА 5
ЖИЗНЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ:
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
М. Тэнси, Т. Брок
(М. R. Tansey, Т. D. Brock, Indiana University, University
of Wisconsin)
i. ВВЕДЕНИЕ
Существует большое разнообразие естественных и антропо-
генных местообитаний с высокой температурой, в том числе дей-
ствующие вулканы (1000°С); фумаролы с сухим паром (до
500°С); кипящие или перегретые источники (от 93 до 101°С в за-
висимости от высоты над уровнем моря); некипящие горячие ис-
точники (температуры от близких к температуре кипения воды
до температуры окружающей среды); субстраты, нагреваемые
солнцем, такие, как почвы, различные подстилки, скалы (в за-
висимости от их цвета и теплоемкости температура достигает
60—70°С и выше); саморазогревающиеся материалы, богатые
органическим веществом: компостные кучи, выброшенные на бе-
рег скопления морских водорослей, угольные отвалы (темпера-
тура обычно до 70°С, а если происходит воспламенение, то и вы-
ше 100°С); воды, нагреваемые для домашних и промышленных
нужд (температура от 55 до 80°С, иногда выше); охлаждающие-
ся воды — отходы различных технологических процессов (от не-
сколько более теплых, чем окружающая среда, до кипящих);
паровые и конденсационные трубы в зданиях с паровым отопле-
нием (температура конденсата может достигать 60°С) и множе-
ство других. При соответствующих прочих условиях (pH, содер-
жание питательных веществ и т. д.) некоторые нефотосинтези-
рующие бактерии могут расти в большинстве биотопов с темпе-
ратурой ниже 90°С, а несколько видов — вплоть до температуры
кипения. Это не означает, что все бактерии могут размножаться
при высоких температурах, но разнообразие таких бактерий уди-
вительно велико.
Прокариоты-фотосинтетики (сине-зеленые водоросли и фото-
синтезирующие бактерии) не могут расти при таких высоких
температурах, как нефотосинтезирующие прокариоты, даже если
другие условия среды (pH, освещенность, содержание питатель-
ных веществ) благоприятны; верхний температурный предел для
фотосинтезирующих живых организмов составляет 70—73°С.
Верхний температурный предел для эукариотических микро-
организмов соответствует примерно 60—62°С (Tansey, Brock,
Высокие температуры: эко-логические аспекты
187
1972), причем при этой температуре могут расти лишь немного-
численные виды грибов. Верхние пределы для эукариотических
водорослей и простейших несколько ниже, а для многоклеточных
животных и высших растений еще ниже. Точные значения верх-
них температурных пределов для разных групп живых организ-
мов нельзя определить в связи с недостатком данных. Те значе-
ния, которые, по нашему мнению, основаны на достаточно убе-
дительных исследованиях, приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Верхние температурные пределы роста различных
групп микроорганизмов
Группа
Примерная
предельная
температура,
°C
Эукариотические микроорганизмы
Простейшие
Водоросли
Грибы
Прокариотические микроорганизмы
Сине-зеленые водоросли (цианобакте-
рии)
Фотосинтезирующие бактерии
Хемолитотрофиые бактерии
Гетеротрофные бактерии
56
55—60
60—62
70—73
70—73
>90
>90
В настоящем обзоре мы лишь кратко опишем прокариоти-
ческие микроорганизмы, живущие при высоких температурах, и
сосредоточим основное внимание на эукариотах. Прокариоты
детально рассматривались в обзорах последних лет (Brock, 1967,
1969, 1970; Castenholz, 1969, 1973; Williams, 1975), и, если не
считать открытия нескольких новых родов (Brock et al., 1972;
Derland et al., 1970) и более четкого экологического определения
понятия адаптации бактерий к температурам выше 90°С (Brock
ct al., 1971; Brock, Brock, 1971), главные выводы упомянутых
обзоров остаются в силе. Вместе с тем в последние годы не пуб-
ликовалось подробных обзоров по эукариотическим микроорга-
низмам, в частности по грибам; к настоящему времени получе-
но много новых данных, касающихся этих групп. Поэтому мы
сделаем упор на исследования, посвященные эукариотам, в осо-
бенности грибам.
188
Глава 5
Таблица 5.2
Прокариотические микроорганизмы, растущие при высоких температурах
Группа, род, вид Оптималь- ная темпе- ратура роста, °C Макси- мальная температу- ра роста, °C Примечания Источник данных
Сине-зеленые водорос- ли (цианобактерии) Chroococcales
Synechococcus lividus S. elongatus S. minervae Synechocystis aquati- lus Aphanocapsa thermalis Chamaesi phonales Pleurocapsa sp. Oscillatoriales Oscillatoria terebrifor- mis 0. amphibia 0. germinata 0. okenii Spirulina sp. Phormidium laminosum P. purpurasiens Symploca thermalis Nostocales Calothrit sp. Mastigocladus lamino- sus Фотосинтезирующие бактерии Chlorobiaceae 63—67 74 66—70 60 45—50 >55 52—54 53 57 55 >60 55—60 57—60 46—47 45—47 52—54 63—64 Один штамм (для других оптимум ниже) Meeks, Casten- holz, 1971 Castenholz, 1969 To же » » » »
Choloroflexus auran- tiacus Chromatiaceae 55 70—73 Bauld, Brock, 1973; Pierson, Casten- holz, 1974a
Chramatium sp. Нефотосинтезирующие бактерии Спорообразующие ви- ды 57—60 Только поле- вые наблюде- ния Castenholz, 1969
Высокие температуры: экологические аспекты
189
Продолжение
Группа, род, вид Baccillus acidocalda- rius В. coagulans Bacillus sp. Bacillus YT-P Bacillus YT-G B. thermocatenulatus B. stearothermophilus B. licheniformis B. pumilus B. macerans B. circulans B. laterosporus B. brevis B. subtilis B. sphaericus Clostridium thermosac- charolyticum C. thermohydrosulfu- ricum C. tartarivorum C. thermocellum C. thermoaceticum 5 C. thermocellulaseum 5 Оптималь* иая темпе- ратура роста, °C 60—65 37—45 55—60 72 80 50—65 55 60 5—60 5—60 Макси- мальная температу- ра роста, СС 70 60 70 82 85 78 70—75 50—55 45—50 40—50 35—50 35—50 40—60 55—70 J N Р Ч Р С т 55—70 в и л б л 67 '4—76 В в 67 68 Р ц 65 65 Т Примечания Ацидофил » Окисляет угле- зодороды Обладает про- теолитической активностью Требует под гверждения Лироко рас- аространена в Разнообразных 1 местах обита- аия Многие штам- 1ы утилизи- уют аромати- еские и гете- оциклические оединения, а акже спирты; екоторые 1 /гаммы утм- изируют кар- оновые кис- оты F 1 F осстанавли- Ь ает сульфиты 1 Т асщепляет Е еллюлозу 1 Т о же Источник данных Darland, Brock, 1971; Uchino, Doi, 1967 Belly, Brock, 1974; Fields, 1970; Gib- son, Gordon, 1974 Mateles et al., 1967 deinen, Heinen, 1972 deinen, 1971 ’оловачева'и др. r 1975 fields, 1970; Gib- >on, Gordon, 1974;. jordon et al., 973 jibson, Gordon,. 974 'о же » » » » Ulen, 1953 о же follaus, Sleytr, 972; Smith, lobbs, 1974 ollaus, Sleytr, 972 о же reed et al., 957 о же
190
Глава 5
Продолжение
Группа, род, вид Оптималь- ная темпе- ратура роста, °C Макси- мальная температу- ра роста, °C Примечания Источник данных
Clostridium sp. 60 75 Расщепляет Логинова и др.,
Clostridium sp. 50—75 целлюлозу Образует мае- 1966 Логинова и др.,
Clostridium (много 35—45 ляную кислоту Некоторые ви- 1962 Smith, Hobbss,
видов) Desulfotomaculum nig- 55 70 ды патогенны Восстанавли- 1974 Campbell, 1974;
rif leans Молочнокислые бакте- рии Streptococcus thermo- 40—45 50 вает сульфаты Hollaus, Klaush- ofer, 1973 Deibel, Seeley,
philus Lactobacillus thermo- 50—63 65 1974 Gaughran, 1947
philus Lactobacillus (Thermo- 40 52,5 Or la-Jensen, 1942
bacterium) bulgaricus Lactobacillus 30—40 53 Rogosa, 1974
Bifidobacterium ther- mophilum Актиномицеты Streptomyces fragmen- tosporus S. thermonitrificans S. thermoviolaceus 46,5 50—60 45—50 50 60 To же Henssen, 1969 Pridham, Tresner, 1974 To же
S. thermovulgaris Pseudonocardia ther- 40—50 60 60 Henssen, 1974
mophila Thermoactinomyces 60 70 Kflster, 1974
vulgaris T. sacchari 55—60 65 To же
T. candidus Thermomonospora cur- 50 60 65 Kurup et al., 1975 Manachini et al.,
vata T. viridis 50 60 1966 Kuster, 1974;
T. citrina 55—60 70—75 Manachini et al., 1966 Manachini et al.,
Microbispora thermo- diastatica M. aerata M. bispora Actinobifida dichoto- mica 50—58 55 55 60 1966 Cross, 1974 To же » »
Высокие температуры: экологические аспекты
191
Продолжение
Группа, род, вид Оптималь- ная темпе- ратура роста, CC Макси- мальная темпера- тура роста, °C Примечания Источник данных
A. chromogena 55—58 Cross, 1974
Micropolyspora caesia 28—45 55 То же
М. faeni 50 60 »
М. rectivirgula 45—55 65 »
М. rubrobrunea 45—55 65 »
М. thermovirida 40—50 57 »
М. viridinigra 45—55 65 »
Actinoplanes
Streptosporangium al- bum var. thermophi- lum Метанообразующие бактерии 50—55 70 Manachini et al., 1965
Methanobacterium thermoautotrophicum Бактерии, окисляю- щие серу 65—70 75 Zeikus, Wolfe, 1972
Thiobacillus thiooxi- dans 55 Ацидофил Fleirmans, Brock, 1972
Thiobacillus sp. 50 55—60 Williams, Hoare, 1972
T. thermophilica 55—60 80 Образует споры (сомнительный вид) Егорова, Дерюги- на, 1963
Sulfolobus acidocalda- rius Сульфатреду ци рующи e бактерии 70—75 85—90 Ацидофил Brock et al., 1972; Mosser et al., 1973
Desulfovibrio thermo- philus 65 85 Розанова, Худя- кова, 1974
Микоплазмы
Thermoplasma acido- philum Спирохеты Leptospira biflexa var. thermophila Метанокисляющие бактерии 59 65 54 Ацидофил Belly et al., 1973; Darland et al., 1970 H indie, 1932
Methylococcus capsu- latus 30—50 55 Leadbetter, 1974
192
Глава 5
Продолжение
Группа, род, вид Оптималь- ная тем- пература роста, °C Макси- мальная температу- ра роста, СС Примечания Источник данных
Псевдомонады Нydrogenotnonas ther- 50 60 McGee et al.,
mophilus Г рамотрицательные аэробы (группа без определенного ранга) Thermomicrobium го- 70—75 85 85 1967 Jackson et al.,
seam Thermits aquaticus 70 79 1973 Brock, Freeze,
Т. flavus 70—75 80 1969 Розанова, Худя-
Т. (Flavobacterium) 70 85 кова, 1974 Oshima, Imahori,
ikermophilus T. ruber 60 80 1974 Логинова, Егоро-
Thermus X-l 69—71 ва, 1975 Ramaley, Hixson, 1970
II. ПРОКАРИОТЫ
Разнообразие бактерий, которые удается культивировать
при высоких или относительно высоких температурах, достаточ-
но велико, хотя по мере повышения температуры число 'видов,
способных к росту, существенно уменьшается. В табл. 5.2 и 5.3
перечислены хорошо охарактеризованные роды и виды термо-
фильных бактерий. Необходимо сделать несколько замечаний к
этим таблицам; 1) мы не ручаемся за точность выделения всех
таксонов; 2) в результате дальнейших исследований может ока-
заться, что верхние температурные пределы для некоторых ви-
дов выше или ниже, чем указано; 3) представляется вероятным,
что приведены не все встречающиеся в природе термофильные
бактерии, так как планомерный поиск разных типов таких бак-
терий не проводился.
А. ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ ПРОКАРИОТЫ
Можно считать твердо установленным, что верхний темпера-
турный предел для фотосинтезирующих живых организмов ле-
жит в диапазоне 70—73°С. Этот вопрос обсуждался в некоторых
Высокие температуры: экологические аспекты
193
обзорах (Brock, 1967; Castenholz, 1969, 1973), а также в послед-
них работах по двум термофильным организмам — Synechococ-
cus lividus (цианобактерия) и Chloroflexus aurantiacus (фото-
синтезирующая бактерия; Meeks, Castenholz, 1971; Bauld, Brock,
1973; Pierson, Castenholz, 1974a, b). To, что фотосинтезирующие
организмы не могут существовать при температурах выше 70—
73°С, не получило объяснения на биохимическом уровне, однако
можно предполагать, что это обусловлено их неспособностью
к формированию функционально-активной фотосинтетической
мембранной системы. Поскольку по крайней мере один авто-
троф, а именно Sulfolobus acidocaldarius, способен к росту при
значительно более высоких температурах (см. ниже), темпера-
турочувствительное звено, по-видимому, не имеет отношения к
системе фиксации СОг.
Вывод о верхнем температурном пределе фотосинтеза осно-
ван главным образом на наблюдениях, сделанных в природе, а
не на исследованиях культур. Заключения о возникших в про-
цессе эволюции адаптациях к экстремальным температурам
окружающей среды нельзя считать вполне обоснованными, если
они базируются только на изучении культур в лаборатории, так
как культура, изолированная при определенных условиях, мо-
жет оказаться неспособной к росту при других, вероятно, менее
благоприятных условиях. Чтобы выявить параметры среды, пре-
дельные для данного организма, необходимо при помощи тща-
тельных полевых наблюдений определить, в каких условиях он
способен расти; если принять, что время существования вида
достаточно для развития адаптаций в процессе эволюции, то
следует считать, что неспособность организмов занять тот или
иной биотоп обусловлена физико-химическими ограничениями.
При определении верхнего температурного предела для эука-
риотических организмов мы опирались на те же положения
(Tansey, Brock, 1972; другой подход к определению верхнего
температурного предела развит в работе Mitchell, 1974). Место-
обитания сине-зеленых водорослей, у которых температурный
оптимум роста превышает 45°С, в умеренном и холодном климате
строго ограничены горячими источниками (или искусственно
нагреваемыми водами); однако в более теплых районах устой-
чивые популяции некоторых из этих видов могут возникать и в
других биотопах, таких, например, как водоемы национального
парка США Эверглейдс, где температура достигает 35—40°С
(Jackson, Castenholz, 1975).
Исходя из результатов обширных полевых исследований,
Фрели и Уигерт (Fraleigh, Wiegert, 1975) предложили недавно
модель, объясняющую динамику продуктивности популяций
термофильных сине-зеленых водорослей (цианобактерий). Об-
щая продуктивность, а также изменения биомассы и содержания
194
Глава 5
хлорофилла а регистрировались в процессе экологической сук-
цессии сообщества. Увеличение содержания хлорофилла а на
единицу биомассы в ходе сукцессии в термальных экосистемах
контрастировало с уменьшением концентрации хлорофилла а,
обнаруженным в других экосистемах. Эта модель сукцессии,
основанная на данных о плотности биомассы водорослей, кон-
центрации свободной СО2 в воде и долготе дня, была использо-
вана для предсказания прироста биомассы водорослей; пред-
сказания оказались в хорошем соответствии с результатами по-
левых определений увеличения биомассы в ходе сукцессии.
Б. ХЕМОЛИТОТРОФНЫЕ БАКТЕРИИ
Восстановленные соединения серы являются обычными ком-
понентами геотермальных мест обитания; поэтому обнаружение
термофильных микроорганизмов, окисляющих соединения серы,
не было неожиданностью. Два микроорганизма Thiobacillus thio-
oxidans и Sulfolobus acidocaldarius были найдены в кислой сре-
де (Fliermans, Brock, 1972; Brock et al., 1972). Sulfolobus — наи-
более термофильный автотроф, полученный в виде чистой куль-
туры: он способен к росту при температурах до 85—90°С. Описа-
но очень немного видов окисляющих серу термофильных бакте-
рий, способных к росту при значениях pH, близких к нейтраль-
ному. Спорообразующая термофильная бактерия, окисляющая
соединения серы, Thiobacillus thermophilica, была изолирована
Егоровой и Дерюгиной (1963). Бактерия Thiobacillus, выделен-
ная Уильямсом и Хором (Williams, Ноаге, 1972), росла только
при температурах ниже 60°С. Вряд ли подлежит сомнению, что
существуют и более термофильные тиобациллы (или другие
бактерии, окисляющие соединения серы), которые могут расти
при нейтральных значениях pH, поскольку кристаллы серы, об-
наруживаемые в источниках с температурой воды, близкой к
температуре кипения, часто бывают заселены множеством бак-
терий (Brock, неопубликованные данные); однако чистые куль-
туры этих организмов изолированы не были. Попытки выделить
серные бактерии, живущие при температурах свыше 90°С в ис-
точнике Боулдер-Спринг (Brock et al., 1971), были неудачными,
хотя экологические исследования четко продемонстрировали
способность этих бактерий функционировать при высоких тем-
пературах. Так, для фиксации СО2 бактериями из Боулдер-
Спринг необходимо присутствие сульфида, а температурный оп-
тимум для этого процесса составляет около 90°С. Работа с бак-
териями из источника Боулдер-Спринг была прекращена, после
того как был выделен Sulfolobus, поскольку этот микроорганизм
является намного более удобным объектом для экологических и
культурально-физиологических исследований (Mosser et al.,
Высокие температуры: экологические аспекты
195
1973; Brock et al., 1972; Shivvers, Brock 1973; Mosser et al., 1974a;
Mosser et al., 1974b; Bohlool, Brock, 1974; Mosser et al., 1974;
Brock, Mosser, 1975). Природные популяции Sulfolobus окисля-
ют также закисное железо, причем температурный оптимум это-
го процесса близок к таковому для окисления элементарной се-
ры (Brock et al., 1976).
В. МЕТАНОБРАЗУЮЩИЕ БАКТЕРИИ
Метанобразующие термофилы легко могут быть выделены, в
частности, из отстоев сточных вод (Zeikus, Wolfe, 1972); они вхо-
дят также в состав пленки, образуемой водорослями в горячих
источниках (Zeikus, личное сообщение). Эти бактерии способны
существовать как полные хемолитотрофы и представляют собой,
несомненно, интересный объект для эволюционных исследо-
ваний.
Г. НЕФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ
Именно нефотосинтезирующие бактерии были использованы
в большинстве проведенных микробиологических исследований,
так как они имеют потенциальное промышленное значение. Хотя
четко показано, что некоторые бактерии способны к интенсивно-
му росту даже в кипящей воде (Bott, Brock, 1969; Brock et al.,
1971; Brock, Brock, 1971; Brock, 1967), в виде чистых культур
были получены только организмы, растущие при несколько бо-
лее низких температурах. Самая высокая температура, при ко-
торой оказалось возможным воспроизводимо получать и поддер-
живать бактериальную культуру, составляла около 85°С (Brock
et al., 1972; Heinen, 1971). Неизвестно, почему не удается куль-
тивировать бактерии из кипящих вод, но причина может быть
весьма тривиальной. В лаборатории очень трудно получить при
температуре кипения воды проточную аэрируемую систему, в ко-
торой не происходило бы испарения; между тем в природе эти
организмы обитают именно в таких условиях.
Хотя за последнее время опубликовано большое число работ
по ферментам термофильных гетеротрофных бактерий, их эколо-
гия исследовалась мало. Род Thermits, описанный Броком и Фри-
зом (Brock, Freeze, 1969) как первая неспорообразующая
экстремально-термофильная бактерия, был затем выделен ря-
дом исследователей, описавших несколько новых видов
(табл. 5.2). В воде большинства горячих источников, вероятно,
содержатся небольшие количества органических веществ, поэто-
му популяции бактерий могут существовать и в отсутствие вос-
становленных соединений серы. Попытки культивировать гете-
ротрофные бактерии при 90°С до сих пор заканчивались
196
Глава 5
Таблица 5.3
Верхние температурные пределы роста для представителей
разных родов нефотосинтезирующих бактерий1)
Род, вид Максимальная температура роста, °C Род, вид Максимальная температура роста, °C
Нейтральные значения pH Streptomyces 60
Pseudo nocardia 60
Microbispora 60
Thermomtcrobium 85 Hydrogenomonas 60
Thermits 85 Leptospira 54
Bacillus 82 Lactobacillus 53
Bacillus stearothermophi- 75
lus Methanobacterium 75 Кислые значения pH
T hermom nnospora 70—75
Clostridium Desulfotomaculum Therm oactinom yces Streptosporangium Mtcropolyspora 74—76 70 70 70 65 Sulfolobus Bacillus acidocaldarius Thiobacillus Thermoplasma 85—90 70 55 59
1) Подробности и источники данных см. в табл. 5.2.
неудачей, несмотря на то что по крайней мере в одном источнике
(источник А в Йеллоустонском парке, США) температурный
оптимум устойчивой бактериальной популяции близок к 90°С
(Brock, Brock, 1971). Сине-зеленые водоросли (цианобактерии),
способные расти и образовывать пленки при температурах 70°С
и ниже, выделяют органические вещества в таких количествах,
которые достаточны для поддержания роста некоторых гетеро-
трофных бактерий (Bauld, Brock, 1974), в результате чего фор-
мируется разнообразная, хотя и мало изученная, гетеротрофная
микрофлора. Микроскопическое исследование пленок сине-зеле-
ных водорослей позволило выявить, кроме самих водорослей,
преимущественно грамотрицательные палочки, сходные с Ther-
mits aqu.ati.cus-, этот организм легко получить в виде накопитель-
ной культуры, инкубируя такие пленки при 70°С (Brock, Freeze,
1969). Интересно отметить, что повсеместно распространенную
термофильную бактерию Bacillus stearothermophilus почти ни-
когда не удается обнаруживать в накопительных культурах, по-
лученных при 70°С, однако если обогащение проводится при
55°С, то этот организм постоянно выделяют из тех же самых
пленок (Brock, неопубликованные наблюдения).
Множество других термофильных гетеротрофов, как аэроб-
ных, так и анаэробных, перечислены в табл. 52 и 5.3. Четко про-
демонстрирована роль актиномицетов в саморазогревании сена
и компоста; этот вопрос рассматривается в разделе о грибах.
Высокие температуры: экологические аспекты
197
IIL ЭУКАРИОТЫ
А. ГРИБЫ
1. Введение
Около 67 видов и разновидностей истинных грибов способны
расти при температурах 50°С и выше (табл. 5.4). Эти немногие
таксономически различные организмы выделяются среди
50 000 видов грибов (Ainsworth, 1968) рядом общих экологиче-
ских характеристик, отражающих их способность к росту при
высоких температурах. Вслед за Куни и Эмерсоном (Cooney,
Emerson, 1964) мы будем рассматривать в качестве термофилов
грибы, имеющие максимальную температуру роста не ниже
50°С, а минимальную не ниже 20°С. Термотолерантными мы бу-
дем называть грибы, для которых максимальная температура
роста также близка к 50°С, но минимальная — существенно ни-
же 20°С. Альтернативная терминология для обозначения грибов,
растущих при высоких температурах, обсуждается в ряде работ
(Crisan, 1959, 1964; Cooney, Emerson, 1964; Emerson, 1968; Api-
nis, 1963a). Число таких грибов, принадлежащих к известным
видам, стремительно возрастает, и эта тенденция, по-видимому,
сохранится и в дальнейшем благодаря определению темпера-
турных пределов роста для уже известных видов и в особенности
благодаря обнаружению новых видов все увеличивающимся чис-
лом исследователей, занятых их планомерным поиском. Колеба-
ния кардинальных температур роста — обычное явление, по-
скольку эти характеристики нередко зависят от химического
состава среды и от истории культуры (Fergus, 1964; Mahoney,
1972; Christensen, 1957; Prodromou, Chapman, 1974; Tendler et
al., 1967; Tansey, неопубликованные данные; Streets, Ingle,
1972). Однако резких сдвигов кардинальных температур роста,
обусловленных изменениями химического состава среды, для
термотолерантных или термофильных грибов до сих пор не
наблюдалось.
Основной проблемой при интерпретации опубликованных
данных по экологии термотолерантных и термофильных грибов
часто является неполная или неточная идентификация таксонов.
Важные в экологическом отношении свойства, такие, как карди-
нальные температуры роста и способность разлагать определен-
ные субстраты, могут существенно различаться у неотличимых
по морфологическим и культуральным признакам видов. Эти
трудности усугубляются неупорядоченностью таксономии и но-
менклатуры многих групп, значительными и часто не распозна-
ваемыми изменениями штаммов одного и того же вида и быст-
рым ростом числа новых таксонов. Прогрессу в изучении
экологии этих грибов способствовало бы добавление к биноми-
Г98
Глава 5
Таблица 5.4
Термотолерантные и термофильные грибы и кардинальные
температуры нх роста
Организм, источник данных1) Кардинальная температура роста, °C
минимальная оптимальная максимальная
Zygomycetes Absidia cotymbifera (Cohn) Sacc. and 14 40 50
Trott. Mortierella turficola (Hayes, 1969) 25 47 55
Mucor miehei Cooney and Emerson 24—25 35—45 55—57
M. pusillus Lindt 20—27 35—55 55—60
Mucor sp. I 25 45 56
Mucor sp. II 25 42—45 55
Rhizomucor sp. 25—30 45—53 60—61
Rhizopus arrhizus (Nilsson, 1973b) >15 40—45 55
Rhizopus cohnii Berl. and de Toni 10 42 55
R, microsporus v. Tiegh 12 40 50
Rhizopus sp. I 16 40—45 55
Rhizopus sp. II 16 40 50
Rhizopus sp. Ill 28 48—50 60
Rhizopur sp. A2) 25 45—52 60
Ascomycetes Allescheria ierrestris Apinis stat, conid. 22 42—45 55
Cephalosporium sp. Byssochlamys verrucosa Samson and 15 40 55
Tansey stat, conid. Paecilomyces (Sam- son, Tansey, 1975) Chaetomium britannicum Ames3) C. thermophile La Touche 25—27 50 58—61
C. thermophile var. coprophile Cooney 25—28 45—55 58—60
and Emerson C. thermophile var. dissitum Cooney 25—28 45—50 58—60
and Emerson C. virginicum Ames3) Chaetomium sp. A. 14 40 50
Chaetonium sp. (Eicker, 1972) >20 40—43 >50
Emericella nidulans stat, conid Asper- 10 35—37 51
gillus (Evans, 1971b; Sad7, 1966) Hansenula polymorpha (Levine, Cooney, — 37—42 50
1973; Cooney et al., 1975 a, b) Myriococcum albomyces Cooney and 25—26 37—45 55—57
Emerson [ =Melanocarpus albomyces (Cooney and Emerson) v. Arx, (v. Arx, 1975)] Sphaerospora saccata Evans 12 35—42 50
*) Наименования приведенных таксонов соответствуют ранее опубликованным; данные,
источник которых неуказан, взяты нз работы Crisan (1973). Значения температур в виде
диапазонов взяты из работ разных авторов нли представлены в такой форме в оригинальных
публикациях.
«) Описание и сравнение термофильных видов рода Rhizopus см., Yamamoto (1930а, Ь).
•) Кардинальные температуры роста ие определились, но, по некоторым данным, организм
способен расти при 50°С или при более высокой температуре.
Высокие температуры: экологические аспекты
199
Продолжение
Организм, источник данных Кардинальная температура роста, °C
минимальная оптимальная максимальная
Talaromyces byssochlamydoid.es Stolk -25 40—45 >50
and Samson stat, conid. Paecilomyces (Stolk, Samson, 1972; Samson, 1974) T. emersonii Stolk stat, conid. Peni- 25—30 40—45 55—60
cillium T. leycettanus Evans and Stolk stat. 18 42 55
conid. Penicillium T. thermophilus Stolk stat, conid. 25—30 45—50 57—60
Penicillium Thermoascus aurantiacus Miehe 20—35 40—46 55-62
T. crustaceus (Apinis and Chesters) 20 37 55
Stolk stat, conid. Paecilomyces T. thermophilus (Sopp) v. Arx stat. >20 >50
conid. Polypaecilum (Arx, 1970) Thielavia australiensis Tansey and Jack 20 >50
stat, conid. Chrysosporium (Tansey, Jack, 1975) T. thermophila Fergus and Sindenstat. 20 45 56
conid. Sporotrichum (= Chrysosporium fergusii von Klopotek, 1974) Thielavia sp. A. 16 40 52
Basidiomycetes Coprinus sp. -20 -45 55
Phanerochaete chrysosporium Burds. <12 36—40 50
(Burdsall, Eslyn, 1974)4) Deuteromycetes Acremoniun alabamensis Morgan-Jones <25 >50
(Morgan-Jones, 1974) Acrophialophora fusispora (Saksena) Samson Aspergillus candidus (Christensen, 14 40 50
10—15 45—50 50—55
1957; Christensen, Kaufman, 1974) A. fumigatus Fres. 12—20 37—43 52—55
Calcarisporium thermophile Evans 16 40 50
(= Calcarisporiella thermophila (Fergus) de Hoog (Hoog, 1974) Cephalosporium (Mills, Eggins, 1970; — — >50
Brown et al., 1974) Chrysosporium sp. А (см. также Basi- 25 40—45 55
diomycetes Humicola grisea var. thermoidea Cooney 20—24 38—46 55—56
and Emerson H. insolens Cooney and Emerson 20—23 35—45 55
H. lanyginosa (Griff, and Maubl.) Bunce H. stellata Bunce 28—30 45—55 60
<24 40 50
200
Глава 5
Продолжение
Организм, источник данных Кардинальная температура роста, °C
минимальная оптимальная максимальная
Malbranchea pulchella var sulfurea (Miehe) Cooney and Emerson 25—30 45—46 53—57
Paecilomyces puntonii (Vuillemin) Nann- feldt (Eicker, 1972) >30 — >50
P. variotli Bainier (Samson, 1974) -5 35—40 ~50
Paecilomyces spp. Group b, 7 штаммов <30 45—50 55—60
Paecilomyces spp. Group c, 6 штаммов Paecilomyces spp. Group d, 4 штамма <30 45—50 55—60
<30 45—50 55—60
Penicillium argillaceum Stolk, Evans and Nilsson (Stolk et al., 1969; Mino- ura et al., 1973a; Evans, 1971b) ~15 ~35 -50
Penicillium sp. A 20 42 55
Penicillium sp. (Eicker, 1972) >20 -45 >50
Scolecobasidium sp. A (= Diplorhi- notrichum gallopavum W. B. Cooke) (= Dactylaria gallopava (W. B. Cooke) Bhatt and Kendrick) 14—16 40 50—52
Sporotrichum thermophile Apinis (= Chrysosporium thermophilum (Api- nis) von Klopotek, 1974)4> 18—24 40—50 55
Stilbella thermophila Fergus ~25 35—50 —55
Thermomyces ibadanensis Apinis and Eggins 31-35 42—47 60—61
Torula thermophila Cooney and Emerson 23 35—45 58
Torulopsis Candida (Андрусенко, Ла- хонина, 1969) Tritirachium sp. A (= Nodulisporium cylindroconium de Hoog, (Hoog, 1973) Mycelia sterilia — <36—37 >50
16 40 55
Burgoa —Papulaspora sp. (Tansey, 1973) <20 — 53
Papulaspora thermophila Fergus 29—30 -45 52
4) Неясно, сколько надежных таксонов включают организмы, описанные разными автора-
ми как Sporotrichum pulverulentum, S. pruinosum, Sporotrichum sp., Chrysosporium ligno-
rum C. pruinosum, Chrysosporium sp., Ptychogaster и, недавно, P lansrochaete chrysosporum.
Статус этих таксонов обсуждается в ряде работ (Hofsten, Hofsten, 1974; Eriksson, Rze-
dowsKi, 1969; Smith, Ofosu-Asiedu, 1972; Shields, 1969b: Bergman, Nilsson, 1971; Sememuk,
Charmtchael, 1966; Klopotek, 1974 Eriksson, Petersson, 1975; Burdsall, Esyln, 1974).
нальному названию таксона фамилии автора, которому принад-
лежит принятое определение данного таксона, а также тщатель-
ный подбор, учет и депонирование в коллекциях культур
репрезентативных изолятов.
Высокие температуры: экологические аспекты
201
2. Места обитания
Имеется много данных о том, что термотолерантные и термо-
фильные грибы встречаются в компосте, стогах сена, хранящем-
ся зерне, кучах древесных стружек, т. е. в материалах, способ-
ных к саморазогреванию вплоть до спонтанного воспламенения.
Считается, что в каждом случае грибы вносят существенный
вклад в процесс саморазогревания. За сравнительно короткий
период, прошедший со времени опубликования монографии Ку-
ни и Эмерсона (Cooney, Emerson, 1964) о термофильных грибах,
появилось много работ, в которых описываются термотолерант-
ные и термофильные грибы, обнаруженные в самых различных
биотопах. Стимулом для таких исследований стало понимание
того, что места обитания с высокой температурой могут быть
населены популяциями грибов, которые, возможно, частично от-
ветственны за разогревание и биологическую порчу различных
материалов. Эти популяции могут также включать образующие
токсины или патогенные виды.
Если обогащение и выделение чистых культур проводились
при повышенных температурах, которые были значительно ни-
же 50°С, то обычно выявлялось несколько термотолерантных и
совсем немного термофильных видов; чем ближе к 50°С поддер-
живалась температура, тем больше была доля термофилов сре-
ди изолированных видов. В таких исследованиях редко удава-
лось получить строгое доказательство того, что обнаруженные
грибы действительно растут в изучаемых высокотемпературных
местах обитания. Однако если представлены количественные
данные о числе жизнеспособных клеток (колониеобразующих
единиц) каждого вида, а сами виды точно идентифицированы,
то иногда оказывается возможным сделать вывод, что рост дей-
ствительно происходит и сопровождается повышением темпера-
туры и биологической порчей материалов.
Рискованно было бы утверждать, что термотолерантные и
термофильные грибы оптимально приспособлены к росту при
высоких температурах вне лабораторных чистых культур. Обыч-
но такие грибы искали в высокотемпературных биотопах; поэто-
му подавляющее большинство данных о встречаемости и воз-
можном росте этих грибов получено именно для подобных
биотопов. Сравнительные данные о грибах, растущих в низко-
температурных биотопах, немногочисленны, особенно для термо-
фильных видов. Тем не менее результаты, о которых рассказано
ниже, поддерживают представление о том, что грибы, способные
расти в чистой культуре при высокой температуре, и прежде
всего термофильные грибы, для которых высокая температура
является обязательным условием роста, растут в сходных уело-
202
Глава 5
виях в естественных и антропогенных биотопах и что эта способ-
ность составляет их важнейшую характеристику.
Чтобы показать, что условия, подходящие для роста грибов
при высоких температурах, обычны, широко распространены и
устойчивы вО времени, мы опишем биотопы, в которых обнару-
живаются термофильные грибы; в большинстве цитируемых ра-
бот были найдены также термотолерантные грибы. В нашем
обзоре наиболее подробно будут рассмотрены работы, опубли-
кованные после выхода в свет книги Куни и Эмерсона (Cooney,
Emerson, 1964). Куни и Эмерсон сделали обзор ранних исследо-
ваний и представили новые данные о встречаемости термофиль-
ных грибов. Среди рассмотренных биотопов были почва, выма-
чиваемая гваюла, трава, сено, садовый компост, навоз, гниющая
листва, грибной компост, помет травоядных животных, семена и
шелуха какао, солома, зерно, гнездовой материал птиц, организ-
мы теплокровных животных, слизь с бумажных фабрик, город-
ские отбросы, пыль от гниющего сена. В каждом из этих биото-
пов субстрат способен к саморазогреванию или происходит из
саморазогревающегося материала. В качестве источников для
выделения грибов служили также картон, веревки, дерево и не-
нагреваемые растительные остатки.
а. Компосты. Описание Фергюсом (Fergus, 1964) выделенных
из грибного компоста термофильных и термотолерантных грибов
и актиномицетов, а также опубликованная в том же году моно-
графия Куни и Эмерсона вызвали повышенный интерес к изуче-
нию термофильных грибов. Эти публикации привлекли внимание
ряда исследователей к присутствию и возможной деятельности
термофильных грибов в компостах и других разогревающихся
органических материалах и предоставили информацию, необхо-
димую для выделения и идентификации таких грибов. Куни и
Эмерсон (Cooney, Emerson, 1964) дают обзор ранней литерату-
ры, посвященной участию термотолерантных и термофильных
грибов в образовании компоста, особенно большое место отведя
в нем важным работам Ваксмана и его сотрудников, доказываю-
щим микробиологическую природу процесса образования ком-
поста.
Культивируемый гриб Agaricus bisporus выращивают на ком-
посте, который традиционно получают из смеси соломы и кон-
ского навоза, часто с добавлением кукурузных кочерыжек.
В качестве ингредиентов компоста для выращивания грибов
применяются также городские отбросы (Gerrits, 1974; Franz,
1972). Приготовление грибного компоста подразделяется обыч-
но на две стадии: первая из них осуществляется на открытом
воздухе, в кучах, а вторая — в помещении в деревянных подно-
сах, корытах и т. п., содержимое которых затем инокулируют
Высокие температуры: экологические аспекты
203
мицелием A. bisporus. Хотя саморазогревание происходит на
обеих стадиях, на второй стадии часто применяется нагревание
паром для лучшего контроля за температурой. На первой стадии
для получения максимально продуктивного компоста необходи-
мо поддерживать температуру 70—80°С. Должны быть созданы
также аэробные условия; для этого компост обычно складывают
в кучи с небольшим поперечным сечением и постоянно его пере-
ворачивают. На второй стадии поддерживается температура
50—60°С. Процедура приготовления варьирует, но принцип и
цель всегда одни и те же: с помощью микроорганизмов неселек-
тивный субстрат превращается в селективный, пригодный для
роста и плодоношения A. bisporus. Нагревание пастеризует ком-
пост, убивая большинство контаминирующих насекомых и гри-
бов. В этом процессе утилизируются преимущественно простые
углеводы, в то время как значительная часть более сложных
соединений (целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин), которые
могут служить субстратом для роста A. bisporus, сохраняется.
Присутствие растворимых углеводов на конечной стадии обра-
зования компоста нежелательно, так как они, по-видимому, спо-
собствуют появлению конкурирующих грибов (Hayes, Randle,
1968).
Фергюс (Fergus, 1964) впервые выделил термофильные гри-
бы из грибного компоста на второй стадии разогревания. Эта
работа и последующие исследования (Fergus, Sinden, 1969; Fer-
gus, 1971) показали, что грибной компост представляет собой
богатый источник термофильных грибов, и выявили несколько
интересных новых видов. Термофильные грибы, выделенные из
грибного компоста, описываются также в ряде других работ
(Wood, 1955; Cooney, Emerson, 1964; Craveri et al., 1966; Evans,
1968; Lohr, Olsen, 1969; Stolk, Samson, 1972).
Численность популяций термофильных микроорганизмов, в
том числе грибов, во время образования компоста и позже в пе-
риод роста и плодоношения A. bisporus, определялась в несколь-
ких работах (Hayes, Randle, 1968; Hayes, 1969; Fordyce, 1970;
Cailleux, 1973; Stan k, 1972). Показано, что в процессе образо-
вания компоста формируется высокоупорядоченная, изменяю-
щаяся во времени популяция микроорганизмов (Hayes, 1969).
При использовании обычной смеси пшеничной соломы и конско-
го навоза повышение и последующее понижение температуры в
первой фазе образования компоста сопровождалось соответст-
вующими изменениями количества термофильных бактерий, но
не актиномицетов и грибов. На второй стадии наиболее много-
численными из микроорганизмов были актиномицеты. Добавле-
ние к компостной смеси сахарозы (~ 14 кг на 1 т смеси на седь-
мой день) приводило к уменьшению числа термофильных
актиномицетов и к увеличению числа термофильных бактерий и
204
Глава 5
колониеобразующих единиц термотолерантного гриба Aspergil-
lus fumigatus. Более высокая продуктивность шампиньонов, вы-
ращенных на компосте, приготовленном с добавлением сахаро-
зы, может быть связана либо с сохранением питательных
веществ, в том числе целлюлозы, важных для плодоношения
Agaricus bisporus (Hayes, Randle, 1968), либо с усиленным рос-
том термофильных бактерий (Hayes, 1969; Chanter, Spencer,
1974). Эти бактерии обладают меньшей способностью разлагать
целлюлозу, чем грибы и актиномицеты, характеризующиеся та-
кой же термотолерантностью; кроме того, отмершие клетки этих
бактерий могут быть источником факторов роста, потребляемых
растущим мицелием A. bisporus. Во время образования компоста
растворимые азотистые соединения переходят в нераствори-
мые— частично в форме азотсодержащих компонентов термо-
фильных микроорганизмов; растущий мицелий A. bisporus ис-
пользует затем этот источник азота (Gerrits et aL, 1967).
Приготовление грибного компоста дает возможность прово-
дить различные эксперименты с популяциями термофильных
микроорганизмов. Это может привести к лучшему пониманию
роли термофильных грибов в процессе образования компоста, в
том числе их взаимодействия между собой и влияния на мезо-
фильный A. bisporus (Renard, Cailleux, 1973). Подобные иссле-
дования стимулируются также тем, что повышение качества
компоста имеет практическое значение. Наиболее рациональный
экспериментальный подход — это варьирование физико-химиче-
ских свойств субстрата (San Antonio, 1966; Hayes, Randle, 1968;
Hayes, 1969; Gerrits, 1970, 1972). Кроме того, смеси для приго-
товления компоста инокулируют популяциями одного или не-
скольких видов термофильных грибов или бактерий (Pope et aL,
1962; Townsley, 1974); результаты свидетельствуют о том, что
таким способом можно достигнуть определенных преимуществ
(повышение продуктивности грибов, сокращение времени обра-
зования компоста и предотвращение инвазии нежелательными
видами).
Полезные обзоры принципов и практических приемов полу-
чения компостов из отходов сельского и городского хозяйств
содержатся в двух работах (Poincelot, 1972, 1974). Основное
внимание в них уделяется роли термофильных микроорганизмов,
в частности грибов, в процессах нагревания и разложения мате-
риалов, входящих в состав компоста. В статье 1974 г. подчерки-
вается, что лимитирующим фактором в образовании компоста
является длительность этого процесса при высоком содержании
целлюлозы в компостируемом материале, что имеет место во
многих случаях. Предполагается, что способность некоторых
видов микроорганизмов к синтезу целлюлазы подавлена вслед-
ствие их взаимодействия с другими видами, но что эта способ-
Высокие температуры: экологические аспекты
205
иость может быть восстановлена путем направленного измене-
ния состава микробной популяции. При приготовлении компоста
цель состоит в максимально быстром получении не имеющего
запаха, пастеризованного нагреванием материала, который ста-
билизирован в биологическом отношении и претерпевает лишь
медленное разложение, поскольку содержание в нем питатель-
ных веществ, легко используемых большинством микроорганиз-
мов, существенно снижено (в результате минерализации).
Отбросы городского хозяйства содержат пластмассы, не раз-
лагающиеся в процессе образования компоста. Было обнаруже-
но (Mills et al., 1971; Eggins et al., 1971; Mills, Eggins, 1974),
что многие термофильные грибы способны расти, используя в
качестве единственного источника углерода разнообразные пла-
стмассы. Чтобы найти способ превращения пластмасс в белок,
было проведено исследование их химического разложения с по-
следующим сбраживанием (Brown et aL, 1974; Mills, Eggins,
1970); показано, что в результате химического окисления поли-
этилена образуются соединения, которые могут быть использо-
ваны несколькими видами термофильных грибов в качестве ис-
точников углерода. Изучалась также возможность превращения
отбросов целлюлозы в белок микроорганизмов с помощью тер-
мофильных грибов (Eriksson, Larsson, 1975; Barnes et al., 1972).
Многие виды термофильных грибов обладают высокой целлю-
лазной активностью (Fergus, 1969; Almin et al., 1975; Romanelli
et al., 1975; Tansey, 1971b; Malik, Eggins, 1972; Chapman et al.,
1975; Knosel, 1972; Stutzenberger et al., 1970; Eriksson, Petersson,
1975), а некоторые способны расщеплять лигнин (Eslin et al.,
1975; Tansey et al., 1977). Термофильные грибы служат также
хорошими источниками ксиланазы (Matsuo et al., 1975).
Поучительные работы Чанга (Chang, 1967 )и Чанга и Хадсо-
на (Chang, Hudson, 1967), посвященные исследованию термо-
фильных микроорганизмов в экспериментальном компосте из
пшеничной соломы, показали, что вначале в компостируемом
материале содержалась обширная популяция мезофильных гри-
бов и значительно более бедная популяция термофильных.
Во внутренней части компоста обе эти популяции в период
максимального нагревания погибали, но численность термофиль-
ной популяции в компосте в целом стремительно возрастала пос-
ле того, как устанавливалась постоянная температура выше 50°С,
и сохранялась после остывания компоста. Изучение популяций
мезофильных и термофильных грибов, бактерий и актиномицетов
выявило, что в начальной фазе нагревание компоста до темпе-
ратуры около 40°С обеспечивалось активностью мезофилов, пос-
ле чего их рост подавлялся и начинался быстрый рост термофи-
лов. При температуре выше 60°С термофильные грибы утрачивали
активность и дальнейшая микробиологическая теплопродукция
206
Глава 5
была обусловлена исключительно деятельностью бактерий и
актиномицетов.
Различные виды грибов в образцах, взятых из внутренней
части компоста, появляются обычно в определенной последова-
тельности. Способность использовать сложные соединения в ка-
честве источников углерода и способность размножаться при
высоких температурах — две важнейшие характеристики грибов,
последовательно заселяющих компост. Очередность появления
отдельных видов зависит от их конкретных температур роста и
от того, какие источники питания они могут использовать. На-
пример, термофильный Mucor pusillus встречается лишь в ран-
нем периоде образования компоста. Он может утилизировать
только простые соединения углерода, но не целлюлозу или геми-
целлюлозу (Somkuti, 1974); то, что Mucor pusillus не может
повторно заселять компост по окончании периода высоких тем-
ператур, убивающих грибы, связано, очевидно, с отсутствием
подходящих источников углерода. Не разлагающий целлюлозу
термофил Humicola lanuginosa тем не менее сохраняется — ве-
роятно, благодаря своей способности сосуществовать с другими
грибами в качестве комменсала (Hedger, Hudson, 1974).
Способность (или неспособность) термофильных грибов пе-
реносить высокие температуры, возникающие обычно в компо-
стах, представляет существенный интерес, особенно в случае
грибного компоста, в котором возобновление их роста может
быть вредным. Показано (Fergus, Amelung, 1971), что термо-
фильные грибы, которые выращивались на компосте в течение
42 ч (при этом воспроизводились некоторые стадии приготовле-
ния грибного компоста), не переносили последующей инкубации
при обычных для компостов температурах. За короткий период
роста многие виды не успевали сформировать споры, для образо-
вания которых необходим половой процесс и которые, вероятно,
являются более устойчивыми, чем споры, возникающие бесполым
путем. Изучение терморезистентности зрелых половых спор по-
могло бы интерпретировать данные о встречаемости и актив-
ности этих грибов в самых различных биотопах, в том числе в
нагретых солнцем почвах. Необходимы сведения о выживаемос-
ти спор в условиях меняющихся температурных режимов, а так-
же при разных значениях относительной влажности (Celerin,
Fergus, 1971). Экзоферменты термофильных грибов, в том числе
целлюлазы, стабильны и активны при более высоких температу-
рах, чем те, которые могут переносить вегетативные клетки и
некоторые споры; поэтому ферментативные реакции в компостах
могут продолжаться и за порогом термоустойчивости грибов
(Knosel, Resz, 1973). Помимо работ, рассмотренных в обзоре
Куни и Эмерсона (Cooney, Emerson, 1964), термофильным гри-
бам в компостах посвящен также ряд других сообщений (Lohr,
Высокие температуры: экологические аспекты
207
Olsen, 1969; Awao, Otsuka, 1974; Arima et al., 1972; Bai, Rao,
1966; Evans, 1968; Hedger, 1974; Hashimoto et aL, 1972; Stolk,
1965; Hedger, Hudson, 1970; Stolk, Samson, 1972; Okazaki, lizuka,
1970; Maheshwari, 1968, Eriksen, 1974; Klopotek, 1974; Kane,
Mullins, 1973; Taha et al, 1968, Malik, Sandhu, 1973; Gray, 1970).
Таким образом, из горячих компостов можно выделить термо-
фильные грибы. Кучи компоста, образовавшегося из домашних
отбросов, — удобный источник богатых термофилами инокуля-
тов для получения накопительных культур термофильных гри-
бов, обладающих интересующими исследователя свойствами
(Tansey, неопубликованные данные). Различные виды грибов
обычно (хотя и не всегда) появляются в определенной последо-
вательности. Высокая температура, закисление среды и низкий
уровень О2 могут лимитировать рост термофильных грибов в
компостах. Для 12 обычных видов термофильных грибов были
определены пороговые концентрации кислорода, при которых
происходил поддающийся измерению рост этих грибов в чистой
культуре (Deploey, 1970; Deploey, Fergus, 1975). У нескольких
видов наблюдался заметный рост при низких концентрациях О2
(0,2—0,3%); для четырех видов был зарегистрирован следовой
рост при 0,05% О2 (см. также Kane, Mullins, 1973).
Обсуждение полезной активности термофильных грибов в
компостах было бы неполным без упоминания процесса вымачи-
вания гваюлы, рассматриваемого в обзоре Куни и Эмерсона
(Cooney, Emerson, 1964). Кустарник гваюла (Parthenium argen-
taturn) был дополнительным источником резины для США во
время второй мировой войны. Качество латекса улучшают
путем вымачивания растений (микробиологическое разложение
растительных материалов, в том числе смол), в результате чего
резина приобретает более высокую прочность на разрыв. Про-
цесс вымачивания аналогичен образованию компоста, и из вы-
мачиваемого материала было выделено несколько видов термо-
фильных грибов, способных разлагать смолы. Возможно, будут
разработаны и другие процедуры, с помощью которых удастся
без привлечения сложной технологии и значительных материаль-
ных затрат использовать специфические микробиологические
процессы, которые происходят во время ферментаций, протекаю-
щих с выделением тепла, для осуществления химических пре-
вращений.
б. Хранящееся сено. Интерес к той роли, которую играют
микроорганизмы в спонтанном разогревании и воспламенении
сена при хранении, стимулировал первые детальные исследова-
ния термофильных грибов (Miehe, 1907; Cooney, Emerson, 1964).
В дальнейшем изучение данного вопроса сводилось в основном
к определению факторов, влияющих на процесс нагрева, иденти-
208
Глава 5
фикации и подсчету видов микроорганизмов, обнаруженных на
разных стадиях этого процесса, а также соотнесению таких ви-
дов со случаями заболеваний человека и животных и появлени-
ем соответствующих антигенов. В первые несколько дней хра-
нения влажное сено спонтанно нагревается. Показано, что мак-
симальная температура в спрессованном сене, содержащем
вначале 40—60% воды, достигает 60—70°С (Gregory et al.,
1963); степень нагрева сена и разнообразие встречающихся в
нем видов микроорганизмов определяется прежде всего его
влажностью. Первоначальный период нагревания обычно сопро-
вождается увеличением общей численности микроорганизмов и
сукцессией грибов с возрастающей степенью термофильное™.
По мере того как сено высыхает, рост микроорганизмов и нагре-
вание замедляются и в конце концов прекращаются, после чего
сено медленно остывает до температуры окружающей среды.
В сене, уложенном в стогах, происходят в основном те же про-
цессы, что и в спрессованном сене, но в стогах сено может нагре-
ваться до несколько более высокой температуры и оставаться
горячим длительное время. Интенсивные исследования заплесне-
вевших сена и соломы в связи со вспышками заболевания лег-
ких у фермеров показали, что в указанных субстратах присутст-
вовал специфический набор видов грибов и актиномицетов; ан-
тигены, ответственные за такое заболевание, как «фермерское
легкое», обнаруживались в сене и соломе только этой категории
(Lacey, 1974b).
Экспериментальное исследование разогревания сена в сосу-
дах Дьюара подтвердило, что максимальная температура нагре-
ва и состав развивающейся популяции микроорганизмов опреде-
ляются доступом воздуха и влажностью; при достаточной аэра-
ции сена и содержании в нем более 40% воды происходит его
нагревание и развитие большой популяции термофилов (Festens-
tein et aL, 1965; Festenstein, 1966). Детальное изучение микро-
биологического нагревания сена (Resz, 1968, 197?) показало, что
сено, содержащее более 50% воды, разогревается, несмотря на
усиленную аэрацию; однако при меньшем содержании воды
аэрация может предотвратить нагревание сена. Нагревание сена
выше 70°С обусловлено экзотермическими химическими реак-
циями абиотической природы.
в. Запасы зерна. При хранении зерна его потеря и порча про-
исходят отчасти в результате роста грибов на поверхности и в
толще зерен. Метаболизм мезофильных грибов и насекомых обе-
спечивает образование тепла и влаги, необходимых для последо-
вательного роста термотолерантных и термофильных грибов и
бактерий. Постоянное накопление тепла в процессе метаболизма
приводит к повышению температуры примерно до 75°С; абиоти-
Высокие температуры, экологические аспекты
209
ческие процессы могут вызвать дальнейшее повышение темпера-
туры— при определенных условиях вплоть до воспламенения.
Критический обзор причин и способов предупреждения этого
процесса дан в работах Кристенсена и Кауфмана (Christensen,
Kaufmann, 1969, 1974). Поскольку в результате роста мезофиль-
ных и термотолерантных грибов может происходить нагревание
зерна до температуры около 55°С, при которой наблюдается зна-
чительная его порча, понятно, что термофильным грибам до не-
давнего времени уделялось меньше внимания. В обзоре Куни и
Эмерсона (Cooney, Emerson, 1964) цитируется только одно со-
общение о выделении термофильного гриба из хранящегося
зерна; с тех пор, правда, число публикаций, описывающих обна-
ружение термофильных грибов в спонтанно нагревающихся запа-
сах зерна, непрерывно растет. Токсигенные и патогенные потен-
циалы выделенных видов (Davis et al., 1975; Donovan, 1971;
Берестецкий и др., 1974; Курбатская, 1974; Austwick, 1974;
Yamazaki et al., 1975), несомненно, послужат стимулом для
дальнейшего изучения этих микроорганизмов, какова бы ни бы-
ла их роль в экономически важных процессах нагревания и пор-
чи зерна.
Термофильные грибы могут быть выделены из наземных час-
тей полевых растений в период вегетации (Apinis, 1963b, 1972;
Apinis, Chester, 1964) и из зрелого зерна, полученного во время
сбора урожая (Clarke et al., 1966), но они практически отсутст-
вуют в незрелых зерновках ячменя и пшеницы (Flannigan,
1974). В связи с этим термофильные грибы рассматриваются как
паразиты, заражающие хранящееся зерно: присутствуя на по-
верхности зерна еще до его уборки, они, по-видимому, повреж-
дают его лишь при хранении. Основными источниками заражения
зерна термофилами (как и другими грибами, развивающимися
при хранении), несомненно, следует считать воздух, пыль и ор-
ганические остатки в местах хранения зерна (Lacey, 1971а).
По мере нагревания хранящегося зерна наблюдается явная сук-
цессия видов микроорганизмов, завершающаяся формированием
обширной популяции термотолерантных грибов, особенно Absi-
dia corimbifera, Aspergillus fumigatus и A. Candidas, а также
термофилов Humicola lanuginosa и Mucor pusillus (Clark et al.,
1967, 1969; Lacey, 1971a). Представление о том, что термофиль-
ные грибы изначально присутствуют в качестве контаминантов
на поверхности зерновок, но растут и инвазируют зерно только
при хранении в результате его нагревания, подтверждается и
другими описаниями видов грибов, встречающихся на поверх-
ности и внутри хранящегося зерна (Mulinge, Apinis, 1969; Mulin-
ge, Chesters, 1970; Flannigan, 1969, 1970, 1972, 1974; Flannigan,
Dickie, 1972; Flannigan, Sellars, 1972). При более общем подхо-
де к проблеме исследователи (Sinha et al., 1973; Sinha, Wallace,
210
Глава 5
1965, 1973) изучают сложные взаимодействия всех биотических
и абиотических факторов, приводящих к порче зерна. Учитывая
большое число параметров, в том числе такие, как динамика
популяций клещей, насекомых и микрофлоры, эти авторы наде-
ются разработать модели для прогнозирования процесса порчи
зерна (включая спонтанное нагревание). Изучение условий, ха-
рактерных для отдельных единиц хранения зерна, в частности
проведение микологических исследований с целью определения
уровней популяций термотолерантных и термофильных грибов,
позволяет в настоящее время выбрать систему адекватных и лег-
ко выполнимых мероприятий для обращения с такими единица-
ми (Christensen, Kaufmann, 1969, 1974).
Среди других работ по термофильным грибам, обнаружен-
ным в запасах зерна, следует упомянуть сообщения о спонтан-
ном нагревании кукурузы (Okafor, 1966; Awao, Mitsugi, 1973);
исследование нагревания зерна в подземных хранилищах, ана-
логичных ямам, найденным при раскопках стоянок железного
века в Англии (Lacey, 1972); определение содержания продуци-
руемого актиномицетом антигена, ответственного за заболева-
ние типа «фермерское легкое» в спонтанно нагревающихся
запасах ячменя и овса (Festenstein et aL, 1965); обнаружение
нескольких видов грибов, способных к росту при 55°С (Mehrotra,
Basu, 1975); необходимо отметить также выделение термофиль-
ных грибов из ядер (семян) земляного ореха (Taber, Pettit,
1975).
г. Кучи древесных стружек. Термофильные грибы принимают
участие в спонтанном нагревании и разложении собранных в
кучи древесных стружек. Ежегодно запасают и используют более
100 млн. т (сырой вес) стружек мягкой древесины в качестве
сырья для производства бумаги и близких материалов; из этого
количества более 3 млн. т теряется, причем такие потери, види-
мо, будут расти в связи с усилением тенденции к хранению дре-
весной массы в виде стружек (Ofosu-Asiedu, Smith, 1973а;
Smith, 1973) и с увеличением в ней процентного отношения за-
болони к сердцевине (Cowling et al., 1974). К дополнительным
экономическим потерям ведут изменения цвета и химического со-
става стружек (удорожающие обработку или снижающие ка-
чество продукции), а также спонтанное воспламенение куч
стружек (Schmidt, 1969; Hajny et al., 1967). Температура внутри
свежей кучи стружек в первые несколько недель хранения обыч-
но резко повышается (примерно до 60°С) и держится на этом
уровне в течение варьирующего по продолжительности периода,
после чего медленно понижается на протяжении нескольких ме-
сяцев; иногда в кучах стружек температура повышается на-
столько, что происходит их спонтанное воспламенение (Hajny,
Высокие температуры: экологические аспекты
211
1966). В результате дыхания паренхимных клеток древесины, а
также прямого химического окисления различных соединений
выделяется, вероятно, достаточное количество тепла, чтобы тем-
пература в свежих кучах стружек поднялась до обычно наб-
людаемого в них уровня (Feist et al , 1971; Springer et al., 1971).
Теплопродукция метаболизирующих микроорганизмов также
может вносить существенный вклад в процесс первоначального
и последующего нагревания стружек (Feist et al., 1973а, b). По
мере повышения температуры в центре кучи наблюдается сукцес-
сия микроорганизмов, приводящая в конце концов к формирова-
нию обширной популяции термофильных грибов; эти виды могут
вызвать существенные потери древесины и ее обесцвечивание
(Nilsson, 1965; 1973а, b; Bergman, 1974; Bergman, Nilsson, 1966,
1967, 1971; Tansey, 1971a, b; Lundstrom, 1972, 1973, 1974; Olosu-
Asiedu, Smith, 1973 a, b; Shields, 1966, 1967, 1969 a, b, 1970; Fer-
gus, 1969; Smith, 1973; Smith, Olosu-Asiedu, 1973; Greaves, 1971,
1975). Нагревание само по себе может вызвать заметное умень-
шение выхода древесной пульпы и снижение ее качества (Feist
et aL, 1973а, b). Можно, безусловно, провести эффективную хими-
ческую обработку стружки для предотвращения потерь, обу-
словленных нагреванием и активностью микроорганизмов, одна-
ко пока еще не доказана экономическая оправданность такой
обработки существующими в настоящее время методами в ре-
ально встречающихся разнообразных условиях длительного хра-
нения стружки в больших промышленных масштабах (Cowling
et al., 1974; Hulme, Shields, 1973; Springer et aL, 1973a, b). Сни-
жение потерь без применения химической обработки может
быть достигнуто путем лучшей организации хранения (по прин-
ципу «раньше используется то, что раньше заготовлено»)
(Smith, Hatton, 1971; Assarsson, Bergman, 1972); для предотвра-
щения значительного снижения выхода и ухудшения качества
древесной пульпы следует также избегать ее длительного хране-
ния на открытом воздухе (Hatton, Hunt, 1972).
д. Почва. В ряде работ продемонстрировано широкое распро-
странение термофильных грибов в почвах (Taber, Pettit, 1975;
Awao, Mitsugi, 1973; Awao, Otsuga, 1973, 1974; Crisan, 1959; Cra-
veri et aL, 1967; Hashimoto et aL, 1972; Evans, 1968, 1971a; Ward,
Cowley, 1972; Милько, Белякова, 1967; Minoura et aL, 1973a, b;
Larcade, 1967; Kurata et aL, 1966; Хазанов, Мирходжаев, 1969;
Apinis, Chesters, 1964; Eggins, Malik, 1969; Apinis, 1963a, 1964,
1965, 1972; Андрущенко, Лахонина, 1969; Захарченко, Жернова,
1971; Malik, Eggins, 1972; Хазанов, 1968; Mouchacca, 1973).
Сообщается, что такие грибы обнаружены в тропических и
субтропических почвах (Tendler, Korman, 1965а, с; Udagawa
et aL, 1973; Mahoney, 1972; Huang, 1971). Тэнси (неопублико-
212
Глава 5
ванные данные) выделил термофильные грибы из многочислен-
ных образцов нагреваемых солнцем грязей, взятых в националь-
ном парке Эверглейдс (США, штат Флорида). Грибы были най-
дены также в лесной подстилке (Morgan-Jones, 1974).
До сих пор не изучено, как влияют на рост термофильных
грибов и их способность к конкуренции с мезофильными почвен-
ными микроорганизмами продолжительность и степень нагрева-
ния почвы солнечными лучами, а также распределение этого про-
цесса в течение суток. Для доказательства того, что термофиль-
ные грибы могут расти в нагреваемых солнцем почвах, исполь-
зовали методику, основанную на применении погружаемых в
почву трубок (Eggins et al., 1972); однако при этом не была ис-
ключена возможность пассивного заноса спор в трубки с почвой
(при участии почвенных клещей или капиллярными силами).
Если бы в освещенных участках были обнаружены более много-
численные споры, чем в затененных (может быть, благодаря то-
му, что более открытые освещенные места чаще посещаются
травоядными животными, которые могут оставлять там фека-
лии,содержащие споры), то это создало бы неправильное впе-
чатление, будто в таких участках происходит рост грибов. Летом
в умеренных широтах освещенная поверхность воды, ила, а так-
же берега водоемов и придорожные канавы, заполненные павод-
ковыми водами, в течение достаточно долгих периодов сохраня-
ют температуру выше 40°С (Mitchell, 1960, 1974; Dingfelder,
1962; Young, Zimmerman, 1956; Tansey, неопубликованные дан-
ные; Deacon, Minckley, 1974); в таких местообитаниях встреча-
ются термофильные грибы (Tansey, неопубликованные данные).
Тем не менее прямые доказательства того, что солнечное излу-
чение дает достаточно тепла для роста термофильных грибов в
почве и их конкуренции с мезофилами, пока отсутствуют; не
изучена также активность этих грибов в почве при температу-
рах, непермиссивных для роста. Установлена сезонность появле-
ния и исчезновения отдельных видов термофильных грибов в
почве, а также выяснены некоторые корреляции их видового
состава с типом почвы (Apinis, 1963а, b; Evans, 1971с; Tansey,
неопубликованные данные). Концентрация жизнеспособных кле-
ток (колониеобразующих единиц) этих грибов в почве обычно
низка.
Интереснейшими биотопами для поиска различных микроор-
ганизмов, в том числе грибов, являются почвы и скалы пустынь
(Friedmann, Galun, 1974). Однако опубликованные исследова-
ния термофильных грибов, найденных в почвах пустынь, пред-
ставляются неубедительными. Теней (Tansey, неопубликованные
данные) обнаружил низкие концентрации термофильных грибов
в раскаленных сухих почвах Аризоны и Нью-Мехико.
Термофильные грибы встречаются, как правило, в биотопах,
Высокие температуры: экологические аспекты
213
уже заселенных множеством разнообразных потенциальных кон-
курентов и антагонистов. Поскольку в большинстве биотопов, в
которых могут расти термофильные грибы, высокая температура
поддерживается только в течение ограниченного времени, зна-
чительная часть жизненного цикла термофильного гриба прохо-
дит в сосуществовании с видами, которые в мезофильных усло-
виях имеют перед ним преимущество. Это особенно верно по
отношению к почвам. Одним из средств конкурентной борьбы за
существование может быть способность микроорганизма проду-
цировать антибиотики; действительно, многие термофильные
грибы являются продуцентами антибиотиков (Graven et al.,
1972; Aragozzini et aL, 1970; Kitano et al., 1975a, b; Kluepfel et al.,
1972; Rode et aL, 1947; Walter, 1969; Bai, Rao, 1966; Cavazzoni,
Vivani, 1973; Somkuti, Walter, 1970; Tendler, Korman, 1965a—c;
Tendler et aL, 1967; Okazaki, lizuka, 1971; Thakre, Johri, 1973,
1973—1974).
Рассматривая зависящий от солнечного освещения рост тер-
мофильных грибов в почве, грязи и т. п., можно предложить
следующую схему наблюдаемого процесса: периоды быстрого
вегетативного роста при пермиссивных температурах сменяются
многими часами или днями значительного замедления, если не
полного прекращения роста при более низких температурах
(примером может служить наиболее обычный термофильный
гриб Humicola (Thermomyces) lanuginosa, для которого мини-
мальная температура, необходимая для его роста, составляет
28—30°С). В такие периоды может усилиться вторичный мета-
болизм, в результате чего образуется значительное количество
антибиотиков (Weinberg, 1974). Вероятность того, что описанная
схема правильно отражает развитие термофильных грибов в на-
гретых солнцем почвах, достаточно велика, чтобы оправдать
планомерные поиски термофильных грибов, основанные на их
способности продуцировать антибиотики при температурах, зна-
чительно ниже оптимальных, а также в условиях меняющихся
температур.
Если споры термофильных грибов сформировались и созрели,
для чего требуются температуры, существенно превышающие
минимальную температуру роста данного вида (Tansey, 1972;
Chapman, 1974), то в дальнейшем они не проявляют особой чув-
ствительности к понижению температуры ниже значений, необ-
ходимых для роста, и часто остаются жизнеспособными в тече-
ние нескольких лет при мезофильных температурах.
е. Разные биотопы. За последние несколько лет термофиль-
ные грибы были выделены из множества биотопов. Большинство
таких биотопов постоянно подвергается нагреванию либо нагре-
вались прежде. В их число входят нагретые солнцем запасы ям-
214
Глава 5
са (Coursey, Nwankwo, 1968); бродящие какао-бобы (Broadbent,
Oyeniran, 1968; Hansen, Welty, 1970; Riley, 1965; Maravalhas,
1966); нагретые кучи косточек плодов масличных пальм (Apinis,
Eggins, 1966; Eggins, Coursey, 1964, 1968; Oso, 1974a—c; Coursey,
1965; Hartley, 1967); багасса (остатки сахарного тростника пос-
ле извлечения из него сока; Seabury et aL, 1968; Ramabadran,
1967—1968 и личное сообщение; Lacey, 1967, 1968, 1974а; Stolk,
Samson, 1972); зеленый и сожженный сахарный тростник
(Bevan, Bond, 1971); табак н табачные изделия (Tansey, 1975;
Pounds, Lucas, 1972; Fletcher et al„ 1967); кучи морских водо-
рослей (Nonomura, личное сообщение; Zo Bell, 1959); торф (Ни-
китина и др., 1970; Исаченко, Мальчевская, 1963; Мальчевская,
1939; две последние работы цитируются по работе Логиновой
и др., 1966); ткани растений или почва из виноградников и рас-
тения в процессе их обработки (King et al., 1969); лесоматериа-
лы (Morton, Eggins, 1975). Термофильные грибы населяют горя-
чие источники и геотермальные почвы, особенно имеющие
кислую реакцию среды, а также связанные с ними водоемы
(Tansey, Brock, 1971, 1972, 1973; Логинова и др., 1962; Geytler,
1963; Hedger, 1974). Исследования in situ показали, что грибы
растут в кислых горячих источниках и геотермальных почвах
(Belly et aL, 1973; Tansey, Brock, неопубликованные данные).
Термофильные грибы в изобилии встречаются в птичьих
гнездах (Apinis, Pugh, 1967; Cooney, Emerson, 1964; Hubalek
et al., 1973); они были выделены также из оперения птиц (Mi-
noura et aL, 1973a). В большинстве гнезд источником тепла, не-
обходимого для появления термофильных грибов, служит, оче-
видно, сидящая на гнезде птица, хотя достигаемые при этом
температуры существенно ниже тех, которые являются опти-
мальными для роста большинства видов грибов. Гнезда сорных
кур, напротив, представляют собой фактически саморазогреваю-
щиеся компостные кучи, изобилующие термофильными грибами
(Tansey, Jack, 1975; Samson, Tansey, 1975; Tansey, неопублико-
ванные данные). Большие скопления этих грибов обнаружива-
ются также в гнездах американских аллигаторов (Tansey, 1973
и неопубликованные данные); однако в данном случае неясно,
каково соотношение количества и временного распределения
тепла, полученного в результате солнечной радиации и жизне-
деятельности микроорганизмов.
Термофильные грибы обычно присутствуют в экскрементах
травоядных животных (Cooney, Emerson, 1964; Donovan, 1971;
Ramabadran, 1967—1968; Sumner et aL, 1969; Evans, 1968; Mi-
noura et aL, 1973a; Lohr, Olsen, 1969; Tansey, неопубликованные
данные; Seal, Eggins, 1972). Часто бывает невозможно опреде-
лить, происходит ли исследуемый материал из навозных куч,
образующихся при чистке хлевов и конюшен, или из свежих
Высокие температуры: экологические аспекты
215
фекалий индивидуальных животных. Между тем такое разгра-
ничение важно, так как в зависимости от этого можно дать раз-
личные объяснения происхождения грибов и повышения темпе-
ратуры: саморазогревание частиц сена или другой пищи,
брожение смеси подстилки и фекалий или нагревание фекалий
солнцем. Во влажных освещенных солнцем кучах навоза тра-
воядных животных температура, благоприятная для роста тер-
мофильных грибов, может поддерживаться удивительно долго
(Anderson, Сое, 1974; Tansey, неопубликованные данные); по-ви-
димому, эти кучи являются обычным и весьма распространен-
ным биотопом, в котором происходит рост термофильных грибов.
В Англии интенсивно исследовались термофильные грибы
из саморазогревающихся угольных отвалов (Evans, 1971а—с;
Evans, Stolk, 1971; Sumner et al., 1969; Sumner, Evans, 1971); мы
выделили их из закисленных угольных отвалов в США (Tansey,
Brock, 1972, 1973 и неопубликованные данные). Такой биотоп
широко распространен (Stahl, 1964; Myers et al., 1966; Campbell,
1972) и деятельность термофильных грибов в нем заслуживает
дальнейшего изучения.
Некоторые термофильные грибы патогенны для человека и
теплокровных животных (Ainsworth, Austwick, 1959; Pore,
Larsh, 1967; Hughes, Crosier, 1973; Austwick, 1972; Lacey, 1975b;
Scholer, 1974; Stretton, 1975; Commonwealth Mycological Institu-
te, 1975). Патогенен, в частности, термофильный гриб Mucor pu-
sillus, вызывающий различные микозы (Meyer, Armstrong, 1973;
Meyer et aL, 1973; Cooney, Emerson, 1964). Что касается таких
термотолерантных грибов, как Absidia corymbifera (Nottebrock
et al., 1974; Meyer, Armstrong 1973) и Aspergillus fumigatus
(Haller, Suter, 1974; Austwick, 1963; Rippon, 1974; Jungerman,
Schwartzman, 1972), то сообщения о их патогенности появляют-
ся чаще, чем сообщения о патогенности термофильных грибов.
Термотолерантный гриб Dactylaria (-Diplorhinotrichum-Scolecob-
sidium) gallopava недавно привлек внимание исследователей
как возбудитель эпизоотического заболевания индюшат и цып-
лят (Tansey, Brock, 1973; Blalock et aL, 1973; Waldrip et aL,
1974; Ranck et aL, 1974; Georg et aL, 1964). Хотя те, кто работает
с богатым термофилами материалом, часто страдают специфиче-
скими заболеваниями (багассоз, заболевания легких у фермеров
и лиц, работающих с компостом для шампиньонов), ответствен-
ными за их возникновение обычно считаются термофильные
актиномицеты, а не грибы (Lacey, 1971b; Edwards, 1972; Grego-
ry, Lacey, 1963a, b; Pirie et aL, 1971; Gray et aL, 1969; Wiseman et
aL, 1973; Gregory et aL, 1964; Chang-Yeung et aL, 1972); правда, в
некоторых публикациях эти актиномицеты неточно называют
грибами.
Встречаемость термофильных грибов в воздухе вне связи с
216
Глава 5
термальными биотопами исследовалась мало. Низкая концент-
рация колониеобразующих единиц была обнаружена в пробах
воздуха, взятых в Кембридже (Англия; Hudson, 1973) и в сель-
ской местности в Англии (Lacey, 1973); аналогично можно интер-
претировать результаты еще одной работы (Hughes, Crosier,
1973). Напротив, в воздухе, соприкасающемся с потенциально
термальными биотопами, концентрация термофильных грибов
весьма высока; это показано для воздуха в тех строениях на фер-
мах, в которых перетряхивают сено (Lacey, Lacey, 1964); в са-
раях для хранения сена, в силосных ямах или башнях и грибных
фермах (Lacey et aL, 1972); в помещениях, где хранятся подносы
с грибным компостом (Fergus, 1964); для воздуха, пробы кото-
рого брались над запасами влажного зерна (Lacey, 1973; Lacey,
1971а), заплесневевшим сеном и соломой (Lacey, 1974b). Многие
виды, встречающиеся в нагревшихся угольных отвалах, найдены
также в образцах воздуха, взятых на расстоянии 4 км от этих
отвалов (Evans, 1972). Кроме того, данные о выделении термо-
фильных грибов из воздуха содержатся и в других работах
(Stolk et al., 1969; Hedger, 1974).
Опубликовано сообщение о том, что термофильные грибы
обнаружены в отстоях вод; предполагается, что это обусловлено
их заносом из окружающих наземных биотопов (Tubaki et aL,
1974).
ж. Биотопы, заслуживающие изучения. Многие биотопы, в
которых вполне могут присутствовать и расти термофильные
грибы, до сих пор не исследовались или исследовались лишь по-
верхностно. Поскольку эти грибы способны вызывать биологиче-
скую порчу материалов и различные заболевания, важно
выявить их наличие и активность в разнообразных биотопах.
В связи со способностью термофильных грибов к теплопродук-
ции, различающейся у разных видов (Никитина и др., 1970),
большое практическое значение приобретает точное определение
их видового состава и факторов, необходимых для роста каждо-
го вида, в биотопах, где происходит разогревание. Некоторые
биотопы, в особенности водные, могут оказаться более подходя-
щими для проведения экспериментов (в первую очередь для ис-
следования роста in situ), чем уже изученные. Для применения
в промышленности также нужны новые виды. Термофильные
микроорганизмы обладают некоторыми преимуществами при
использовании их для сбраживания различных субстратов в про-
мышленных масштабах (Bellamy, 1974, 1975; Sorensen, Crisan,
1974; Cooney, Wise, 1975), а термотолерантный базидиомицет
Phanerochaete chrysosporium является вероятным кандидатом
на роль микроорганизма, с помощью которого можно было бы
получить микробиологический белок из разнообразных полиса-
Высокие температуры: экологические аспекты
217
харидов (Hofsten, Ryden, 1975); для этой цели пригодны также
термотолерантные дрожжи Hansenula polymorpha, растущие на
углеводородах (Cooney, Levine, 1975; Cooney et al., 1975a, b).
Исследование природных биотопов с условиями среды, аналогич-
ными тем, в которых предполагается использовать гриб или про-
дукты его жизнедеятельности, прежде всего экзоферменты
(сильно кислая или щелочная реакция среды либо высокая кон-
центрация определенных субстратов или других соединений),
может привести к выделению новых видов полезных термофиль-
ных грибов, приспособленных к функционированию именно в
данных условиях.
Чрезвычайно важно изучение таких биотопов, как нагревае-
мые солнцем деревья (Derby, Gates, 1966); пни, бревна и выруб-
ки (Schmidt, Wood, 1969; Spaulding, 1929; Gooding, 1966);
поверхности листьев и других частей растений (Bjorkman et al.,
1972; Gates, 1973); выделения растений при их заболевании сли-
зетечением (в них, вероятно, могут быть обнаружены являющие-
ся предметом давних поисков дрожжи, способные к быстрому
росту при температурах 50°С и выше; Логинова, 1960; Логинова
и др., 1966, 1973). Представляют интерес также такие биотопы,
как гуано летучих мышей в пещерах (Harris, 1970); электричес-
кое оборудование, особенно во влажном климате (Rychtera,
1971), подземные кабели высокого напряжения (их органичес-
кие компоненты и окружающая почва); соцветия некоторых
растений из сем. Araceae (Nagy et aL, 1972; Knutson, 1974;
Meeuse, 1975); разогревающиеся кипы шерсти (Walker, 1963;
Walker, Williamson, 1957; Rothbaum, 1961; Dye, 1964; Dye, Roth-
baum, 1964; Rothbaum, Dye, 1964); тела некоторых насекомых
(Heinrich, 1974); гранулы мелассы при хранении в больших
масштабах (Jorgensen, Gaddie, 1969); нагреваемые солнцем озе-
ра (Рог, 1969; Anderson, 1958; Hudec, Sonnenfeld, 1974); кучи
опилок, сауны (Salminen et aL, 1974); впадины в Красном море,
содержащие горячую воду с повышенной соленостью (Degens,
Ross, 1969; Ross et aL, 1973; Ross, 1972; Brewer et aL, 1971; Hunt
et aL, 1967); нагревающиеся при движении топ-
ливные системы сверхзвуковых самолетов (Scott, Hill, 1971;
Hill, 1971; Hill et aL, 1975; Sheridan, Soteros, 1974); крепежные
материалы в сильно нагретых шахтах (loachimescu, 1973); сбро-
женный рис (arroz requemado) в эквадорских Андах (van Veen,
Steinkraus, 1970); почва в непосредственной близости от Транс-
аляскннского трубопровода (McCown, 1973); гниющие свалки
отбросов (Bottcher et aL, 1973); кучи органических остатков,
образующиеся после паводка (Arnold, 1962); системы отопления
и увлажнения в жилых домах и других зданиях (Seabury et al,
1973); краны горячего водоснабжения (Brock, Boylen, 1973;
Pask-Hughes, Williams, 1975).
218
Глава 5
В трубах охлаждения и слива на некоторых заводах поддер-
живается достаточно высокая температура для роста термофиль-
ных грибов, и такие грибы действительно были выделены из сто-
ков паровых труб (Tansey, Brock, 1972). Некоторые градирни
служат, по-видимому, идеальным местом роста термофильных
грибов. Хотя исследования по выяснению роли термофильных
бактерий и мезофильных грибов в биологическом повреждении
градирен проводились (Eaton, 1972; Eaton, Jones, 1971; Sladec-
kova, 1969), термофильные грибы, встречающиеся в градирнях,
практически не изучались (Sumner et aL, 1969; Burdsall, Eslyn,
1974). Стоки предприятий, работающих на геотермальных водах
с разнообразным химическим составом, также могут быть под-
ходящим местообитанием (Axtmann, 1975). Дополнительными
примерами материалов, которые в качестве естественных селек-
тивных сред можно использовать для выращивания термофиль-
ных грибов, пригодных по способу питания и ферментативным
характеристикам для промышленного применения, служат тем-
ные, нагретые солнцем и пропитанные нефтью почвы (на нефтя-
ных полях и в других местах, где происходит утечка или естест-
венное выделение нефти), выходы и отбросы асфальта (Turner,
Ahearn, 1970) и кучи угольных отходов в районах добычи антра-
цита (Schramm, 1966). Нагретые солнцем почвы также пред-
ставляют собой своего рода естественные приспособления для
проверки экологических моделей популяций в условиях сезонных
или флуктационных изменений среды (Fretwell, 1972; Mountford,
1971) Отвалы медной руды, нагревающиеся до 80°С (Beck,
1967), на первый взгляд кажутся неподходящим местом для
поиска термофильных грибов, поскольку медь, как правило, для
грибов токсична, и тем не менее в них обнаруживаются термо-
фильные прокариоты (Brierly, Murr, 1973); кроме того, известны
также мезофильные грибы, которые переносят очень высокие
концентрации меди, а также низкие значения pH и высокие кон-
центрации соли (Gould et al., 1974).
Было показано (Hughes, Crosier, 1973), что термофильные
грибы могут, по крайней мере временно, входить в состав микро-
флоры человеческого организма; в ходе дальнейших исследова-
ний с применением усовершенствованных методов отбора образ-
цов и техники выделения, возможно, будет доказано, что термо-
фильные грибы имеют большее значение как паразиты человека,
чем считается в настоящее время.
Б. ВОДОРОСЛИ
Разграничение температурных групп у грибов в значительной
мере произвольно, так как кардинальные температуры роста
всех видов грибов составляют единый непрерывный ряд; между
Высокие температуры: экологические аспекты
219
тем среди эукариотических водорослей один вид резко выделя-
ется своей способностью к росту при экстремально высоких тем-
пературах. Верхний температурный предел роста Cyanidium
caldarium, определенный на основе полевых наблюдений в мес-
тах естественного распространения этого вида, данных о вклю-
чении в клетки 14СО2 в природных условиях и исследования роста
водоросли в чистой культуре (Doemel, Brock, 1970), соответст-
вует 55—60°С. Между верхними температурными пределами
роста С. caldarium и других эукариотических водорослей суще-
ствует большой разрыв. Известны высокотемпературные штам-
мы Chlorella, растущие при 42ЭС (Sorokin, 1967). Диатомеи
встречаются во многих источниках и часто преобладают среди
эукариотических водорослей, живущих при 30—40°С. Хотя диа-
томеи можно обнаружить в горячих источниках почти при лю-
бых температурах (Mann, Schlichting, 1967; Stockner, 1967,
1968а, b; Kullberg, 1968, 1971; Sprenger, 1930), точное опреде-
ление температурных пределов для каждого вида возможно
только после получения данных о его росте и выживаемости в
культуре в связи с трудностью измерения и интерпретации истин-
ных температур биотопов в горячих источниках. Максимальная
температура роста для любой диатомеи в культуре (альгологи-
чески, но не бактериологически чистой) колеблется между 43 и
44°С; для диатомеи из горячих источников Achantes exigua опти-
мальная температура соответствует 40°С. Культуры могут вы-
жить при 45°С по крайней мере в течение недели, хотя большин-
ство клеток при этом и погибает (Fairchild, Sheridan, 1974).
В горячих источниках встречаются представители и других групп
эукариотических водорослей; например, один из видов зеленых
водорослей рода Mougeotia был обнаружен по краям горячего
источника при температуре 47°С. Возможно, однако, что это
характеризует толерантность организма, но не его способность
расти при такой температуре (Stockner, 1967).
Таким образом, хотя термофильные эукариотические водо-
росли и существуют, все же Cyanidium caldarium в своем роде
уникален. С точки зрения человека Cyanidium caldarium пред-
ставляет особый интерес как термофил, поскольку это единст-
венная эукариотическая водоросль, растущая в обжигающе го-
рячей воде. Низкие значения pH и высокие температуры способ-
ствуют ее росту и исключают присутствие других фотосинтези-
рующих организмов, следовательно, это единственный фотосин-
тезирующий организм, растущий в естественных условиях при pH
ниже 5 и температуре выше 40°С (Doemel, Brock, 1971), причем
он способен расти даже при нулевом значении pH (Allen, 1959).
С. caldarium обитает в биотопах двух видов: водных и наземных.
Водные биотопы представляют собой водоемы и русла горячих
источников; наземные — орошаемую паром почву и камни, а
220
Глава 5
также теплую сухую почву в районах сольфатары. Русла кислых
горячих источников часто бывают покрыты пленками, состоя-
щими из водоросли С. caldarium, бактерии Bacillus coagulans и
гриба Dactylaria gallopava; бактериальный и грибной компонен-
ты, очевидно, получают питательные вещества от С. caldarium
(Belly et aL, 1973b). В почве C. caldarium часто встречается в ви-
де тонкого слоя на глубине 3—5 мм, возможно, в связи с чувст-
вительностью этой водоросли к недостатку воды (Smith, Brock,
1973). Почва на поверхности слишком суха для нее, тогда как в
более глубокие слои почвы проникает, по-видимому, слишком
мало света.
В течение долгого времени таксономическое положение С. cal-
darium было предметом дискуссии; недавно она была отнесена
к красным водорослям (Chapman, 1974).
В. ЛИШАЙНИКИ
Лишайники, растущие на открытых местах, подвергаются
воздействию более высоких температур, чем любой другой орга-
низм в вегетативной фазе, исключая обитателей горячих источ-
ников; поскольку водоросли и грибы как компоненты лишайни-
ков можно считать микроорганизмами, представляется законо-
мерным вопрос, не являются ли лишайники или входящие в их
состав грибы и водоросли термофилами. Исследование интакт-
ных талломов, а также немногочисленные работы по изучению
разделенных симбионтов свидетельствуют о том, что многие ли-
шайники терморезистентны: высушенные талломы выживают в
течение определенного времени при повышенной температуре, но
роста при этой температуре у них не наблюдается. Однако неко-
торые лишайники были обнаружены в геотермальных биотопах,
и нельзя исключить возможности их роста при относительно вы-
соких температурах (Карреп, 1973).
Г. ПРОСТЕЙШИЕ
Сообщения об обнаружении простейших, живущих при высо-
ких температурах в горячих источниках, следует интерпретиро-
вать с осторожностью, если они не содержат сведений, получен-
ных при исследовании культур или детального описания темпе-
ратур, измеренных in situ, и методов, использованных для этой
цели. Так, данные о существовании ресничных инфузорий Cothu-
ria при 63°С (Рах, 1951), Chilodon при 68°С (Dombrowski, 1961)
и Oxytricha fallax при 56°С (Uvemura, 1936, 1937), амеб при
50—52°С (Issel, 1910) и 51°С (Uyemura, 1936, 1937), а также
различных простейших при 53—64,7°С (Догель, 1965) нельзя
рассматривать как доказательство того, что эти простейшие спо-
Высокие температуры: экологические аспекты
221
собны расти и совершать полный жизненный цикл при таких
температурах.
Четыре вида простейших были найдены в весьма значитель-
ных количествах в горячих источниках, где температура дости-
гала 57—58°С (Kahan, 1969). В культуре два вида этих простей-
ших были способны размножаться при 56°С (Cercosulcifer hama-
thensis) и 55°С (Vahlkampfia reichi) и выживать в течение полу-
часа при 60°С (V. reichi) и 58°С (С. hamathensis); в экспери-
менте С. hamathensis адаптировался к существованию при
58—59°С в течение нескольких недель. Термофильные простей-
шие, выделенные из горячих соленых источников (содержание
соли 3%) могут размножаться в широких пределах солености
воды: например, жгутиковые из таких источников размножались
в культуре при концентрации соли от 0,4 до 11%. Cyclidium
citrullis был обнаружен в горячих источниках с температурой
воды 55—58°С. В моноксенической культуре самая высокая тем-
пература, при которой некоторые из клеток делились, .составляла
47°С; при 49°С клетки выживали в течение нескольких дней.
Обильная культура амеб из горячих источников поддержива-
лась при 53—54°С на протяжении одного года (Hindle, 1932).
Показано, что один из штаммов Tetrahymena pyriformis из горя-
чих источников может быть адаптирован к росту в культуре при
41,2°С (Phelps, 1961).
Наблюдается определенная корреляция между верхним тем-
пературным пределом роста и способностью простейших парази-
тировать в организме теплокровных животных. Обнаружено
(Griffin, 1972), что вирулентные штаммы пресноводной жгути-
ковой амебы Naegleria fowleri могут расти при 45—46°С, в то
время как верхние температурные пределы роста для авирулент-
ных штаммов Naegleria gruberi намного ниже, в связи с чем эти
последние не способны расти при нормальной или повышенной
температуре тела животных. Полученные результаты дают осно-
вание предполагать, что загрязнение водоемов кишечной микро-
флорой и горячими сточными водами должно стимулировать
размножение N. fowleri в пресной воде. При загрязнении водое-
мов горячими сточными водами иногда наблюдается нагрева-
ние воды до рассматриваемых нами температур (Gibbons, Sha-
ritz, 1974); предметом многих исследований были такие вопро-
сы, как влияние повышенной температуры на концентрацию
кислорода, активность биоценозов, видовое разнообразие и т д.
Кернс и Ланца (Cairns, Lanza, 1972) обсуждают эти проблемы,
уделяя основное внимание водорослям и простейшим; в другом
обзоре (Coutant, Tolmage, 1975) детально рассматривается дей-
ствие повышенных температур на микробы и другие водные
организмы.
Простейшие часто встречаются в освещенных солнцем мес-
222
Глава 5
тах, где они могут подвергаться воздействию повышенной тем-
пературы. Показано, что несколько видов ресничных инфузорий,
обитающих в нагреваемых солнцем мелких лужах, сохраняют
активность при повышении температуры вплоть до 52°С (Ding-
felder, 1962); однако доказательства того, что они способны к
размножению при такой температуре, отсутствуют.
Наиболее примечательной работой, касающейся способности
эукариотических организмов существовать и размножаться при
высоких температурах, до сих пор остается сообщение Дэллин-
джера (Dallinger, 1887; см. также Hindle, 1932) об эксперимен-
те, в котором температура роста трех видов жгутиковых была
доведена до 70°С путем медленного повышения температуры
инкубационной среды в течение почти семи лет. Полученные тер-
мофильные штаммы погибали при переносе их в условия
(15,5°С), пермиссивные для диких типов тех же видов. Ко вре-
мени опубликования этих данных Дэллинджер был уже видным
и уважаемым исследователем. Он подробно изложил свои ре-
зультаты, которые получил, располагая достаточно хорошим
оборудованием и обладая высокой квалификацией — необходи-
мыми предпосылками для проведения тщательного микроскопи-
ческого наблюдения и описания культур. Нет никакого сомнения
в том, что в эксперименте простейшие могут адаптироваться к
высоким и низким температурам (Полянский, Суханова, 1967;
Ирлина, 1967; Суханова, 1967), однако адаптация к исключи-
тельно высокой температуре, описанная Дэллинджером, остает-
ся под вопросом. Необходимо попытаться повторить эксперимен-
ты Дэллинджера; успех таких опытов обогатит сразу несколько
областей биологии, а исключительное терпение и решительность,
которые должен будет проявить исследователь, безусловно, вы-
зовут восхищение его коллег.
ДОПОЛНЕНИЕ
Недавно описанный термофильный гриб представляет собой
Thielavia heterothallica von Klopotek — половую фазу Chrysospo-
rium thermophilum (Apinis) von Klopotek (von Klopotek A., 1976.
Arch. Microbiol., 107, 223—244). Новый вид Chaetomium cellulo-
lyticum Chahal et D. Hauksw. охарактеризован авторами как
термотолерантный (Chahal D. S., Hauksworth D. L., 1976. Myco-
logia, 68, 600—610), однако он не растет при 50°С. Показано, что
Chaetomium gracile Udagawa является термотолерантным (Mill-
ner Р. D., 1975. Biologia, 21, 39—73); было проведено дальней-
шее изучение отношения этого гриба к температуре (Tansey M.R.,
в печати). Осуществлено новое подробное исследование роста
термофильных и термотолерантных грибов при разных темпера-
турах и значениях pH (Rosenberg S. L., 1975, Can. J. Microbiol.,
Высокие температуры: экологические аспекты
223
21, 1535—1540); ни Chrisosporium pruinosum (Gillman and Ab-
bot) Carmichael ATCC 24782, ни Sporotrichum pulverulent urn
Novobranova ATCC 24725 (syn. Chrisosoorium pruinosum and-
с. lignorum) не растут при 50°C. Опубликовано сообщение о том,
что Humicola (Thermomyces) lanuginosa растет при температу-
рах выше 62°С (Ohtomo Т., Sugiyama J., lizuka Н., 1975, Trans.
Mycol. Soc. Japan, 16, 289—300).
Детальное исследование развития конидий показало, что вид
Torula thermophila необходимо перенести в другой род (El-
lis D. Н , Griffiths D. А., 1976. Can. J. Microbiol., 22, 1102—1112).
Особый интерес представляют сообщения о выделении сле-
дующих термофильных и термотолерантных грибов: Phanero-
chaete chrysosporium (Peniophora mollis) из древесины секвойи
в градирнях (Duncan С. G., Lombard F. F., 1965. For. Serv. Res.
Pap., U. S. D. A., AVO-4); Aspergillus fumigatus из авиационного
бензина (Scott J. A., Forsyth T. J., 1976. Int. Biodeterior. Bull., 12,
1—4); Humicola (описан как Thermomices) lanuginosa из гейзе-
ра (Ontomo T., Sugiyama J., lizuka H., 1975. Trans Mycol. Soc.
Japan, 16, 289—300); Humicola (описан как Thermomyces) stella-
ta из организма человека (American Type Culture Collection,
1974. Catalog of Strains, 11th ed., A.T.C.C., Rockville); несколько
видов из почвы Багамских островов (Gochenaur S. Е., 1975. Мусо-
pathologia, 57, 155—164), Aspergillus fumigatus и Humicola inso-
lens из горячих источников на Тайване (Volz Р. А., 1976. Phyto-
logia, 33, 154—163); термотолерантный компонент комплекса
Rhizopus pseudochinensis Yamazaki — R. chinensis Saito из на-
греваемой солнцем почвы, где он образует макроскопические
колонии (Tansey М. R., Jack М. А., 1977. Mycologia, 69,563—578);
еще несколько почвенных видов (Huang L. Н., Schmitt J. А., 1975.
Mycotaxon, 3, 55—80); несколько видов из семян нигерийской
пальмы (Kuku F. О., Adeniji М. О., 1976. Int. Biodeterior. Bull.,
12, 37—41). Четырнадцать изолятов грибов, способных к росту
при 55°С, и несколько видов термофильных бактерий было выде-
лено из слизи, которая образуется на оборудовании бумажных
фабрик, работающем при повышенных температурах (45—60°С;
Логинова Л. Г., Сергеева В. В., Серегина Л. М., 1973. Приклад.
Биохим. Микробиол., 9, 701—709).
Описана экология грибов, в том числе термотолерантных ви-
дов, развивающихся в зерне при его длительном хранении (Walla-
ce Н. А. Н, Sinha R. N„ Mills J. Т„ 1976. Can. J. Bot., 54, 1332—
1343). В работе, которая представляет собой, очевидно, первую
часть многостороннего исследования термофильных грибов
(Jodice R„ Ferrara R., Scurti J. C., Flussello N., Obert F., Cortel-
lezzi G. C„ 1974—1975. Allionia, 20, 53—74), сообщается о выде-
лении термофильных и термотолерантных грибов из помета до-
машней птицы, грязи свиных хлевов, бродящих куч древесной
224
Глава 5
коры и грибного компоста. Были определены температуры, опти-
мальные для роста разных таксонов, а также их антибактери-
альная активность, токсичность для мышей и способность разла-
гать целлюлозу и лигнин. Среди известных в настоящее время
источников термофильных и термотолерантных грибов одним из
богатейших оказались горячие стоки ядерных реакторов; в част-
ности, в них в изобилии встречается вызывающий энцефалит
Dactylaria gallopava (Tansey М. R., неопубликованные данные).
В работах по изучению термофильных и термотолерантных гри-
бов из нагреваемых солнцем почв умеренного климата (Tan-
sey М. R., Jack М. А., 1976. Mycologia, 68, 1061 — 1075; Jack М. А.,
Tansey М. R., 1977. Mycologia, 69, 109—117; Tansey М. R.,
Jack М. A., Mycologia, 69, 563—578) дается количественное опи-
сание популяций этих грибов через определенные промежутки
времени (за период в 15 месяцев), исследуются колебания чис-
ленности их популяций в зависимости от изменения различных
параметров среды; изучается рост, споруляция и прорастание
спор при инкубации в нагреваемой солнцем почве, а также раз-
витие этих грибов в условиях конкуренции с мезофилами при
изменении температуры. Опубликован обзор, посвященный гри-
бам, встречающимся в градирнях (Eaton R. А., 1976. In: Recent
Advances in Aquatic Mycology (Ed. E.B.G. Jones), pp. 359—387,
Wiley, New York), но детальное исследование этого потенциаль-
ного источника термофильных грибов, безусловно, еще впереди.
Проводится интенсивное изучение гриба Phanerochaete chri-
sosporium в связи с его использованием в пищевой промышлен-
ности (Hofsten В., Ryden A.-L., 1975. BiotechnoL Boieng., 17,
1183—1197. Hofsten В., 1976. In: Food from Waste (Eds.
G. G. Birch, K. J. Parker, J. T. Worgan), pp. 156—166, Applied
Science Publishers Ltd., London). Показано, что P. chrysosporium
обладает способностью разлагать лигнин только в том случае,
если при его выращивании в качестве питательных веществ ис-
пользуется целлюлоза или глюкоза (Kirk Т. К-, Connors W. J.,
Zeikus J. G., 1976. Appl. Environ. Microbiol., 32, 192—194). Швед-
ские исследователи получили лишенный целлюлазы мутантный
штамм Sporotrichum pulverulentum (syn. Р. chrisosporium), ко-
торый может быть использован для получения бумажной массы
микробиологическим методом (Ander Р., Eriksson К.-Е., 1975.
Sven. Papperstidn., 78, 643—652), и продолжили свои работы по
изучению деградации лигнина этим грибом (Ander Р., Eriks-
son К--Е., 1976. Arch. Microbiol., 109, 1—8). Некоторые, хотя,
безусловно, не все, изоляты, отнесенные к виду Р. chrysosporium
(S. pulverulentum), являются термотолерантными; не исключе-
но, что под этим названием скрывается несколько видов.
Возрастает интерес к ферментам термофильных грибов; уже
опубликован ряд работ, посвященных изучению термомикола-
Высокие температуры: экологические аспекты 225
зы — внеклеточной сериновой протеазы из Malbranches pulchella
var. sulfurea (Ong P. S., Gaucher G. M., 1976. Can. J. Microbiol.,
22, 165—176; Stevenson K. J., Gaucher G. M., 1975. Biochem. J.,
151, 527—542; Voordouw G., Roch R. S„ 1975. Biochemistry, 14,
4659—4666); протеазы из Mucor miehei (McBride-Warren P. A.,
Rickert W. S., 1976. Can. J. Biochem., 54, 382—388; Rickert W. S.,
McBride-W’arren P. A., 1976. Can. J. Bochem., 54, 120—129); цел-
люлазы, амилазы и пектиназы из Talaromices thermophilus
(Tong С. C., Cole A. L. J., 1975. Mauri Ora, 3, 37—43); лнпазы из
Mucor miehei (Peppier H. J., Dooley J. G., Huang H. T., 1976. J.
Dairy Sci., 59, 859—862; Huang H. T., Dooley J. G., 1976. Biotech-
nol. Bioeng., 18, 909—919) и а-галактозидазы из “Penicillium du-
ponti” (Arnaud N., Bush D. A., Horisberger M., 1976. Biotechnol.
Boieng., 18, 581—585).
Проведены новые исследования, касающиеся питания термо-
фильных грибов (Deploey J. J„ 1976. Mycologia, 68, 190—194;
Sahm D. F., Chapman E. S., 1976. Mycologia, 68, 168—174). Изу-
чены жирные кислоты, выделенные из термотолерантного гриба
Sporotrichum thermophile (Dart R. К., 1976. Trans. Br. Mycol.
Soc., 66, 532—533; Dart R. K-, Stretton R. J., 1976. Trans. Br.
Mycol. Soc., 66, 529—532). Описано влияние факторов окружаю-
щей среды и питательных веществ на прорастание конидий
Talaromyces thermophilus (Jahnke S. E., Chapman E. S., 1975.
Mycologia, 67, 1223—1228).
Среди недавно описанных термофильных бактерий — исполь-
зующий углеводороды облигатный термофил Thermomicrobium
fosteri (Phillips W. E., Jr., Perry J. J., 1976. Int. J. Systemat. Bac-
teriol., 26, 220—225); безымянный («К2») облигатный термофил,
который может быть отнесен к роду Thermus (Ramaley R. F.,
Bitzinger K-, Carrol R. M., Wilson R. B., 1975. Int. J. Systemat.
Bacteriol,, 25, 357—364); облигатный метилотроф Methylococcus
thermophilus (Малашенко Ю. P., Романовская В. А., Богачен-
ко В. H., Швед А. Д., 1975. Микробиология. 44, 855—862; см.
также Микробиология, 44, 707—713) и Thermothrix thioparus —
факультативно анаэробный экстремальный термофил из горячих
источников (Caldwell D. Е., Laycock J. Р., 1976. Abst. Ann.
Meeting Am. Soc. Microbiol., 1976, p. N21). Предложено новое
наименование Chloroflexaceae для семейства, включающего фо-
тотрофные нитчатые бактерии, способные к скользящему движе-
нию и содержащие хлоробиум-везикулы и бактериохлорофиллы
а и с; типовой род представляет Chloroflexus (Triiper Н. G., 1976.
Int. J. Systemat. Bacteriol., 26, 74—75).
Опубликована схема идентификации термофильных актино-
мицетов, ассоциированных с аллергическими заболеваниями лег-
ких (Kurup V. Р., Fink J. N., 1975. J. Clin. Microbiol., 2, 55—61).
Термофильные актиномицеты, в том числе потенциально пато-
226
Глава 5
генные для человека, были выделены из кондиционеров, увлаж-
нителей, древесной пыли, домашней пыли, заплесневевшего зер-
на, фильтров печей и других источников (Kurup V. Р., Fink J. N.,
Bauman D. М., 1976. Mycologia, 68, 662—666; Seabury J., Ba-
cker B., Salvaggio J., 1976. J. Allergy Clin. Immunol., 57, 174—
176).
Все большее внимание привлекает аэробная (Smith J. E., Jr.,
Young K. W., Dean R. B., 1975. Water Res., 9, 17—24) и анаэроб-
ная (Garber W. F., Ohara G. T., Colbaugh J. E., Raksit S. K-, 1975.
J. Water Pollut. Control Fed., 47, 950—961; Cooney G. L., Acker-
man R. A., 1975. Eur. J. Appl. Microbiol., 2, 65—72) обработка
отбросов при помощи термофильных бактерий; в частности, оце-
нивается стоимость этого метода утилизации отбросов и полу-
чения микробного белка (Surucu G. A., Engelbrecht R. S.,
Chian Е. S. К-, 1975. Biotechnol. Bioeng., 17, 1639—1662; Fin-
stein М. S., Morris M. L., 1975. Adv. Appl. Microbiol., 19, 113—
151). Вновь возник интерес к использованию гваюлы, вследствие
чего был опубликован краткий обзор процесса вымачивания
этого растения — продуцента латекса (Allen Р. J., Emerson R.,
1977. In: An International Conference on the Utilization of Guayule
(Eds. W. G. McGinnies and E. F. Haase), pp. 146—149, University
of Arizona, Tucson).
Значительный интерес проявляется к использованию термо-
филов для превращения отбросов в корм для животных, а также
для создания эффективных методов ликвидации отбросов. Тер-
мофильные грибы были применены для переработки свиного на-
воза (Seal К- J., Eggins Н. О. W., 1976. In: Food from Waste (Eds.
Birch G. G., Parker K- J-, Worgan J. T.), pp. 58—78, Applied
Science Publishers Ltd., London). Термотолерантный гриб Asper-
gillus fumigatus выращивается для получения обогащенного бел-
ком корма из маниоки (Reade А. Е., Gregory К. F., 1975. Appl.
Microbiol., 30, 897—904); для этой цели был получен аспороген-
ный мутант гриба.
В одном из обзоров рассмотрены химия и биология термаль-
ных вод (Castenholz R. W., Wickstrom С. Е., 1975. In: River Eco-
logy (Ed. Whitton В. A.), pp. 264—285, Blackwell Scientific Publi-
cations, Oxford). В другой работе те же авторы сделали вывод
о том, что распределение термофильных сине-зеленых водорос-
лей в горячем источнике определялось интенсивностью питания
остракод; этим же обусловлены и наблюдаемые аномалии их
сезонного распределения (Wickstrom С. Е., Castenholz R. W.,
1975. J. PhycoL, И, Suppl. Abst.). Было показано, что по видо-
вому составу и распределению облигатных термофильных бак-
терий природные температурные градиенты (в двух горячих
источниках) не отличаются от искусственных, возникающих в
связи с загрязнением среды термальными водами (Ramaley R. F.,
Высокие температуры: экологические аспекты
227
Bitzinger К-, 1975. Appl. Microbiol., 30, 152—155). Лабораторные
и полевые исследования термофильных бактерий из горячих
источников, проведенные в СССР, подтверждают вывод о том,
что термофильные виды растут быстрее, чем мезофильные, од-
нако вследствие более короткого периода быстрого роста у них
накапливается меньшая биомасса (Позмогова И. Н., 1975. Мик-
робиология, 44, 313—316 и 492—497). Было описано широкое
распространение экстремально-термофильной бактерии Thermits
в горячих источниках и геотермальных почвах Таджикистана
(СССР) (Егорова Л. А., Логинова Л. Г., 1975. Микробиология,
44, 938—942). Штаммы Bacillus stearothermophilus, выделенные
в геотермальных зонах Южного Урала, способны использовать
в качестве источника углерода и энергии фенол; термальные
газы в этом районе содержат фенол, чем, возможно, и объясня-
ется рост этих бактерий в паровых конденсатах на внутренней
поверхности труб в буровых скважинах (Головачева Р. С., Ореш-
кин А. Е., 1975. Микробиология, 44, 470—475). Экстремально-
термофильная ацидофильная бактерия Sulfolobus acidocaldarius
была выделена из горячих источников в Новой Зеландии (Bah-
lool В. В., 1975. Arch. Microbiol., 106, 171—174). Для роста Ther-
moplasma acidophila требуются олигопептиды, состоящие из
8—10 аминокислот; предполагают, что существование этого эк-
стремального термофила в разогревающихся угольных отвалах
(но не в горячих источниках) обусловлено именно потребностью
в полипептиде — необходимом факторе роста, который, вероят-
но, встречается и концентрируется в углеродсодержащем мате-
риале в таких отвалах (Smith Р. F., Langworthy Т. A., Smith М. R.,
1975. J. Bacteriol., 124, 884—892). Липиды, входящие в состав
5. acidocaldarius и Т. acidophila построены на основе цикличе-
ского эфира одного и того же типа, образованного из глицерина
и одного из серии необычных изопреноидных диолов, содержа-
щих 40 атомов углерода (de Rosa М., Gambacorta А.,
Bu’Lock J. D., 1976. Phytochemistry, 15, 143—145).
БЛАГОДАРНОСТИ
Мы благодарим Е. Крисана (Е. V. Crisan) за прочтение и
обсуждение некоторых разделов этой статьи в рукописи. Данный
обзор и не публиковавшиеся ранее исследования М. Тэнси час-
тично финансировались стипендией Национального научного
фонда 40003 и исследовательской стипендией GB-39880. Иссле-
дования Т. Брока, относящиеся к настоящей работе, финансиро-
вались исследовательской стипендией Национального научного
фонда GB-35064
228
Глава 5
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1
Ainsworth G. С. (1968). In: The Fungi (Eds. G. C. Ainsworth and A. S. Sussman),
Vol. 3, pp. 505—514, Academic Press, New York and London.
Ainsworth G. C„ Austwick P. К. C. (1959). Fungal Diseases of Animals. Com-
monwealth Agricultural Bureaux, Farnham Royal, Buckinghamshire.
Allen M. B. (1953). The thermophilic aerobic sporeforming bacteria, Bact Rev.,
17, 125—173.
Allen M. B. (1959). Studies with Cyanidium caldanum, an anomalously pigmented
chiorophyte, Arch. Mikrobiol., 32, 270—277.
Almin К. E., Eriksson K.-E., Pettersson B. (1975). Extracellular enzyme system
utilized by the fungus Sporotrichum pulverulentum (Chrysosporium
lignorum) for the breakdown of cellulose. 2. Activities of the five endo-1,4-
P-glucanases towards carboxymethylcellulose, Eur. J. Biochem., 51,
207—211.
Anderson G. C. (1958). Some limnological features of a shallow saline meromictic
lake, Limnol. Oceanogr., 3, 259—270.
Anderson J. M., Coe M. L. (1974). Decomposition of elephant dung in an arid,
tropical environment, Oecologia, 14, 111—125.
Андрущенко M. Я-, Лахонина Г. M. (1969). К изучению дрожжей, способных
развиваться иа углеводсодержащих средах при повышенных темпера-
турах, Узбек. Биол. Ж., 1969, 21—23.
Apinis А. Е. (1963а). Occurence of thermophilous microfungi in certain alluvial
soils near Nottingham, Nova Hedwigia, 5, 57—78.
Apinis A. E. (1963b). In: Soil Organisms (Eds. J. Doeksen and J. van der Drift),
pp. 427—438, North-Holland Publishing Company, Amsterdam.
Apinis A. E. (1964). On fungi isolated from soils and Ammophila depris, Kew
Bull., 19, 127—131.
Apinis A. E. (1965). In: Biosoziologie (Ed. R. Tiixen), pp. 290—303, W. Junk,
The Hague.
Apinis A. E. (1972). Thermophilous fungi in certain glasslands, MycopathoL
Mycol. Appl., 48, 63—74.
Apinis A. E., Chesters C. G. C. (1964). Ascomycetes of some salt marshes and
sand dunes, Trans. Br. Mycol. Soc., 47, 419—435.
Apinis A. E., Eggins H. O. W. (1966). lhermomyces ibadanensis sp nov. from,
oil palm kernel stacks in Nigeria, Trans. Br. Mycol. Soc., 49, 629—632.
Apinis A. E., Pugh G. J. F. (1967). Thermophilous fungi of birds’ nests,
MycopathoL Mycol. Appl., 33, 1—9.
Aragozzini F., Toppino P., Rindone B. (1970). Su di un eumicete termofilo
produttore di penicillinia, Annal. Microbiol., 20, 44—56.
Arirna K„ Liu W.-H., Beppu T. (1972). Studies on the lipase of thermophilic
fungus Humicola lanuginosa, Agric Biol. Chem., 36 , 893—895.
Arnold D. C. (1962). Bacterial decomposition and the origin of domestic fire.
Compost Sci., 3, 12—14.
Arx J. A. von (1970). The General of Fungi Sporulating in Pure Culture. Verlag
von J. Cramer, Lehre.
Arx J. A. von (1975). On Thielavia and some similar genera of Ascomycetes.
Studies in Mycology No. 8. Centraalbureau voor Schimmllcultures, Baarn,
Netherlands. .
Assarsson A., Bergman O. (1972). In: Biodeterioration of Materials (Eds.
A. H. Walters and E. H. Hueck-van der Plas), Vol. 2, pp. 472—480. Wiley,
York
Austwick P. К. C. (1963). In: Recent Progress in Microbiology (Ed. N. E. Gib-
bons), pp. 644—651. University of Toronto Press, Toronto.
1 He обсуждавшиеся в тексте работы последних лет, дополнительно вклю-
ченные в список, отмечены звездочками.
Высокие температуры: экологические аспекты
229
Austwick Р. К. С. (1972). The pathogenecity of fungi, Symp. Soc Gen Micro-
biol., 22, 251—268.
Austwick P. К. C. (1974). In: Aspergillosis and Farmer’s Lung in Man and
Animal (Eds. R. de Haller and F. Suter), pp. 58—60, Hans Huber
Publishers, Bern, Stuttgart.
Awao T., Mitsugi K. (1973). Notes on thermophilic fungi in Japan (1), Trans.
Mycol. Soc. Japan, 14, 145—160.
Awao T., Otsuka S. (1973). Notes on thermophilic fungi in Japan (2), Trans.
Mycol. Soc. Japan, 14, 221—236.
Awao T„ Otsuka S. (1974). Notes on thermophilic fungi in Japan (3), Trans.
Mycol. Soc. Japan. 15, 7—22.
Axtmann R. C. (1975). Environmental impact of a geothermal power plant
Science, 187, 795—803.
Bai M. P., Rao P. L. N. (1966). Thermophilic microorganisms. Part IV.
Elaboration of malbranchins A & В by Malbranchea pulchella, India'n
J. Biochem., 3, 187—190.
Barnes T. G., Eggins H. 0. W., Smith E. L. (1972). Preliminary stages in the
development of a process for the microbial upgrading of waste paper,
Int. Biodeterior. Bull., 8, 112—116.
Bauld J., Brock T. D. (1973). Ecological studies of Chloroflexis, a gliding
photosynthetic bacterium, Arch. Mikrobiol., 92, 267—284.
Bauld J., Brock T. D. (1974). Algal excretion and bacterial assimilation in hot
spring algal mats, J. Phycol., 10, 101—106.
Beck J. V. (1967). The role of bacteria in copper mining operations, Biotechnol.
Bioeng , 9, 487—497.
Bellamy W. D. (1974). Single cell proteins from cellulosic wates, Biotechnol.
Bioeng, 16, 869—880.
Bellamy W. D. (1975). In: Single-cell Protein II (Eds. S. R. Tannenbaum and
D. I. C. Wang), pp. 263—272. MIT Press, Cambridge, Massachusetts
Belly R. T, Brock T D. (1974). Widespread occurrence of acidophilic strains of
Bacillus coagulans in hot springs, J. Appl. Bad., 37, 175—177.
Belly R. T, Bohlool В. B., Brock T. D. H973a). The genus Thermoplasma, Ann.
N. Y. Acad. Sci., 225, 94—107.
Belly R. T., Tansey M. R., Brock T. D. (1973b). Algal excretion of I4C-labeled
compounds and microbial interactions in Cyanidium caldarium mats, J.
Phycol., 9, 123—127.
БерестетскШ О О., Патика В. П„ Надкерниччш С. П. (1975). ф|тотоксичи!
властивости Aspergillus fumigatus Fresehius, Мшробюл. Ж. (Киев), 36,
581—586.
Bergman О. (1974). Thermal degradation and spontaneous ignition in outdoor
chip, storage, Res. Note R91, 36 pp., Institutionen for Virkeslara,
Skogshogskolan, Stockholm.
Bergman O., Nilsson T. (1966). Studier over utomhuslagring av tallvedsflis
vid Lovholmens Pappersbruk, Res. Note R53, 40 pp,, Institutionen for
Virkeslara, Skogshogskolan, Stockholm.
Bergman O., Nilson T. (1967a). Studier over utomhuslagring av aspvedsflis
vid Hornefors Sulfitfabnk, Res. Note R55, 60 pp., Institutionen for
Virkeslara, Skogshogskolan, Stockholm.
Bergman O. Nilsson T. (1967b). Studier over utomhuslagring av bjorkvedsflis
vid Morrums Bruk, Res. Note R60, 56 pp., Institutionen for Virkeslara,
Skoshogskolan, Stockholm.
Bergman O., Nilsson T. (1971). Studies on outside storage of sawmill chips, Res.
Note R71, 43 pp , Institutionen for Virkeslara, Skogshogskolan, Stockholm.
Bevan D , Bond J. (1971). Micro-organisms in field and mill — a preliminary
survey, Proc. Qd. Soc. Sug. Cane Technol., 38, 137—143.
Bjorkmann O., Pearcy R. W., Harrison A. T., Mooney H. (1972). Photosynthetic
adaptation to high temperatures: a field study in Death Vulley, California,
Science, 175, 786—789.
230
Глава 5
Blalock Н G, Georg L К, Derteux W T (1973) Encephalitis in turkey poults
due to Dactylaria (Diplorhinotnchum) gallopava — a case report and its
experimental reproduction, Avian Dis , 17, 197—204
Bohlool В В , Brock T D (1974) Population ecology of Sulfolobus actdocal-
danus II Immunoecological studies, Arch Microbiol, 97, 181—194
Bott T L, Brock T D (1969) Bacterial growth rates above 90° C m Yellowstone
hot springs, Science, 164, 1411—1412
Boticher B, Kaffanke K, Moller H-W (1973) Zum Problem der Temperatur-
verteilung in Mulldepomen Hinweise zu Ursachen det Selbstenzundung,
Zentb1 Bakt Parasstikde Abt I Ong В , 157, 165—177
Breed R S, Murray E G D, Smith N R (1957) In Bergey’s Manual of
Determinate e Bacteriology (7th ed), 1094 pp , Williams and Wilkins,
Baltimore
Brewer P G, Wilson T R S Murray J W, Munns R G , Densmore C D
(1971) Hydrographic observations on the Red Sea brines indicate a
marked increase in temperature, Nature, Lond, 231, 37—38
Brierley C L, Mutr L E (1973) Leaching use of a thermophihc and
chemautotrophic microbe, Science, 179, 488—489
Broadbent J A , Oyentran J О (1968) In Biodeterioration of Materials (Eds
A H Walters and J J Elphick), pp 693—702, Elsevier, Amsterdam,
London and New York
Brock T D (1967) life at high temperatures, Science, 158, 1012—1019
Brock T D (1969) Microbial growth under extreme conditions, Symp Soc Gen
Microbiol, 19 15—41
Brock T D (1970) High temperature system-., Ann Rev Ecol System at, 1,
191—220
Brock T D, Boylen К L (1973) Presence of thermophilic bacteria in laundry
and domestic hot water heaters, Appl Microbiol, 25, 72—76
Brock T D Brock M L (1971) Temperature optimum of non sulphur bacteria
from a spring at 90°C, Nature, Lond , 233, 494—495
Brock T D, Freeze H (1969) Thermits aquaticus gen n and sp n, a non-
sporulating extreme thermophile, J Bact, 98, 289—297
Brock T D , Mosser J L (1975) Rate of sulfuric acid production in Yellowstone
National Park, Bull Geol Soc Am , 86, 194—198
Brock T D, Brock M L, Bott T L, Edwards M R (1971) Microbial life at
90°C the sulfur bacteria of Boulder Spring, J Bact, 107, 303—314
Brock T D, Brock К M, Belly R T , Weiss R L (1972) Sulfolobus a new
genus of sulfur oxidizing bacteria living at low pH and high temperature,
Arch Mikrobiol, 84, 54—68
Brock T D, Cooks S, Petersen S, Mosse J L (1976) Biogeochemistry and
bacteriology of ferrous iron oxidation in geothermal habitats, Geochim
Cosmochim Acta , 40, 493—500
Brown В S , Mills J, Hulse J M (1974) Chemical and biological degradation
of waste plastics, Nature, Lond , 250, 161 —163
Burdsall H H, Jr, Eslyn W E (1974) A new Phanerochaete with a Chryso-
sporium imperfect state, Mycotaxon, 1, 123—133
Cailleux R (1973) Mycoflore du compost destine a la culture du champignon
de couche, Rev Mycol, 37, 14—35
Cairns J, Jr Lanza G R (1972) In Water Pollution Microbiology (Ed
R Mitchell), pp 245—272, Wiley, New Yoik
Caldwell D E, Caldwell S J, Laycock J P (1976) Thermothrix thioparus gen
et sp nov a facultative anaerobic facultative cheinohthotroph living at
neutral pH and high temperature, Can J Microbiol, 22, 1509—1517
Campbell A R (1972) In Solid Waste Treatment and Disposal (Ed N Y Ki-
rov), pp 87—92, Ann Arbor Science Publishers, Ann Arbor, Michigan
Campbell L L (1974) In Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology (8th
ed) (Eds R E Buchanan and N E Gibbons), pp 572—573, Williams
& Wilkins, Baltimore
Высокие температуры экологические аспекты
231
♦ Castenholz В W (1969) Thermophilic blue green algae and the thermal
environment Bact Rev , 33, 476—504
Castenholz R W (1973) In The Biology of Blue green Algae (Eds N G Carr
and В A Whitton), pp 379—414, Blackwell Scientific Publications, Oxford
Castenholz R W (1976) The effect of suliide on the blue green algae of hot
springs I New Zealand and Iceland , J Phycol, 12, 54—68
Cavazzoni V, Vivani M A (1973) Attivita in vitro della ferniozimocidina, Ann
Microbiol, 23, 151—156
Celenn E M, Fergus C L (1971) Effects of nutrients, temperature and relative
humidity on germination and longevity of the ascospores of Chaetomium
thermophile var coprophile, Mycologia, 63, 1030—1045
Chang Y (1967) The fungi of wheat straw compost II Biochemical and
physiological studies, Trans Br Mycol Soc , 50, 667—677
Chang Y, Hudson H J (1967) The fungi of wheat straw compost I Ecological
studies, Trans Br Mycol Soc , 50, 649—666
Chanter D P, Spencer D M (1974) The importance of thermophilic bacteria
in mushroom compost fermentation, Sci Hortic , 2, 249—256
Chan-Yeung M, Grzybowskt S , Schonell M E (1972) Mushroom worker’s lung,
Am Rev Resp Dis , 105, 819—822
Chapman D J (1974) Taxonomic position of Cyanidmm caldartum The
Porphyridiales and Goniotnchales, Nova Hedwig, 25, 673—682
Chapman E S (1974) Effect of temperature of growth rate of seven thermophilic
fungi, Mycologia, 66, 542—546
Chapman E S, Evans E, Jacobelli M C, Logan A A (1975) The cellulolytic
and amylolytic activity of Papulaspora thermophila, Mycologia, 67, 608—
615
Cristensen С M (1957) Deterioration of stored grains by fungi, Bot Rev, 23,
108—134
Christensen С M, Kaufmann H H (1969) Grain Storage The Role of Fungi
in Quality Loss, University of Minnesota Press, Minneapolis
Christensen С M Kaufmann H H (1974) In Storage of Cereal Grains and
Their Products (Ed С M Christensen), pp 158—192, American
Association of Cereal Chemists, St Paul, Minnesota
Clarke J H, Hill S T, Niles E V (1966) Microflora of high moisture barley
in sealed silos, Pest Infest Res, 1965, pp 13—14
Clarke J H, Hill S T, Niles E V, Howard MAR (1969) Ecology of the
microflora of moist barley in „sealed ‘ silos on farms, Pest Infest Res,
1968, 17
Clarke J H, Niles E V, Hill S T (1967) Ecology of the microflora of moist
barley Barley in „sealed” silos on farms, Pest Infest Res, 1966, 14—16
Commonwealth Mycological Institute (1975) Catalogue of the Culture Collection
of the Commonwealth Mycological Institute, CMI, Kew
Cooney C L, Levine D W (1975) In Single Cell Protein II (Eds S R Tan-
nenbaum and D 1 C Wang), pp 402—423, MIT Press, Cambridge,
Massachusetts
Cooney C L, Wise D L (1975) Thermophilic anaerobic digestion of solid waste
for fuel gas production, Biotech Bioeng , 17, 1119—1135
Cooney C L, Levine D W, Snedecor В (1975a) Production of single cell
protein from methanol, Food Technol, 29, pp 33—42
Cooney C L , Makiguchi N, Montgomery M (1975b) Effect of temperature and
growth rate on viability and cell yield on methanol grown Hansenula
polymoipha, Abst Ann Meeting Am Soc ,Microbiol, 196
Cooney D G, Emerson R (1964) Thermophilic Fungi An Account of Their
Biology, Activities, and Classification, W H Freeman, San Francisco and
London
Coursey D G (1965) Biodeteriorate processes in palm oil stored in West Africa,
S С I Monogr No 23, 44—56
232
Глава 5
Coursey D. G., Nwankwo F. I. (1968). Effects of insolation and of shade on the
storage behaviour of yams in West Africa, Ghana J. Sci., 8, 74—81.
Coutant С. C„ Talmage S. S. (1975). Thermal effects, J. Water Pollut, Control
Fed., 6, 1656—1711.
Cowling E. B., Hafley W. L„ Weiner J. (1974). Changes in value and utility pf
pulpwood during harvesting, transport, and storage, TAPPI, 57, 120—123.
Craveri R., Guicciardi A., Pacini N. (1966). Distribution of thermophilic actino-
mycetes in compost for mushroom production, Annal. Microbiol., 16,
111—1113.
Craveri R„ Craveri A., Guicciardi A. (1967). Ricerche sulle propriety ed attivita
di eumiceti termofili isolati dal terreno, Annal. Microbiol., 17, 1—30.
Craveri R., Manacchini P. L„ Aragozzini F. (1972). Thermozymocidin new anti-
fungal antibiotic from a thermophilic Eumycete, Experientia, 28, 867—
868.
Crisan E. V. (1959). The isolation and identification of thermophilic fungi, M.
Sc. Thesis, Purdue University.
Crisan E. V. (1964). Isolation and culture of thermophilic fungi, Contr. Boyce
Thompson Inst. Pl. Res., 22, 291 —301.
Crisan E. V. (1973). Current concepts of thermophilism and the thermophilic
fungi, Mycologia, 65, 1171—1198.
Cross T. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology (8th ed.)
(Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp. 861—863, Williams &
Wilkins, Baltimore.
Currie J. A., Festenstein G. N. (1971). Factors defining spontaneous heating and
ignition of hay, J. Sci. Fd. Agric., 22, 223—230.
Dallinger W. H. (1887). The president’s address, J. R. Microsc. Soc., Ser., 2,
185—199.
Darland G., Brock T. D. (1971). Bacillus acidocaldarius sp. nov., an acidophilic
thermophilic spore-forming bacterium, J. Gen. Microbiol., 67, 9—15.
Darland G., Brock T. D., Samsonoff W., Conti S. F. (1970). A termophilic,
acidophilic mycoplasma isolated from a coal refuse pile, Science, 170,
1416—1418.
Davis N. D., Wagener R. E., Morgan-Jones G„ Diener U. L. (1975). Toxigenic
thermophilic and thermotolerant fungi, Appl. Microbiol., 29, 455—457.
Deacon J. E, Minckley W. L. (1974). In: Desert Biology (Ed. G. W. Brown, Jr.),
Vol. 2, pp. 385—488, Academic Press, New York and London.
Degens E. T., Ross D. A. (eds.) (1969). Hot Brines and Heavy Metal Deposits
in the Red Sea. A geochemical and Geophysical Account, Springer-Verlag,
New-York.
* Degryse E. (1976). Bacterial diversity at high temperature. In: Enzymes and
Proteins from Thermophilic Microogranisms (Ed. H. Zuber), pp. 401—410,
Birkhauser Verlag, Basel.
Deibel R. H„ Seeley H. W., Jr. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative
Bacteriology (8th ed.) (Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), 490—
509, Williams & Wilkins, Baltimore.
Deploey J. J. (1970). The growth and sporulation of thermophilic fungi and
actinomycetes in atmospheres of oxygen and nitrogen, Ph. D. Thesis,
Pennsylvania St. University.
Deploey J. J., Fergus C. L. (1975). Growth and sporulation of thermophilic fungi
and actinomycetes in O2-N2 atmospheres, Mycologia, 67, 780 797.
Derby R. W„ Gates D. M. (1966). The temperature of tree trunks — calculated
and observed, Am. J. Bot., 53, 580—587.
Dingfelder J. H. (1962). Die Ciliaten vorubergehender Gewasser, Arch. Protistenk.,
105, 509—658. , r „
Doemel W. N., Brock T. D. (1970). The upper temperature limit of Cyanidium
caldarium, Arch. Mikrobiol., 72 , 326—332.
Doemel W. Brock T. D. (1971). The physiological ecology of Cyanidium
caldarium, J. Gen. Microbiol., 67, 17—32
Высокие температуры: экологические аспекты
233
Догель В. A. (Revised by J. I. Poljanskij and E. M. Chejsin) (1965). General
Protozoology (2nd ed.), Oxford University Press, Oxford.
Dombrowski H. (1961). Methoden und Ergebnisse der Balneobiologie, Ther.
Gegen, 100, 442—449.
Donovan D. L. (1971). Determination of aflatoxin production by thermophilic
fungi isolated from feedlot manure, M. A. Thesis, Ball St. University.
Dye M. H. (1964). Self-heating of damp wool. I. The istimation of microbial
populations in wool, N. Z. J. Sci., 7, 87—96.
Dye M. H., Rothbaum 4. P. (1964). Self-heating of damp wool. II. Self-heating
of damp wool under adiabatic conditions, N. Z. J. Sci., 7, 97—118.
Eaton R. A. (1972). Fungi growing on wood in water cooling towers, Int.
Biodeterior. Bull., 8, 39—48.
Eaton R. A., Jones E. B. G. (1971). The biodeterioration of timber in water
cooling towers. II. Fungi growing on wood in different positions in a
water cooling system, Mater, Org., 6, 81—92.
Edwards J. H. (1972). The isolation of antigens associated with farmer’s lung,
Clin. Exp. Immunol., 11, 341—355.
Eggins H. O. W., Coursey D. G. (1964). Thermophilic fungi associated with
Nigerian oil palm produce, Nature, Lond., 203, 1083—1084.
Eggins H. O. W'., Coursey D. G. (1968). The industrial significance of the
biodeterioration of oilseeds, Int. Biodeterior. Bull., 4, 29—38.
Eggins H. O. W., Malik К A. (1969). The occurrence of thermophilic cellulolytic
fungi in a pasture land soil, Antonie van Leeuwenhoek, 35, 178—184.
Eggins H. O. W., Mills J., Holt A., Scott G. (1971). In: Microbial Aspects of
Pollution (Eds. G. Sykes and F. A. Skinner), pp. 267—279, Academic
Press, London and New York.
Eggins H. O. W'., Szilvinyi A. von, Allsopp D. (1972). The isolation of actively
growing thermophilic fungi from insolated soils, Int. Biodeterior. Bull.,
8, 53—58.
Егорова А. А., Дерюгина 3. (1963). Спорообразующая термофильная серобак-
терия Thiobacillus thermophdica Imschenetskii nov. sp., Микробиология,
32, 437—446.
Eicker A. (1972). Occurrence and isolation of South African thermophilic fungi,
S. Afr. J. Sci., 68, 150—155.
Emerson R. (1968). In; The Fungi (Eds. G. C. Ainsworth and A. S. Sussman),
Vol. 3, pp. 105—128, Academic Press, New York and London.
Eriksen J. (1974). Cellulases from a thermophilic compost fungus, Chaetomium
thermophilae, J. Gen. Microbiol., 81, vi.
Eriksson K..-E., Larsson К (1975). Fermentation of waste mechanical fibers
from a newsprint mill by the rot fungus Sporotrichum pulverulentum,
Biotechnol. Bioeng., 17, 327—348.
Eriksson K..-E., Petersson B. (1975). Extracellular enzyme system utilized by
the fungus Sporotrichum pulverulentum (Chrysosporium lignorum) for
the breakdown of cellulose. 1. Separation, purification and physico-chemical
characterization of five endo-l,4-0-glucanases, Eur. J. Biochem, 51, 193.
Eriksson K.-E., Rzedowski W. (1969). Extracellular enzyme system utilized by
the fungus Chrysosporium lignorum for the breakdown of cellulose. I.
Studies on the enzyme production. Arch. Biochem. Biophys., 129, 683—688.
* Esch G. W., McFarlane R. W. (Eds.) (1976).. Thermal Ecology II. Energy
Research and Development Administration, 406 pp., Oak Ridge.
Eslyn W. E., Kirk T. K, Effland M. J. (1975). Changes in the composition of
wood caused by six soft-rot fungi, Phytopathology, 65, 473—476.
Evans H. C. (1968). British records, Trans. Br. Mycol. Soc., 51, 587—588.
Evans H. C. (1971a). Thermophilous fungi of coal spoil tips. I. Taxonomy, Trans.
Br. Mycol. Soc., 57, 241—254.
Evans H. C. (1971b). Thermophilous fungi of soal spoil tips. II. Occurrence,
distribution and temperature relationships, Trans. Br. Mycol. Soc., 57,
255—266.
234
Глава 5
Evans Н. С. (1971с). Thermophilous fungi of coal spoil tips. III. Seasonal and
spatial occurrence, Trans. Br. Mycol. Soc., 57, 267—272.
Evans H. C. (1972). Thermophilous fungi isolated from the air, Trans. Br Mvcol
Soc., 59, 516—519.
Evans H. C., Stock A. C. (1971). Talaromyces leycettanus sp. nov., Trans. Br.
Mycol. Soc., 56, 45—49.
Fairchild E., Sheridan R. P. (1974). A physiological investigation of the hot
spring diatom, Achnanthes exigua Grim., J. Phycol., 10, 1—4.
Feist W. C., Springer E. L., Hajny G. J. (1971). Viability of parenchyma cells in
stored green wood, TAPPI, 54, 1295—1297.
Feist W. C., Hajny G. J., Springer E. L. (1973a). Effect of storing green wood
chips at elevated temperatures, TAPPI, 56, 91—95.
Feist W. C., Springer E. L., Hajny G. J. (1973b). Spontaneous heating in piled
wood chips — contribution of bacteria, TAPPI, 56, 148—151.
Fergus C. L. (1964). Thermophilic and thermotolerant molds and actinomycetes
of mushroom compost during peak heating, Mycologia, 56, 267—284.
Fergus C. L. (1969). The cellulolytic activity of thermophilic fungi and actino-
mycetes, Mycologia, 61, 120—129.
Fergus C. L. (1971). The temperature relationships and thermal resistance of a
new thermophilic Papulaspora from muschroom compost., Mycologia, 63,
426—431.
Fergus C. L., Amelung R. M. (1971). The heat resistance of some thermophilic
fungi on mushroom compost, Mycologia, 63, 675—679.
Fergus C. L., Sinden J. W. (1969). A new thermophilic fungus from mushroom
compost: Thielavia thermophila spec, nov., Can. J. Bot., 47, 1635—1637.
Festenstein G. N. (1966). Biochemical changes during moulding of self-heated
hay in Dewar flasks, J. Sci. Food Agnc., 17, 130—133.
Festenstein G. N. (1971). Carbohydrates in hay on self-heating to ignition,
J. Sci. Food Agric., 22, 231—234.
Festenstein G. N., Lacey J., Skinner F. A., Jenkins P. A., Pepys J. (1965). Self-
heating of hay and grain in Dewar flasks and the development of
farmer’s lung antigens, .1 .Gen. Microbiol., 41, 389—407.
Fields M. L. (1970). The flat sour bacteria, Adv. Food. Res., 18, 163—217.
Flannigan B. (1969). Microflora of dried barley grain, Trans. Br. Mycol. Soc.,
53, 371—379.
Flannigan B. (1970). Comparison of seed-borne mycofloras of barley, oats and
wheat, Trans. Br. Mycol. Soc., 55, 267—276. ,
Flannigan B. (1972). In: Biodeterioration of Materials (Eds. A. H. Walters and
E. H. Hueck-van der Plas), Vol. 2, 35—41, Wiley, New York.
Flannigan B. (1974). Distribution of seed-borne micro-organisms in naked barley
and wheat before harvest, Trans. Br. Mycol. Soc., 62, 51—58.
* Flannigan B„ Dickie N. A. (1972). Distribution of micro organisms in fractions
produced during pearling of barley, Trans. Br. Mycol. Soc., 59, 377—391.
* Flannigan B„ Hui S. C. (1976). The occurrence of aflatoxin-producing strains
of Aspergillus flavus in the mould floras of ground spices, J. Appl.
Bacteriol., 41, 411—418.
Flannigan B., Sagoo G. S. (1977). Degradation of wood by Aspergillus fumigatus
isolated from self-heated wood chips, Mycologia, 69, 514—523.
Flannigan B„ Sellars P. N. (1972). Activities of thermophilous fungi from barley
kernels against arabinoxylan and carboxymethyl cellulose, Trans. Br.
Mycol. Soc., 58, 338—341.
Fletcher J. T„ Lucas G. B„ Welty R. E. (1967). Thermophilic fungi and bacte-
ria isolated from tobacco, Phytopathology, 57, 458—459.
Fliermans С. B„ Brock T. D. (1972). Ecology of sulfur-oxidizing bacteria in hot
acid soils. J. Bact., Ill, 343—350.
Fordyce C., Jr. (1970). Relative numbers of certain microbial groups present in
compost used for mushroom (Agaricus bisporus) propagation, Appl.
Microbiol., 20, 196—199.
Высокие температуры: экологические аспекты
235
Fraleigh Р. С., Wiegert R. G. (1975). A model explaining successional change
in standing crop of thermal blue-green algae, Ecology, 56, 656—664.
Franz M. (1972). Municipal garbage into mushroom soil, Compost Sci., 13, (6),
6—9.
Fretwell S. D. (1972). Populations in a Seasonal Environment, Princeton Uni-
versity Press, Princeton.
Friedmann E. I., Galun M. (1974). In: Desert Biology (Ed. G. W. Brown), Vol. 2,
pp. 165—212, Academic Press, New York and London.
Frith H. L. (1962). The Mallee-fowi. The Bird That Builds an Indubator, Angus
& Robertson, Sydney.
Gates D. M. (1973). In: Temperature and Life (Eds. H. Precht, J. Chri-
stophersen, H. Hensel and W. LarcherJ, pp. 87—101, Springer Verlag,
New York, Heidelberg, Berlin.
Gaughran E. R. L. (1947). The thermophilic microorganisms, Bact. Rev., 11,
189—225.
Geitler L. (1963). Die angebliche Cyanophycee Isocystis pallida ist ein
hefeartige Pilz (Torulopsidosira), Arch. Mikrobiol., 46, 238—242.
Georg L. K., Bierer B. W.. Cooke W. B. (1964). Encephalitis in turkey poults due
to a new fungus species, Sabouraudia, 3, 239—244.
Gerrits J. P. G. (1970). Inorganic and organic supplementation of mushroom
compost, MGA Bull., 251, 3—15.
Gerrits J. P. G. (1972). The influence of water in mushroom compost, Mushr.
Sci., 8, 43—57.
Gerrits J. P. G. (1974). Development of a synthetic compost for mushroom
growing based on wheat straw and chicken manure, Neth. J. Agric. Sci.,
22, 175—194.
Gerrits J. P. G., Bels-Koning H. C., Muller F. M. (1967). Changes in compost
constituents during composting, pasteurization and cropping, Mushr. Sci.,
6, 225—243.
Gibbons J. W., Sharitz R. R. (1974). Thermal alteration of aquatic ecosystems,
Am. Sci., 62, 660—670.
Gibson T., Gordon R. E. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative Bacterio-
logy (8th ed.) (Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp. 529—550,
Williams & Wilkins, Baltimore.
* Головачева P. C. (1976). Термофильные нитрифицирующие бактерии из го-
рячих источников, Микробиология, 45, 377—379.
Головачева Р. С., Логинова Л. Г., Салихов Т. А., Колесников А. А., Зайце-
ва Г. Н. (1975). Новый вид термофильных бацилл — Bacillus thermo-
catenulatus nov. sp., Микробиология, 44, 265—268.
Gooding G. ¥., Jr., Hodges C. S., Jr., Ross E. IT. (1966). Effect of temperature
on growth and survival of Fomes annosus, For Sci., 12, 325—333.
Gordon R., Haynes W., Pang С. (19731). The Genus Bacillus, U. S. Dep. Agr.
Handbook No. 427, 283 pp.
Gould W. D., Fujikawa J. I., Cook F. D. (1974). A soil fungus tolerant to extreme
acidity and high salt consentrations, Can. J. Microbiol., 20, 1023—1027.
Gray K. (1970). Research on composting in British universities, J. Soil Ass., 16,
27—34.
Gray R. L., Wenzel F. J., Emanuel D. A. (1969). Immunofluorescence identifica-
tion of Thermopolyspora polyspora, the causative agent of garmer’s lung,
Appl. Microbiol., 17, 454—456.
Greaves H. (1971). Biodeterioration of tropical hardwood chips in outdoor
storage, TAPPI, 54, 1128—1133.
Greaves H. (1975). Microbiological aspects of wood chip storage in tropical
environments, Austral. J. Biol. Sci., 28, 315—322.
Gregory P. H., Lacey M. E. (1963a). Liberation of spores from mouldy hay,
Trans. Br. Mycol. Soc., 46, 73—80.
Gregory P. H„ Lacey M. E. (1963b). Mycological examination of dust from
236
Глава 5
mouldy hay associated with farmer’s lung disease, J. Gen. Microbiol 30
75—88. ’
Gregory P. H„ Lacey M. E., Festenstein G. N., Skinner F. A. (1963). Microbial
and biochemical changes during the moulding of hay, J Gen
Microbiol., 33, 147—174.
Gregory P. H., Festenstein G. N., Lacey M. E., Skinner F. A., Pepys J., Jen-
kins P. A. (1964). Farmer’s lung disease: the development of antigens in
moulding hay, J. Gen. Microbiol., 36, 429—439
Griffin J. L. (1972). Temperature tolerance of pathogenic and non-pathogenic
free-living ameobas, Science, 178, 869—970
Hajny G. J. (1966). Outside storage of pulpwood chips — a review and biblio-
graphy, TAPPI, 49, (10), 97A—109A.
Hajny G. J., Jorgensen R. N., Ferrigan J. J. (1967). Outside storage of hardwood
chips in the northeast. I. Physical and chemical effects, TAPPI, 50, 92—96.
Haller R. de, Suter F. (eds.) (1974). Aspergillosis and Farmer’s Lung in Man
and Animals, Hans Huber Publishers, Bern, Stuttgart, Vienna.
Hansen A. P., Welty R. E. (1970). Microflora of raw cacao beans, Mycopathol.
Mucol. Appl, 44, 309—316.
Harris J. A. (1970). Bat-guano cave environment, Science, 169, 1342—1343.
Hartley C. W. S. (1967). The Oil Palm, Longman Group Limited, London.
Hashimoto H., Iwaasa T., Yokotsuka T. (1972). Thermostable acid protease
produced by Penicillium duponti КЮ14, a true thermophilic fungus newly
isolated from compost, Appl. Microbiol, 24, 986—992.
Hatton J. V., Hunt K. (1972). Effect of prolonged outside chip storage on yield
and quality of kraft pulps from Picea glauca and Pinus contorta chips,
TAPPI, 55, 122—126
Hayes W. A. (1969). Microbiological changes in composting wheat straw/horse
manure mixtures, Mushr. Sci., 7, 173—186.
Hayes W. A., Randle P. E. (1968). The use of water soluble carbohydrates and
methyl bromide in the preparation of mushroom composts, MGA Bull.,
218, 81—102.
Hedger J. N. (1974).. In: Biodegredation et Humification I (Eds. G. Kilbertus,
O. Reisinger, A. Mourey and J. A. Cancela da Fonseca), pp. 59—65,
Pierron Sarreguemines.
Hedger J. N., Hudson H. J. (1970). Thielavia thermophilia and Sporotrichum
thermophile, Trans. Br. Mycol. Soc., 54, 497—500.
Hedger J. N., Hudson H. J. (1974). Nutritional studies of Thermomyces lanugi-
nosus from wheat straw compost, Trans. Br. Mycol. Soc., 62, 129—143.
Heinen U. J., Heinen W. (1972). Characteristics and properties of a caldoactive
bacterium producing extracellular enzymes and two related strains, Arch.
Mikrobiol, 82, 1—23.
Heinen W. (1971). Growth conditions and temperature-dependent substrate
specificity of two extremely thermophilic bacteria, Arch. Mikrobiol., 76,
2—17.
Heinrich B. (1974). Thermoregulation in endothermic insects, Science, 185,
747—756.
Henssen A. (1969). Streptomyces fragmentosporus, ein neuer thermophiler
Actinomycet, Arch. Mikrobiol., 67, 21—27.
Henssen A. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology (8th
ed.) (Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp. 746—747, Williams
& Wilkins, Baltimore.
Hill E. C. (1971). In: International Conference on Global Inpacts of Applied
Microbiology, 3rd, Bombay, 1969 (Eds. Y. M. Freitas and F. Fernandes),
pp 201—202, University of Bombay.
Hill E. C, Thomas A. R„ John D. (1975). Thermophilic growth in aviation kero-
sene, Int. Biodeterior. Bull., 11, iv.
Hindle E. (1932). Some new thermophilic organisms, J. R. Microsc. Soc., 52,
123—133.
Высокие температуры: экологические аспекты
237
Hofsten В. и., Hofsten А. V. (1974). Ultrastructure of a thermotolerant Basidio-
mycete possibly suitable for production of food protein, Appl. Microbiol
27,1142—1148. '
Hofsten B. y., Ryden A.-L. (1975). Submerged cultivation of a thermotolerant
basidiomycete on cereal flours and other substrates, Biotechnol. Bioens
17, 1183—1197.
Hollaus F., Klaushofer H. (1973). Identification of hyperthermophilic obligate
anaerobic bacteria from extraction juices of beet sugar factories Inst
Sug. J., 75, 237-241, 271-275.
Hollaus F„ Sleytr U. (1972). On the taxonomy and fine structure of some
hyperthermophilic saccharolytic Clostridia, Arch. Mikrobiol., 86, 129—146.
Hoog G. S. de (1973). Additional notes on Triiirachium, Persoonia, 7, 437—441.
Hoog G. S. de (1974). The general Blastobotrys, Sporothrix, Calcarisporium and
Calcarisporiella gen. nov. Studies in Mycology, No. 7, Centraalbureau
voor Schimmelcultures, Baarn, Netherlands.
Huang L. H. (1971). Studies on soil microfungi of Nigeria and Dominica, Ph. D.
Thesis, Univ. Wisconsin.
Hubdlek Z., Baldi F., TouSkovd I., Vlk !. (1973). Mycoflora of birds’ nests in
nest-boxes, MycopathoL Mycol. Appl., 49, 1—12.
Hudec P. P., Sonnenfeld P. (1974). Hot brines on Los Roques, Venezuella,
Science, 185, 440—442.
Hudson H. J. (1973). Thermophilous ond thermotolerant fungi in the air-spora
at Cambridge, Trans. Br. Mycol. Soc., 60, 596—598.
Hughes W. T„ Crosier J. W. (1973). Thermophilic fungi in the mycoflora of man
and environmental air, Mycopath. Mycol. Appl., 49, 147—152.
Hultne M. A., Shields J. K. (1973). Treatments to reduce chip deterioration during
storage, TAPPI, 56, 88—90.
Hunt J. M., Hays E. E., Degens E. T., Ross D. A. (1967). Red Sea: detailed
survey of hot-brine areas, Science, 156, 514—516.
Hussain H. M. (1973). Okologische Untersuchungen fiber die Bedeutung thermo-
philer Mikroorganismen ffir die Selbsterhitzung von Neu, Z. Allg.
Mikrobiol., 13, 323—334.
Hussain H. M. (197?) In: Self heating of Organic Materials: Proceedings of the
Symposium. (International Symposium, Utrecht, 1971, Delft), pp. Ill—126.
Joachimescu M. (1973). Indluenta temperaturii asupra cre^terii $i dezvoltarii
ciupercilor izolate de pe lemnul din mina, Stud. Gercet. Biol. Ser. Bot.,
25, 167—170.
Irlina I. S. (1967). In: The cell and Environmental Temperature (Ed. A. S. Tro-
shin) pp. 249—251, Pergamon Press, Oxford.
Issel R. (1910). La Faune des Sources thermales de Viterbo, Int. Revue ges,
Hydrobiol. Hydrogr , 3, 178—180
Jackson J. E„ Jr., Castenholz R. W. (1975). Fidelity of thermophilic blue-green
algae to hot spring habitats. Limnol. Oceanogr., 20, 305—322.
Jackson T. J., Ramaley R. F., Meinschein IF. G. (1973). Thermomicrobium, a
new genus of extremely thermophilic bacteria, Int. J. Syst. Bacteriol., 23,
28—36
* Jonckheere J. de (1977). Use of an axenic medium for differentiation between
pathogenic and nonpathogenic Naegleria fowleri isolates. Appl. Environ.
Microbiol, 33, 751—757
Jorgensen J. D., Gaddie R. (1969). Decomposition of molasses pulp pellets in
bulk storage, J. Am Soc. Sugar Beet Technol., 15, 277—281.
Jungerman P. F., Schmartzman R. M. (1972). Veterinary Medical Mycology, Lea
& Febiger, Philadelphia.
* Kahan D. (1969). The iauna of hot springs, Verh. Int. Verein. Theor. Angew.
Limnol., 17, 811—816
Kohan D. (1972). Cyclidium citrullus Cohn, a ciliate from the hot springs of
Tiberias (Israel), J. Protozool., 19, 593—597.
Kohan D., Sharon R. (1976). Effect of temperature on growth, cell size, and
238
Глава 5
free amino acid pool of the thermophilic ciliate Cyclidium citrullus,
J. Protozool., 23, 478—481.
Капе В. E., Mullins J. T. (1973). Thermophilic fungi in a municipal waste
compost system, Mycologia, 65, 1087—1100.
Kappen L. (1973). In: The Lichens (Eds. V. Ahmadjian and M. E. Hale),
pp. 311—380, Academic Press, New York and London.
Хазанов О. (1968). О термофильных грибах в почвах Чирчик-Келесского райо-
на Ташкентской области, УзССР Фаиалр. Акад. Докл., ДАН УзССР,
1968, 53—54.
Хазанов О., Мирходжаев М. (1969). Влияние различных источников азота иа
расщепление целлюлозы термофильными микромицетами. Узбек. Биол.
Ж., 1969, 13—15.
King A. D., Jr., Michener И. D., Keith А. I. (1969). Control of Byssochlamys and
related heat-resistant fungi in grape products, Appl. Microbiol., 18,
166—173.
Kitano K-, Kintaka K., Suzuki S., Katamoto K-, Nara K-, Nakao У. (1975a).
Screening of microorganisms capable of producting 0-lactam antibiotics,
J. Ferment. Technol., 53, 327—338.
Kitano К., Kintaka K., Katamoto K., Nara K-, Nakao У. (1975b). Occurrence of
6-aminopenicillanic acid in culture broths of strains belonging to the
genera Thermoascus, Gymnoascus, Polypaecilum and Malbranchea,
J. Ferment. Technol., 53, 339—346. .
Klopotek A. von (1974). Revision der thermophilen Sporotrichum-Arten:
Chrysosporium thermophilum (Apinis) comb. nov. und Chrysosporium
fergusii spec. nov. = status conidialis von Corynascus thermophilis
(Fergus und Sinden) comb, nov., Arch. Microbiol., 98, 365—369.
Kluepfel D., Bagli J., Baker H., Charest М.-P., Kudelski A., Sehgal S. N.,
Vezina C, (1972). Myriocin, a new antifungal antibiotic from Myriococcum
albomyces, J. Antibiot., 25, 109—115.
Knosel D. (197?). In: Self heating of Organic Materials- Proceedings of the
Symposium. (International Symposium, Utrecht, 1971, Delft), pp. 139—
146.
Knosel D., Resz A. (1973). Pilze als Mflllkompost. Enzymatischer Abbau von
Pektin und Zelloluse durch warmeliebende Spezies, Stadtehygiene, 24,
(6), 143—148.
Knutson R. M. (1974). Heat production and temperature regulation in eastern
skunk cabbage, Science, 186, 746—747.
Kullberg R. G. (1968). Algal diversity in several thermal spring effuents,
Ecology, 49, 751—755.
Kullberg R. G. (1971). Algal distribution in six thermal spring effuents, Trans.
Am. Microsc. Soc., 90, 412—434.
Kurata H., Ichinoe M., Naito A. (1966). A thermophilic fungus, Humicola
lanuginosa found in soil from Japan, Trans. Mycol. Soc. Japan., 7,
99—100.
Kurup V. P., Barboriak J. J., Fink J. N., Lechevalier M. P. (1975). Thermoactino-
myces Candidas, a new species of thermophilic actinomycetes, Int. J. Syst.
Bacteriol., 25, 150—154.
Kilster E. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology. (8th ed )
(Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp. 858—859, Williams & Wil-
kins, Baltimore. ... „
Lacey J. (1967). Airborne moulds and actinomycetes from grain in storage, Rep.
Rothamsted Exp. Stn., 1966, 133—134.
Lacey J. (1938). Moulds and actinomycetes from stored crops, Rep. Rothamsted
Exp. Stn., 1967, 129—130. . , л .
Lacey J. (1971a). The microbiology of moist barley storage in unsealed silos, Ann.
Appl. Biol., 69, 187—212. ,.
Lacey J. (1971b). Thermoactiotnyces sacchari sp. nov., a thermophilic actino-
mycete causing bagassosis, J. Gen. Microbiol., 66, 327—338.
Высокие температуры: экологические аспекты
239
Lacey 1. (1972). The microbiology of grain stored unterground in Iron Age type
pits, J. Stored Prod. Res., 8, 151—154.
Lacey J. (1973). Actinomycete and fungus spores in farm air, J. Agric. Labour
Sci., 1, 61—78.
Lacey J. (1974a). Moulding of sugar-cane bagasse and its prevention, Ann. Appl
Biol., 76, 63—76.
Lacey J. (1974b). In: Aspergillosis and Farmer’s Lung in Man and Animals
(Eds. R. de Haller and F. Suter), pp. 16—23, Ilans Huber Publichers,
Bern, Stuttgart, Vienna.
Lacey J. (1975a). Airborne spores in pastures, Trans. Br. Mycol. Soc., 64, 265—
281.
Lacey J. (1975b). Potential hazards to animals and man from microorganisms
in fodders and grain, Trans, Br. Mycol. Soc., 65, 171—184.
Lacey J., Lacey M. E. (1964). Spore concentrations in the air of farm buildings,
Trans. Br. Mycol. Soc., 47, 547—552.
Lacey J., Pepys J., Cross T. (1972). In: Safety in Microbiology (Eds. D. A. Shap-
ton and R. G. Board), pp. 151—184, Academic Press, London and New
York.
Larcade R. J. (1967). Studies on the effects of temperature and nutrition on
growth and morphogenesis of the thermophilic fungus Thermoascus
aurantiacus, M. Sc. Thesis, Adelphi University.
Leadbetter E. R. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology
(8th ed.) (Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp.. 267—269,
Williams & Wilkins, Baltimore.
Levine D. W., Cooney C. L. (1973). Isolation and characterization of a thermo-
tolerant methanol-utilizing yeast, Appl. Microbiol., 26, 982—990.
Логинова Л. Г. (1960). Физиология экспериментально полученных термофиль-
ных дрожжей. — М., Изд-во АН СССР.
Логинова Л. Г., Егорова Л. А. (1975). Облигатно-термофильные бактерии
Thermus ruber в гидротермах Камчатки, Микробиология, 44, 661—665.
Логинова Л. Г., Космачев А. Е., Головачева Р. С., Серегина Л. М. (1962). Ис-
следование термофильной микрофлоры горы Янган-Тау на южном Урале,
Микробиология, 31, 1082—1086.
Логинова Л Г., Головачева Р. С., Щербаков М. А. (1966а). Термофильные
бактерии, образующие активные целлюлолитические ферменты, Микро-
биология, 35, 796—804.
Логинова Л. Г., Головачева Р. С., Егорова Л. А. (19666), Жизнь микроорга-
низмов при высоких температурах. — М., Наука.
Логинова Л. Г., Головачева Р. С., Головина И. Г., Егорова Л. А., Позмого-
ва И. Н., Хохлова Ю. М., Цаплина И. А. (1973). Современные пред-
ставления о термофилии микроорганизмов. — М., Наука.
Lohr Е., Olsen J. (1969). The thermophilic fungus Humicola lanuginosa, Friesia,
9, 140—141.
Lundstroin H. (1972). Microscopic studies of cavity formation by soft rot fungi
Allescheria terresiris Apinis, Margarinomyces luteo-viridis v. Beyma and
Phialophora richardsiae (Nannf.) Conant. Stud. For. Suec., 98, 1—18.
Lundstom H. (1973). Studies of the wood-decaying capacity of the soft rot fungi
Allescheria terresiris, Phialophora (Margarinomyces') luteo-viridis and
Philaphora richardsiae. Res. Note R87, 23 pp., Institutionen for Virkeslara,
Skogshogskolan Stockholm.
Lundstrom H. (1974). Studies on the physiology of the three soft rot fungi
Allescheria errestris, Phialophora (Margarinomyces) luteo-viridis and
Philophora richardsiae, Stud. For. Suec., 115. 1—42.
Maheshwari R. (1968). Occurrence and isolation of thermophilic fungi, Curr.
Sci, 37, 277—279.
Mahoney D. P. (1972). Soil anf litter microfungi of the Galapagos Islands, Ph.
D. Thesis, University of Wisconsin.
Malik K. A., Eggins H. O. W. (1972). Some studies on the effect of pH on the
240
Глава 5
ecology of cellulolytic thermophilic fungi using a perfusion technique,
Biologia, 18, 143—151.
Malik K. A., Sandhu G. R. (1973). Some studies on the fungi of kallar grass
(Diplachne fusca (L.) P. Beauv.) compost, Pak. J. Bot, 5, 57—63.
Manachini P., Ferrari A., Craveri R. (1965). Forme termofile di Actinoplanaceae,
Isolamento e ceratteristiche di Streptosporangium album var. thermo-
phtlum, Annal. Microbiol., 15, 129—144.
Manachini P„ Craveri A., Craveri R. (1966). Thermomonos рога citrina, una
nuova specie di Attinomiecete Termofilo isolate dal suolo, Annal. Micro-
biol., 16, 83—90.
Mann J. E; Schlichting H. E., Jr. (1967). Benthic algae of selected thermal
springs in Yellowstone National Park, Trans. Am. Microsc. Soc., 86,
2—9.
Maravalhas N. (1966). Mycological deterioration of cocoa beans during
fermentation and storage in Bahia, Inst. Choc. Rev., 21, 375—378.
Mateles R. I., Baruah J. N., Tannenbaum S. R. (1967). Growth of a thermophilic
bacteriaum on hydrocarbons: A new source of single-cell protein, Science,
157, 1322—1323.
Matsuo M., Yasui T., Kobayashi T. (1975). Production and saccharifying action
for xylan of xylanase from Malbranchea pulchella var. sulfurea No. 48,
J. Agric. Chem. Soc. Japan, 49, 263—270.
McCown В. H. (1973). In: Proceedings of the Symposium on the Impact of Oil
Resource Development on Northern Plant Communities, pp. 12—33.
Institute of Arctic Biology, Fairbanks, Alaska.
McGee J. M., Brown L. R., Tischer F. G. (1967). A high-temperature, hydrogen-
oxidizing bacterium — Hydrogenomonas thermophilus, n. sp., Nature,
Lond., 214, 715—716.
Meeks J. C„ Castenholz R. W. (1971). Growth and photosynthesis in an extreme
thermophile, Synechococcus lividus (Cyanophyta), Arch. Mikrobiol., 78,
25—41.
Meeuse B. J. D. (1975). Thermogenic respiration in aroids, A. Rev. Plant Physiol.,
26, 117—126.
Mehrotra B. S„ Basu M. (1975). Survery of the microorganisms associated with
cereal grains and their milling fractions in India. Part. I. Imported wheat,
Int. Biodeterior. Bull., 11, 56—63.
Meyer R. D., Armstrong D. (1973). Mucormycosis — changing status, CRC Crit.
Rev. Clin. Lab. Sci., 4, 421—451.
Meyer R. D., Kaplan M. H., Ong M., Armstrong D. (1973). Cutaneous lesions
in disseminated mucormycosis, J. Am. Med. Assoc., 225, 737—738.
Miehe H. (1907) Die Selbsterhitzung des Heus. Eine biologische Studie, Gustav
Fischer, Jena.
Милько А. А., Белякова Л. A. (1967). Виды рода Mucor с шаровидными спо-
рангиоспорами, Микробиология, 36, 111—120.
Mills J., Eggins H. O. W. (1970). Growth of thermophilic fungi on oxidation
products of polyethylene, Int. Biodeterior. Bull., 6, 13—17.
Mills J., Eggins H. O. W. (1974). The biodeterioration of certain plasticisers
by thermophilic fungi, Int. Biodeterior. Bull., 10, 39—44.
Mills J., Barnes T. G., Eggins H. O. W. (1971). Talaromyces emersontt — a
possible biodeteriogen, Int. Biodeterior. Bull., 7, 105—108.
Mills J., AUsopp D„ Eggins H. O. W. (1972). In: Biodeterioration of Materials
(Eds. A. H. Walters and E. H. Hueck-van der Plas), Vol. 2, pp. 227—232,
Wiley, New York. . , ... .
Minoura K-, Yokoe M., Kizima T., Nehira T. (1973a). Thermophilic filamentous
fungi in Japan (1), Trans. Mycol. Soc. Japan, 14, 352—361. ...
Minoura K, Ochi K-. Nehira T. (1973b). Thermophilic filamentous fungi in
Japan (2), Trans. Mycol. Soc. Japan, 14, 362—366.
Mitchell R. (1960). The evolution of thermophilous [sic] water mites, Evolution,
14, 361—377.
Высокие температуры: экологические аспекты
241
Mitchell R. (1974). The evolution of thermophily in hot springs, Q. Rev. Biol.,
49, 229—242.
Morgan-Jones G. (1974). Notes on Hyphomycetes. V. A new thermophilic species
of Acremonium, Can J. Bot., 52, 429—431.
Morton L. H. G., Eggins H. O. W. (1975). Thermophilous fungi from timber,
Int. Biodeterior. Bull., 11, iv (Abst).
Mosser J. L., Mosser A. G., Block T. D. (1973). Bacterial origin of sulfuric acid
in geothermal habitats, Science, 179, 1323—1324.
Mosser J. L., Bohlool В. B., Brock T. D. (1974a). Growth rates of Sulfolobus
acidocaldarius in nature, J. Bact, 118, 1075—1081.
Mosser J. L., Mosser A. G., Brock T. D. (1974b). Population ecology of Sulfolo-
bus acidocaldarius. I. Temperature strains, Arch. Microbiol., 97, 169—179.
Mouchacca J. (1973). Les Thielavia des sols arides: especes nouvelles et analyse
geberique, Bull. Soc. Mycol. France, 89, 295—311.
Mountford M. D. (1971). Population survival in a variable environment, J. Theor.
Biol., 32, 75—79.
Mulinge S. K-, Apinis A. E. (1969). Occurrence of thermophilous fungi in stored
moist barley grain, Trans. Br. Mucol. Soc., 53, 361—370.
Mulinge S. K., Chesters C. G. C. (1970). Ecology of fungi associated with moist
stored barley grain, Ann. Appl. Biol., 65, 277—284.
Myers J. W., Pfeiffer J. J., Murphy E. M., Griffith F. E. (1966). Ignition and
control of burning of coal mine refuse, U. S. Bur. Mines Rep. Invest.
6758, 24 pp.
Nagy K. A., Odell D. К, Seymour R. S. (1972). Temperature regulation by the
inflorescence of philodendron, Science, 178, 1195—1197.
Никитина 3. И., Пчелинцева T. П., Холлер В. А. (1970). Термогенез грибов, вы-
деленных из саморазогревающегося торфа, Биол. Наук. УССР, 13, (8),
88—91.
Nilsson Т. (1965). Mikroorganismer i flisstackar, Svensk Papp-Tidn., 68, 495—
499.
Nilsson T. (1973a). Micro-organisms in chip piles, Res. Note No. R83, 23 pp.
Dept. For Prod., R. Coll. For., Stockholm.
Nilsson T. (1973b). Studies on wood degradation and cellulolytic activity of
microfungi, Stud. For. Suec., 104, 1—40.
Nottebrock H., Scholer H. J., Wall M. (1974). Taxonomy and identification of
mucormycosis-causing fungi. I. Synonymity of Absidia ramosa with
A. corymbifera, Sabouraudia, 12, 64—74.
Ofosu-Asiedu A., Smith R. S. (1973a). Some factors affecting wood degradation
by thermophilic and thermotolerant fungi, Mycologia, 65, 87—98.
Ofosu-Asiedu A., Smith R. S. (1973b). Degradation of three softwoods by
thermophilic and thermotolerant fungi, Mycologia, 65, 240—244.
Okafor N. (1966). Thermophilic micro-organisms from rotting maize, Nature,
Lond., 210, 220—221.
Okazaki H., lizuka H. (1970). Lysis of living mycelia of a thermophilic fungus,
Humicola lanuginosa, by the cell wall-lytic enzymes produced from a
thermophilic actinomycete, J. Gen. Appl. Microbiol., Tokyo, 16, 537—541.
Okazaki H., lizuka H. (1971). On yeast cell lytic activity and (J-l,3-glucanase
produced from thermophilic fungi, J. Agr. Chem. Soc. Japan, 45, 460—470.
Orla-Jensen S. (1942). The Lactic Acid Bacteria (2nd ed.), 197 pp., Kobenhavn.
Oshima T., Imahori K.. (1974). Description of Thermus thermophilus (Yoshida
and Oshima) comb, nov., a nonsporulating thermophilic bacterium from
a Japanese thermal spa, Int. J. Syst. Bactiol., 24, 102—112.
Oso B. A. (1974a). Thermophilic fungi from stacks of oil palm kernels in
Nigeria, Z. Allg. Mikrobiol., 14, 593—601.
Oso B. A. (1974b). Carbon source requirements for the thermophilic ascomycete
Chaetomium thermophile var. coprophile, Z. Allg. Mikrobiol., 14, 603—610.
242
Глава 5
•Oso В. А. (1974с). Utilization of lipids as sole carbon sources by thermophilic
fungi, Z. Allg. Mikrobiol., 14, 713—717.
Pask-Huglies R., Williams R. A. D. (1975). Extremely thermophilic Gramnegative
bacteria from hot tap water, J. Gen. Microbiol., 88, 321—328.
Pax F. (1951). Die Grenzen tierischen Lebens in mitteleuropaischen Thermen,
Zool. Anz., 147, 275—284.
Phelps A. (1961). Studies on factors influencing heat survival of a ciliate, a
mite, and an ostracod, obtained from a thermal stream, Am. Zool., 1, 467.
Pierson В. K„ Castenholz R. W. (1974a). A prototrophic gliding filamentous
bacterium of hot springs, Chloroflexus aurantiacus, gen. and sp. nov.,
Arch. Microbiol., 100, 5—24.
Pierson B. K., Castenholz R. W. (1974b). Studies of pigments and growth in
Chloroflexus aurantiacus, a phototrophic filamentous gliding bacterium,
Arch. Microbiol., 100, 283—305.
Pirie H. M., Dawson C. 0., Breeze R. G„ Selman I. E., Wiseman A. (1971).
Fog fever and precipitins to micro-organisms of mouldy hay, Res. Vet.
Sci., 12, 586—588.
Poincelot R. (1972). The biochemistry and methodology of composting, Conn.
Agr. Exp. Stn. Bull. 727, 38 pp.
Poincelot R. (1974). A scientific examination of the principles and practice of
composting, Compost. Sci., 15, (3), 24—31.
Полянский Г. И„ Суханова К. М. (1967). In: The Cell and Environmental
Temperature (Ed. A. S. Troshin), pp. 200—209 + 258—261, Pergamon
Press, Oxford.
Pope S., Knaust H., Rnaust K. (1962). Production of compost by thermophilic
fungi, Mushr. Sci., 5, 123—126.
Par F. D. (1969). Limnology of the heliothermal Solar Lake on the coast of
Sinai (Gulf of Elat). Verh. Int. Verein. Theor. Angew. Limnol., 17, 1031—
1034.
Pore R. S., Larsh H. W. (1967). First occurrence of Thermoascus aurantiacus
from animal and human sources, Mycologia, 59, 927—928.
Pounds J. R., Lucas G. B. (1972). Thermophilic fungi of tobacco. N. C. Agr.
Exp. Stn., Raleigh Tech. Bull., No. 211, 24 pp.
Pridham T. G., Tresner H. D. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative
Bacteriology (8th ed.) (Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons),
pp. 748—829, Williams & Wilkins, Baltimore
Prodromou Af. C., Chapman E. S. (1974). Effects of nitrogen sources at
various temperatures on Papulospora [sic] thermophila, Mycologia, 66,
876—880.
Qureshi A. R., Johri B. N. (1972). Temperature relationship of some thermophilic
fungi, Bull. Bot. Soc. Univ. Sagar, 19, 28—30.
Ramabadran R. (1967—1968). The role of thermophilic micro-organisms in na-
ture, Annamalai Univ. Agr. Mag., 8, 74—76.
Ramaley R. F„ Hixson J. (1970). Isolation of a nonpigmented, thermophilic
bacterium similar to Thermus aquaticus, J. Bact., 103, 527—528.
Ranck R. M., Jr., Georg L. R, Wallace D. H. (1974). Dactylariosis — a newly
recognized fungus disease of chickens, Avian Dis., 18, 4—20.
Renard Y., Cailleux R. (1973). Contribution a Г etude des microorganismes du
compost destine a la culture du champignon de couche, Rev. Mycol., 37,
36-47.
Rdsz A. (1968). Untersuchungen fiber den Mikroorganismenbesatz von beliifte-
tem Heu, Zentbl. Bakt. Parasitkde. Atb. II, 122, 597—634.
Resz A. (197?). In: Self heating of Organic Materials; Proceedings of the
Symposium. (International Symposium Oiganized by the Laboratory of
Physical Technology, Technical University of Delft, and the Federation
of Mutual Fire Insurance Companies, Utrecht, February 18—19, 1971,
Delft), pp. 127—138.
Высокие температуры: экологические аспекты
243
Riley I. (1965). Further studies on temperature rise in large stacks of cocoa,
Nigerian Stored Prod. Res. Inst. A. Rep., Tech. Rep. No. 1, 21—23.
Rippon J. W. (1974). Medical Mycology, W. B. Saunders, Philadelphia, London
and Toronto.
Rode L. J., Foster J. W„ Schuhardt V. T. (1947). Penicillin production by a
thermophilic fungus, J. Bact, 53, 565—566.
Rogosa M. (1974). In: Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology. (8th ed.)
(Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp. 669—676, Williams & Wil-
kins, Baltimore.
Romanelli R. A., Houston C. W., Barnett S. M. (1975). Studies on thermophilic
cellulolytic fungi, Appl. Microbiol., 30, 276—281.
Ross D. A. (1972). Red Sea hot brine area: revisited, Science, 175, 1455—1457.
Ross D. A., Whit marsh R. B., Alt S. A., Boudreaux J. E., Coleman R., Flei-
sher R. L, Girdler R„ Mangeim F., Matter A., Nigrini C., Staffers P.,
Supko P. R. (1973), Red Sea drillings, Science, 179, 377—380.
Rothbaum H. P. (1961). Heat output of thermophiles occurring on wool,
J. Bacteriol., 81, 165—171.
Rothbaum H. P., Dye M. H. (1964). Self-heating of damp wool. Part III. Self-
heating of damp wool under isothermal conditions, N. Z. J. Sci., 7,
119—146.
Розанова E. П., Худякова А. И, (1974). Новый бесспоровый термофильный ор-
ганизм, восстанавливающий сульфаты, Desulfovibrio thermophilus nov.
sp., Микробиология, 43, 1069—1075.
Rychtera M. (1971). In: Deterioration of Electrical Equipment in Adverse
Environments (Ed. E. W. Firth), Daniel Davey and Company, Hartford.
Saez H. (1966). Aspergillus nidulans (Eidam) Winter, une espece thermophile
commune, chez 1’animal, Bull. Mens. Soc. Linn. Lyon, 35, 467—472.
Saiki T., Kimura R„ Aritna K. (1972). Isolation and characterization of extremely
thermophilic bacteria from hot springs, Agr. Biol. Chem., 36, 2357—2366.
Salminen K, Talja R, Vasenius H., Weckstrom P. (1974). The fungous flora of
the suana and the influence of certain disinfectants, Zentbl. Bakt. Para-
sitKde Abt. I. Orig. B, 158, 552—560.
Samson R. A. (1974). Paecilomyces and some allied hyphomycetes. Studies in
Mycology, No. 6, Centraalbureau voor Schimmelcultures, Baarn, Nether-
lands.
Samson R. A., Tansey M. R. (1975). Byssochlamys verrucosa sp. nov., Trans.
Br. Mycol. Soc., 65, 512—514.
* Samson R. A., Crisman M. Jack, Tansey M. R. (1977). Observations on the
thermophilic ascomycete Thielavia terrestris, Trans. Br. Mycol. Soc., 69,
417—423.
San Antonio J. P. (1966). Effects of injection of nutrient solutions into compost
on the yield of mushrooms (Agaricus bisporus). Proc. Am. Soc. Hortic.
Sci., 89, 415—422.
* Satyanarayana T„ Johri B. N., Saksena S. B. (1977). Seasonal variation in
mycoflora of nesting materials of birds with special reference to thermo-
philic fungi, Trans. Br. Mycol. Soc., 68, 307—309.
Schmidt F. L. (1969). Observations on spontaneous heating toward combustion
of commercial chip piles, TAPPI, 52, 1700—1701.
Schmidt R. A., Wood F. A. (1969). Temperature and relative humidity regimes
in the pine stump habitat of Fames annosus, Can. J. Bot., 47, 141—154.
Scholer H. J. (1974). In: Aspergillosis and Farmer’s Lung in Man and Animal
(Eds. R. de Haller and F. Suter), pp. 35—40, Hans Huber Publishers, Bern,
Stuttgart, Vienna.
Schramm J. R. (1966). Plant colonization studies on black wastes from anthracite
mining in Pennsylvania, Trans. Am. Philos. Soc. N. S., 56, 1—194.
Scott J. A., Hill E. C. (1971). In: Microbiology 1971 (Ed. P. Hepple), pp. 25—
41, Institute of Petroleum, London.
Seabyry J., Salvaggio J., Buechner H., Kundur V. G. (1968). Bagossois III.
244
Глава 5
Isolation of thermophilic and mesophilic actinomycetes and fungi from
moldy bagasse, Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 129, 351—360.
Seabury Salvaggio J., Domer J., Fink J., Kawai T. (1973). Characterization
of thermophilic actinomycetes isolated from residential heating and
humidification systems, J. Allergy Clin. Med., 51, 161—173.
Seal K.. J., Eggins H. O. W. (1972). The role of micro-organisms in the biodegra-
dation of farm animal wastes with particular reference to intensively
produced wastes. A review, Int. Biodeterior. Bull., 8, 95—100.
Semeniuk G., Carmichael J. HZ. (1966). Sporotrichum thermophile in North
America, Can. J. Bot, 44, 105—108.
* Sheridan R. P. (1976). Sun-shade ecotypes of bluegreen algae in a hot
spring, J. Phycol., 12, 279—285.
Sheridan J. E., Soteros J. J. (1974). A survey of fungi in jet aircraft fuel systems
in New Zealand, Int. Biodeterior. Bull., 10, 105—107.
* Sheridan R. P., Ulik T. (1976). Adaptive photosynthetic responses to tempe-
rature extremes by the thermophilic cyanophyte Synechococcus lividus,
J. Phycol., 12, 255—261.
Shields J. K. (1966). Microbiological deterioration of piled wood chips stored
outside, Can. Dep. For., Bi-mon, Res. Notes, 22, 5—6.
Shields J. K. (1967). Microbiological deterioration in the wood chip pile, Dep.
Publ. No. 1191, 29 pp., Forestry Branch (Canada).
Shields J. K. (1969a). Inhibition of fungi in a softwood chip pile, Can Dept.
For., Bi-mon. Res. Notes, 25, 3—5.
Shields J. K. (1969b). Microflora of eastern Canadian wood chip piles, Mycolo-
gia, 61, 1165—1168.
Shields J. K. (1970). Brown-stain development in stored chips of spruce and
balsam fir, TAPPI, 53, 455—457.
Shivvers D. W., Brock T. D. (1973). Oxidation of elemental sulfur by Sulfolobus
acidocaldarius, J. Bact., 114, 706—710.
Sinha R. N„ Wallace H. A. H. (1965). Ecology of a fungus-induced hot spot
in stored grain, Can. J. Plant Sci., 45, 48—59.
Sinha R. N., Wallace H. A. H. (1973). Population dynamics of stored-product
mites, Oecologia, 12, 315—327.
Sinha R. N., Yaciuk G., Muir IF. E. (1973). Climate in relation to deterioration
of stored grain, A multivariate study, Oecologia, 12, 69—88.
Slddeckova A. (1969). Control of slimes and algae in cooling systems, Verh.
Int. Verein. Theor. Angew. Limnol., 17, 532—538.
Smith D. W., Brock T. D. (1973). The water relations of the alga Cyanidium
caldarium in soil, J. Gen. Microbiol., 79, 219—231.
Smith L. D. S., Hobbs G. (1974), In: Bergey’s Manual of Determinative Bac-
teriology (8th ed.) (Eds. R. E. Buchanan and N. E. Gibbons), pp. 551—
572, Williams & Wilkins, Baltimore.
Smith R. S. (1973). Colonization and degradation of outside stored softwood
chips by fungi, Res. Note No. R83, 16 pp., Dept. For. Prod., R. Coll. For.,
Stockholm.
Smith R. S., Hatton J. V. (1971). Economic feasibility of chemical protection
for outside chip storage, TAPPI, 54, 1638—1640.
Smith R. S„ Ofosu-Asiedu A. (1972). Distribution of thermophilic and thermoto-
lerant fungi in a spruce-pine chip pile, Can. J. For. Res, 2, 16—26.
Smith R. S., Ofosu-Asiedu A. (1973). Degradation of arabinose in wood attacked
by thermophilic fungi, Can. Dept. For., Bimon. Res. Notes 29, 3—4.
Somkuti G. A. (1974). Synthesis of cellulase by Mucor pusillus and Mucor
miehei, J. Gen. Microbiol., 81, 1—6.
Somkuti G. A., Walter M. M. (1970). Antimicrobial polypeptide synthesized by
Mucor pusillus NRRL 2543, Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 133, 780—785.
Sorensen S. G„ Crisan E. V. (1974). Thermostable lactase from thermophilic
fungi, J. Food Sci., 39, 1184—1187.
Sorokin C. (1967). New high-temperature Chlorella, Science, 158, 1204—1205.
Высокие температуры: экологические аспекты
245
4.
Spaulding Р. S. (1929). Decay of slash of northern white pine in southern New
England, U. S. D. A. Tech. Bull. No. 132, 1—20.
Sprenger E. (1930). Bacillariaies aus den Thermen und der Umgebung von
Karlsbad, Arch. Protistenk., 71, 502—542.
Springer E. L., Feist W. C., Zoch L. L., Jr., Hajny G. J. (1973a). Evaluation
of chemicals for preserving wood chips using pile simulators, TAPPI,
56, 125—128.
Springer E. L., Feist W. C., Zoch L. L„ Jr, Hajny G. L. (1973b). New and ef-
fective chemical treatment to preserve stored wood chips, TAPPI, 56, 157.
Springer E. L„ Hajny G. J., Feist IT. C. (1971). Spontaneous heating in piled
wood chips. II. Effect of temperature, TAPPI, 54, 589—591.
Stahl R. W. (1904). Survey of burning coal-mine refuse banks, U. S. Bur. Mi-
nes Inform. Circ. 8209, 39 pp.
Stanek M. (1972). Microorganisms inhabiting mushroom compost during fermen-
tation, Mushr. Sci., 8, 797—811.
Stockner J. G. (1967). Observations of thermophilic algal communities in Mount
Rainier and Yellowstone National Parks, Limnol. Oceanogr., 12, 13—17.
Stockner J. G. (1968a). The ecology of a diatom community in a thermal stream,
Br. Phycol. Bull., 3, 501—514.
Stockner J. G. (1968b). Algal growth and primary productivity in a thermal
stream, J. Fish. Res. Bd. Canada, 25, 2037—2058.
Stolk A. C. (1965). Thermophilic species of Tularomyces Benjamin and
Thermoascus Miehe, Antonie van Leeuwenhoek, 31, 262—276.
Stolk A. C., Samson R. A. (1972). The genus Talaromyces, Studies on Talaro-
myces and related genera II. Studies in Mycology No. 2. Centraalbureau
voor Schimmelcultures, Baarn, Netherlands.
Stolk A. C., Evans H. C., Nilsson T. (1969). Penicillium argillaceum sp. nov.,
a thermotolerant Penicillium, Trans. Br. Mycol. Soc., 53, 307—311.
Streets B. W., Ingle M. B. (1972). The effect of temperature on spore germina-
tion and growth of Mucor miehei in submerged culture, Can. J. Micro-
biol., 18, 975—979.
Stretton R. J. (1975). Experimentally induced mycetoma: species of Sporotrichum
and Sporothrix, Mycopathologia, 55, 83—90.
Stutzenberger F. J., Kaufman A. J., Lossin R. D. (1970). Celluloytic activity in
municipal solid waste composting, Can. J. Microbiol., 16, 553—560.
Суханова К. M. (1967). In: The Cell and Environmental Temperature (Ed.
A. S. Troshin), pp. 255—257, Pergamon Press, Oxford.
Sumner J, L„ Evans H. C, (1971). The fatty acid composition of Dactylaria
and Scolecobasidium, Can. J. Microbiol., 17, 7—11.
Sumner J. L., Morgan E. D., Evans H. C. (1969). The effect of growth tempera-
ture on fatty acid composition of fungi in the order Mucorales, Can.
J. Microbiol., 15, 515—520.
Taber R. A., Pettit R. E. (1975). Occurrence of thermophilic microorganisms in
peanuts and peanut soil, Mycologia, 67, 157—161.
Taha S. M., Zayed M. N., Zohdy L. (1968). Bacteriolohical and chemical studies
in rice straw compost. III. Effect of ammoniacal nitrogen, Zentbl. Bakt.
ParasitKde Atb. II, 122, 500—509.
Tansey M. R. (1971a). Isolation of thermophilic fungi from selfheated, industri-
al wood chip piles, Mycologia, 63, 537—547.
Tansey M. R. (1971b). Agar-diffusion assay of celluloytic ability of thermo-
philic fungi, Arch. Mikrobiol., 77, 1—11.'
Tansey M. R. (1972). Effect of temperature on growth rate and development of
the thermophilic fungus Chaetomium thermophile, Mucologia, 64, 1290—
Tansey M. R. (1973). Isolation of thermophilic fungi from alligator nesting
material. Mycologia, 65, 594—601.
Tansey M. R. (1975). Isolation of thermophilic fungi from snuff, Appl. Micro-
biol., 29, 128—129.
246
Глава 5
Tansey М. R, Brock T. D. (1971). Isolation of thermophilic and thermotolerant
fungi from hot spring effluents and thermal soils of Yellowstone National
Park, Bact. Proc , 1971, 36.
Tansey M. R., Brock T. D. (1972). The upper temperature limit for eukaryotic
organisms, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69, 2426—2428.
Tansey M. R., Brock T. D. (1973). Dactylaria gallopava, a cause of avian
encephalitis, in hot spring effluents, thermal soils and self-heated coal
waste piles, Nature, Lond., 242, 202—203.
Tansey M. R., Jack M. A. (1975). Thielavia australiensis sp. nov., a new ther-
mophilic fungus from incubator-bird (mallee fowl) nesting material,
Can. J. Bot., 53, 81—83.
*Tansey M. R., Murrmann D. N., Behnke В. K, Behnke E. R. (1977). Enrich-
ment, isolation, and assay of growth of thermophilic and thermotolerant
fungi in lignin-containing media, Mycologia, 69, 463—476.
Tendler M. D., Korman S. (1965a). Antibiosis among the thermophilic Eumyces:
temperature and nutritional effect, Fed. Proc., (1) 24, 403.
Tendler M. D., Korman S. (1965b). Temperature and nutritional effects on the
enzyme activity of antibiotic-producing thermophilic Eumyces, Bact. Proc.,
1965, 20.
Tendler M. D„ Korman S. (1965c). Physiological studies of thermophily among
the Eumyces, 23rd Int. Congr. Physiol. Sci., Tokyo.
Tendler M. D., Korman S., Nishimoto M. (1967). Effects of temperature and
nutrition on macromolecule production by thermophilic Eumycophyta,
Bull. Torrey Bot. Club, 94, 175—181.
Thakre R. P., Johri B. N. (1973). In vitro activity of aureofungin, amphotericin
В and hamycin on the mycellial growth of some thermophilic fungi,
Hindustan Antibiot. Bull., 15, 75—78.
Thakre R. P., Johri B. N. (1973—1974). Influence of antibiotics on the swelling
phase and spore termination of thermophilic fungi, Hindustan Antibiot.
Bull., 16, 109—114.
Townsley P. M. (1974). Pure cultural industrial fermentation in the production
of mushrooms, Can. Inst. Food Sci. Technol. J., 7, 254—255.
Tubaki K-, Ito T., Matsuda Y. (1974). Aquatic sediments as a habitat of ther-
mophilic fungi, Annal. Microbiol., 24, 199—207.
Turner IF. E., Ahearn D. B. (1970). In: Recent Trends in Yeast Research (Ed.
D. G. Ahearn), pp. 113—123, Georgia State University, Atlanta.
Vchino F., Doi S. (1967). Acido-thermophilic bacteria from thermal waters,
Agri. Biol. Chem., 31, 817—822.
Udagawa S., Furuya K-, Horie Y. (1973). Notes on some ascomycetous micro-
fungi from soil, Bull. Natl. Sci. Mus. (Tokyo), 16, 503—520.
Uyemura M. (1936). Biological studies of thermal waters in Japan. IV, Ecol.
St., 2, 171.
Uyemura M. (1937). Biological studies of thermal waters in Japan. V, Rep. Jap.
Sci. A., 12, 264.
van Veen A. G., Steinkraus К- H. (1970). Nutritive value and wholesomeness
of fermented foods, Agric. Food Chem., 18, 576—578.
Waldrip D. W„ Padhye A. A., Ajello L. (1974). Isolation of Dactylaria gallopava
from broiler house litter, Abst. A. Meeting Am. Soc. Microbiol., 1974, 143.
Walker I. K- (1963). Spontaneous combustion of wool, Wool Rec., 104, 45.
Walker I. К., Williamson H. M. (1957). The spontaneous ignition of wool.
I. The causes of spontaneous fires in New Zealand wool, J. Appl. Chem.,
7, 468—480.
Walter M. C. (1969). Isolation and characterization of a peptide antibiotic
synthesized by Mucor pusillus, M. Sc. Thesis, Duquesne University.
Ward J. E., Jr., Cowley G. T. (1972). Thermophilic fungi of some central South
Carolina forest soils, Mycologia, 64, 200—205.
Weinberg E. D. (1974). Secondary metabolism: control by temperature and
inorganic phosphate, Dev. Ind. Microbiol., 15, 70—81.
Высокие температуры: экологические аспекты 247
Williams R. A. D. (1975). Caldoactive and thermophilic bacteria and their ther-
mostable proteins, Sci. Prog. Oxford, 62, 373—393.
Williams R. A. D., Hoare D. S. (1972). Physiology of a new facultatively
autotrophic thermophilic Thiobacillus, J. Gen. Microbiol., 70, 555—566.
Wiseman A., Selman I. E„ Dawson С. O., Breeze R. G., Pirie H. M. (1973).
Bovine farmers’ lung: a clinical syndrome in a herd of cattle, Vet Rec.,
93, 410—417.
Wood J. L. (1955). Mucor pusillus Lindt from Maryland and some notes on its
nutrition, Proc. Pa. Acad. Sci., 29, 115—120.
Yamamoto Y. (1930a). Ein Beitrag zur Kenntnis der Gattung Rhizopus. I,
J. Fac. Agr. Hokkaido Imp. Univ., 28, 1—102.
Yamamoto Y. (1930b). Ein Beitrag zur Kenntnis der Gattung Rhizopus. II,
J. Fac. Agr. Hokkaidi Imp. Univ., 28, 103—327.
Yamozaki M., Fujimoto H., Kawasaki T. (1975). Structure of a tremorgenic
metabolite fiom Aspergillus fumigatus, fumitremorgin A, Tetrahedron
Lett., 14, 1241—1246.
Young F. N., Zimmerman J. R. (1956). Variations in temperature in small aquatic
situations, Ecology, 37, 609—611.
Захарченко П. А., Жернова И. И. (1971). Вййлення термофнлыйх та термо-
толератшх rpi6iu. з грунпв УРСР, Мтробюл. Ж- (Киев), 33, 705—706.
Zeikus J. G., Wolfe R. S. (1972). Methanobacterium thermoautotrophicum sp. n.,
an anaerobic, autotrophic, extreme thermophile, J. Bact., 109, 707—713.
ZoBell С. E. (1959). Factors affecting drift seaweeds on some San Diego
beaches. IMR Ref. No. 59—3, Institute of Marine Sciences, University of
California, La Jolla.
ГЛАВА 6
ЖИЗНЬ МИКРОБОВ
ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ:
МЕХАНИЗМЫ
И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ АСПЕКТЫ
Р. Амелунксен, Э. Мэдок
(R. Е. Amelunxen, A. L. Murdock, University of Kansas Medical
Centre)
I. ВВЕДЕНИЕ
Как следует из гл. 5, в природе встречается множество самых
разнообразных термофильных прокариотических и эукариотиче-
ских организмов. Авторы представили весьма подробную клас-
сификацию термофильных микроорганизмов, столь необходимую
для оценки всех будущих исследований термофилии. Цель на-
стоящей главы — обсудить и оценить различные механизмы и
молекулярные аспекты, предложенные для объяснения способа
существования термофилов.
Из широкого набора воздействий, которые окружающая сре-
да может оказывать на организмы, к числу наиболее экстре-
мальных, несомненно, относится повышенная температура. Есте-
ственно, для ученых представляет большой интерес изучение
микроорганизмов, которые не только выживают, но и размножа-
ются, часто облигатно, при температурах, препятствующих в нор-
ме существованию каких бы то ни было форм жизни вследствие
разрушения необходимых для них макромолекул. В последнее
время был проведен ряд согласованных между собой исследова-
ний, направленных на выяснение молекулярных основ термофи-
лии. Следует подчеркнуть, что термофилия, безусловно, включает
в себя множество молекулярных механизмов и не может быть
объяснена только каким-либо одним свойством организма. Мно-
гочисленные сравнительные физико-химические исследования
белков термофильных организмов и их аналогов из нетермо-
фильных систем во многих случаях составляют надежную осно-
ву для рассмотрения молекулярных механизмов термофилии.
Наша задача как раз и состоит в том, чтобы сначала предста-
вить общий обзор работ по термофилии, а затем детально обсу-
дить несколько достаточно хорошо охарактеризованных конкрет-
ных систем.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
249
11. КЛАССИФИКАЦИЯ
И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРМОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ
Большинство известных видов бактерий относится к мезофи-
лам, у которых оптимальные температуры размножения лежат
между 30 и 45°С. Бактерии, у которых оптимум роста находится
при температуре около 20°С, а пределы размножения — между 0
и 30°С, рассматриваются как психрофилы или психротрофы
(гл. 2; Stanier et al., 1970). Что же касается термофилов, то было
предложено разделить их на три основные группы (Farrell,
Campbell, 1969):
1. Строгие, или облигатные, термофилы, которые обнаружи-
вают оптимум роста при температурах от 65 до 70°С, но
не растут при температурах ниже 40—42°С.
2. Факультативные термофилы, имеющие максимальную тем-
пературу роста между 50 и 65°С и способные также к раз-
множению при комнатной температуре.
3. Термотолерантные бактерии, которые имеют максималь-
ную температуру роста при 45—50°С, но растут также и
при комнатной температуре.
Нет ничего неожиданного в том, что классификация термо-
филов связана с некоторыми трудностями. Как подчеркнуто в
обзоре Уильямса (Williams, 1975), в настоящее время извест-
но множество штаммов бактерий, способных развиваться при
более высоких температурах, чем классические облигатные тер-
мофилы, такие, как Bacillus stearothermophilus. Становится оче-
видным, что первая из перечисленных выше групп должна быть
дополнена или пересмотрена с целью включения в нее организ-
мов, развивающихся при температурах выше 70°С.
Брок и Фриз (Brock, Freeze, 1969) первыми описали свойства
нового рода и вида — грамотрицательного экстремального тер-
мофила Thermus aquaticus. Разные штаммы этой окрашенной в
желтый цвет неспорообразующей палочковидной бактерии были
выделены из множества источников, например из горячих источ-
ников йеллоустонского национального парка, горячей водопро-
водной воды и загрязненных горячими сточными водами рек.
Рэмли и Хиксон (Ramaley, Hixson, 1970) выделили непигменти-
рованный Thermus Х-1, а Ошима и Имахори (Oshima, Imahori,
1974)—Thermus thermophilus HB8 (экстремальный термофил,
названный сначала Flavobacterium thermophilum НВ8). Посколь-
ку многие экстремальные термофилы имеют максимум роста при
температуре выше 70°С, для обозначения экстремальных термо-
фильных бактерий был введен новый термин: «кальдоактивный»
(от латинского слова caldus — горячий) (Heinen, Heinen, 1972),
250
Глава 6
и в связи с этим было предложено следующее подразделение
термофилов (Williams, 1975):
1. Кальдоактивные бактерии: максимум температуры роста
лежит выше 70°С, оптимум — выше 65°С и минимум —
выше 40°С.
2. Термофильные бактерии: максимум температуры роста
лежит выше 60°С, оптимум — выше 50°С, и минимум —
выше 30°С.
Хотя в нашу задачу не входит детальный анализ классифика-
ции, нам кажется уместным заметить, что выделение указанной
выше группы 1 оправдано только в том случае, если она рассмат-
ривается как дополнение к первоначальной классификации Фер-
рела и Кемпбела (Ferrell, Campbell, 1969). Группа 2, очевидно,
не включает некоторых факультативных термофилов, например
Bacillus coagulans KU, который имеет максимальную темпера-
туру роста около 58°С, и, кроме того, в нее не входят термотоле-
рантные бактерии. Применение свободной или жесткой класси-
фикации наталкивается также на дополнительные трудности в
связи с недавними сообщениями о термоадаптации микроорга-
низмов, в результате которой могут изменяться кардинальные
температуры роста, что сопровождается изменениями уровня
активности и термостабильности некоторых ферментов. Этот
важный вопрос будет обсуждаться в разд. 6,Ш,Д.
Было высказано предположение (Babel et al., 1972), что кар-
динальные температуры роста зависят от конформации одного
или нескольких ключевых ферментов. Основываясь на этом до-
пущении, авторы дают следующие определения кардинальных
температур: Tmin— минимальная температура роста, при кото-
рой у белков наблюдается переход от жесткой, неактивной кон-
формации к конформации с ограниченной гибкостью; Topt— оп-
тимальная температура роста, определяющая наиболее благо-
приятное конформационное состояние ферментных белков; при
Ттах начинаются нарушения конформации белков и снижение их
ферментативной активности, а выше этой температуры рост пре-
кращается вследствие тепловой денатурации белков. Сравнение
свойств нуклеиновых кислот, липидов и ферментов привело к
выводу, что за определение Ттах скорее всего несут ответствен-
ность ферменты. Была сделана попытка (Babel et al., 1972) объ-
яснить наличие у бактерий минимальной температуры роста,
используя для этого термофил В. stearothermophilus ATCC 12980,
который имеет следующие кардинальные температуры роста:
37°С (Tmln), 63°С (Topt) и 72°С (Ттах). При интерпретации полу-
ченных данных авторы исключили многие из возможных причин
существования Тт1й, например накопление токсичных продуктов
обмена из-за дисбаланса ферментов с разными температурными
характеристиками, ингибирование по принципу обратной связи,
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
251
репрессию синтеза ферментов, подавление мембранного транс-
порта, изменения в мембранах и ошибки трансляции при синтезе
белков. Было высказано предположение, что главным фактором,
контролирующим Тщщ, является ДНК-зависимая РНК-полиме-
раза. На кривой активности этого фермента из В. stearothermo-
phllus АТСС 12980 обнаруживается резкая точка перегиба при
температуре 33°С, ниже которой энергия активации равна
65 ккал-моль-1, а выше — 13 ккал-моль-’, что свидетельствует о
значительном возрастании каталитической активности.
Следует подчеркнуть, что, за исключением способности раз-
множаться при высоких температурах, термофильные микро-
организмы в общем напоминают своих мезофильных аналогов в
том отношении, что они используют для роста такие же источни-
ки углерода и азота, имеют сходные метаболические пути и по
способам получения энергии и питательных веществ делятся на
аэробов, анаэробов, факультативных анаэробов, автотрофов и
гетеротрофов. Однако экстремальные термофилы, по-видимому,
не связаны близким родством с нетермофильными изолятами.
Термофилы встречаются в разнообразных (и часто необычных)
условиях окружающей среды, включая арктические ледники,
только что выпавший снег, термальные водоемы, пески пустынь,
почву умеренной и тропической зон, молоко и различные пище-
вые продукты.
Ниже приводится перечень опубликованных ранее обзоров,
освещающих различные аспекты термофилии: Gaughran, 1947;
Allen, 1953; Koffler, 1957; Brock, 1967; Chapman, 1967; Brandts,
1967; Farrell, Rose, 1967a, b; Campbell, Pace, 1968; Friedman,
1968; Castenholz, 1969; Farrell, Campbell, 1969; Brock, 1970;
Brock, Darland, 1970; Singleton, Amelunxen, 1973; Williams, 1975;
Ljungdahl, Sherod, 1976.
III. ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТЕРМОФИЛИИ
И БЛИЗКИЕ АСПЕКТЫ;
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
А. ЛИПИДЫ И МЕМБРАНЫ
Хейлбрун (Heilbrunn, 1924) и Билерадек (Belehradek, 1931)
впервые сообщили, что липиды термофильных организмов имеют
более высокие температуры плавления, чем липиды нетермо-
фильных. Было высказано предположение, что верхний темпера-
турный предел роста бактерий определяется температурой плав-
ления клеточных липидов. Канеда (Kaneda, 1963) показал, что
у некоторых мезофильных видов рода Bacillus преобладают жир-
ные кислоты с разветвленной цепью из 15 атомов углерода. Брок
(Brock, 1967) предположил, что возрастание процентного содер-
252
Глава 6
жания насыщенных и разветвленных жирных кислот при повы-
шении температуры выращивания микроорганизмов приводит к
образованию более устойчивой клеточной мембраны. Было обна-
ружено, что к главным липидным компонентам некоторых эк-
стремальных термофилов относятся жирные кислоты, содержа-
щие 17, 18 и 19 атомов углерода (Bauman, Simmonds, 1969).
Дарон (Daron, 1970) изучил жирнокислотный состав липидных
экстрактов, полученных из термофильного представителя рода
Bacillus, сходного с В. stearothermophilus. Жирные кислоты с 16
или 17 атомами углерода составляли свыше 80% общего их ко-
личества; разветвленные жирные кислоты преобладали над нор-
мальными. Повышение температуры выращивания от 40 до 60°С
вызывало 3—4-кратное увеличение соотношения между нормаль-
ной и разветвленной гексадекановыми кислотами и снижение
доли ненасыщенных жирных кислот.
Было изучено влияние температуры выращивания клеток
Т. aquaticus (Ray et al. 1971a) на их жирнокислотный состав.
В ответ на повышение температуры (от 50 до 75°С с интерва-
лами в 5°С) в клетках снижалась доля моноеновых и разветвлен-
ных С17-жирных кислот и увеличивалась доля высокоплавких
U3O-C16- и «-С16-жирных кислот. В клетках, выращенных при
75°С, общее содержание жирных кислот было на 70% выше, чем
в клетках, выращенных при 50°С; наиболее сильно возросло со-
держание «ЗО-С16- и «-С16-жирных кислот. В последующей работе
те же авторы (Ray et aL, 1971b) показали, что при изменении
температуры выращивания от 50 до 75°С (с интервалами в 5°С)
наблюдалось двукратное увеличение уровня фосфолипидов и ка-
ротиноидов и четырехкратное увеличение количества гликоли-
пидов. При повышении температуры доля липидов каждого
класса сохранялась постоянной. На основе этих данных авторы
высказали предположение, что липиды играют определенную
роль в молекулярном механизме термофилии, причем гликолипи-
ды, по-видимому, способствуют термостабильности мембран.
С помощью спиновой метки было проведено исследование
факультативного термофила из рода Bacillus, штамм Т1 (ВТ1)
(Chan et aL, 1973). Используя в качестве зонда нитроксид стеа-
риновой кислоты, авторы обнаружили включение этой жирной
кислоты в мембранную фракцию. Клетки, выращенные при 55°С,
содержали в процентном отношении больше жирных кислот изо-
ряда, чем клетки, выращенные при 37°С, тогда как у последних
была выше доля представителей анти-изо-ряда. Мембраны кле-
ток, выращенных при 37°С, характеризовались высокой скоро-
стью перехода в жидкое состояние при повышении температуры,
что согласуется с данными о более высоких температурах плав-
ления жирных кислот мзо-ряда. Исследования с использованием
метода электронного парамагнитного резонанса показали, что
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
253
мембрана клеток, выращенных при 55°С, представляет собой
жесткую структуру, в которой движение молекул затруднено.
Возможность того, что главную роль в контроле текучести мем-
браны играют белки, не изучалась.
Уиздом и Уэлкер (Wisdom, Welker, 1973) сообщили, что про-
топласты В. stearothermophilus 1503-4R устойчивы к осмотиче-
скому давлению и что эта стабильность поддерживается двух-
валентными катионами. Клетки, выращенные при повышенных
температурах, давали протопласты с более высокой термоста-
бильностью. Для таких клеток была обнаружена корреляция
между термостабильностью протопластов и низким содержани-
ем липидов в клеточных мембранах, а также между возрастани-
ем содержания мембран в клетке и количеством белка в мембра-
не. Основываясь на исследовании стабильности NADH-дегидро-
геназы и щелочной фосфатазы, авторы предположили, что мем-
брана действует как изолятор, препятствующий переносу тепла
из внешней среды и предотвращающий таким образом тепловую
денатурацию растворимых ферментов. Никаких подробностей
относительно этого механизма в работе не приводится.
Выяснено, что липидный состав термофилов зависит от тем-
пературы выращивания клеток. Однако число достоверных дан-
ных о связи таких изменений с общим механизмом термофилии
недостаточно, а, поскольку структура бактериальных мембран
изучена относительно мало, на основе этих данных трудно сде-
лать выводы о существовании каких-либо специфических корре-
ляций между указанными параметрами. В качестве подхода к
решению этой проблемы была сделана попытка (Esser, Souza,
1974) установить связь между тепловой гибелью клеток и теку-
честью мембраны у В. stearothermophilus. Опыты со спиновой
меткой показали, что динамика липидной фазы не изменяется
при различных температурах выращивания клеток. Эти резуль-
таты означают, что сохранение физического состояния липидов
в мембране В. stearothermophilus при изменении температуры
обусловлено изменениями ее липидного состава. Авторы отмети-
ли, что их данные не полностью согласуются с представлениями
о том, что клетки, выращенные при повышенных температурах,
имеют более жесткие мембраны, чем клетки, выращенные при
низких температурах (Chan et al., 1973), так как они обнаружи-
ли, что жесткость мембраны выявляется только тогда, когда
сравнение проводится при температурах ниже температур вы-
ращивания клеток, при которых заметных различий в жесткости
мембран не наблюдается. Авторы сделали следующие предполо-
жения: 1) для функционирования цитоплазматической мембра-
ны В. stearothermophilus, по-видимому, необходимо латеральное
разделение липидных фаз; 2) температурный предел роста тер-
мофила определяется граничными условиями фазовой диаграм-
254
Глава 6
мы для общей смеси липидов мембраны; эти условия зависят
от температур плавления индивидуальных липидов; 3) можно
предсказать Ттт, Т'тах и температурные границы для разделения
липидных фаз, но не TOpt, которая, по-видимому, зависит от
«внутренней» термостабильности других клеточных макромоле-
кул, т. е. термостабильности, обусловленной особенностями их
структуры.
Большой интерес с механистической точки зрения представляет
термофильный ацидофил Thermoplasma acidophilum. Этот сход-
ный с микоплазмами организм, лишенный клеточной стенки, сам
по себе, очевидно, не является подходящим объектом для изуче-
ния термофилии, однако его весьма устойчивая и жесткая мем-
брана обнаруживает некоторые необычные свойства. Термофи-
лия этого организма, растущего при температуре 59°С, возмож-
но, связана с наличием длинных изопреновых цепей липидов, а
его ацидофилия (он растет при pH 2) объясняется, вероятно,
присутствием липидов с простой эфирной связью, а также рез-
ким уменьшением числа заряженных групп в мембранных, белках
(Smith et al., 1973). При исследовании мембраны, выделенной из
Т. acidophilum (Ruwart, Haug, 1974), было найдено, что большая
часть содержащихся в ней нейтральных липидов этерифициро-
вана жирными кислотами, а основная масса глико- и фосфоли-
пидов состоит из длинных цепей с простыми эфирными связями.
Аминокислотный состав мембранного белка характеризуется
относительно низким уровнем заряженных аминокислот и до-
вольно высоким содержанием остатков цистеина, что говорит
о гидрофобности этого белка. Был сделан вывод, что солюбили-
зация мембраны Т. acidophilum при повышении pH, по-видимо-
му, обусловлена распределением в ней зарядов аминокислот.
Если pH выше 4, карбоксильные группы ионизируются, вызывая
отталкивание зарядов и дестабилизацию мембраны, сопровож-
дающуюся ее растворением. У Т. acidophilum эти эффекты менее
выражены, чем у мезофильной Mycoplasma, так как по сравне-
нию с ней Т. acidophilum содержит в два раза меньше карбо-
ксильных и амидных групп, а мембрана этого организма имеет
меньше карбоксильных и амидных групп, чем все его клеточные
компоненты в целом. Авторы делают некоторые предположения
относительно способности данного организма функционировать
в качестве ацидофила и термофила, у которого верхний темпе-
ратурный предел роста соответствует 70°С. Высокое содержание
кислых аминокислот, вероятно, является обязательным услови-
ем для его роста в термофильных условиях, тогда как для его
существования в качестве ацидофила необходимо минимальное
количество ионизирующихся групп. Поскольку известно, что гид-
рофобные взаимодействия проявляют максимальную стабиль-
ность при температуре около 60°С, авторы считают, что 60°С и
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
255
есть та наивысшая температура, при которой возможен опти-
мальный рост Т. acidophilum в среде с низким значением pH.
Большое количество данных о свойствах мембран и их регу-
ляции собрано при изучении используемой в качестве модельной
системы Escherichia coli (Cronan, Gelmann, 1975). При этом об-
наружено, что мембраны клеток Е. coli во многих отношениях,
вероятно, напоминают мембраны термофильных организмов.
Две такие особенности описаны ниже: 1) соотношение насыщен-
ных и ненасыщенных жирных кислот, накапливающихся в ре-
зультате подавления биосинтеза липидов, сильно зависит от тем-
пературы; например, фракция свободных жирных кислот из кле-
ток, выращенных при 15°С, содержит в 10 раз больше ненасы-
щенных жирных кислот, чем фракция, полученная из клеток,
выращенных при 43°С; 2) при повышении температуры липиды
мембраны Е. coli обнаруживают фазовый переход из упорядочен-
ного в неупорядоченное состояние; синтез мембран, содержащих
менее одной трети нормального количества таких липидов, при-
водит к гибели клетки.
Вряд ли можно сомневаться в том, что термофилы способны,
контролировать физические свойства цитоплазматической мем-
браны, изменяя ее состав в ответ на изменение температуры.
Однако этот общий механизм, по-видимому, действует также и
у мезофила Е. coli. Очевидно, температурные границы оптималь-
ного функционирования мембраны, от которых, несомненно, за-
висит величина кардинальных температур роста организма,
определяются характером химических модификаций веществ,
входящих в состав мембраны. Как и в случае термостабильных
по своей природе белков, найденных у облигатных и кальдоак-
тивных бактерий, тонкий механизм (или механизмы), участвую-
щий в стабилизации мембраны, остается пока неизвестным. Как
отметили Кронан и Гельман (Cronan, Gelmann, 1975), молеку-
лярная основа регуляции фазового перехода липидов относится
к одной из наиболее важных, но еще неизученных сторон функ-
ционирования мембраны.
Б. ФЕРМЕНТЫ БЕСКЛЕТОЧНЫХ ЭКСТРАКТОВ,
ТРАНСФЕРАБЕЛЬНЫЕ СТАБИЛИЗИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ
И БЫСТРЫЙ РЕСИНТЕЗ МАКРОМОЛЕКУЛ
Первые данные о термостабильности ферментов из термо-
фильных организмов были получены на неочищенных бесклеточ-
ных экстрактах. В одной из работ (Militzer et al., 1949) было,
показано, что малатдегидрогеназа из облигатного термофила
устойчива при 65°С в течение 2 ч; тогда как гомологичный фер-
мент из мезофила (В. subtilis) быстро инактивируется при той
же температуре. В другой работе (Amelunxen, Lins, 1968) срав-
256
Глава 6
нивалась термостабильность И ферментов, содержащихся в бес-
клеточных экстрактах, полученных из клеток В. stearothermophi-
lus и В. cereus. В общем ферменты термофила были значительно
более устойчивы к тепловой инактивации, чем гомологичные
ферменты мезофила. Глицеральдегид-З-фосфат—дегидрогеназа
из термофила проявляла термостабильность при повышении тем-
пературы вплоть до 90°С, тогда как пируваткиназа и аспартата-
минотрансфераза инактивировались при 70°С, что значительно
ближе к пределам инактивации, характерным для мезофилов.
Эти относительно менее стабильные ферменты могли бы участ-
вовать в механизмах, определяющих максимальную температуру
роста данного организма.
Аналогичные эксперименты, проведенные с гликолитическими
ферментами и фосфоглюконатдегидрогеназой из термофилов
Clostridium tartarivorum и С. thermosaccharolyticum, подтверди-
ли, что ферменты в неочищенных бесклеточных экстрактах, полу-
ченных из термофильных организмов, обладают большей термо-
стабильностью по сравнению с ферментами мезофила С. pasteu-
rianum (Howell et al., 1969). Интересно, что пируваткиназа ана-
эробных термофилов оказалась менее устойчивой, чем другие
ферменты термофильных организмов.
У мезофила С. formicoaceticum и термофила С. thermoaceti-
сит в синтезе ацетата участвует ряд ферментов (O’Brien, Ljung-
dahl, 1972; Andreesen et al., 1973). Экстракты, полученные из
клеток термофила, катализируют синтез ацетата при 57°С
(Ljungdahl et aL, 1965; Poston et aL, 1966), что указывает на вы-
сокую термостабильность всех необходимых ферментов; в то же
время у мезофила такой фермент, как метилентетрагидрофолат-
дегидрогеназа значительно менее термостабилен (Moore et aL,
1974).
В ранних исследованиях (Koffler, 1957; Koffler, Gale, 1957)
высказывались предположения о существовании внутри клетки
трансферабельных защитных факторов, которые способны при-
давать термостабильность ферментам термофилов. Чтобы прове-
рить возможность такого механизма термофилии, экстракты из
клеток термофилов смешивали с экстрактами из клеток мезофи-
лов и определяли степень коагуляции белков после тепловой
обработки. В экстрактах из клеток термофилов белки оказались
значительно более устойчивыми (т. е. менее осаждаемыми), чем
белки в экстрактах из клеток мезофилов, а результаты экспери-
ментов, в которых использовались смеси этих двух типов экст-
рактов, свидетельствовали об отсутствии стабилизирующих фак-
торов в экстракте из клеток термофилов и дестабилизирующих
факторов в экстракте из клеток мезофилов. В связи с низкой
концентрацией белка, использованной в этих ранних эксперимен-
тах, при повторной проверке эффектов, вызываемых тепловой
Высокие температуры' механизмы и молекулярные аспекты
257
обработкой смесей, концентрация белка была увеличена при-
мерно до 20 мг-мл-1 (Amelunxen, Lins, 1968). Нагревание сме-
сей в течение 10 мин при 60 или 70°С приводило к осаждению
белка, количество которого точно соответствовало половине сум-
марного содержания белка в обеих индивидуальных системах,
что согласуется с выводами, сделанными в ранних работах, от-
носительно трансферабельных стабилизирующих или дестабили-
зирующих факторов. Однако эти эксперименты не исключают
возможности того, что стабилизирующие факторы могут быть
прочно связаны с белком и не способны переходить в раствор.
Данные, полученные в описанных выше экспериментах, труд-
но интерпретировать, так как причины инактивации ферментов
могут быть разными. Возможно, что белки сохраняют при нагре-
вании свою структурную целостность, но осаждаются вследствие
агрегации. Например, при очистке глицеральдегид-3-фосфат —
дегидрогеназы из В. stearothermophilus (Amelunxen, 1966) этот
фермент полностью остается в растворе после нагревания исход-
ных экстрактов в течение 5 мин при 80°С, тогда как 70% общего
количества белка выпадает в осадок. Это можно было бы интер-
претировать как инактивацию 70% белков, тем не менее ресус-
пендирование осадка показало, что многие ферменты остаются
активными. Однако после нагревания экстрактов из клеток мезо-
филов при более низких температурах и ресуспендирования
осадка никакой активности не обнаруживалось (Amelunxen, не-
опубликованные данные).
В свете всех ранее полученных данных и современного со-
стояния наших знаний о ферментах термофилов концепция транс-
ферабельных защитных факторов представляется несостоятель-
ной по следующим причинам: 1) отсутствие эффекта в экспери-
ментах с использованием смесей неочищенных экстрактов кле-
ток; 2) сохранение исходной термостабильности ферментов в
процессе их очистки, после достижения гомогенности и при по-
вторной перекристаллизации ферментов, полученных в кристал-
лической форме; 3) точное соответствие молекулярных весов
ферментов, определенных экспериментальными методами и рас-
считанных на основе их аминокислотного состава, а также сов-
падение молекулярных весов гомологичных ферментов из мезо-
фильных и термофильных источников. Как уже упоминалось,
было высказано предположение о том, что стабилизирующие
факторы могли бы быть прочно связаны с ферментами, но в этом
случае они обязательно должны иметь низкий молекулярный
вес.
Еще одна гипотеза, предложенная для объяснения термофи-
лии, утверждает, что тепловой инактивации термофилов адек-
ватно противодействует быстрый ресинтез макромолекул. Полу-
ченные в ранних исследованиях данные в поддержку этой гипо-
258
Глава 6
тезы были рассмотрены в одном из обзоров (Allen, 1953). В бо-
лее поздней работе (Bubela, Holdsworth, 1966 а, b) было показа-
но, что скорость синтеза и обновления белка и нуклеиновых кис-
лот у В. stearothermophilus выше, чем у Е. coli. Следует отметить,
что у спорообразующих бактерий высокая скорость обновления
белка связана со спорообразованием, что может усложнять ин-
терпретацию результатов. Как установил Лодиш (Lodish, 1969),
рибосомы В. stearothermophilus отличаются от рибосом Е. coli
тем, что они требуют других условий, обеспечивающих инициа-
цию синтеза полипептидов. Напротив, грамотрицательная экст-
ремально-термофильная бактерия Thermus thermophilus НВ8, не
образующая спор и морфологически более близкая к Е. coli, чем
к В. stearothermophilus, осуществляет трансляцию в тех же ус-
ловиях, что и Е. coli (Ohno-Iwashita et al., 1975).
В обзоре Фридмана (Friedman, 1968) сделан вывод, что белок-
синтезирующая система В. stearothermophilus значительно более
термостабильна, чем система мезофильных организмов. Ирвин
и др. (Irwin et al., 1973) показали, что рибосомы термофильных
С. tartarivorum и С. thermosacchat olyticum значительно более
термоустойчивы, чем рибосомы мезофила С. pasteurianum и пси-
хрофила Clostridium, штамм 69. Было высказано предположе-
ние, что увеличенная термостабильность обусловлена рибосом-
ным белком, а не рРНК.
Кофлер (Koffler, 1957) первым обратил внимание на тот
факт, что если бы рост термофилов соответствовал простой кине-
тике ресинтеза макромолекул, то термофилы, растущие при
70°С, должны были бы быть в 16 раз более активными, чем тер-
мофилы, растущие при 30°С, если принять, что скорость роста
удваивается при повышении температуры на 10°С. Брок (Brock,
1967) построил в координатах Аррениуса графики зависимости
скоростей роста нескольких термофильных и мезофильных орга-
низмов от температуры выращивания. Хотя при высоких темпе-
ратурах линейность отсутствовала и наблюдался довольно зна-
чительный разброс экспериментальных точек, он пришел к вы-
воду, что скорость роста термофилов при оптимальных темпера-
турах была намного ниже той скорости, какую можно было бы
ожидать в случае быстрого ресинтеза макромолекул.
В плане оценки концепции быстрого ресинтеза макромолекул
интересно рассмотреть время генерации факультативного термо-
фила В. coagulans KU. Исходя из константы скорости роста бы-
ло определено, что время генерации этого организма, растущего
в триптон-глюкозной среде, составляет 28 мин при 37°С и 23 мин
при 55°С (Novitsky et al., 1974). Несмотря на то что в среде, со-
держащей антибиотик (Crabb et al., 1975), у В. coagulans KU
наблюдался значительно более быстрый рост при обеих темпе-
ратурах, время его генерации при 55°С уменьшалось только в
Высокие температуры, механизмы и молекулярные аспекты
259
1,2—1,3 раза (в соответствии с приведенными выше данными).
Учитывая, что интервал между температурами выращивания со-
ставлял 18°С, трудно принять гипотезу о быстром ресинтезе мак-
ромолекул в качестве адекватного объяснения выживания этого
организма при 55°С.
Имеющиеся данные не позволяют сделать однозначных выво-
дов о роли быстрого ресинтеза макромолекул в определении
термофилии. Получены убедительные доказательства того, что
белоксинтезирующий аппарат и другие макромолекулы облигат-
ных и кальдоактивных термофилов обнаруживают присущую им
самим термостабильность. По-видимому, это также противоре-
чит представлению о быстром ресинтезе макромолекул как о
главном факторе, контролирующем рост термофилов. Вероятно,
более удобной системой для изучения скоростей ресинтеза были
бы кальдоактивные бактерии, которые имеют значительно более
продолжительное время генераций, чем классический облигат-
ный термофил В. stearothermophilus.
В. ТЕРМОСТАБИЛЬНОСТЬ МАКРОМОЛЕКУЛ
1. Введение
Результаты, представленные в обзорах и многочисленных ра-
ботах, опубликованных в последнее время, показывают, что вы-
деленные из термофильных организмов макромолекулы в общем
обнаруживают большую «внутреннюю», т. е. присущую им са-
мим, термостабильность, чем их аналоги из мезофилов. Такая
повышенная термостабильность, очевидно, свойственна всем
макромолекулам клетки, включая ферменты главных метаболи-
ческих путей (табл. 6.1), ферредоксин (см. разд: 6, IV, Б), рибо-
сомы (Ljungdahl, Sherod, 1976) и флагелин (Singleton, Amelun-
xen, 1973). Хотя нам не встречалось никаких сообщений о свой-
ствах мембранных белков или белков, связанных с ДНК, можно
предполагать, что они также должны были бы обладать повы-
шенной термостабильностью.
Необходимо отметить, что термостабильность белков не яв-
ляется уникальным свойством организмов, растущих при по-
вышенных температурах. Классическим примером служит мио-
киназа, которая, как было показано, сохраняет активность после
нагревания при температуре 100°С (Colowick, Kalckar, 1943).
У миоглобина температура перехода в денатурированное состоя-
ние составляет около 80°С, а у тетрамера авидина (Donovan,
Ross, 1973) в отсутствие биотина 85°С, тогда как в его присутст-
вии 132°С. У фосфофруктокиназ из С. pasteurianum и Е. coli тем-
пературный переход происходит приблизительно при 70 и 60°С
соответственно (Case, Stellwagen, 1975). Следовательно, основ-
260
Глава 6
ное различие между белками мезофилов и термофилов заключа-
ется в том, что все белки термофилов должны функционировать
при температурах развития этих организмов Это означает, что
в своих выводах о тех или иных различиях в свойствах белков
мезофилов и термофилов исследователи должны проявлять ос-
торожность, особенно в отношении тех белков из термофильных
и мезофильных источников, которые существенно не различают-
ся по термостабильности.
2. Измерение термостабильности
Так как большинство белков, выделенных из термофилов, от-
носится к ферментам, термостабильность обычно изучают, изме-
ряя сохранность их каталитической активности. Как правило,
раствор фермента нагревают при разных температурах в течение
определенного времени (5—10 мин), а при более длительной
инкубации из раствора отбирают аликвотные пробы, в которых
определяют активность при температуре, обеспечивающей ста-
бильность фермента. Данные такого рода ясно показали, что
белки термофилов более стабильны, чем их аналоги из мезофи-
лов, однако этот вывод основан на изучении необратимого изме-
нения белков и по существу ничего не говорит о причине их инак-
тивации ’.
Определение температуры максимальной активности фермен-
тов также указывает на их повышенную термостабильность, а
потеря всей или большей части активности в результате превы-
шения этой температуры на 10—15°С со!ласуется с представле-
нием о денатурации белка. Однако все эти наблюдения не обя-
зательно отражают термостабильность, присущую самому фер-
менту, так как субстраты и другие компоненты анализируемой
пробы могут оказывать на белок стабилизирующее действие.
Кроме повышенной устойчивости к тепловой денатурации
некоторые исследователи используют в качестве меры термо-
стабильности белков значительную устойчивость их к денатура-
ции такими соединениями, как мочевина, солянокислый гуани-
дин и додецилсульфат натрия. Но и в этом случае результаты
исследований не содержат достаточной информации о причине
повышенной стабильности фермента и не доказывают, что фер-
мент устойчив при максимальной температуре роста соответст^.
вующего организма. Действительно, тщательное рассмотрение
1 Термин инактивация, а не денатурация следует использовать при описа
нии утраты функции в том случае, когда отсутствуют измерения, показываю
щие, что произошла денатурация белка Инактивация может быть обуслов-
лена заменой функциональной группы, диссоциацией, небольшим конформа-
ционным изменением или денатурацией Тенфорд (Tanford, 1968) определил
денатурацию как «глубокую перестройку первоначальной нативной структуры
белка без изменения его аминокислотной последовательности*
Высокие температуры механизмы, и молекулярные аспекты
261
данных такого рода свидетельствует об отсутствии однозначных
доказательств того, что все белки термофилов обладают прису-
щей им самим термостабильностью при температуре выращива-
ния термофилов, и особенно при максимальной температуре их
роста (табл. 6.1). В качестве подхода к стандартизации методов
оценки термостабильности мы предложили определять фермен-
тативную активность после нагревания разбавленных растворов
апоферментов (т. е. ферментов, свободных от кофакторов, субст-
ратов, ионов и т. д.) в деионизованной воде или в очень разбав-
ленном буфере в течение 5—10 мин при максимальной темпера-
туре роста данного организма. При этом мы исходим из предпо-
ложения, что ферменты, обладающие присущей им самим термо-
стабильностью, должны сохранять при этой температуре по
крайней мере 90% ферментативной активности. В идеальном
случае было бы целесообразно оценить в аналогичных экспери-
ментальных условиях также и поведение соответствующего го-
мологичного белка из мезофильного источника.
3. Физико-химические свойства белков
термофилов
Твердо установлено, что большинство белков из кальдоактив-
ных и облигатных термофилов проявляет повышенную термо-
стабильность. Однако физико-химическая характеристика таких
белков показывает, что они во многом гомологичны соответству-
ющим белкам из мезофилов. В отличие от белков мезофилов,
которые обычно денатурируются при температуре ниже 60°С,
термофильные белки при повышении температуры от комнатной
до 55 или 60° претерпевают, по-видимому, небольшие конформа-
ционные изменения, не сопровождаемые денатурацией. Имеется
удивительно мало данных о связи между конформацией и ката-
литической активностью этих белков при температурах развития
термофилов. Амелунксен и др. (Amelunxen et aL, 1970) первыми
показали, что перед разрушением активного центра глицераль-
дегид-3-фосфат — дегидрогеназы ее вторичная структура изме-
няется (см разд. 6, IV, А). В другой работе (Matsunaga, Nosoh,
1974) было четко установлено, что у глутаминсинтетазы из
В. stearothermophilus конформационные изменения происходят
при значительно более низкой температуре, чем температура
инактивации фермента. В присутствии кофакторов и субстратов,
предохраняющих фермент от инактивации в процессе его нагре-
вания при 70°С в течение 5 ч, глутаминсинтетаза становится
чувствительной к перевариванию термолизином, если температу-
ра превышает 55°С. На графике Аррениуса для многих термо-
фильных ферментов имеется точка перегиба (Ljungdahl, Sherod,
1976; табл. 6.1). Хотя такие графики основаны на кинетических
Таблица 6.1
Термостабильность н связанные с ней свойства ферментов из термофильных организмов1
Фермент Источник2 Кардинальные темпе- ратуры роста орга- низма, °C3 Термостабильность фермента, °C4 График Арре- । ииуса5 Рр Источник данных
T’opt Лпах внут- ренняя стабилизаторы
Глюкокиназа В. S. 50—65 70—75 65 0,2 М NaCl Нс2 Нс Hengartner, Zuber, 1973
Г л юкозо- 6 -фосфат— и зо- мераза В. s. 50—65 70—75 55 Субстрат (<65) — Нс Muramatsu, Nosoh, 1971
Фруктозобисфосфат-аль- долаза В. s. 50—65 70—75 50 Нс + Нс Sugimoto, Nosoh, 1971
Фосфофруктокиназа Т.Х-1 69—71 Нс <70 Нс Нс Нс Case, Stellwagen, 1975
Т. а. 70 79 80 Нс Нс Нс Hengartner et al., 1976
Глицеральдегид-З-фос- фат—дегидрогеназа В. s. 50—65 70—75 >80 Нс Нс 4,6 Amelunxen, 1966; Singleton et al., 1969
Т. а. 70 79 <95 Нс Нс 4,8 Hocking, Harris, 1973, 1976
Т. t. 70 85 85 Нс Нс Нс Fujita et al., 1976
Триозофосфат—изомераза С. ts. 55 67 55 Нс Нс 5,6 Shing et al., 1975
Фосфоглицераткиназа В. s. 50—65 70—75 60 Нс Нс 4,9 Siizuki, Imahori, 1974
Енолаза В. s. 50—65 70—75 40 Mg2+ (60) Нс Нс Boccu et al., 1976 Stellwagen, Barnes, 1976
Т. Х-1 69—71 Нс 74 Mg2+ (88) Нс Нс
Т. а. 70 79 88 Mg2+ (100) — Нс To же
Фосфоглюконат -дегидро- геназа В. s. 50—65 70—75 60 Нс Субстрат + Нс Veronese et al., 1974
Изоцитратдегидрогеназа В. s. 50—65 70—75 55 (<70) Нс 4,5 Pearse, Harris, 1973;
(NADP+) Т. f. 70—75 80 >70 Нс + Нс Hibino et al., 1974 Saiki et al., 1976
Малатдегидрогеназа В. s. 50—65 70—75 >60 Нс Нс Нс Murphey et al., 1967
Формилтетрагидрофолат- сиитетаза С. ta. 55—60 65 <60 nh+, к+ (60) Нс Нс Ljungdahl et al., 1970
Г лутаминси нтетаза В. s. 50—65 70—75 <60 Кофакторы+ Субстрат (70) + 4,6 Hachimori et al., 1974; Wedler, Hofman, 1974a, b
Тимидинкиназа В. s. 50—65 70—75 75 Нс Нс Нс Kobayashi et al., 1974
РНК-полнмераза (ДНК- В. s. 50—65 70—75 <60 Нс Нс Нс Air, Harris, 1974
зависимая) Т. а. 70 79 60 Нс Нс Нс To же
Т. t. 70 85 >70 Нс + Нс Date et al., 1975
а-Амилаза В. s. 50—65 70—75 50 Са2+ (<70) Нс 9,3 Ogasahara et al., 1970; Pfueller, Elliott, 1969
В. cd 72 82 45 Са2+ (70) Нс Нс Heinen, Lauwers, 1976
Термолизин В. t. 50—60 Нс <50 Са2+ (80) — Нс Dahlguist et al., 1976; Ohta et al., 1966 Hachimori et al., 1975
Неорганическая пирофос- фатаза В. s. 50-65 70-75 65 Нс Нс Нс
Аминопептидаза I Е s. 50—65 70—75 >80 Нс — Нс Roncari, Zuber, 1969
Аденозинтрифосфатаза В. 50—65 70—75 65 Нс Нс Нс Hachimori et al., 1970
Эстераза В. s. 50—65 70—75 50 Нс + Нс Matsunada et al., 1974
1 В таблицу включены только те ферменты, которые были получены в достаточно гомогенном состоянии.
* Сокращения: В. s. — Bacillus stearothermophilus\ Т. X-l — Thermus Х-1; Т. а. — Thermus aquaticus; Т. t. — Thtertnus thermophilus', С.
ts. — Clostridium thermosaccharolyticunv, T. f. — Thermus flaws', C. ta. — Clostridium thermoaceticum; B. cd. — Bacillus caldolyticus\ B. t.
— Bacillus thermoproteolyticus', Нс — нет сведений; pl — изоэлектрическая точка.
* Значения TOpt н для всех перечисленных термофилов взяты из главы, иаписаниой Теней и Броком для этой книги, за исключе-
нием Bacillus calaolyticus (Williams, 1975) и Bacillus thermoproteolyticus (Endo, 1962).
4 При измерении термостабильности разных ферментов были использованы неодинаковые условия, поэтому в некоторых случаях на внут-
реннюю термостабильиость могли оказывать влияние другие компоненты системы.
6 Знак «+> означает, что кривая на графике Аррениуса имеет перегиб, а знак «—> поставлен в тех случаях, когда такой перегиб от-
сутствует.
264
Глава 6
измерениях и, следовательно, отражают влияние температуры не
только на фермент, но и на субстрат и другие факторы, характер
обычно наблюдаемого перегиба кривой согласуется с представ-
лением об изменении конформации белка (Нан, 1972). Одним из
наиболее убедительных доказательств того, что перегиб на гра-
фике Аррениуса обусловлен конформационными изменениями
белка, служит глутаминсинтетаза, у которой перегиб на кривой
активности обнаруживается при 58°С. а чувствительность к про-
теолизу проявляется при температуре выше 55°С.
а. Небелковые стабилизирующие факторы. Как видно из
табл. 6.1, некоторые ферменты, выделенные из термофилов, не
устойчивы при оптимальной температуре роста данного организ-
ма, что наводит на мысль о присутствии в клетках термофилов
дополнительных стабилизирующих факторов. Хотя попытки об-
наружить специфические стабилизирующие факторы оказались
безуспешными (см. разд. 6, III, Б), вполне вероятно, что обыч-
ные клеточные компоненты, такие, как кофакторы, субстраты,
мембраны и внутриклеточная среда, содержащая сильно заря-
женные макромолекулы, в целом обеспечивают необходимую
дополнительную стабилизацию ферментов. К сожалению, лишь
немногие исследователи уделяли внимание влиянию этих факто-
ров на термостабильность белков. Одним из самых наглядных
примеров стабилизации фермента субстратом и модификаторами
служит глутаминсинтетаза из В. stearothermophilus Этот фер-
мент быстро теряет активность при 65°С, если в среде отсутству-
ют глутамат и ионы NH4+ (или ATP; Wedler, Hoffmann, 1974 b),
но устойчив в течение 5 ч при 70°С в присутствии глутамата и
ионов Mg2+ и NH4+ (Hachimori et al., 1974). Глутаминсинтетаза
стабилизируется также модификаторами, действующими по
принципу обратной связи, особенно аланином, гистидином и
СТР (Wedler, Hoffmann, 1974b). Хотя нам не известны какие-
либо сообщения о стабилизации коферментами очищенных фер-
ментов из термофилов, есть данные о том, что пиридоксальфосфат
увеличивает термостабильность препарата частично очищен-
ной треониндезаминазы (Thomas, Kuramitsu, 1971). Для стаби-
лизации внеклеточных гидролаз, например а-амилазы и термо-
лизина, по-видимому, требуется присутствие кальция (см. разд.
6, IV, В). Единственным высокоочищенным ферментом, для тер-
мостабильности которого показана необходимость сильно заря-
женной окружающей среды, является глюкозо-6-фосфат — де-
гидрогеназа В. coagulans (ГФДГ; см разд 6, III, Г).
б. Влияние температуры и воды на вторичные взаимодейст-
вия. При рассмотрении трех главных типов вторичных взаимо-
действий (т. е. ионных и водородных связей и неполярных взаи-
Высокие температуры механизмы и молекулярные аспекты
265
модействий), играющих важную роль в определении структуры
белка, следует особо подчеркнуть значение воды. Высокая ди-
электрическая постоянная воды и ее способность к образованию
водородных связей заметно снижают прочность ионных и водо-
родных связей и усиливают неполярные взаимодействия, обычно
обозначаемые как гидрофобные. Температура оказывает на эти
взаимодействия как прямое влияние, так и косвенное через по-
средство растворителя. При переходе от 1емператур, при кото-
рых обычно развиваются мезофилы, к температурам, характер-
ным для развития термофилов, ионные и водородные связи в
результате прямого эффекта ослабляются, но одновременно сни-
жается и диэлектрическая постоянная воды, что приводит к уси-
лению взаимодействий указанных типов. Напротив, повышение
температуры должно усиливать неполярные взаимодействия, ко-
торые, как считают, достигают своего максимума в воде при
температуре около 60°С. Суммарный эффект повышения темпе-
ратуры должен выражаться в ослаблении ионных и водородных
связей и в усилении гидрофобных взаимодействий при повыше-
нии температуры вплоть до 60°С. Однако Бренде (Brandts,
1967), исходя из модели, основанной на представлении о том, что
фермент может находиться в двух состояниях, рассчитал, что в
случае химотрипсиногена стабилизация, обусловленная водо-
родными связями, должна оставаться постоянной при нагрева-
нии фермента от 0 до 70°С, а гидрофобные взаимодействия в
длинных боковых цепях должны быстро усиливаться при повы-
шении температуры до 75°С, а затем медленно снижаться.
в. Гидрофобность и термостабильносто. Так как при темпера-
турах развития термофилов должны усиливаться гидрофобные
взаимодействия, естественно сделать вывод о том, что термо-
фильные белки должны содержать большое число неполярных
боковых цепей. Синглетон и Амелунксен (Singleton, Amelunxen,
1973) рассчитали относительную гидрофобность, NPS, Н 0ср и
р для 11 термофильных и 39 нетермофильных ферментов и не
нашли корреляции между их термостабильностью и гидрофоб-
ностью Бул и Бриз (Bull, Breese, 1973) связали средний объем
аминокислотных остатков с одним из параметров гидрофобности
и установили четкую зависимость между полученной величиной
и температурой перехода для 14 нетермофильных белков. Одна-
ко когда они использовали свой параметр для характеристики
двух мезофильных и двух термофильных енолаз, наиболее ста-
бильный фермент из. Т. aquaticus оказался, согласно этому кри-
терию, наиболее нестабильным. Синглетон (Singleton, 1976)
произвел тщательную оценку всех параметров, связанных с из-
мерениями гидрофобности на основе аминокислотного состава
термофильных и нетермофильных белков и не обнаружил замет-
266
Глава 6
ной корреляции между гидрофобностью и термостабильностью.
Как отметил Бигелоу (Bigelow, 1967), его параметр (Я0ср ) хо-
рошо коррелирует с NPS, но не с р. Автор объяснил это разным
подходом к решению вопроса о том, какие боковые цепи считать
полярными, а какие — неполярными. Он признал также, что
Н 0ср не может служить точной мерой того вклада, который вно-
сят гидрофобные взаимодействия в стабильность ферментов, но
считал, что данный параметр очень близок к истинной величине.
Независимо от того, насколько точно эти три параметра отра-
жают истинный вклад гидрофобных взаимодействий в термо-
стабильность белков, они достаточно хорошо характеризуют
гидрофобность белков и показывают, что в этом отношении меж-
ду мезофильными и термофильными белками не существует
различий. Однако указанные параметры представляют собой
лишь относительные величины, основанные на аминокислотном
составе белка, и поэтому не исключена возможность, что повы-
шенная термостабильность некоторых участков термофильных
белков возникает в результате их стабилизации дополнительны-
ми гидрофобными взаимодействиями.
г. Водородные связи и термостабильность. Барнес и Стелва-
ген (Barnes, Stellwagen, 1973) сравнили аминокислотный состав
енолазы из двух термофильных и двух мезофильных источников
и обнаружили положительную корреляцию между термостабиль-
ностью этих белков и увеличением числа аминокислотных остат-
ков, которые, по их мнению, могут образовывать водородные
связи. Однако некоторые из аминокислот, включенные авторами
в этот перечень, например триптофан, метионин и цистеин, вряд
ли способны участвовать в образовании водородных связей; кро-
ме того, в списке нет лизина, хотя аргинин в нем указан. Сузуки
и Имахори (Suzuki, Imahori, 1974) произвели аналогичные рас-
четы для фосфоглицераткиназы и установили, что термофильный
белок располагает меньшими возможностями для образования
водородных связей Кейс и Стелваген (Case, Stellwagen, 1975)
вычислили этот параметр для фосфофруктокиназы одной термо-
фильной и двух мезофильных бактерий и не нашли различий
между ними. Кроме того, сравнение процентного содержания
аминокислот разных типов в а-амилазе (Hasegawa et al., 1976)
и фосфоглицераткиназе (Suzuki, Imahori, 1974) не обнаружило
сколько-нибудь значительной разницы между белками из мезо-
фильных и термофильных организмов. Так же как и в случае па-
раметров гидрофобности, эти измерения лишь показали, что об-
щая способность к образованию водородных связей у мезофиль-
ных и термофильных белков одинакова, однако они не исключи-
ли возможности того, что некоторые участки молекул термо-
фильных белков стабилизированы дополнительными связями.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
267
д. Ионные связи и термостабильность. Перутц и Рейд (Ре-
rutz, Raidt, 1975) объяснили повышенную термостабильность
ферредоксинов увеличенным количеством внешних ионных свя-
зей. В соответствии с их предположением малатсинтетаза в
0,2 М растворе КС1 проявляет повышенную термолабильность
(Sundaram et aL, 1976). Выводы Перутца и Рейда были получе-
ны на структурных моделях нескольких ферредоксинов, постро-
енных на основе известной третичной структуры ферредоксина
из Micrococcus aerogenes (см. разд. 6, IV, Б). Подобный меха-
низм кажется маловероятным, так как в водной среде внешние
ионные связи должны быть очень слабыми, а в присутствии
ионов они должны еще более ослабляться. Действительно, иссле-
дования термостабильности (Devanathan et al., 1969), на кото-
рые ссылаются Перутц и Рейд, были проведены в 0,1 М фосфат-
ном буфере. Было также показано, что число заряженных групп
внутри клетки Е. coli эквивалентно 1 моль-кг-1 (Damadian, 1973),
а это означает, что внешние ионные связи внутри такой клетки,
по-видимому, не могут быть стабильными. Однако ионные связи
или ион-дипольные взаимодействия могут значительно усили-
ваться при экранировании белка от растворителя.
е. Вторичная структура и термостабильность. Стелваген и
Барнес (Stellwagen, Barnes, 1976) установили положительную
корреляцию между термостабильностью и вторичной структурой
енолаз и предположили в первом приближении, что вторичная
структура глобулярных белков, особенно p-структура, определя-
ет их температуры теплового перехода. Синглетон (Singleton,
1976) также вычислил структурные параметры белков из мезо-
фильных и термофильных организмов на основе их аминокислот-
ного состава и не обнаружил различий в содержании спираль-
ных и изогнутых участков в этих белках, однако, согласно его
расчетам, термофильные белки могут содержать меньшее число
участков с p-структурой. Другие исследователи, определявшие
число участков, имеющих спиральную и p-структуру, путем
спектрополяриметрических измерений, не выявили никаких раз-
личий между мезофильными и термофильными белками (Hase-
gawa et aL, 1976; Hibino et aL, 1974; Suzuki, Imahori, 1974; Oga-
sahara et aL, 1970; Yoshida et aL, 1975; Fontana et aL, 1976). Та-
ким образом, в большинстве случаев содержание участков с
упорядоченной вторичной структурой в гомологичных белках
мезофильных и термофильных организмов, по-видимому, очень
сходно.
ж. Агрегация и термостабильность. При 70°С активность глу-
таминсинтетазы В. stearothermophilus при концентрации белка
4 мг-мл-1 снижается медленнее, чем в том случае, если концент-
268
Глава 6
рация белка составляет 0,04 мг-мл-1. Исходя из этого, а также
из данных о возможности агрегации фермента, Ведлер и Хофман
(Wedler, Hoffmann, 1974b) высказали предположение, что термо-
стабильность глутаминсинтетазы частично объясняется агрега-
цией белка. Однако и этот путь возможной стабилизации термо-
фильных белков не представляется универсальным За исключе-
нием природной ассоциации мономеров, приводящей к образова-
нию нативных протомеров, агрегация белков часто вызывает их
инактивацию. Донован и Росс (Donovan, Ross, 1973), исследо-
вавшие чрезвычайно устойчивый белок авидин, наблюдали не-
большое помутнение раствора белка при температуре около
70°С, что говорит об агрегации белка, происходящей в момент
его теплового перехода Тем не менее на основе полученных
экспериментальных данных они сделали выводы, что агрегация
нс вносит заметного вклада в термостабильность авидина. Дей-
ствительно, термофильные белки, по-видимому, более устойчивы
к индуцируемой нагреванием агрегации, чго следует из большей
устойчивости к тепловой коагуляции цитоплазматических
белков термофильных бактерий по сравнению с аналогичными
белками мезофильных бактерий (Koffler, Gale, 1957) Возможно,
что более низкая способность белков к агрегации связана с тен-
денцией к понижению изоэлектрических точек этих белков и по-
вышению устойчивости их молекул к развертыванию, благодаря
чему неполярные участки остаются скрытыми в глубине мо-
лекул
з. Цистеин и термостабильность. Хокинг и Харрис (Hocking,
Harris, 1976) высказали предположение, иго термостабильность
белков обусловлена более низким содержанием цистеина и осо-
бенно вспомогательных сульфгидрильных групп, которые обычно
располагаются на поверхности белка и поэтому легко подверга-
ются окислению. Предположение этих авторов основано в пер-
вую очередь на различиях в содержании цистеина у глицераль-
дегид-3-фосфат — дегидрогеназ (разд 6, IV, А) и фосфофрукто-
киназ (Hengartner et al, 1976) Другими примерами термофиль-
ных ферментов с меньшим числом сульфгидрильных групп, чем
у соответствующих мезофильных ферментов, служат фосфогли-
цераткиназы (Suzuki, Imahori, 1974), энолазы (Barnes, Stellwa-
gen, 1973) и аденозинтрифосфатаза (Yoshida et al, 1975). По-
скольку у ферментов как мезофильных, так и термофильных бак-
терий наблюдается тенденция к уменьшению количества серусо-
держащих аминокислот, следует проявлять осторожность при
сравнении уровня этих аминокислот в бактериях и других источ-
никах Интересно, что большая часть перечисленных ферментов
получена из кальдоактивных бактерий, особенно из Т. aquaticus.
Однако фосфофруктокиназа из Thermus Х-1 (Case, Stellwagen,
Высокие температуры механизмы и молекулярные аспекты
269
1975) содержит 12 эквивалентов цистеина, тогда как в фосфо-
фруктокиназе из Т. aquaticus цистеин полностью отсутствует
(Hengartner et al., 1976), а в аналогичных ферментах из В. stea-
rothermophilus (Hengartner et al, 1976) и C. pasteurianum (Case,
Stellwagen, 1975) присутствуют 8 и 17 эквивалентов цистеина
соответственно. Хотя сульфгидрильные группы, расположенные
на поверхности ферментов, вероятно, более подвержены окисле-
нию, внутриклеточная среда, обладающая восстановительной
способностью, должна сводить окислительные процессы к мини-
муму. Возможно, содержание цистеина более тесно связано с
инактивацией ферментов, а не со структурной устойчивостью
белков к денатурации. Соображения, касающиеся содержания
сульфгидрильных групп, могут иметь более существенное значе-
ние для внеклеточных ферментов, таких как а-амилазы и термо-
лизин, которые не содержат ни цистеина, ни цистина, а также
для изучения in vitro очищенных ферментов. Формилтетрагидро-
фолат-синтетаза из С. thermoaceticum содержит 24 остатка цис-
теина и обнаруживает относительно низкую термостабильность
(табл. 6.1).
и. Цистин, кальций и термостабильность Как было отмечено
при изучении амилазы из В. subtihs (Hsiu et al., 1964), цистин,
стабилизирующий внеклеточные ферменты млекопитающих, от-
сутствует в бактериальных ферментах. В связи с этим авторы
предположили, что ион металла образует в белках внутримолеку-
лярные поперечные связи, аналогичные по функции дисульфид-
ным мостикам. То, что бактериальные внеклеточные гидролазы
лишены цистина, получило подтверждение и может быть объяс-
нено отсутствием у прокариот четко оформленной системы орга-
нелл, подобной аппарату Гольджи и секреторным гранулам, при-
сутствующим в клетках эукариот. Хотя ионы кальция могут ста-
билизировать эти ферменты не только у термофильных, но и у
мезофильных организмов, они, по-видимому, абсолютно необхо-
димы для термостабильности а-амилазы из В. stearothermophilus
(Yutani, 1976) и В. caldolyticus (Heinen, Lauwers, 1976). Так
или иначе, в случае термолизина образование дополнительных
центров связывания кальция, очевидно, имеет отношение к по-
вышенной термостабильности этого белка (см. разд. 6, IV, В).
к. Кислые аминокислотные остатки и термостабильность.
Ферменты термофилов, сходные по содержанию основных ами-
нокислот с ферментами мезофилов (Singleton, 1976), но имею-
щие более низкие изоэлектрические точки (табл. 6.1), по-види-
мому, отличаются от них большим числом кислых аминокислот-
ных остатков. К сожалению, при сравнении аминокислотного
состава белков термофильных и нетермофильных организмов
270
Глава 6
из-за недостатка сведений пришлось использовать суммарные
количества глутамин + глутаминовая кислота и аспарагин + аспа-
рагиновая кислота (Singleton, 1976). Карбоксильная группа в
отличие от такой группы, обладающей основными свойствами,
как аминогруппа, в значительной степени способствует увеличе-
нию термостабильности белков, поскольку температура мало
влияет на рКа этой группы, а полярность среды, наоборот, ока-
зывает на нее заметное действие. Данные относительно перехо-
да спираль — клубок, полученные для полиглутаминовой кисло-
ты, в смеси диоксана и воды, позволяют предположить, что
рКа карбоксильных групп смещаются к 6,5; 7,2 и 8,1 при кон-
центрациях диоксана в смеси, равных соответственно 10, 30 и
50% (lizuka, Yang, 1965). Это согласуется с тем фактом, что при
титровании кислые группы белков часто ведут себя аномально,
так как они находятся, вероятно, внутри белковой молекулы.
Следовательно, возрастание количества карбоксильных групп
могло бы способствовать термостабильности белков путем:
1) протонирования карбоксильных групп, каждая из которых
имела бы возможность образовать две водородные связи с еще
одной карбоксильной группой или другими группами; 2) ион-
дипольного взаимодействия карбоксильной группы с фенольным
гидроксилом тирозина; 3) образования ионных связей или 4) об-
разования связи, например, с ионом кальция, подобно тому что
имеет место в термолизине. За исключением вопроса об участии
кислых аминокислотных остатков в формировании центров свя-
зывания кальция в термолизине, другие аспекты их возможного
вклада в термостабильность белков нуждаются в дальнейших
исследованиях.
В заключение отметим, что физико-химические свойства бел-
ков термофильных организмов свидетельствуют об отсутствии
каких-либо специфических или общих особенностей их структу-
ры, которые могли бы объяснить повышенную термостабиль-
ность этих белков. Таким образом, присущая подобным белкам
термостабильность должна основываться на небольшом числе
изменений, которые могут быть выявлены только при детальных
исследованиях гомологичных белков мезофильных и термофиль-
ных организмов (см. раз. 6, IV).
Г. ВЫСОКОЗАРЯЖЕННЫЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ
ВНУТРИ КЛЕТОК
Во всех последних обзорах по термофилии было высказано
единодушное мнение о том, что термофильные бактерии синтези-
руют белки, которые обладают присущей им самим термоста-
бильностью. В предыдущих разделах отмечалось, что многие
ферменты, выделенные из облигатных или кальдоактивных бакте-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
271
рий, не являются стабильными при оптимальных и (или) макси-
мальных температурах роста, хотя, несомненно, они более тер-
мостабильны, чем их мезофильные аналоги. Однако при изуче-
нии клеточных стенок факультативного термофила В. coagulans
KU было показано, что отдельные гликолитические ферменты в
неочищенных экстрактах этого организма, выращенного при 37 и
55°С, так же лабильны, как и ферменты из мезофильных орга-
низмов (Nevitsky et al., 1974). В. coaqulans имеет Topt, равную
55°С, и Т'тах— от 57 до 58°С; при температуре 37°С, характер-
ной для мезофилов, он обнаруживает аномально высокую ско-
рость роста по сравнению с истинными мезофилами. Эти данные
были подтверждены результатами другой работы, в которой бы-
ла выявлена лабильность глицеральдегид-3-фосфат — дегидроге-
назы (ГФДГ) из клеток В. coagulans, выращенных как при 37,
так и при 55°С (Crabb et al., 1975). Фермент в неочищенных экст-
рактах этого факультативного термофила быстро инактивирует-
ся через 5 мин при 50°С (табл. G.2). Напротив, ГФДГ из В. се-
reus (Suzuki, Imahori, 1973а) устойчива в течение более чем
40 мин при 50°С, а фермент из мышц кролика обнаруживает тер-
мостабильность в течение 10 мин при 60°С (Amelunxen, 1966).
Как видно из табл. 6.2, при температуре выше Т'тах термоста-
бильность фермента в неочищенных экстрактах (концентрация
Таблица 6.2
Индуцированная термостабильность глицеральдегид-3-фосфат—
дегидрогеназы из экстрактов клеток Bacillus coagulans,
выращенных при температурах 55 и 37°С
Исследуемые пробы Активность, сохраняющаяся через 5 мии инкубации,
37°С 50°С 55°С 60°С 65°С 70°С
Экстракт (55°С)
Без добавок 97 19 0 0 0 0
(NH4)2SO4 90 92 98 97 86 31
NaCl 102 99 95 99 68 17
Экстракт (37°С)
Без добавок 70 29 0 0 0 0
(NH4)2SO4 93 87 95 97 52 0
NaCl 93 98 95 89 36 0
1 Контрольные пробы в течение всего эксперимента выдерживали при 4°С, никакого изме-
нения ферментативной активности в них ие наблюдалось.
2 В других экспериментах время инкубации увеличивали до 15 мии; при этом наблюдалось
лишь небольшое дополнительное снижение активности в обоих типах экстрактов (55 и 37°С).
272
Глава 6
белка приблизительно равна 25 мг-мл"1) обусловлена, возмож-
но, повышением ионной силы экстрактов в 1,8 раза благодаря
добавлению к ним (NH^SO.) или NaCl до концентрации 8 и
10% соответственно. Хлорид натрия был использован в этих экс-
периментах, так как было показано, что он не влияет на стабиль-
ность белка (Von Hippel, Schleich, 1969). Чтобы исключить воз-
действие какого-либо неизвестного фактора (или факторов),
присутствующего в неочищенном экстракте, описанные экспери-
менты были повторены с гомогенным ферментом, и при этом бы-
ли получены по существу те же самые результаты (Amelunxen,
Singleton, 1976). Хотя мы не определили минимального значе-
ния ионной силы, необходимого для термостабильности фермен-
та, нам известно, что фермент нестабилен в 0,15 М растворе
сульфата аммония при 4СС. Дамадян (Damadian, 1973) в своих
изящных опытах установил, что внутриклеточная концентрация
неорганических ионов у Е. coli приблизительно равна 260 мМ, а
сами ионы представлены главным образом К+ и NEE+. Если
клетки В. coagulans имеют аналогичный состав, то присутствую-
щие в них неорганические ионы не могут обеспечить достаточ-
ную для стабилизации ГФДГ ионную силу. Однако благодаря
таким полиэлектролитам, как белки, фосфолипиды и нуклеино-
вые кислоты, общий заряд анионов и катионов в клетке достига-
ет величины 1 моль-кг-1 (Damadian, 1973), что приводит к соз-
данию внутриклеточной среды, способной обеспечить стабили-
зацию таких ферментов, как ГФДГ.
Основываясь на этих данных, мы считаем, что концепция ста-
билизации белков in vivo посредством заряженных макромоле-
кул может быть принята в качестве правдоподобного объясне-
ния механизма термофилии у В. coagulans по следующим причи-
нам: 1) несомненная термолабильность ГФДГ (Crabb et al.,
1975) и других гликолитических ферментов (Novitsky et al., 1974)
явно противоречит представлениям об их «внутренней» термо-
стабильности, и поэтому способность факультативного термофи-
ла В. coagulans размножаться при 55°С должна быть обусловле-
на каким-то другим механизмом; 2) представление о быстром
ресинтезе макромолекул не согласуется с данными об относи-
тельно малом различии во времени генерации между клетками,
растущими при 37 и 55°С, следовательно, такой механизм был
бы невыгоден с энергетической точки зрения; 3) в неочищенных
экстрактах клеток, выращенных при любой из двух указанных
температур, присутствуют заряженные макромолекулы, которые,
однако, из-за разбавления в условиях in vitro не могут полно-
стью проявить своего защитного действия на ферменты. Тем не
менее имитация существующей в условиях in vivo заряженной
среды путем добавления к клеточным экстрактам (NPU^SCU
или NaCl приводит к полному предохранению фермента от инак-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 273
тивации; 4) в случае очищенной до кристаллического состояния
ГФДГ, т. е. в условиях, когда отсутствует взаимодействие фер-
мента с другими макромолекулами, заряд сам по себе стабили-
зирует фермент; 5) растущее понимание того, что микробная
клетка представляет собой высокоортавизованную систему, со-
держащую лишь незначительное количество свободной внутри-
клеточной воды, все более укрепляет концепцию о том, что высо-
козаряженные макромолекулы играют важную роль в механиз-
ме термостабилизации белков в интактной клетке. Вполне веро-
ятно также, что в условиях in vivo заряд макромолекул достато-
чен для стабилизации относительно термолабильных ферментов
облигатных и кальдоактивных бактерий. Примером может слу-
жить лактатдегидрогеназа из В. caldolyticus (Weerkamp, MacEl-
roy, 1972).
Мы осознаем, что, как и в случае любого вновь предлагае-
мого механизма, для подтверждения изложенной выше гипотезы
необходим дополнительный (в количественном и качественном
отношении) экспериментальный материал. В последующих
экспериментах будут определены тепловая устойчивость других
ферментов из В. coagulans и их ответная реакция на увеличение
заряда. Хотя мы показали, что добавление солей к неочищенным
экстрактам из клеток В. coagulans для создания в них заряда,
соответствующего по величине внутриклеточному, сообщает
ГФДГ термостабильность, ясно, что эти соли не присутствуют в
клетке в тех концентрациях, которые используются in vitro.
Поэтому в дальнейших исследованиях мы изучим возможность
замены солей на полиэлектролиты для выявления минимального
и оптимального ионного окружения, необходимого для стабили-
зации ферментов при температуре развития термофилов.
Еще один интересный аспект наших исследований, проводи-
мых с использованием В. coagulans, — это зависимое от темпе-
ратуры изменение популяции молекул белков. В экстрактах кле-
ток, выращенных при 55°С, белки полностью устойчивы к тепло-
вой коагуляции вплоть до 70°С, что намного превышает
температуру роста термофилов. Однако в экстрактах клеток, вы-
ращенных при 37°С, значительная коагуляция наблюдается уже
при 50°С. С помощью электрофореза в полиакриламидном геле
были обнаружены различия в соответствующих белковых профи-
лях, а окрашивание гелей на углеводы показало, что большая
часть белков в экстрактах клеток, выращенных при 37°С, отно-
сится к гликопротеидам. Химический анализ выявил, что экстрак-
ты клеток, выращенных при 37°С, содержат в три раза больше
углеводов, чем экстракты клеток, выращенных при температуре
развития термофилов. Сейчас мы выясняем, имеет ли этот инте-
ресный факт какую-либо связь с предполагаемым механизмом
термофилии у В. coagulans.
274
Глава 6
Д. АЛЛОСТЕРИЯ, ТЕРМОАДАПТАЦИЯ
И ТРАНСФОРМАЦИЯ
В настоящее время твердо установлено, что аллостерические
взаимодействия играют чрезвычайно важную роль в регуляции
метаболических процессов в клетке. В связи с необычной термо-
стабильностью ферментов термофильных бактерий Брок (Brock,
1967) высказал предположение, что это свойство, возможно,
обусловлено их жесткой, лишенной гибкости конформацией.
Представление о негибкой конформации ферментов, по-видимо-
му, несовместимо с данными об аллостерических взаимодействи-
ях, обязательным условием которых является структурная гиб-
кость ферментов. Однако в настоящее время известно много при-
меров термофильных ферментов, подверженных аллостерическому
контролю. Было предложено подразделить все аллостериче-
ские ферменты на две группы (Ljungdahl, Sherod, 1976).
Первую группу составляют ферменты, обнаруживающие ал-
лостерию как при высокой, так и при низкой температуре; к та-
ким ферментам относятся аспартаткиназа (Kuramitsu, 1968; Кц-
ramitsu, 1970; Cavari et al., 1972), треониндезаминаза (Thomas,
Kuramitsu, 1971), фосфофруктокиназа (Yoshida et al., 1971;
Yoshida, 1972) и фруктозо-бисфосфатаза (Yoshida, Oshima,
1971). Некоторые свойства ферментов этой группы обсуждались
ранее (Singleton, Amelunxen, 1973).
Вторая группа состоит из ферментов, проявляющих аллосте-
рию только при высоких температурах; в эту группу входят лак-
татдегидрогеназа (Weerkamp, MacElroy, 1972), гомосериндегид-
рогеназа (Cavari, Grossowicz, 1973), уридинкиназа (Orengo,
Saunders, 1972) и рибонуклеотидредуктаза (Sando, Hogenkamp,
1973). Было показано (Ljungdahl, Sherod, 1976), что ферменты
последней группы могут вести себя в соответствии с предположе-
нием Брока (Brock, 1967), однако негибкость их конформации
проявляется лишь при низких температурах. Следовательно,
in vivo ферменты термофильных организмов, взаимодействую-
щие с аллостерическими эффекторами, по-видимому, имеют та-
кую же гибкую конформацию, как и ферменты мезофильных ор-
ганизмов.
Прежде чем обсуждать вопросы, касающиеся самого процес-
са термоадаптации, уместно суммировать результаты исследова-
ний аминопептидаз, связанных с этим процессом. Есть сооб-
щения, что В. stearothermophilus содержит термостабильную
аминопептидазу I (АП1), а также две относительно термола-
бильные аминопептидазы АПП и АПШ (Roncari, Zuber, 1969;
Roncari, Zuber, 1970). Сравнительные исследования с использо-
ванием разных штаммов В. stearothermophilus показали, что рас-
пределение АПаз I, II и III обнаруживает интересную изменчи-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
275
вость. Культуры облигатно-термофильных штаммов образуют
большие количества АПаз I и II, но мало АПШ; культуры фа-
культативных штаммов содержат сравнимые количества АПаз I,
II и III, а мезофильные мутанты синтезируют большие количест-
ва АПШ, но мало АП1 или АПП. Очевидно, количественные
соотношения этих трех аминопептидаз зависят от температуры и
условий выращивания микроорганизмов. Это исключительный
пример того, что можно рассматривать как температурозависи-
мые изоферменты. Термостабильная АП1 была выделена в гомо-
генном виде; в металл-ферментном комплексе АП1 Со2+ прочно
связан с белком при pH 8, а при pH ниже 6 образуется апофер-
мент.
В ряде работ описаны детальные физико-химические иссле-
дования аминопептидазы I, в том числе анализ ее субъединиц
(Moser et aL, 1970; Stoll et al., 1972; Roncari et al., 1972; Stoll
et al., 1973; Balerna, Zuber, 1974; Stoll, Zuber, 1974). Было уста-
новлено, что молекулярный вес АГИ равен 400 000, что очень
близко к величине, полученной для такого же фермента из
Е. coli (Dick et aL, 1970), а на основе аминокислотного анализа
был сделан вывод, что фермент характеризуется значительной
гидрофобностью. Эта аминопептидаза состоит из 12 субъединиц
двух типов (аир), которые могут объединяться в различных
соотношениях. Для расщепления нейтральных пептидов доста-
точно присутствия только а-субъединиц, а для расщепления ди-
пептидов, имеющих на N-конце аспарагиновую или глутамино-
вую кислоту, необходимы также и р-субъединицы. Хотя субъеди-
ницы отличаются по гидролитической специфичности, их моле-
кулярные веса одинаковы. Субъединицы встречаются в АП1 в
разных соотношениях, что приводит к образованию гибридных
молекул РбРб, «аР4 и аюРг- Хотя диссоциация молекулы АП1 и
была осуществлена, осталось невыясненным, были ли получен-
ные компоненты мономерами или димерами. Делаются попытки
установить, возможно ли с энергетической точки зрения получе-
ние в определенных условиях обогащенных р-субъединицами
гибридных молекул ^Рв.агРю.Ры), которые не обнаружены в
экстрактах В. stearothermophilus.
Аминопептидаза III, синтезированная выращенными при
37°С культурами В. stearothermophilus, была очищена до гомо-
генного состояния, и при этом было показано, что ее содержание
в данных клетках в 10 раз выше, чем в клетках, выращенных при
55°С. Этот фермент, молекулярный вес которого равен 108 000,
значительно менее термостабилен, чем АП1. К интересным осо-
бенностям АПШ относятся ее специфичность как аминотрипеп-
тидазы и сходство с аминотрипептидазой из почек свиньи (Che-
noweth et aL, 1973). Хотя специфические функции, которые вы-
полняют в клетке высокомолекулярная АП1 и низкомолекуляр-
276
Глава 6
ные АПП и АПШ, неизвестны, способность такого организма, как
В. stearothermophilus, синтезировать эти ферменты в разных со-
отношениях в зависимости от температуры роста микроорганиз-
ма имеет большое значение для оценки термофилии и термо-
адаптации.
При рассмотрении термоадаптации в свете общих проблем
термофилии становится очевидным, что еще много существенных
вопросов ждут своего разрешения. В этой области исследований
в течение многих лет наблюдался застой, однако возродившийся
благодаря недавно опубликованным работам интерес к пробле-
мам термоадаптации заставил исследователей произвести крити-
ческую переоценку ранее полученных результатов. Если бы тер-
моадаптация оказалась общим явлением для термофильных бак-
терий, то, как показано в предыдущем разделе, необходимо было
бы проявлять большую осторожность при построении жестких
классификационных схем, поскольку адаптивная модификация
приводит к значительным изменениям кардинальных температур
роста. Пересмотрев выводы, сделанные в некоторых ранних ра-
ботах, Кэмпбел (Campbell, 1954) показал, что при использовании
подходящей среды облигатные термофилы могут расти при
36°С; это наблюдение позже было подтверждено другими авто-
рами (Long, Williams, 1959). Босум и Мэтни (Bausum, Matney,
1965) нашли, что факультативный термофил В. licheniformis
(штамм Allen), растущий обычно при 37°С, может расти также и
при 55°С, но только после предварительного периода адаптации
при промежуточной температуре. Кэмпбел (Campbell, 1955)
показал, что а-амилаза из факультативного термофила (Bacil-
lus), выращенного при 55°С, оказалась термостабильной, тогда
как а-амилаза из того же организма, выращенного при 37°С,
была термолабильной.
До недавнего времени результаты исследований по термо-
адаптации не учитывались должным образом в концепции тер-
мофилии. В одной из более поздних работ изучались термоадап-
тация и метаболические различия у В. stearothermophilus, выра-
щенной при 55 и 37°С (Jung et al., 1974). Путем культивирования
бактерий при промежуточной температуре 46°С исследователи
превратили не только факультативный штамм В. stearothermo-
philus (АТСС 7954), но и три облигатно-термофильных штамма
(NCIB 8924, АТСС 7953 и 12977) в мезофильные варианты и
вновь перевели их в исходные термофильные формы. Для осу-
ществления такого превращения была использована среда, со-
держащая экстракты из тканей мозга и сердца. В бактериаль-
ных экстрактах был выявлен ряд значительных метаболических
различий, зависящих от температуры роста бактерий. В экстрак-
тах клеток, выращенных при 55°С, были обнаружены высокие
активности глицеральдегид-3-фосфат — дегидрогеназы (ГФДГ)
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
277
и алкогольдегидрогеназы (АДГ). Однако в экстрактах клеток,
выращенных при 37°С, активность АДГ не была выявлена сов-
сем, а активность ГФДГ была чрезвычайно низкой; кроме того,
уровни активностей сукцинатдегидрогеназы и изоцитратдегидро-
геназы (ИДГ) оказались повышенными. Авторы предположили,
что во время экспоненциального роста при 55°С клетки могут
использовать как дыхательный, так и бродильный путь получе-
ния энергии (в зависимости от содержания в среде кислорода),
однако в конце экспоненциальной фазы остается возможным
только брожение. Мезофильный вариант (рост при 37°С) полу-
чает энергию главным образом путем аэробного дыхания. Авто-
ры уделили особое внимание критическому рассмотрению полу-
ченных результатов, так как в своих экспериментах они могли
отобрать случайно попавшую в культуру мезофильную микро-
флору или температурочувствительный мутант. Для доказатель-
ства видовой идентичности этих вариантов были применены сле-
дующие критерии: 1) непрерывный контроль чистоты Щтаммов
путем отбора клеток из отдельных колоний; 2) соблюдение сте-
рильности при прямых переносах культур из одних температур-
ных условий в другие (от 37 к 55°С и обратно); 3) морфологичес-
кая идентичность эндоспор; 4) наличие у обоих вариантов тер-
мостабильной АП1.
В более поздней работе (Haberstich, Zuber, 1974) была изу-
чена ферментативная термоадаптация термофильной и мезо-
фильной культур — В. stearothermophilus (NCIB 8924) и В. cal-
dotenax YT-G. Результаты экспериментов показали, что у обоих
организмов некоторые ферменты (глюкокиназа, глюкозо-6-фос-
фат — дигидрогеназа, ГФДГ и ИДГ) термостабильны, если клет-
ки выращивают при температурах, характерных для термофилов,
и термолабильны, если клетки выращивают при температурах,
характерных для мезофилов. В клетках обоих организмов, куль-
тивируемых при промежуточных температурах, по-видимому,
присутствует смесь термостабильного и термолабильного фер-
ментов, о чем свидетельствует промежуточный характер кривых
стабильности данного фермента. В отношении термоадаптации
у этих двух бактериальных систем были обнаружены различия.
У В. stearothermophilus адаптация происходит только при исполь-
зовании промежуточной температуры 46°С, тогда как при пря-
мом переносе клеток из одних температурных условий в другие
рост отсутствовал. Напротив, в случае В. caldotenax можно осу-
ществить прямой перенос и превращение одной формы бактерии
в другую; адаптация происходит в течение лаг-периода, продол-
жительность которого зависит от различий между температура-
ми предварительного и конечного культивирования. Авторы
предположили, что у В. caldotenax, культивируемой сначала при
37°С, а затем при 70°С, термолабильный фермент исчезает вслед
278
Глава 6
ствие денатурации, а термостабильный фермент синтезируется
заново. Был сделан вывод, что в обратных экспериментах, в ко-
торых В. caldotenax культивировали сначала при 70°С, а затем
при 37°С, термостабильный фермент не исчезает при 37°С, но
разбавляется в ходе экспоненциального роста мезофильных
клеток. Авторы представили аргументы, свидетельствующие о
том, что в процессе термоадаптации не происходит спонтанного
возникновения мезофильных или термофильных мутантов. Они
также обратили особое внимание на тот факт, что термоадапта-
ция зависит от среды культивирования. Для проявления термо-
адаптации подходила лишь среда, содержащая экстракт из тка-
ней мозга и сердца, в других же средах использованные штаммы
В. stearothermophilus вели себя как облигатно-термофильные.
Хаберштих и Цубер (Haberstich, Zuber, 1974) поставили сле-
дующие важные вопросы, касающиеся термоадаптации: 1) может
ли генетическая информация для двух форм фермента поступать
от разных генов в зависимости от температуры; 2) если в синте-
зе фермента участвует только один ген, то может ли термоадап-
тация происходить на последующей стадии белкового синтеза;
3) могут ли полностью синтезированные ферменты подвергаться
модификации в результате других ферментативных реакций.
Недавно был представлен исчерпывающий обзор исследова-
ний по термоадаптации (Frank et al., 1976). Нам хотелось бы
сделать по поводу этих работ несколько замечаний. Использо-
ванные организмы во всех случаях являются спорообразующи-
ми, что может вносить в такого рода исследования сложности
метаболического характера. Вероятно, к полученным результа-
там можно было бы отнестись с большим доверием, если бы было,
показано, что неспорообразующий термофил (например, Ther-
mus) обнаружил ферментативные и метаболические изменения,
зависящие от температуры роста. Нам кажется, что в исследова-
ниях по термоадаптации можно было бы исключить все сомне-
ния, связанные с возможностью загрязнения культуры или воз-
никновения спонтанных мутантов, если перед постановкой опы-
тов по термоадаптации провести генетическое маркирование
штаммов. В дальнейших исследованиях с использованием
В. stearothermophilus следует выяснить природу компонента (или
компонентов) в среде с экстрактом из тканей мозга и сердца^
способствующего термоадаптации. Для В. stearothermophilus
1503 предложены как среда известного химического состава, так
и минимальная среда (жидкая и плотная) (Rowe et al., 1975).
Применение таких сред в комбинации с фракционированными
компонентами бульона, содержащего экстракт из тканей мозга
и сердца, могло бы привести к идентификации упомянутого
активного соединения (или соединений). В этом отношении боль-
шой интерес представляют исследования лактатдегидрогеназы
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
279
из В. caldolyticus — кальдоактивной бактерии, растущей при
температурах вплоть до 84°С (Weerkamp, MacElroy, 1972). Фер-
мент, полученный из клеток, выращенных на минимальной среде
с добавлением экстракта из тканей мозга и сердца, был более
термостабилен, чем фермент из клеток, выращенных на одной
минимальной среде.
Как отмечал Уильямс (Williams, 1975), «кажется вероятным,
что сравнение стабильности ферментов в клетках факультатив-
ных термофилов, выращенных при высокой и низкой температу-
рах, станет областью исследования, в которой обязательно будут
достигнуты успехи, так как в этом случае можно будет прово-
дить прямые сравнения ферментов, исключающие влияние осо-
бенностей их структуры, обусловленных штаммовой изменчи-
востью».
В наших лабораториях уже используется такая система,
представленная факультативным термофилом В. coagulans KU.
При сопоставлении данных о свойствах этого организма с ре-
зультатами работ по термоадаптации (Jung et al., 1974; Haber-
stich, Zuber, 1974) можно сделать некоторые обобщения (под-
робности см. в разд. 6,III,Г): 1) ГФДГ является термостабиль-
ной (как в неочищенном виде, так и в кристаллической форме)
независимо от того, получена ли она из клеток, выращенных
при 37 или 55°С; 2) не наблюдается различий в уровне удельной
активности этого фермента в клетках, выращенных при 37 или
55°С, тогда как АДГ отсутствует в клетках, выращенных при
любой из этих температур; 3) В. coagulans не обнаруживает лаг-
фазы как в процессе роста при 37 и 55°С, так и в экспериментах
по изменению температуры выращивания (с 37 на 55°С и обрат-
но), не требует адаптации для роста при температурах, харак-
терных для мезофилов или термофилов, и имеет почти одинако-
вое время генерации при 37 и 55°С; 4) остается невыясненным
значение повышенного содержания гликопротеида у В. coagu-
lans, выращенной при 37°С; возможность загрязнения или мути-
рования в этой системе была также тщательно рассмотрена и
исключена.
Обращаясь теперь к теме трансформации, отметим, что боль-
шой интерес для исследователей, занимающихся проблемами
термофилии, представляет одна недавно опубликованная работа
(Lindsay, Creaser, 1975). Используя в качестве донора ДНК
В. caldolyticus (TOpt = 72°C), авторы получили такую трансфор-
мацию мезофильного штамма В. subtilis, в результате которой он
приобрел способность расти при температурах выше 70°С. В этих
исследованиях в качестве хорошо охарактеризованного биохи-
мического маркера служил важный биосинтетический фермент,
L-гистидинолдегидрогеназа (ГДГ). В то время как исходная
ГДГ из В. subtilis инактивировалась при температуре выше
280
Глава 6
70°С, трансформированные клетки В. subtilis содержали термо-
стабильную ГДГ, сходную с ферментом, присутствующим у до-
нора В. caldolyticus. У одного из трансформантов (НТ-1) кривые
активности ГДГ показали, что фермент термостабилен при на-
гревании до 100°С независимо от того, определялась ли актив-
ность в неочищенных экстрактах или с использованием чистого
белка. Однако ГДГ штамма НТ-1 не идентична ферменту
В. caldolyticus, так как для полного проявления ее активности
необходим 2-меркаптоэтанол. Наличие такой потребности было
интерпретировано как указание на изменение третичной струк-
туры.
Хотя способность к образованию термостабильных ферментов
может быть передана путем трансформации, трудно представить
себе, как с помощью трансформации мезофилу передаются рос-
товые характеристики термофила. При обсуждении этой проб-
лемы авторы высказывают предположение, что клетки реципиен-
та приобретают способность расти при высоких температурах в
результате того, что донорные клетки передают им либо доста-
точно большое число индивидуальных генов, каждый из которых
кодирует отдельный фермент, либо небольшое число генов, спо-
собных контролировать широкий набор плейоморфных эффектов.
Из этих двух возможностей наиболее вероятной авторы считают
вторую. Дальнейшим развитием этой гипотезы было предполо-
жение, что вследствие изменений, происходящих в белоксинтези-
рующем аппарате термофилов на уровне тРНК или рибосом, у
них синтезируются измененные ферменты, способные функциони-
ровать при высоких температурах. Был сделан вывод, что такое
изменение трансляционного аппарата могло бы привести к мо-
дификации у трансформантов большого числа ферментов. Хотя
совершенно очевидно, что механизм, участвующий в трансфор-
мации мезофильных клеток в термофильные, еще полностью не
выяснен, в равной степени очевидно, что понимание этой важной
системы должно оказать глубокое воздействие на будущие ис-
следования термофилии.
IV. ДЕТАЛЬНОЕ РАССМОТРЕНИЕ
ОТДЕЛЬНЫХ БЕЛКОВ ОБЛИГАТНЫХ
И КАЛЬДОАКТИВНЫХ ТЕРМОФИЛОВ
А. ГЛИЦЕРАЛЬДЕГИД-З-ФОСФАТ—ДЕГИДРОГЕНАЗА
1. Введение
Глицеральдегид-З-фосфат — дегидрогеназа, обнаруженная у
большинства живых организмов, участвует в гликолизе как фер-
мент, осуществляющий окислительное фосфорилирование на
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
281
субстратном уровне. К тому времени, когда этот фермент, обла-
дающий удивительной термостабильностью, был получен в кри-
сталлической гомогенной форме из облигатного термофила
В. stearothermophilus 1503 (Amelunxen, 1966), ни одного внутри-
клеточного фермента термофильных бактерий еще не было вы-
делено в чистом виде. В настоящее время опубликована усовер-
шенствованная схема очистки для получения фермента в кри-
сталлическом состоянии (Amelunxen, 1975). Сузуки и Харрис
(Suzuki, Harris, 1971) описали другой способ кристаллизации
фермента из В. stearothermophilus 1503. Недавно в нашей лабо-
ратории тот же фермент был очищен из двух кальдоактивных бак-
терий Т. aquaticus (Hocking, Harris, 1973) и Т. thermophilus
(Fujita et aL, 1976) и факультативного термофила В. coagulans
KU (неопубликованные данные). То, что этот фермент хорошо
охарактеризован и во многих других организмах, обеспечивает
основу для его сравнительного физико-химического анализа.
2. Термостабильность
Для оценки термостабильности кристаллического фермента
из В. stearothermophilus (Amelunxen, 1966) кристаллы растворя-
ли в деионизованной воде до концентрации белка 10—11 мг-мл-1.
После нагревания этого раствора при 80°С в течение 10 мин
инактивация даже в отсутствие цистеина была незначительной
или вообще не могла быть обнаружена, и лишь при 90°С фер-
мент инактивировался на 10%, что ясно свидетельствует о внут-
ренней молекулярной термостабильности этого термофильного
фермента. Напротив, такой же фермент, выделенный из мышц
кролика, в аналогичных экспериментальных условиях в значи-
тельной степени инактивировался после нагревания при 70°С.
К сожалению, температурный оптимум активности ГФДГ из
В. stearothermophilus не удалось определить из-за нестабильно-
сти компонентов опытной смеси: в отсутствие фермента при тем-
пературе выше 60°С в смеси наблюдалось заметное увеличение
поглощения света (Amelunxen, 1967). На графике Аррениуса
было отмечено линейное возрастание ферментативной активно-
сти до температуры 55°С, а затем при 60°С кривая выходила на
плато. Так как после внесения поправки на поглощение света
неферментными компонентами смеси активность при 70°С со-
хранялась на том же уровне, перегиб кривой, возможно, был
обусловлен нестабильностью компонентов опытной смеси. При
тех же экспериментальных условиях скорость реакции, катализи-
руемой ферментом из мышц кролика, начинала быстро снижать-
ся при 40°С, а в интервале температур 50—60°С наблюдалась
заметная инактивация фермента.
Описан способ кристаллизации термофильной ГФДГ после
282
Глава 6
удаления связанного с ней NAD+ (Amelunxen, Clark, 1970); тер-
мостабильность апофермента по существу оказалась такой же,
как и термостабильность голофермента. Хокинг и Харрис (Ho-
cking, Harris, 1973) сообщили, что период полужизни голофер-
мента из Т. aquaticus при 98°С превышает 30 мин и существенно
не отличается от периода полужизни апофермента. Недавно
опубликованы данные о том, что ГФДГ из В. stearothermophilus
обладает значительно более низкой термостабильностью (Hock-
ing, Harris, 1976), чем та, которую мы постоянно в течение мно-
гих лет наблюдали в нашей лаборатории, хотя количественное
сравнение результатов, полученных в двух лабораториях, затруд-
нено из-за различий в условиях экспериментов. В последнее время
в кристаллическом состоянии была получена ГФДГ из Т. ther-
mophilus НВ8 (Fujita et al., 1975), которая в результате нагрева-
ния при 90°С в течение 10 мин инактивировалась на 20% (кон-
центрация белка 2,1 мг-мл-1 в буфере трис-НС1, pH 8,45). По
сравнению с другими глицеральдегид-3-фосфат—дегидрогеназа-
ми выход фермента после двух перекристаллизаций был крайне
низким и составлял 2,4%.
3. Физико-химические свойства
Гомогенность ГФДГ из В. stearothermophilus была доказана
с помощью нескольких физико-химических методов (Amelunxen,
1966; Singleton et al., 1969; Amelunxen et al., 1966). В дальней-
ших исследованиях с применением электрофореза в полиакрил-
амидном геле (в присутствии и в отсутствие ДСН) в перекри-
сталлизованных препаратах фермента даже при такой высокой
концентрации белка, как 200 мкг/гель, никаких примесей обна-
ружено не было (неопубликованные данные). Была также про-
верена гомогенность ферментов из Т. aquaticus (Hocking, Harris,
1973) и Т. thermophilus (Fujita et al., 1976).
Все выделенные до сих пор NAD-зависимые глицеральдегид-
3-фосфат—дегидрогеназы, по-видимому, представляют собой
тетрамерные белки с мол. весом около 144 000, состоящие из че-
тырех идентичных субъединиц. При определении молекулярного
веса фермента из В. stearothermophilus с помощью ультрацент-
рифуги методом седиментационного равновесия были получены
следующие величины: 148 700 в 0,1 М КС1 и 36 000±120 в 5,0 М
солянокислом гуанидине (Amelunxen et al., 1970). Величина
S°2o,w для термофильного фермента составляет 7,17 (Singleton
et al., 1969); это значение согласуется с данными для других
глицеральдегид-3-фосфат—дегидрогеназ. Показано, что молеку-
лярные веса ферментов из Т. aquaticus (Hocking, Harris, 1976) и
Т. thermophilus (Fujita et aL, 1976) равны соответственно 150 000
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
283
и 130 000—135 000 для нативных ферментов и 37 000 и 33 700 для
их субъединиц.
Подобно ферменту из мышц кролика (Murdock, Коерре,
1964), фермент из В. stearothermophilus содержит 4 моля прочно
связанного NAD+ на 1 моль фермента (Singleton et al., 1969;
Suzuki, Harris, 1971). По нашим сведениям, все выделенные гли-
церальдегид-3-фосфат—дегидрогеназы, за исключением фермен-
та дрожжей, содержат полный комплект связанного NAD+. Необ-
ратимая индуцируемая субстратом инактивация термофильной
ГФДГ в присутствии NADH (Amelunxen, 1967) сходна с инакти-
вацией фермента из мышц кролика (Amelunxen, Grisolia, 1962),
если не считать того, что она происходит при температуре, харак-
терной для термофилов. Оптимальный для активности pH ра-
вен 10 (Amelunxen, 1967) в отличие от других глицеральдегид-
3-фосфат—дегидрогеназ, имеющих оптимум pH в пределах 8,4—
8,6. Для фермента из Т. thermophilus оптимальный pH равен 8,3
(Fujita et al., 1976).
Что касается структурных свойств ГФДГ из В. stearother-
mophilus, есть данные о том, что фермент диссоциирует под дей-
ствием 8 М мочевины и 5 М солянокислого гуанидина (Amelun-
xen et aL, 1970). Как и в случае нетермофильных глицеральде-
гид-3-фосфат—дегидрогеназ, диссоциация данного фермента в
присутствии последнего денатурирующего агента протекает сра-
зу и необратимо. Хокинг и Харрис (Hocking, Harris, 1976) сооб-
щили о том, что фермент из Т. aquaticus необратимо денатури-
руется в 6 М солянокислом гуанидине. Возможно, это связано с
низким содержанием SH-групп в данном ферменте. Однако в от-
личие от быстрой и необратимой диссоциации фермента из мышц
кролика в 8 М мочевине диссоциация фермента из В. stearother-
mophilus представляет собой реакцию первого порядка. В исполь-
зованных экспериментальных условиях фермент обнаруживал
удивительную устойчивость к денатурации при 30, 40 и 50°С.
Тем не менее при температурах, характерных для термофилов
(55 и 60°С), инактивация протекала очень быстро. Если в конце
инкубационного периода в опытную смесь добавляли цистеин,
то при всех температурах наблюдалась реактивация фермента,
хотя она и колебалась от 50% при 30°С до приблизительно 20%
при 60°С; в присутствии цистеина фермент проявлял активность
также и в 8М мочевине. Следует отметить, что после исчерпываю-
щего диализа в 8 М мочевине происходит диссоциация фермента,
о чем свидетельствуют результаты опытов по определению ско-
рости седиментации (неопубликованные данные). Значительная
устойчивость к действию мочевины и ДСН была также отмечена
для ферментов из Т. aquaticus (Hocking, Harris, 1973) и Т. ther-
mophilus (Fujita et al., 1976).
Как видно из табл. 6.3, в присутствии 8 М мочевины или 5 М
284
Глава 6
Таблица 6.3
Параметры оптического вращения глицеральдегид-3-фосфат —
дегидрогеназы из Bacillus stearothermophilus
Растворитель1 ~а3 ~ь0
Н2О, pH 6; 25 или ЗО'С 129+14 134+11
Н2О, pH 6; 55°С 119+6 135+8
Н2О, pH 6; 60°С 176+10 206+14
Н2О, pH 6; ЗОС? 128+10 211 + 15
Буфер, 30°С3 148+6 119+9
7,8—8,3 М мочевина, 25 или 30°С4 526+19 66+11
8,3 М мочевина в Н2О, 60°С 462+17 68+8
5,1 М гуанидин-HCl в буфере, 30°С 589+18 64 ±8
5,1 М гуанидин-HCl в буфере, 60°С 540+20 66±У
1 За исключением отмеченных случаев растворы содержали приблизительно 0,04 М.
(NH4)2SO4.
2 После нагревания при 60°С в течение 16 ч.
8 Во всех случаях в качестве буфера использовали 0,01 М имидазол — 0,001 М ЭДТА,
pH 7,4.
* В Н2О, pH 6,0 или в буфере (0,01 М имидазол — 0,001 М ЭДТА, pH 7,4).
солянокислого гуанидина наблюдается значительное разверты-
вание молекулы фермента из В. stearothermophilus. Степень раз-
вертывания молекул, рассчитанная на основе величин (т') к
при 300 и 400 нм, близка к величине для беспорядочного клубка.
Хотя при 70°С фермент еще сохраняет каталитическую актив-
ность, при 60°С в нем происходит определенное конформацион-
ное изменение (табл. 6.3). Нагревание фермента в воде при тем-
пературах от 30 до 55°С не приводит к существенным изменени-
ям параметров а0 и Ьо. Однако нагревание при 60°С изменяет
величину а0 от —129 до —176, а величину Ьо от —134 до —206.
Сузуки и Имахори (Suzuki, Imahori, 1973b), измерив спектры
КД, подтвердили эти данные и показали, что при 65°С в фермен-
те происходят еще большие изменения. Таким образом, молеку-
ла фермента отнюдь не является жесткой, а некоторые ее участ-
ки могут развертываться, не нарушая каталитического центра.
Все это вместе с неопубликованными наблюдениями о том, что
данный белок может быть подвергнут значительному расщепле-
нию трипсином с минимальной потерей активности, свидетельст-
вует о возможной связи термостабильности с определенной груп-
пой устойчивых к денатурации аминокислотных остатков, рас-
положенных вокруг активного центра фермента. Вторичная
структура ГФДГ термофилов, по-видимому, сходна со структу-
рой такого же фермента, обнаруженного у мезофилов. На осно-
вании спектрополяриметрических измерений Сузуки и Имахори
(Suzuki, Imahori, l"973b) пришли к заключению, что фермент из
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
285
В. stearothermophilus имеет большое структурное сходство с фер-
ментом из мышц кролика. В другой работе (Fontana et al., 1976),
в которой проводилось исследование термальных свойств ГФДГ
из Е. coli, был сделан вывод о том, что высокое содержание участ-
ков с p-структурой является общим свойством глицеральдегид-3-
фосфат — дегидрогеназ, выделенных из ряда источников.
В табл. 6.4 приведено сравнение аминокислотного состава
глицеральдегид-3-фосфат — дегидрогеназ широкого филогенети-
ческого спектра. В общем между ферментами, полученными из
всех этих источников, наблюдается заметное сходство в составе
Таблица 6.4
Аминокислотный состав одной субъединицы глицеральдегид-3-фосфат —
дегидрогеназ из девяти микроорганизмов1
Аминокислота T. a/ T. 1. B. s.3 B. c. E. c. Y.2 E. g.< L. m,2 P. tn.2
Lys 22 19 24 25 26 26 26 28 26
His 10 8 9 7 6 7 6 5 11
Arg 16 17 16 13 12 11 12 9 10
Asx 34 31 39 40 45 37 30 32 38
Thr 22 23 19 24 28 23 19 20 22
Ser 13 12 18 14 14 24 35 25 19
Glx 23 26 28 27 22 22 23 24 18
Pro 12 6 11 10 9 13 15 12 12
Gly 25 37 25 32 31 29 44" 30 32
Ala 42 39 40 36 35 33 33 32 32
Cys 1 1 2 2 4 2 2 5 4
Vai 30 30 40 32 32 36 25 38 34
Met 7 5 5 7 8 6 4 10 9
lie 22 18 19 21 17 19 15 18 21
Leu 31 33 27 21 20 22 19 18 18
Tyr 10 9 7 7 8 10 8 9 9
Phe 7 7 5 12 11 10 12 15 14
Trp 3 HC 3 HC 4 3 2 3 3
Общее количе- ство 3325 321 337 330 332 334 331 333 332
pl1 4,8 He 4,3— —4,6 Око- ло 5 He Око- ло 5 8,3 Око- ло 7 Око- ло 7
1 Сокращения и источники данных: Т. а. — Thermus aquaticus (Hocking, Harris, 1976);
T. t. — Thermus thermophilus (Fujita et al., 1976); B. s. —Bacillus stearothermophilus
(Singleton et al., 1969); B. c. — Bacillus cereus (Suzuki, Imahori, 1973a); E. c.— Escherichia
coli (D'Alessio, Josse, 1971); Y. —дрожжи (Jones, Harris, 1972); E. g. —Euglena gracilis
(Grissom, Kahn, 1975); L. m. — мышцы кальмара (Davidson et al., 1967); P. m. — мышцы
свиньи (Harris, Perham, 1968); HC — нет сведений; pl — изоэлектрическая точка.
2 На основе данных об аминокислотной последовательности.
3 Первоначальные сведения об аминокислотном составе с поправкой на молекулярный вес
субъединицы, равный 36 000; в действительности, как показывают данные об аминокислот-
ной последовательности, число остатков равно 333 (Harris, неопубликованные данные).
1 NADT-завнсимый фермент.
6 Два аминокислотных остатка в последовательности не идентифицированы (в положе-
ниях 303 и 304).
286
Глава 6
и общем количестве аминокислотных остатков. Если говорить о
тенденциях, то у всех трех термофильных глицеральдегид-3-фос-
фат — дегидрогеназ, по-видимому, повышено содержание лейци-
на и в меньшей степени аргинина. Увеличение содержания лей-
цина сопровождается другими изменениями, так что по общей
гидрофобности термофильный фермент не отличается от его ана-
логов из мезофильных источников (Singleton. Amelunxen, 1973).
Хотя общая гидрофобность фермента, по-видимому, не увеличи-
вается, было показано (Suzuki, Imahori, 1973b), что некоторые
гидрофобные участки более стабильны, чем остальные. Исходя
из спектров флуоресценции и данных титрования было найдено,
что у термофильного фермента многие остатки тирозина, скры-
тые в глубине молекулы, имеют более высокую величину рК
(11,8), а остатки триптофана окружены, по-видимому, более
гидрофобными участками, чем у фермента из мышц кролика.
Поскольку ГФДГ из Т. aquaticus содержит только один оста-
ток цистеина на субъединицу белка в отличие от аналогичных
ферментов из мышц омара и свиньи, содержащих соответственно
пять и четыре остатка цистеина, Хокинг и Харрис (Hocking,
Harris, 1976) высказали предположение, чго термостабильность
ферментов связана с наличием в них лишь небольших коли-
честв цистеина (см. разд. 6. III, В). Возможно, что низкое содер-
жание цистеина обусловливает относительно более высокую тер-
мостабильность ферментов из Т. aquaticus и Т. thermophilus по
сравнению с ферментом из В. stearothermophilus (два остатка
цистеина на одну субъединицу), но все же это объяснение термо-
стабильности, присущей термофильным ферментам, кажется ма-
ловероятным, так как сходные ферменты из В. cereus, дрожжей
и Е. gracilis также содержат по два остатка цистеина на одну
субъединицу белка (см. табл. 6.4). Однако, как отметили Хокинг
и Харрис (Hocking, Harris, 1976), окислению должны подвер-
гаться только те остатки цистеина, которые расположены на по-
верхности молекулы. Это может быть причиной пониженной тер-
мостабильности ГФДГ мезофилов, как, например, фермента из
мышц кролика, содержащего 16 сульфгидрильных групп на один
тетрамер, причем восемь из них быстро реагируют с п-оксимерку-
рибензоатом (ПОМБ) (Murdock, Коерре, 1964). В случае ГФДГ
В. stearothermophilus из восьми сульфгидрильных групп, содер-
жащихся в нативном ферменте, лишь часть их реагирует с
ПОМБ (от двух до трех групп на один тетрамер) или с реакти-
вом Элмена 1 (четыре группы на один тетрамер). Однако в отли-
чие от фермента из мышц фермент из В. stearothermophilus, не
подвергается необратимой инактивации в реакции с ПОМБ, так
как его активность может быть полностью восстановлена при
1 5,5'-дитиобис-(2-нитробензойная) кислота. — Прим, перев.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 287
добавлении цистеина (Amelunxen, 1967). Интересно было бы
сравнить реакционноспособность сульфгидрильных групп в фер-
ментах из Т. aquaticus и Т. thermophilus.
Хокинг и Харрис (Hocking, Harris, 1976), ссылаясь в качест-
ве примера на ГФДГ из термофильных организмов и мышц
(табл. 6.4), отметили также, что существует, по-видимому, поло-
жительная корреляция между термостабильностью и низкими
изоэлектрическими точками ферментов. Наличие такой связи
остается под вопросом, поскольку ГФДГ из В. cereus и дрожжей
тоже имеют низкие изоэлектрические точки. Правда, эти мезо-
фильные ферменты более стабильны, чем ферменты из мышц.
Так как молекулярную основу термостабильности термо-
фильных ГФДГ нельзя установить исходя из таких общих струк-
турных свойств, как размер, форма и аминокислотный состав
белковых молекул, проводятся более детальные исследования
структуры этих ферментов. У 14 мезофильных видов была опре-
делена аминокислотная последовательность пептида, входящего
в состав активного центра данного фермента (Perham, 1969) и
во всех случаях, кроме фермента из мышц омара, этот пептид,
состоящий из 17 аминокислотных остатков, имел идентичную
последовательность (первая строка в табл. 6.5). Пептид фермен-
та из мышц омара имеет две довольно часто встречающиеся за-
мены изолейцина и лейцина на валин (положения 4 и 18 в
табл. 6.5), а место расщепления трипсином сдвинуто у него на
три остатка в направлении N-конца, что приводит к получению
пептида из 20 аминокислотных остатков. Пептид, входящий в
состав активного центра фермента из В. stearothermophilus (Brid-
gen et al., 1972), также имеет 20 остатков и отличается от после-
Таблица 6.5
Аминокислотная последовательность триптических пептидов,
входящих в состав активного центра глицеральдегид-3-фосфат —
дегидрогеназы из нескольких источников
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
1 -Ser-Leu-Lys Ile-Val-Ser-Asn-Ala Ser-Cys-1 Thr-Thr-Asn-Cys-Leu-AIa-Pro-Leu-AIa-Lys-*
t
2 -Asp-Met-Thr-Val-Val Ser-Asn-Ala-Ser-Cys-1 Thr-Thr-Asn-Cys-Leu-Ala-Pro-Val-Ala-Lys-*
-Ala-His-His-Ile -Vai -Ser-Asn-Ala-Ser-Cys-1 Thr-Thr-Asn-Cys-Leu-Ala-Pro-Phe-Ala-Lys-1 * 3 4
4 Arg f/is-His-He-Ile-Ser-Asn-Ala-Ser-Cys-1 Tbr-Thr-Asn-Ser-Leu-Ala-Pro-Val-Afef-Lys-5
t
1 Цистеин активного центра.
* 17 остатков; мышцы свиньи (Harris, Perham, 1968).
3 20 остатков; мышцы омара (Davidson et al., 1957).
4 20 остатков; Bacillus stearothermophilus (Bndgen et al., 1972).
* 19 остатков; Thermus aquaticus (Hocking, Harris, 1976).
Стрелками обозначены места расщепления трипсином.
288
Глава 6
довательности прототипа только положением 18, где лейцин за-
мещен на остаток фенилаланина (валин в ферменте из мышц
омара). Однако в пептиде, содержащемся в активном центре
фермента из Т. aquaticus (Hocking, Harris, 1976), обнаружива-
ются два замещения: в положении 19 аланин замещен на метио-
нин, а в положении 14 — цистеин на серин. Еще одна особенность
фермента из В. stearothermophilus и Т. aquaticus заключается
в том, что в вариабельном участке белковых цепей этих фермен-
тов находятся два соседних остатка гистидина (положения 2 и
3) (Olsen et al., 1975). Было бы интересно выяснить, сохраняют^
ся ли эти замены в ГФДГ других термофилов, тем более что
гистидин в положении 3 отражает изменение двух оснований в
генетическом кодоне. Если сопоставить эти последовательности
с трехмерной структурой фермента из мышц омара (Olsen et al.,
1975), то окажется, что два остатка гистидина находятся в кон-
такте с гидрофобными аминокислотными остатками, а это позво-
ляет предположить, что гистидин в положении 3, замещающий
гидрофильные остатки лизина или треонина, может обеспечивать
дополнительную стабилизацию данного участка молекулы. Хо-
кинг и Харрис (Hocking, Harris, 1976) сообщили, что в отноше-
нии аминокислотных последовательностей мономерных субъеди-
ниц ГФДГ из В. stearothermophilus и Т. aquaticus обнаружива-
ют значительную гомологию (50—60%) с ГФДГ мезофилов.
Следует отметить еще два интересных факта: во-первых, в фер-
менте из Т. aquaticus утрачены все SH-группы, кроме двух са-
мых важных (Cys-149), и во-вторых, в обоих термофильных фер-
ментах лизин в положении 183, который, как известно, является
центром переноса ацетильной группы в апоферменте (Harris,
Perham, 1968), заменен на аргинин. Кроме того, при сравнении
аминокислотной последовательности и трехмерной структуры
ГФДГ из мышц омара (Olsen et al., 1975> с последовательно-
стью фермента из Т. aquaticus выявляется ряд замен, которые
могли изменить термостабильность фермента. Два представляю-
щих интерес фрагмента включают остатки 121 —125 и 280—282.
Первый из них расположен на поверхности молекулы и имеет
последовательность Pro-Ser-Ala-Asp-Ala в ферменте из мышц ома-
ра и Lys-Gly-Glu-Asp-Ile в ферменте из Т. aquaticus. Второй
фрагмент содержит последовательность Ser-Ser-Asp в ферменте
из мышц омара и Glx-Asx-Ile в ферменте из Т. aquaticus и рас-
положен на участке молекулы, где благодаря контактам боко-
вых цепей происходит ассоциация субъединиц. Подобные замены
могут обусловливать различия во взаимодействии субъединиц и
в общей термостабильности фермента.
Хокинг и Харрис (Hocking, Harris, 1976) сообщили также,
что проводится рентгеноструктурный анализ фермента из
В. stearothermophilus (как апо-, так и голофермента), очень
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
289
сходного с ферментом из мышц омара. Из личного сообщения
д-ра Харриса нам известно, что закончено определение амино-
кислотной последовательности субъединицы фермента из
В. stearothermophilus, обнаружившей высокую степень гомоло-
гии с субъединицей фермента из Т. aquaticus. Кроме того, для
ГФДГ из В. stearothermophilus построена молекулярная модель,
основанная на структуре, установленной методом рентгенострук-
турного анализа с разрешением 2,9А. Харрис с сотрудниками го-
товят к публикации работы, касающиеся детального сравнения
ГФДГ из мышц омара с ферментом из В. stearothermophilus.
Можно надеяться, что с помощью рентгеноструктурного анали-
за будет выяснено, имеют ли значение для стабилизации термо-
фильных ферментов замены в области активного центра, и будут
обнаружены другие участки, стабилизирующие общую конфор-
мацию белка.
4. Иммунологические, кинетические
и генетические исследования
Получены антитела против ГФДГ из В. stearothermophilus,
мышц кролика и дрожжей (Sauvan et al., 1972). Максимальное
подавление ферментативной активности гомологичной антисыво-
роткой составило 94% Для фермента дрожжей, 96% Для термо-
фильного фермента и 50% для фермента из мышц кролика.
Не было обнаружено перекрестного ингибирования какого-либо
из этих ферментов гетерологичными антисыворотками. Преин-
кубация с NAD+ не оказывала влияния на ингибирование гомо-
логичной антисывороткой термофильного фермента, но снижала
ингибирование антисывороткой ферментов из дрожжей и мышц
кролика. Не удалось обнаружить перекрестной реакции ни одно-
го из указанных ферментов с гетерологичными антисыворотками
в реакциях преципитации, при иммунодиффузии и иммуноэлект-
рофорезе.
При изучении кинетики реакции, катализируемой термофиль-
ной ГФДГ, были определены величины Км и Vmax для субстрата
и кофермента (Amelunxen et al., 1974) при pH 8,6 и 10 (опти-
мум) в пределах температурного интервала от 30 до 60°С. Зна-
чительная термостабильность фермента обеспечила возможность
изучения влияния температуры на кинетические параметры без
осложнений, вызываемых инактивацией фермента. Было уста-
новлено, что для глицеральдегид-3-фосфата (ГФ) величина Км
при pH 8,6 соответствовала 7,1-10-4 как при 30, так и при 60°С,
а при pH 10 3,5-10-4 при обеих температурах. Величина Vmax
при pH 8,6 возрастала более, чем в 3 раза при повышении тем-
пературы от 30 до 60°С, однако при pH 10 изменения были не-
значительными. Хокинг и Харрис (Hocking, Harris, 1976) сооб-
290
Глава 6
щили, что в реакции, катализируемой ГФДГ из Т. aquaticus,
величина Км для ГФ была равна 7,5-10~4 (как при 25, так и при
35°С), тогда как Ушах при повышении температуры от 25 до 35°С
увеличивалась более чем в 2 раза. Фуджита и др. (Fujita et al.,
1976) рассчитали Км для фермента из Т. thermophilus с исполь-
зованием в качестве субстрата ГФ; она оказалась равной 3-10-*
при 30°С. Исходя из того, что приведенные для термофильных
ферментов величины Км значительно выше соответствующих
величин для ферментов из нетермофильных источников, напри-
мер фермента из мышц кролика (Velick, 1955), можно предполо-
жить, что ферменты из термофильных источников в какой-то
степени «жертвуют» каталитической эффективностью ради по-
вышенной стабильности. Однако в сообщении Сузуки и Имахо-
ри (Suzuki, Imahori, 1973а), касающемся ГФДГ из мезофила
В. cereus, для ГФ приводится величина Км, равная 5,1-10~4 М
при 20°С, что очень близко к величинам, указанным выше для
ферментов из термофилов.
Выделение мутантов В. stearothermophilus (Rowe et al., 1973)
позволило осуществить генетический подход к изучению молеку-
лярных основ термофилии и метаболизма термофилов. При ис-
пользовании мутагена М-метил-М'-нитро-М-нитрозогуанидина
были получены мутанты, блокированные по фумаразе, аконитазе и
алкогольдегидрогеназе. Имеется сообщение о некоторых свойст-
вах двойного мутанта (лишенного аконитазной и алькогольде-
гидрогеназной активностей) и двух мутантов В. stearothermophi-
lus, у которых отсутствует фумаразная активность (Rowe et al.,
1976). У двойного мутанта алкогольдегидрогеназа совсем не син-
тезируется, а аконитаза синтезируется в неактивной форме. Бы-
ли описаны как минимальные, так и имеющие определенный хи-
мический состав среды (жидкие и плотные), обеспечивающие
хороший рост В. stearothermophilus (Rowe el al., 1975). Плотные
среды были использованы для выделения нескольких нуждаю-
щихся в аминокислотах мутантов этою организма. Такие среды
должны существенно облегчить более детальные исследования
генетики и метаболизма В. stearothermophilus 1503.
На основе накопленных данных становится очевидным, что
ГФДГ из термофильных источников является наиболее полно
охарактеризованным внутриклеточным ферментом, обладающим
высокой внутренней термостабильностью. Физико-химические
характеристики ясно показывают, что повышенная термоста-
бильность этого фермента обусловлена не какими-то особыми
структурными свойствами, а скорее всего определенными изме-
нениями первичной и третичной структуры данного полипептида.
Так как на уровне вторичной структуры термофильные и мезо-
фильные ГФДГ, по-видимому, сходны между собой, различия в
стабильности должны быть связаны с ключевыми заменами ами-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
291
нокислот, увеличивающими стабильность вторичной структуры,
а также, что, вероятно, еще более существенно, других критиче-
ских участков молекулы. Хотя в аминокислотном составе этих
ферментов имеются небольшие различия, в настоящее время не-
возможно сделать каких-либо окончательных выводов относи-
тельно их связи с термостабильностью. Однако когда будут по-
лучены данные о трехмерной структуре ферментов, можно будет
направить совместные усилия на идентификацию тех аминокис-
лотных остатков, которые сообщают ферменту термостабиль-
ность.
Б. ФЕРРЕДОКСИН
1. Введение
Ферредоксины относятся к железосодержащим белкам, спо-
собным переносить электроны при очень низких окислительно-
восстановительных потенциалах. Они имеют небольшие молеку-
лярные веса, сравнимые по величине с молекулярными весами
полипептидов (таких, как инсулин), а не белков. Поэтому у фер-
редоксинов легко можно определить аминокислотные последо-
вательности и на их основе оценить филогенетические связи
между ферредоксинами, полученными из широкого набора ис-
точников. За последние годы ферредоксины были обнаружены
во всех живых организмах от облигатио-анаэробных бактерий,
осуществляющих брожение, до высших растений и животных, и к
настоящему времени установлена аминокислотная последова-
тельность приблизительно 18 ферредоксинов, выделенных из
бактерий, водорослей и растений.
С помощью модифицированной схемы очистки, разработан-
ной для мезофильного ферредоксина (Buchanan et aL, 1963), из
термофилов С. tartarivorum и С. thermosaccharolyticum был по-
лучен в очищенном виде термостабильный ферредоксин (Deva-
nathan et al., 1969). Стабильный ферредоксин был также выде-
лен и очищен из В. stearothermophilus (Mullinger et al., 1975).
2. Термостабильность
Девенатен и др. (Devanathan et al., 1969) инкубировали фер-
редоксины из С. tartarivorum и С. thermosaccharolyticum при
концентрации белка 2,5 мг-мл-1 и температуре 70°С в 0,1 М
растворе фосфата калия, pH 7,4. Через 1 ч у ферредоксина из
С. tartarivorum было обнаружено около 85% исходной активно-
сти, а у ферредоксина из С. thermosaccharolyticum—более 90%.
При тех же экспериментальных условиях ферредоксины из ме-
зофилов С. acidi-urici и С. pasteurianum сохранили соответствен-
292
Глава 6
но 50 и 30% своей первоначальной активности. У трех из ука-
занных ферредоксинов в ходе их инкубации при 70°С наблюда-
лось снижение оптической плотности (Азэ0). Это свидетельствует
о том, что тепловая инактивация фермента может быть связана
не с необратимой денатурацией белка, а просто с утратой моле-
кулами фермента атомов железа и сульфид-ионов; скорость
уменьшения оптической плотности для ферредоксина из С. tarta-
rivorum была ниже, чем для его аналогов из мезофилов. Следо-
вательно, все ферредоксины, по-видимому, довольно термоста-
бильны, а различия между ними обусловлены неодинаковым
сродством к атомам железа и сульфид-ионам.
3. Физико-химические свойства
Результаты почти всех сравнительных исследований ферре-
доксинов, описанных в цитированной выше работе (Devanathan
et aL, 1969), такие, как молекулярный вес (6 000), содержание
железа (8 молей), неорганического сульфида (8 молей) и цисте-
ина (8 молей), а также спектры поглощения, свидетельствуют
об очень близком сходстве ферредоксинов из термофильных и
мезофильных организмов. Ферредоксины клостридиев представ-
ляют собой кислые полипептиды, состоящие из 55 аминокислот-
ных остатков (табл. 6.6). Для мезофильных ферредоксинов опи-
сано большое число вариантов (Lovenberg et aL, 1963); термо-
фильные ферредоксины в общем сходны с мезофильными, но от-
личаются от них тем, что содержат два остатка гистидина и
большее число остатков основных и кислых аминокислот. Ферре-
доксин из В. stearothermophilus обнаруживает значительные от-
личия от ферредоксинов С. tartarivoi ит и С. thermosaccharolyti-
сит (Mullinger et aL, 1975). Вместо двух групп 4Fe —4S, содер-
жащихся в ферредоксинах клостридиев, ферредоксин из В. stea-
rothermophilus имеет лишь одну такую группу. Ферредоксин из
аэробного термофила, молекулярный вес которого равен 7900,
содержит 67 аминокислотных остатков, но не включает ни гис-
тидина, ни аргинина. К сожалению, ничего не известно о его тер-
мостабильности.
Изучение оптического вращения ферредоксинов клостридиев
(Devanathan et aL, 1969) показало, что они почти лишены вто-
ричной структуры, т. е. в их молекулах нет участков с хорошо
выраженной а-спиральной конфигурацией или p-структурой, что
согласуется с данными о трехмерной структуре ферредокси-
на из М. aerogenes (Adman et aL, 1973).
Определена аминокислотная последовательность ферредок-
синов из С. tartarivorum и С. thermosaccharolyticum (Tanaka
et aL, 1971; Tanaka et aL, 1973). В табл. 6.6 представлены срав-
нительные данные о первичной структуре ферредоксинов термо-
Таблица 6.6
Аминокислотные последовательности двух мезофильных и двух термофильных ферредоксинов
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
С.р. -Ala- Tyr-Lys He -Ala-Asp-Ser Cys •Vai Ser-Cys-Gly-Ala-Cys Ala-Ser Glu-Cys-Pro-Val Asn Ala-Ile -Ser-Gln Gly Asp-Ser
С.а, -Ala Tyr-Val He Asn-Glu-Ala Cys He Ser-Cys-Gly-Ala-Cys Asp-Pro Glu-Cys-Pro-Val Asp Ala-Ile Ser-Gln Gly Asp-Ser
C.t. -Ala His-Ile He Thr-Asp-Glu Cys lie Ser-Cys-Gly-Ala-Cys Ala-Ala Glu-Cys-Pro-Val Glu A la-He His-Glu Gly Thr-Gly
C.ts. -Ala His- He • He Thr-Asp-Glu Cys He Ser-Cys-Gly-Ala-Cys Ala-A la Glu-Cys-Pro-Val Glu Ala-Ile- His-Glu Gly Thr-Gly
29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55
C.p. lie -Phe-Val-He Asp-Ala-Asp-Thr-Cys-He-Asp-Cys-Gly Asn Cys Ala-Asn Val-Cys-Pro Val-Gly Ala Pro-Val-Gln-Glu
C.a. Arg-Tyr-Val -lie Asp-Ala-Asp-Thr-Cys-Ile-Asp-Cys-Gly Ala Cys Ala-Gly Val-Cys-Pro Vai-Asp Ala Pro-Val-Gln-Ala
C.t. • Lys-TyrfGlni-Val Asp-Ala-Asp-Thr-Cys-Ile-Asp-Cys-Gly Ala Cys Glni-Ala Val-Cys-Pro Thr-Gly Ala Val-Lys-Ala-Glu
C.ts. Lys-Tyr^GluJ-Val- Asp-Ala-Asp-Thr-Cys-Ile-Asp-Cys-Gly- Ala Cys- Glu'-Ala- Val-Cys-Pro Thr-Gly Ala Val-Lys-AIa-Glu
Сокращения: С. р. — Clostridium pasteurianum', С. а. — Clostridium acidi-urici't С. t. — Clostridium tartarivorum; C. ts. — Clostridium
thermosaccharolyticum.
Заключенные в прямоугольники участки представляют собой аминокислоты, по которым мезофильные и термофильные ферредоксины раз-
личаются между собой; внутренними прямоугольниками отмечены замены у термофильных ферредоксинов.
294
Глава 6
фильных и мезофильных бактерий (Tanaka et al., 1966; Rail
et al., 1969). Ферредоксины размещены в таблице в соответствии
с температурными пределами наблюдаемой термостабильности,
причем наименее стабильные ферредоксины помещены в верхней
части таблицы. Единственное различие между двумя ферредок-
синами термофилов состоит в замене глутамина на глутамино-
вую кислоту в положениях 31 и 44 (внутренние прямоугольники)
в ферредоксине С. thermosaccharolyticum. Танака и др. (Tanaka
et aL, 1973) пришли к выводу, что эти две замены, вероятно, от-
ветственны за более высокую термостабильность ферредоксина
из С. thermosaccharolyticum, так как глутаминовая кислота спо-
собна образовывать водородные связи с боковыми цепями других
аминокислот; в то же время авторы не считают, что замена ти-
розина на гистидин в положении 2 влияет на термостабильность
белков, поскольку эта мутация обнаружена также в термола-
бильном ферредоксине из Peptostreptococcus elsdenii (Yasunobu,
Tanaka, 1973).
Прямоугольниками в табл. 6.6 отмечены замены тех амино-
кислот, по которым мезофильные и термофильные ферредоксины
различаются между собой. Эти замены были проанализированы
с целью определения числа мутаций, необходимых для превра-
щения одной аминокислоты в другую. Цифра 1 означает, что в
результате мутации произошло изменение одного нуклеотида в
кодоне, цифра 2 — изменение двух нуклеотидов, а цифра 3 ука-
зывает на полное отсутствие гомологии между двумя кодонами.
Следовательно, цифра 3 отражает наиболее глубокие мутацион-
ные изменения. Все полученные величины сгруппированы в
табл. 6.7; для целей данного анализа мутационный показатель
2 будет рассматриваться как существенная замена, поскольку
изменение двух нуклеотидов в кодоне в общем может повлиять
на величину заряда аминокислот, тогда как замена одного нук-
леотида редко оказывает такое влияние. При сопоставлении му-
тационных показателей для двух мезофильных ферредоксинов
обнаруживаются четыре существенные замены в положениях 5,
29, 42 и 45. В наименее стабильном ферредоксине из С. pasteu-
rianum насчитывается 11 или 13 существенных аминокислотных
замен при сравнении его с термофильными ферредоксинами
(вследствие того, что в последних наблюдается вариабельность
аминокислот в положениях 31 и 44). Однако относительно более
стабильный ферредоксин из С. acidi-urici отличается от термо-
фильных ферредоксинов семью или девятью существенными за-
менами. Несмотря на свой предположительный характер, эти ре-
зультаты указывают на прямую зависимость между числом
существенных аминокислотных замен и степенью термостабильно-
сти ферредоксина. Поскольку различия в аминокислотном соста-
ве двух мезофильных ферредоксинов усложняют мутационный
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
295
Таблица 6.7
Число мутаций, вызывающих взаимное превращение одной аминокислоты
в другую в мезофильных и термофильных ферредоксинах
Положение аминокислоты в полипептндной цепи Число мутаций, обнаруженных при сравнении между собой аминокислотных последовательностей ферредоксинов
С.р. и С.а.1 С.р. и C.t. или C.ts? С.а. и C.t. или C.ts.1
2 0 1 1
5 2 1 2
6 1 0 1
7 1 2 1
9 1 1 0
15 1 0 1
16 1 1 1
21 1 2 1
24 0 2 2
25 0 1 1
27 0 2 2
28 0 1 1
29 2 2 1
30 1 1 0
312 0 2,1 2,1
32 0 1 1
42 2 2 0
442 0 2,1 2,1
45 2 2 1
49 0 2 2
50 1 0 1
52 0 2 2
53 0 2 2
54 0 2 2
55 1 0 1
1 Сокращения даны в табл. 6.6.
* Единственные замещения аминокислот, по которым термофильные ферредоксины разли-
чаются между собой (см. табл. 6.6); мутационный показатель 1 относится к замене глутами-
новой кислоты на глутамин (или наоборот).
анализ термофильных ферредоксинов, сравнение мутационных
показателей, по-видимому, должно проводиться только по тем
положениям, где между мезофильными ферредоксинами наблю-
дается гомология. Как видно из табл. 6.7, существенные замены
происходят в положениях 24, 27, 31 (с вариациями), 44 (с вари-
ациями), 49 и 52—54. Из двух гистидинов в термофильных фер-
редоксинах только гистидин в положении 24 представляет собой
существенное изменение. Таким образом, различия между мезо-
фильными и термофильными ферредоксинами составляют от
шести до восьми существенных замен; в большинстве случаев
296
Глава 6
эти изменения обусловлены различиями в зарядах аминокислот
или заменой гидрофильных аминокислот на гидрофобные, и на-
оборот. Общий итог этих изменений заключается в том, что тер-
мостабильные ферредоксины термофильных микробов имеют
приблизительно вдвое больше заряженных аминокислот, чем
термолабильные ферредоксины мезофильных микробов. Кроме
того, в термофильных ферредоксинах увеличивается также со-
отношение основных и кислых аминокислотных остатков, хотя в
общем они остаются более кислыми, чем мезофильные ферредок-
сины. Что касается первичной структуры, то наблюдаемые гене-
тические изменения кажутся существенными, но каково их зна-
чение для третичной структуры белков пока остается невыяснен-
ным. С помощью метода диффракции рентгеновских лучей была
установлена трехмерная структура ферредоксина из Micrococcus
aerogenes (Adman et al., 1973). С филогенетической точки зре-
ния допустимость сравнения трехмерной структуры ферредокси-
на М. aerogenes с трехмерными структурами ферредоксинов
клостридиев несколько сомнительна, кроме того, между ними су-
ществуют различия и в общем числе аминокислотных остатков.
Тем не менее в качестве почина подобный анализ был проведен
(Tanaka et al, 1973). Используя модель трехмерной структуры
ферредоксина М. aerogenes, можно показать, что глутамин и
глутаминовая кислота в положениях 31 и 44 термофильных фер-
редоксинов способны образовывать водородные связи с боковы-
ми цепями других аминокислот, и эти дополнительные взаимо-
действия могут частично объяснить термостабильность указан-
ных белков.
Перутц и Рейд (Perutz, Raidt, 1975) также проанализировали
трехмерную структуру ферредоксина из М. aerogenes и попыта-
лись выяснить, не обусловлена ли термостабильность термо-
фильных ферредоксинов стереохимическими причинами. Была
сконструирована атомная модель ферредоксина М. aerogenes, в
которой боковые цепи аминокислот были изменены в соответст-
вии с четырьмя различными аминокислотными последовательно-
стями ферредоксинов клостридиев. При формировании связи
между апоферредоксином и 8Fe-—8S образуются два отдельных
комплекса (4Cys— 4Fe — 4S). При рассмотрении аминокислот-
ных последовательностей ферредоксинов клостридиев, приведен-
ных в табл. 6.6, можно заметить, что во всех этих последователь-
ностях имеются две группы остатков цистеина, одна из которых
соответствует положениям 8, 11, 14 и 18, а вторая — положениям
37, 40, 43 и 47. В аминокислотной последовательности ферредок-
сина М. aerogenes первая группа остатков цистеина идентична
такой же группе в ферредоксинах клостридиев, однако вторая
группа занимает положения 35, 38, 41 и 45, так как ферредокси-
ны клостридиев содержат две дополнительные аминокислоты,
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
297
одна из которых (аланин у всех видов рода Clostridium) распо-
ложена между остатками 21 и 22 ферредоксина М. aerogenes, а
другая (аспарагиновая кислота у мезофильных клостридиев и
треонин у термофильных клостридиев) —между остатками 25 и
26. Трехмерная структура ферредоксина М. aerogenes (Adman
et al., 1973) показывает, что в образовании каждого из двух
комплексов (4Cys—4Fe— 4S) участвуют обе половины молеку-
лы, так как в состав одного из них входят остатки цистеина в
положениях 8, 11, 14 и 45, а в состав другого остатки цистеина в
положениях 18, 35, 38 и 41. Это согласуется с общим представле-
нием о том, что для образования активных центров ферментов
необходима большая часть полипептидного остова. Однако это
не исключает возможности утраты отдельных отрезков остова на
участках, не существенных для стабилизации уже сформирован-
ных активных центров.
Исходя из своей условной трехмерной модели ферредоксинов
клостридиев, Перутц и Рейд (Perutz, Raidt, 1975) пришли к вы-
воду, что повышенная стабильность термофильных ферредокси-
нов обусловлена главным образом внешними солевыми мостика-
ми, связывающими остатки аминокислот, расположенных вбли-
зи N-конца молекулы, с остатками, находящимися поблизости от
ее С-конца. Примерами служат гистидин в положении 2, связан-
ный с глутаминовой кислотой или глутамином в положении 44,
а также глутаминовая кислота в положении 7, связанная с лизи-
ном-53. К другим солевым мостикам, которые могли бы экрани-
ровать активные группы белка, относятся гистидин в положении
24, связанный с глутаминовой кислотой в положении 25, и лизин
в положении 29, связанный с глутаминовой кислотой в положе-
нии 31. Кроме того, мы предполагаем, что гистидин в положении
24 может обеспечивать дополнительное гидрофобное экраниро-
вание группы активного центра и стабилизацию внешней петли,
образованной на этом участке вследствие его гидрофобного ха-
рактера. В число водородных связей, возникающих в термофиль-
ных ферредоксинах, включены связи между гистидином в поло-
жении 2 и цистеином в положении 43, а также между серином в
положении 10 и тирозином в положении 30. Если перечисленные
выше изменения вносят вклад в повышение термостабильности
белков, то, как отметили Перутц и Рейд (Peri’tz, Raidt, 1975),
различия в устойчивости к нагреванию между ферредоксинами
должны уменьшаться при ослаблении солевых мостиков, напри-
мер при возрастании pH или ионной силы. Был также сделан
вывод о том, что в термофильных ферредоксинах не всегда обна-
руживается большее число неполярных взаимодействий, чем в
мезофильных аналогах.
При рассмотрении возможных механизмов термофилии при-
менительно к термофильным ферредоксинам представляется
298
Глава 6
очевидным, что окончательные причины их термостабильности
скорее всего будут выяснены только после установления трех-
мерной структуры мезофильных и термофильных ферредоксинов
из разных видов Clostridium. Однако это не легко будет сделать,
если основное различие между указанными ферредоксинами
заключается в их сродстве к атомам железа и сульфид-ионам.
При выяснении механизма термостабильности ферредоксинов из
Т. tartarivorum и С. thermosaccharolyticum необходимо принять во
внимание температурный интервал проявления их термостабиль-
ности, так как он, вероятно, видоспецифичен. Поэтому сопостав-
ление структур этих двух ферредоксинов, кажущееся на первый
взгляд вполне оправданным, может привести к ошибочным зак-
лючениям. Следует также подчеркнуть, что в связи с очень низ-
ким молекулярным весом ферредоксинов и отсутствием у них
субъединичной структуры эти белки не являются идеальной мо-
делью, на основе которой можно делать выводы, касающиеся
термостабильности высокомолекулярных белков, обладающих
четвертичной структурой.
Если усиление связей, образуемых солевыми мостиками, дей-
ствительно способствует возрастанию термостабильности,
использование в экспериментах высоких значений pH и ионной
силы, ослабляющих такие связи, помогло бы, вероятно, объяс-
нить различия в стабильности, наблюдаемые у ферредоксинов
клостридиев. Однако при определении термостабильности фер-
редоксинов клостридиев в 0,1 М растворе фосфата калия, pH 7,4
(Devanathan et al., 1969) заметной инактивации не наблюдалось,
и, следовательно, в этих условиях дестабилизации белков, по-ви-
димому, не происходило.
В. ТЕРМОЛИЗИН
1. Введение
Термолизин представляет собой внеклеточную металлоэндо-
пептидазу, первоначально выделенную и перекристаллизован-
ную из Bacillus thermoproteolyticus (Endo, 1962). Этот фермент
синтезируется в основном бактериями, функционирует при ней-
тральном pH и является эндопептидазой, катализирующей рас-
щепление пептидных связей, в образовании которых участвуют
аминогруппы гидрофобных аминокислот (Matsubara, Feder,
1971). По своей специфичности термолизин напоминает панкре-
атическую карбоксипептидазу A (Petra, 1970). От карбоксипеп-
тидазы А термолизин отличается одной важной особенностью —
присутствием связанного Са2+.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
299
2. Термостабильность
Термостабильность термолизина была подробно изучена
(Ohta et al., 1966). Ферментативная реакция инициировалась до-
бавлением протеазы к субстрату (карбобензокси-Gly-Pro-Leu-
Ala-Рго) при различных температурах в диапазоне 25—88°С.
Между 25 и 80°С на графике Аррениуса наблюдалась линейная
зависимость активности фермента от температуры. Выше 80°С
сродство фермента к субстрату начинало снижаться. Авторы
пришли к выводу, что механизм действия фермента одинаков как
при низких, так и при высоких температурах и что фермент со-
храняет свою структуру в пределах достаточно широкого темпе-
ратурного интервала. Однако в приведенных выше эксперимен-
тах нельзя исключить возможного защитного эффекта субстрата.
Позже опыты по тепловой инактивации термолизина были
проведены в других условиях: фермент в 50 мМ трис-буфере,
pH 7, содержащем 10 мМ СаС1г инкубировали при 80°С в тече-
ние 1 ч. Активность измеряли при 45°С. Хотя максимальные ско-
рости реакции у исходного и прогретого фермента были одинако-
вы, величина Км после тепловой обработки значительно возра-
стала, что свидетельствует о возникновении в белке небольшого
конформационного изменения. Отсутствие значительного кон-
формационного изменения подтверждается тем, что внутренняя
вязкость нативного и подвергнутого тепловой обработке фермен-
та была практически одинаковой (Ohta, 1967). Термолизин, про-
гретый при 80°С в течение 1 ч был обозначен как «модифициро-
ванный фермент».
3. Физико-химические свойства
Ота и др. (Ohta et al., 1966) сообщили о наличии в нативном
ферменте 19 аномально ионизирующихся остатков тирозина и
о выявлении методом кругового дихроизма эффекта Коттона;
однако в «модифицированном ферменте» не было обнаружено
ни аномальной ионизации тирозина (Otha, 1967), ни эффекта
Коттона. Кривые pH — стабильность при 20°С заметно отлича-
лись от аналогичных кривых при 80°С (в условиях, когда исчеза-
ют аномально ионизирующиеся радикалы), но в интервале pH,
в котором ионизация тирозина не происходит, фермент был ста-
билен при обеих температурах. Был сделан вывод, что 19 тирози-
новых остатков стабилизируют фермент благодаря тому, что их
фенольные группы участвуют в образовании водородных связей,
а ароматические кольца в гидрофобных взаимодействиях. Ота
(Ohta, 1967) сообщил также, что удаление из термолизина ионов
Са2+ путем диализа против раствора ЭДТА приводит к утрате
ферментативной активности и к уменьшению содержания участ-
300
Глава 6
ков со спиральной конформацией; он подчеркнул, что Са2+ игра-
ет важную роль в стабилизации термолизина. В отношении дру-
гих свойств термолизин сходен с панкреатической карбоксипеп-
тидазой (Petra, 1970); это касается зависимости активности от
pH, ответной реакции на ингибирование хелатобразующими
агентами, молекулярного веса (35000), аминокислотного соста-
ва (за исключением того, что в термолизине отсутствует цисте-
ин или цистин) и содержания цинка (1 г-атом-моль~!). При ком-
натной температуре в 8 М растворе мочевины денатурацию тер-
молизина не удалось обнаружить ни одним из использованных
методов: измерение разностных спектров и спектров флуорес-
ценции остатков триптофана, дисперсия оптического вращения,
обусловленная пептидными группами, и круговой дихроизм, вы-
званный присутствием остатков тирозина (Ohta, 1967). Заметная
денатурация белка (измеренная по изменению оптической плот-
ности) при 709С наблюдалась после комбинированного воздей-
ствия тепла и 8 М раствора мочевины. Скорость денатурации
существенно не зависела от концентрации фермента, но зависе-
ла от pH, присутствия ионов Са2+ и от величины ионной силы.
При определении аминокислотной последовательности тер-
молизина (Titani et al., 1972) в соответствии с данными Ота
и др. (Ohta et al., 1966) было показано, что в нем содержится
два остатка метионина и отсутствует цистеин или цистин, однако
вместо пяти остатков триптофана несколькими различными ме-
тодами было обнаружено только три. В аминокислотной после-
довательности термолизина (316 остатков) можно заметить
необычное распределение аминокислот, например между остатка-
ми 101 и 182 нет ни одного аргинина или лизина, но в то же вре-
мя здесь находятся десять остатков, содержащих карбоксильные
группы; С-концевые остатки (227—316) имеют только четыре
карбоксильные группы, но зато десять остатков основных амино-
кислот. Не удалось обнаружить заметной структурной гомоло-
гии между термолизином и бычьей карбоксипептидазой А
(Bradshaw et al., 1969), хотя между этими ферментами сущест-
вует множество других физико-химических аналогий. Исходя
только из данных об аминокислотной последовательности термо-
лизина был сделан вывод, что он относится к особому классу
ферментов, отличающихся от карбоксипептидаз млекопитающих
и других протеаз известного строения. Ни одну из особенностей
аминокислотной последовательности термолизина не удалось
связать с термостабильностью этого фермента.
Была построена карта электронной плотности термолизина
(Matthews et al., 1972а), позволившая идентифицировать многие
из 316 аминокислотных остатков, что дало возможность соста-
вить представление об общей конформации фермента. Асиммет-
ричная форма этой молекулы была интерпретирована как ука-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
301
зание на то, что отношение поверхности к объему у нее больше,
чем у компактной сферы. Эта молекула имеет вид двух соприка-
сающихся сфер. Нижняя половина молекулы была описана как
большое гидрофобное ядро, окруженное шестью спиральными
участками, расположенными в С-концевой части молекулы.
В дальнейшем была опубликована улучшенная карта электрон-
ной плотности этого белка (Matthews et al., 1974). Авторы при-
шли к выводу, что конформация термолизнна лишена каких-либо
особенностей, которые могли бы объяснить его термостабиль-
ность, возможные исключения составляют четыре участка свя-
зывания кальция.
Для получения информации об активном центре термолизнна
и участках связывания кальция Мэттьюз и др. (Matthews et al.,
1972b) сопоставили данные об его аминокислотной последова-
тельности (Titani et al., 1972) с результатами рентгеноструктур-
ного анализа. В формировании активного центра, который пред-
ставляет собой проходящую через середину молекулы глубокую
впадину с расположенным в глубине атомом цинка, участвуют
аминокислотные остатки центрального участка полипептидной
цени. Показано, что тремя лигандами цинка являются His-142,
His-146 и Glu-166. Такое же сочетание аминокислот, играющих
роль лигандов цинка, было обнаружено в бычьей карбоксипеп-
тидазе A (Lipscomb et al., 1969), что свидетельствует о сходстве
областей активных центров этих двух ферментов. Однако имида-
зольное кольцо третьего остатка гистидина (His-231) располо-
жено в термолизине напротив атома цинка, и именно в этом
заключается основное структурное отличие данного фермента от
карбоксипептидазы А.
При изучении ингибирования термолизнна этоксимуравьи-
ным ангидридом были получены данные, указывающие на то,
что остаток гистидина имеет существенное значение для фермен-
тативной активности (Burstein et al., 1974). Хотя этот агент реа-
гирует в белках с боковыми цепями нескольких аминокислот,
контрольные эксперименты показали, что только одна из этих
групп ответственна за потерю ферментативной активности.
Спектральные изменения, наблюдаемые в процессе реактивации
фермента под действием гидроксиламина, служат дополнитель-
ным доказательством того, что реактивация фермента происхо-
дит в результате модификации какого-то одного остатка. Кон-
курентный ингибитор карбобензокси-Ь-фенилаланин, связываю-
щийся с активным центром термолизнна, предохраняет фермент
от ингибирования 14С-этоксимуравьиным ангидридом, предот-
вращая включение в него одной этоксиформильной группы. Най-
дено, что спектральные изменения в процессе этоксиформилиро-
вания характерны для модификации остатков как гистидина, так
и тирозина, однако при модификации тирозина спектральные из-
302
Глава 6
менения происходя! независимо от присутствия конкурентного
ингибитора. Представлены также и другие доказательства, сви-
детельствующие о существенной роли гистидина в активном
центре термолизина.
Что касается участков связывания кальция, то два соседних
иона Са2+ (двойной участок), по-видимому, связываются внутри
молекулы путем образования хелатных комплексов с пятью кис-
лыми группами, а два других, отдельных иона Са2+ (одиночные
участки) связываются на поверхности молекулы остатками аспа-
рагиновой кислоты (Matthews el al., 1972b). Было показано
(Feder et al., 1971), что удаление трех или четырех ионов Са2+,
связанных с термолизином, приводит к утрате термостабильно-
сти. В работе, посвященной детальному исследованию структуры
термолизина (Colman et al., 1972), авторы предположили, что
два иона Са2+, расположенные поблизости от впадины активного
центра, могут стабилизировать молекулу путем связывания
двух ее половинок, каждая из которых имеет гидрофобную серд-
цевину, проходящую через впадину.
Недавно были опубликованы очень важные результаты даль-
нейших исследований, касающихся роли кальция в термоста-
бильности термолизина (Dahlquist et al., 1976). Показано, что
избыток ионов Са2+ стабилизирует нативный голофермент, пре-
пятствуя тому, что, по-видимому, является кооперативным
структурным переходом, приводящим в конечном счете к авто-
лизу фермента при температурах выше 50°С. Подобным стаби-
лизирующим действием не обладают ни цинк (присоединяю-
щийся к участку, отличному от участков связывания четырех
ионов Са2+), ни тербий (присоединяющийся к двойному участку
связывания Са2+). Если тербий присоединяется не к двойному
участку связывания Са2+, а к другим участкам молекулы, то при
этом также наблюдается ее стабилизация, что навело авторов на
мысль о вовлечении в переход, вызывающий автолиз фермента,
участка молекулы, отличного как от активного центра, так и от
двойного участка связывания Са2+. При условии, что ионы тер-
бия прочно присоединены к двойному участку связывания Са2+,
удаление двух других ионов Са2+ из соответствующих участков
приводит к необратимому изменению фермента, сохраняющего
лишь около 40% исходной каталитической активности. Однако
измененный таким способом термолизин денатурируется при
низкой температуре и при нагревании не стабилизируется иона-
ми Са2+.
По мнению авторов, полученные ими данные указывают на то,
что основная роль Са2+ в стабилизации нативного термолизина
против тепловой денатурации заключается в защите области мо-
лекулы, находящейся вблизи одного или обоих одиночных участ-
ков связывания Са2+, от кооперативного конформационного изме-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
303
нения, которое может приводить к необратимой модификации
фермента и утрате им термостабильности.
Благодаря первоклассным и детальным исследованиям тер-
молизин стал наиболее полно охарактеризованным представите-
лем термофильных ферментов. Важно отметить, что сам по себе
этот белок не обладает никакими необычными структурными
особенностями, которые могли бы объяснить его высокую термо-
стабильность, за исключением его способности специфически
связывать ионы Са2+ таким образом, что от этого зависит общая
конформация белка. Очевидно, сам апофермент не является тер-
мостабильным (в отличие от апоферментов, входящих в состав
внутриклеточных ферментов термофилов, например ГФДГ). По-
этому, вероятно, можно сделать окончательный вывод о том, что
термостабильность термолизина определяется структурой участ-
ков связывания кальция и что два таких одиночных участка
имеют наиболее решающее значение для обеспечения термоста-
бильности фермента. Подобная система стабилизации не обна-
ружена у внутриклеточных ферментов, и пока не известно, явля-
ется ли она общим механизмом для внеклеточных ферментов.
Термолизин представляет собой уникальный объект для иссле-
дования механизмов термофилии на современном уровне наших
знаний, но он не может служить идеальной моделью для изуче-
ния внутримолекулярных основ термостабильности ферментов.
Было высказано предположение, что кальций защищает кле-
точные функции от воздействия тепла и что поглощение каль-
ция клетками В. stearothermophilus — необходимое условие их
роста при повышенных температурах (Stahl, Ljunger, 1976). За
исключением внеклеточных ферментов, таких, как термолизин и
а-амилаза, нам не известны другие ферменты, обнаруживающие
абсолютную потребность в кальции для проявления термоста-
бильности. Хотя присутствие прочно связанного Са2+ могло ос-
таться невыявленным, Барнес и Стеллвейджен (Barnes, Stellwa-
gen, 1973) с помощью элементарного и колориметрического ана-
лизов показали, что на термостабильность энолазы из Thermus
Х-1 не оказывают влияния какие-либо ионы металлов. Точно так
же при выделении и определении активности кристаллических
ГФДГ обычно используется 10-3 М раствор ЭДТА, не вызываю-
щий какого-либо заметного подавления активности ферментов.
Г. ФОРМИЛТЕТРАГИДРОФОЛАТ-СИНТЕТАЗА
1. Введение
Формилтетрагидрофолат-синтетаза катализирует синтез
10-формилтетрагидрофолата из муравьиной кислоты, тетрагид-
рофолата и АТР. Фермент выделен и очищен из печени голубя
304
Глава 6
(Greenberg et aL, 1955), M. aerogenes (Whiteley et aL, 1959),
C. acidi-urici и C. cylindros porum (Rabinowitz, Pricer, 1962),
C. thermoaceticum (Sun et aL, 1969; Ljungdahl et aL, 1970) и
C. formicoaceticum (O’Brien et aL, 1976). Фермент из облигат-
ного термофила С. thermoaceticum (Himes, Wilder, 1968; Ljung-
dahl, Wood, 1969) так же, как и фермент из мезофила С. formi-
coaceticum (O’Brien, Ljungdahl, 1972), включает СО2 в 5-метиль-
ную группу 5-метилтетрагидрофолата, который затем карбокси-
лируется в ацетат (Rabinowitz, Pricer, 1957; Ljungdahl, Wood,
1969). Опубликованы сравнительные данные о свойствах синте-
тазы из различных клостридиев (Himes, Harmony, 1973; O’Brien
et aL, 1976).
2. Термостабильность
Была проведена оценка термостабильности формилтетрагид-
рофолат-синтетазы при различных экспериментальных условиях
(Ljungdahl et aL, 1970). Проверено влияние на фермент однова-
лентных катионов в процессе его инкубации при различных зна-
чениях pH в течение 30 мин при температуре 60°С. В качестве
растворителя во всех случаях использовали 0,05 М трис-НС1
(рн 7,5). 0,01 М. NH4C1 и 0,01 М. КС1 стабилизировали фермент
в большей степени, чем 0,01 М NaCl или буфер сам по себе. Од-
нако через 30 мин инкубации при 60°С во всех пробах обнару-
жилась значительная инактивация фермента, за исключением
пробы, где присутствовал NH4C1. В тех же условиях, но при сни-
жении pH до 7,0 фермент проявлял достаточную стабильность в
течение 30-минутного периода. В 0,01 М буфере трис-малеат без
добавок фермент был стабилен при 50°С в интервале pH 6,0—
8,5, но при 5,5 и 8,9 наблюдалось медленное снижение его актив-
ности: при 60°С инактивация наступала при любом pH. Однако
если в буфере трис-малеат присутствовал КС1, то инактивация
фермента при 60°С в интервале pH 6,8—9,0 протекала очень
медленно, аналогично его инактивации при 50°С в одном буфере
без добавок. По-видимому, ионы калия увеличивают термоста-
бильность синтетазы в интервале pH 6,8—9,0, но при pH ниже
6,8 наступает быстрая инактивация фермента. Хотя ионы и ока-
зывают влияние на термостабильность, они не вызывают увели-
чения активности фермента.
Несмотря на то что термофильная синтетаза обнаружила
большую термостабильность, чем ее мезофильный аналог, это
различие выражено у нее не столь заметно, как у многих других
термофильных ферментов.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
305
3. Физико-химические свойства
Формилтетрагидрофолат-синтетаза была охарактеризована в
физико-химическом отношении (Brewer et al., 1970). Недавно
было проведено детальное сравнение этого фермента, выделенно-
го из С. thermoaceticum и трех мезофильных клостридиев
(O’Brien et al., 1976). Во всех случаях оказались очень сходны-
ми такие параметры, как аминокислотный состав, молекулярный
вес, S°2o.w, V, f/fo и максимум испускания флуоресценции. Хотя
все ферменты, выделенные из указанных источников, имеют оди-
наковый молекулярный вес, равный 240 000, ферменты, получен-
ные из мезофилов, в отличие от фермента из термофила нужда-
ются для проявления активности в ионах калия или аммония,
причем удаление этих ионов приводит к диссоциации ферментов
на субъединицы (MacKenzie, Rabinowitz, 1971; Welch et al.,
1971). Синтетаза из C. thermoaceticum не диссоциирует после
удаления моновалентных катионов. Величины /См для фермен-
тов из всех источников практически одинаковы (O’Brien et al.,
1976). Однако в случае синтетазы из С. cylindrosporum кривая
зависимости Ли от температуры имеет перегиб при температуре
около 30°С (Himes, Harmony, 1973), тогда как у термофильного
фермента такой перегиб наблюдается при температуре около
45°С (Ljungdahl, Sherod, 1976). На графике Аррениуса, постро-
енном для термофильного фермента, также имеется перегиб кри-
вой при температуре около 45°С. Хотя кинетические данные гово-
рят о наличии в молекуле фермента конформационного измене-
ния, при измерении оптического вращения белка оно не было об-
наружено. Перегиб, наблюдаемый при 45°С на кривой зависимо-
сти оптической плотности белка при 295 нм от температуры
(Shoof et al., 1974), подтверждает возможность небольшого кон-
формационного изменения молекулы белка.
В отношении субъединичной структуры обсуждаемых фер-
ментов было показано (Buttlaire et aL, 1972), что диссоциация
синтетазы из С. cylindrosporum происходит при pH 5,3; фермент
из С. thermoaceticum также диссоциирует при этом же pH
(Ljungdahl, Sherod, 1976). Однако в отличие от мезофильного
фермента субъединицы, полученные из фермента термофила, не
могут реассоциировать (свидетельство того, что они менее ста-
бильны, чем субъединицы из мезофильного фермента). Это до-
вольно неожиданное наблюдение навело авторов на мысль о
том, что нативный тетрамерный фермент стабилизируется в ре-
зультате взаимодействия пептидных цепей. При дальнейшем
выяснении возможных причин термостабильности синтетазы из
С. thermoaceticum было исследовано действие окиси дейтерия на
относительную термостабильность фермента из С. formicoaceti-
cum и С. thermoaceticum (O’Brien et al., 1976). В связи с тем что
306
Глава 6
DjO, по-видимому, образует более прочные водородные связи,
она должна усиливать в белках гидрофобные взаимодействия и
ослаблять внутрибелковые водородные связи. На основании по-
лученных результатов авторы пришли к выводу о том, что термо-
фильный фермент стабилизируется гидрофобными взаимодейст-
виями, но отметили, что необходимо провести новые эксперимен-
ты для подтверждения этих результатов.
Определенное значение, вероятно, имеет тот факт, что фер-
мент из С. thermoaceticum в отличие от синтетазы из мезофиль-
ных организмов не диссоциирует при удалении моновалентных
катионов и что его субъединицы обнаруживают относительную
нестабильность, препятствующую их реассоциации с образовани-
ем нативного фермента.
V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При оценке механизмов, объясняющих возможность сущест-
вования термофильных организмов, ранние предположения о
небелковых стабилизирующих факторах и быстром ресинтезе
макромолекул не заслуживают серьезного рассмотрения, так как
данных, свидетельствующих в их пользу, либо совсем нет, либо
они слишком неубедительны. Изучение многих выделенных из
разных организмов термостабильных ферментов позволило так-
же отклонить утверждение о том, что термофильные белки не мо-
гут находиться под аллостерическим контролем. Таким образом,
представление о том, что термофильные ферменты, возможно,
имеют негибкие молекулы и «приносят в жертву» контроль с по-
мощью эффекторов ради термостабильности, кажется несостоя-
тельным. Вряд ли есть сомнения в том, что стабильность мембра-
ны играет важную роль в обеспечении термофильного способа
существования, поэтому следует подчеркнуть необходимость
дальнейшей работы в этой еще недостаточно изученной области.
В настоящее время еще рано оценивать роль термоадаптации
и трансформации в общей системе механизмов термофилии.
В конечном счете с помощью термоадаптации и (или) трансфор-
мации можно будет полностью охарактеризовать, например,
фермент с варьирующими уровнями термостабильности из одно-
го и того же вида микроорганизмов Такая экспериментальная
система должна быть способна к усилению незначительных
структурных особенностей, обусловливающих повышенную тер-
мостабильность термофильных белков.
Предположение о том, что заряд внутриклеточных макромо-
лекул служит функциональным механизмом термофилии у фа-
культативного термофила В. coagulans KU, подтверждается на-
личием у этого организма термолабильной глицеральдегид-3-
фосфат — дегидрогеназы. Остается выяснить, является ли такой
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
307
механизм общим для других факультативных термофилов. Воз-
можно, что заряженная внутриклеточная среда также имеет важ-
ное значение для выживания облигатных и кальдоактивных тер-
мофилов благодаря тому, что она может стабилизировать неко-
торые ферменты, обнаруживающие более низкую термостабиль-
ность (измеренную in vitro) при оптимальной или максимальной
температуре роста.
Среди различных гипотез, выдвинутых для объяснения спо-
собности термофильных микроорганизмов размножаться при вы-
соких температурах, меньше всего сомнений вызывают те, в ко-
торых рассматривается способность кальдоактивных и облигат-
ных термофилов синтезировать макромолекулы с достаточной
внутренней молекулярной стабильностью, позволяющей этим
микроорганизмам выдерживать усиленный тепловой стресс. Хо-
тя внутренняя термостабильность термофильных белков выше,
чем у их аналогов из мезофилов, выделенный белок часто не
проявляет термостабильности при оптимальной температуре
роста данного микроорганизма. Для обеспечения стабильности
белков внутри клетки, по-видимому, нет необходимости в не-
обычных факторах, поскольку природные клеточные компонен-
ты, такие, как ионы металлов, субстраты, модификаторы и ион-
ная сила, способствуют повышению термостабильности. Однако
при оценке внутренней термостабильности белков следует прояв-
лять осторожность. Обычно стабильность белка определяют в
таких опытах, которые показывают, что данный белок более
устойчив к тепловой инактивации, чем его аналог из мезофила,
но при этом не уделяют достаточного внимания оптимальной и
максимальной температурам роста организма или другим компо-
нентам системы. Кроме того, часто игнорируют причину (или
причины) инактивации мезофильного белка. Если мезофильный
белок инактивировался в результате второстепенных, а не глав-
ных структурных изменений, то сравнение его структуры со
структурой термофильного белка может привести к ошибочным
выводам. Поэтому при изучении молекулярных механизмов тер-
мофилии необходима точная характеристика юло- и (или) апо-
белка как из термофильного, так и из мезофильного источника.
При выяснении молекулярных основ термофилии важно вы-
брать для исследования такой белок, на котором можно было бы
установить связь термостабильности со структурой полипептид-
ной цепи. Как отметили Хокинг и Харрис (Hocking, Harris,
1976), различие между величинами, характеризующими свобод-
ную энергию стабилизации термофильных и мезофильных бел-
ков, по-видимому, невелико, что указывает иа предпочтитель-
ность выбора специфического термофильного белка, обладающе-
го высокой внутренней термостабильностыо по сравнению с го-
мологичным белком из подходящего мезофильного источника.
308
Глава 6
Например, не удивительно, что трехмерная структура термоли-
зина не обнаруживает каких-либо необычных стабилизирующих
взаимодействий, так как апофермент имеет почти такую же тер-
мостабильность, как и другие протеазы; различие состоит лишь
в том, что термолизин имеет дополнительные участки связыва-
ния ионов Са2+. С другой стороны, вероятно, все апоферредок-
•сины характеризуются высокой термостабильностью, а главное
различие между ними заключается в их сродстве к атомам же-
леза и сульфид-ионам.
Даже если подобран идеальный белок, его повышенная тер-
мостабильность может быть обусловлена лишь немногими клю-
чевыми заменами аминокислот в первичной структуре. В этой
связи следует упомянуть работу Ленгриджа (Langridge, 1968).
При изучении гена р-галактозидазы у Е. coli было обнаружено
56 амбер-мутаций, которые супрессировались путем скрещива-
ния штаммов, несущих эти мутации, со штаммом, содержащим
•супрессорный ген supD. У полученных в результате скрещивания
рекомбинантов была проверена стабильность ферментов, отли-
чавшихся от исходных лишь положением серина, включенного в
то место белковой цепи, которое соответствовало бессмысленно-
му кодону. При сравнении с нормальным ферментом некоторые
ферменты из супрессированных штаммов оказались весьма тер-
молабильными. Другие эксперименты показали, что степень ста-
бильности ферментов определялась специфическим положением
в полипептидной цепи включенной аминокислоты и не зависела
от ее природы. Подобные данные подчеркивают, какое огромное
влияние может оказать на термостабильность молекулы белка
замена в ней всего лишь одной аминокислоты.
Физико-химическое изучение термофильных белков не выяви-
ло в них каких-либо необычных структурных свойств, связанных
с их повышенной термостабильностью. Другими словами, термо-
фильные белки имеют такое же содержание участков с а-спи-
ральной конфигурацией и p-структурой и такое же число гидро-
•фобных групп, как и аналоги из мезофильных организмов, т. е.
в физико-химическом отношении эти белки вполне гомологичны
друг другу. Основываясь на наших знаниях структуры белков,
следует ожидать, что участки, имеющие u-спиральную конфигу-
рацию и p-структуру, более стабильны, чем многие другие участ-
ки молекулы, благодаря водородным связям и дополнительной
стабилизации, обусловленной взаимодействиями боковых цепей.
У мезофильных белков эти участки также потенциально термо-
стабильны. Чен и Лорд (Chen, Lord, 1976) использовали лазер-
ную рамановскую спектроскопию для прослеживания за развер-
тыванием молекулы рибонуклеазы А под действием нагревания.
Они нашли, что при 70°С в ней сохраняется существенная часть
-а-спиральной и p-структуры. Кроме того, при температурах рос-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
309
та большинства термофилов гидрофобные участки как термо-
фильных, так и мезофильных белков должны быть стабильными;
хотя стабильность гидрофобных взаимодействий снижается при
температуре выше 60°С, во всем температурном интервале роста
термофилов они сильнее, чем при температурах роста мезофи-
лов. Так как развертывание глобулярных белков имеет некото-
рые особенности, характерные для кооперативных процессов,
различие в термостабильности термофильных и мезофильных
белков может быть связано лишь с немногими участками моле-
кулы, денатурация которых приводит к денатурации остальной
части молекулы. В этом отношении наиболее важными являют-
ся, возможно, N-концевой и С-концевой участки молекулы наря-
ду с другими критическими участками, расположенными вблизи
ее поверхности. В качестве примера можно привести молекулу
рибонуклеазы А, в которой при детальном исследовании ее теп-
ловой денатурации (Burgess, Scheraga, 1975) были выявлены
участки, обладающие различной термостабильностью. В интер-
вале температур 35—45°С отрезок цепи между аминокислотны-
ми остатками в положениях 17 и 25 разворачивается без инак-
тивации фермента. Этот участок расположен на поверхности
молекулы и содержит пять нейтральных гидрофильных групп и
два остатка аланина. Такой отрезок цепи легко реагирует с во-
дой, но характеризуется слабым взаимодействием с гидрофоб-
ной еердцевиной молекулы. Вероятно, включение в него амино-
кислотного остатка, способного взаимодействовать с гидрофоб-
ной сердцевиной, могло бы стабилизировать этот отрезок. С-кон-
цевой участок (аминокислотные остатки 104—124) не развора-
чивается при нагревании приблизительно до 60°С, и вероятно, он
мог бы оставаться интактным и при более высокой температуре,
если бы при этом не разворачивались другие участки молекулы.
Этот участок не имеет какой-либо упорядоченной вторичной
структуры, но он богат неполярными группами, содержит а-, р- и
y-карбоксильные группы и образует компактную петлю. Удале-
ние из С-концевого участка четырех аминокислотных остатков, в
число которых входит валин и аминокислоты, содержащие а- и
p-карбоксильные группы, приводит к значительной инактивации
фермента. N-конец молекулы имеет спиральную структуру и еще
более устойчив, чем С-конец, однако эта стабильность зависит от
взаимодействий его боковых цепей с гидрофобной сердцевиной.
И в данном случае боковые цепи, участвующие в этих взаимо-
действиях, являются гидрофобными и кислыми. Следовательно,
можно представить себе, что гомологичные мезофильные и тер-
мофильные белки кооперативно свертываются с образованием
компактных молекул со сходной вторичной и третичной структу-
рой, содержащих множество участков с одинаковой термоста-
бильностью у обоих типов молекул и отличающихся термоста-
310
Глава 6
бильностью лишь немногих ключевых участков. Например, тер-
мостабильность термолизнна при температурах приблизительно
от 50 до 80°С повышается в результате стабилизации одного или
двух участков ионами Са2+.
Так как для глицеральдегид-3-фосфат — дегидрогеназы из
В. stearothermophilus создана молекулярная модель, основанная
на данных рентгеноструктурного анализа, в ближайшем буду-
щем должно появиться больше сведений о возможных структур-
ных изменениях этого фермента. Можно ожидать, что исследо-
вания кристаллов белков с помощью рентгеноструктурного ана-
лиза сыграют решающую роль в выяснении структурных разли-
чий между мезофильными и термофильными белками. Есть на-
дежда, что такой анализ позволит более глубоко проникнуть в
тонкую структуру белков и выявить те особенности этой струк-
туры, которые сообщают внутреннюю термостабильность белкам
облигатных и кальдоактивных термофилов. Однако создается
впечатление, что в некоторых случаях молекулярный механизм
(или механизмы) термофилии может, по-видимому, выходить за
рамки этих кажущихся окончательными критериев и для его по-
нимания потребуются более детальные исследования, такие, как
ступенчатая тепловая денатурация, осуществленная на рибонук-
леазе, моделирование внутриклеточной среды и генетические ма-
нипуляции.
БЛАГОДАРНОСТИ
Нам хотелось бы выразить нашу признательность д-ру
Дж. Кинси (J. Kinsey, Department of Microbiology, University of
Kansas Medical Centre) за полезные замечания, касающиеся ге-
нетических аспектов термофилии. Приносим благодарность
д-ру Дж. Харрису (J. I. Harris; MRC Laboratory of Molecular
Biology, Cambridge, England) за любезное ознакомление нас с
последними неопубликованными данными о термофильной гли-
церальдегид-3-фосфат — дегидрогеназе. Сердечно благодарим
миссис Дорис Кьюэн (Doris Kuehn) за отличное выполнение сек-
ретарской работы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1
Adman. Е. Т., Sieker L. С., Jensen L. Н. (1973). The structure of a bacterial
ferredoxin, J. Biol. Chem., 248, 3987—3396
Air G. M„ Harris J. I. (1974). DNA-dependent RNA polymerase from the ther-
mophilic bacterium Thermus aquaticus, FEBS Lett, 38, 277—281.
Allen M. B. (1953). The thermophilic aerobic sporeforming bacteria, Bacteriol.
Rev., 17, 125—173.
1 Звездочками отмечены недавно опубликованные работы, не упомянутые
в тексте.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 311
Amelunxen R. Е. (1966). Crystallization of thermostable glyceraldehyde-3-pho-
sphate dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus, Biochim. Biophys.
Acta, 122, 175—181.
Amelunxen R. E. (1967). Some chemical and physical properties of thermostable
glyceraldehide-3-phosphate dehydrogenase from Bacillus stearothermo-
philus, Biochim. Biophys. Acta, 139, 24—32.
Amelunxen-R. E. (1975). Glyceraldehide-3-phosphate dehydrogenase from Bacil-
lus stearothet mophilus, (Wood W. A., ed.), Methods in Enzymology,
Vol. 41, pp. 268—273, Academic Press, New York and London.
Amelunxen R. E., Clark J. (1970). Crystallization of thermostable glyceraldehyde-
3-phosphate dehydrogenase after removal of coenzyme, Biochim. Biophys.
Acta, 221, 650—652.
Amelunxen R. E., Grisolia S. (1962). The mechanism of triosephosphate de-
hydrogenase inactivation by reduced diphosphopyridine nucleotide, J. Biol.
Chem, 237, 3240—3244.
Amelunxen R. E., Lins M. (1968). Comparative thermostability of enzymes from
Bacillus stearothermophilus and Bacillus cereus, Arch. Biochem. Biophys.,
125, 765—769.
Amelunxen R. E., Singleton R. Jr. (1976). Thermophilic glyceraldehyde-3-pho-
sphate dehydrogenase, (Zuber H., ed.), Enzymes and Proteins from Ther-
mophilic Microorganisms, Experientia Suppl., 26, pp. 107—120, Birkhau-
ser Verlag, Basel and Stuttgart.
Amelunxen R. E., Noelken M., Singleton R. Jr. (1970). Studies on the subunit
structure of thermostable glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from
Bacillus stearothermophilus, Arch. Biochem. Biophys., 141, 447—455.
Amelunxen R. E., Sauvan R. L., Mira O. J. (1974). Thermostable glyceraldehyde-
3-phosphate dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus. II. Kinetic
and immunokinetic analysis, Physiol. Chem. Phys., 6, 515—526.
Andreesen J. R., Schaupp A., Neurauter C., Brown A., Ljungdahl L.,G. (1973).
Fermentation of glucose, fructose, and xylose by Clostridium tnermo-
aceticum: effect of metals on growth yield, enzymes, and the synthesis
of acetate from CO2, J. Bacteriol., 114, 743—751.
Babel W., Rosenthal H. A., Rapoport S. (1972). A unified hypothesis on the
causes of the cardinal temperatures of microorganisms; the temperature
minimum of Bacillus stearothermophilus, Acta Biol. Med. Germ., 28, 565—
576.
Balerna M., Zuber H. (1974). Thermophilic aminopeptidase from Bacillus stearo-
thermophilus. IV. Aminopeptidases (APIm, APIII) in mesophilic (37°C)
cultures of the thermophilic bacterium B. stearothermophilus, Int. J. Pept.
Prot. Res., 6, 499—514.
Barnes L. D., Stellwagen E. (1973). Enolase from the thermophile Thermus X-l,
Biochemistry, 12, 1559—1565.
Bauman A. J., Simmonds P. G. (1969). Fatty acids and polar lipids of extreme-
ly thermophilic filamentous bacterial masses from two Yellowstone hot
springs, J. Bacteriol., 98, 528—531.
Bausum H. T., Matney T. S. (1965). Boundary between bacterial mesophilism
and thermophilism, J. Bacteriol., 90, 50—53.
Belehradek S. (1931). Le mechanisme physico-chemique de 1’adaptation thermique,
Protoplasma, 12, 406—434.
*Biesecker G., Harris J. I., Thierry J. C., Walker J. E., Wonacott A. J. (1977).
Sequence and structure of D-glyceraldehide-3-phosphate dehydrogenase
from Bacillus stearothermophilus, Nature, Lond., 266, 328—333.
Bigelow С. C. (1967). On the average hydrophobicity of proteins and the rela-
tion between it and protein structure, J. Theor. Biol., 16, 187—211.
Воссй E., Veronese F. M., Fontana A. (1976). Isolation and some properties
of enolase from Bacillus stearothermophilus, (Zuber, ed.), Enzymes and
Proteins from Thermophilic Microorganisms, Experientia Suppl. 26,
pp. 229—236, Birkhauser Verlag, Basel and Stuttgart.
312
Глава б
Bradshaw R A, Ericsson I H, Walsh R A, Neurath H (1969) The amino
acid sequence of bovine carboxypeptidase A, Proc Natl Acad Sci USA,
63, 1389—1394
Brandts J F (1967) Heat effects on proteins and enzymes, (Rose A H, ed),
Thermobiology, pp 25—72, Academic Press, New York and London
Brewer J M, Ljungdahl L, Sprencer T E, Reece S H (1970) Physical proper-
ties of lormyltetrahydrofolate synthetase from Clostridium thermoaceticum,
J Biol Chem , 245, 4798—4803
Bridgen J, Harris J I, McDonald P W, Amelunxen R E, Kimmel J R (1972)
Amino acid sequence aiound the catalytic site in glyceraldehyde 3 phospha-
te dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus, J Bacteriol, 111,
797—800
Brock T D (1967) Lite at high temperatures, Science, 158, 1012—1019
Brock T D (1970) High temperature systems, Ann Rev Ecol Systemat, 1,
191—220
Brock T D Darland G К (1970) Limits of microbial existence temperature
and pH, Science, 169, 1316—1318
Brock T D, Freeze H (1969) Thermus aquaticus gen n and sp n, a nonspo-
rulating extieme thermophile, J Bacteriol, 98, 289—297
Bubela B, Holdsworth E S (1966a) Amino acid uptake, protein and nucleic
acid synthesis and turnover in Bacillus stearothermophilus, Biochim Bio-
phys Acta, 123, 364—375
Bubela В, Holdsworth E S (1966b) Protein synthesis in Bacillus stearothermo-
philus, Biochim Biophys Acta, 123, 376—389
Buchanan В В, Lovenberg W Rabinowitz J C (1963) A comparison of clos-
tridial ferredoxins, Proc Natl Acad Sci USA, 49, 345—353
Bull H B, Breese К (1973) Thermal stability of proteins, Arch Biochem bio-
phys , 158, 681—686
Burgess A W, Scheraga H A (1975) A hypothesis for the pathway of the
thermally induced unfolding of bovine pancreatic ribonuclease, J Theor
Biol, 53, 403—420
Burstem Y, Walsh К A, Neurath H. (1974). Evidence of an essential histidine
residue in thermolysin, Biochemistry, 13, 205—210
Buttlaire D H, Hersh R T, Himes R H (1972). Hydrogen ion-induced rever-
sible inactivation and dissociation of lormyltetrahydrofolate synthetase,
J Biol Chem , 247, 2059—2068
Campbell L L (1954) The growth of an „obligate” thermophilic bacterium at
36°C, J Bacteriol, 68, 505—507
Campbell L L (1955) Purification and properties of an a amylase from faculta-
tive thermophilic bacteria, Arch Biochem Biophys, 54, 154—161
Campbell L L, Pace В (1968) Physiology of growth at high temperatures,
J Appl Bacteriol, 31, 24—35
Case К H, Stellwagen E (1975) A thermostable phosphofructokinase from the
extreme thermophile, Thermus X-l Arch Biochem Biophys, 171, 682—
694
Castenholz R W (1969) Thermophilic olue green algae and the thermal environ-
ment, Bacteuol Rev, 33, 476—504
Cavan В Z, Grossowicz N (1973) Properties of homoserine dehydrogenase in
a thermophilic bacterium, Biochim Biophys Acta, 302, 183—190
Cavan В Z, Arkin Shlank H Grossowicz N (1972), Regulation of aspartoki-
nase activity in a thermophilic bacterium, Biochim Biophys Acta, 261,
161—167
Chan M, Virmani Y P, Himes R H, Akagi J M (1973) Spin labeling studies
on the membrane of a facultative thermophilic Bacillus, J Bacteriol, 113,
322—328
Chapman D (1967) The effect of heat on membranes and membrane consti-
tuents, (Rose A H, ed), Thermobiology, pp 123—145, Academic Press,
New York and London
Высокие температуры механизмы и молекулярные аспекты
313
Chen М С, Lord R С (1976) Laser Raman spectroscopic studies of the ther-
mal unfolding of ribonuclease A, Biochemistry, 15, 1889—1897
Chenoweth D, Mitchel R E J, Smith E L (1973) Aminotripeptidase of swine
kidney I Isolation and characterization of three different forms, utility
of the enzyme in sequence work, J Biol Chem, 248, 1672—1683
Colman P M, Jansonius J N, Matthews В W (1972) The structure of ther-
molysin an electron density map at 2,3 A resolution, J Mol Biol, 70,
701—724
Colowick S P, Ralckar H M (1943) The role of myokinase in transphospho-
rylations, J Biol Chem, 148, 117—137
* Coultate T P, Sundaram T R, Cazzulo J J (1975) Stability of protein and
ribonucleic acid in Bacillus stearothermophilus, J Gen Microbiol, 91,
383—390
Crabb J W, Murdock A L, Amelunxen R E (1975) A proposed mechanism of
thermophily in facultative thermophiles, Biochem Biophys Res Commun,
62, 627—633
* Crabb J U7, Murdock A L, Amelunxen R E (1977) Purification and charac-
terization of thermolabile glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase
from the facultative thermophile Bacillus coagulans KU, Biochemistry,
16, 4840—4847
Cronan J E, Gelmann E P (1975) Physical properties of membrane lipids
biological relevance and regulation, Bacteriol Rev, 39, 232—256
Dahlquist F W, Long J W, Bigbee W L (1976) Role of calcium in the ther-
mal stability of thermolysin, Biochemistry, 15, 1103—1111
D’Alcssto G, Josse J (1971) Glyceraldehyde phosphate dehydrogenase of
Escherichia colt Structural and catalytic properties, J Biol Chem, 246,
4326—4333
Damadian R (1973) Biological ion exchanger resins, Ann N Y Acad Sci,
204, 211—244
Daron H H (1970) Fatty acid composition of lipid extracts of a thermophilic
Bacillus species, J Bacteriol , 101, 145—151
Date T, Suzuki R, Imahori R (1975) Purification and some properties of
DNA dependent RNA polymerase from an extreme thermophile Thermus
thermophilus HB8, J Biochem , 78, 845—858
Davidson В E, Sajgo M, Noller H F, Harris J I (1967) Amino acid sequen-
ce of glyceraldehyde-3-phosphate dehydiogenase from lobster muscle,
Nature, Lond, 216, 1181—1185
Devanathan T, Akagi J M, Hersh R T, Himes R H (1969) Ferredoxin from
two thermophilic Clostridia, J Biol Chem, 244, 2846—2853
Dick A J, Matheson A T, Wang J H (1970) Y ribosomal bound aminopeptida-
se in Escherichia coll В purification and properties, Can J Biochem, 8,
1181—1188
Donovan J W, Ross R D (1973) Increase in the stability of avidin produced
by binding of biotin A differential scanning colorimetric study of
denaturation oy heat, Biochemistry, 12, 512—517
Endo S (1962) Studies on protease produced by thermophilic bacteria, Hakko
Kogaki Zasshi, 37, 353—410 (Chem Abst, 62, 1965)
Esser A F , Souza R A (1974) Correlation between thermal death and membra-
ne fluidity in Bacillus stearothermophilus, Pioc Natl Acad Sci USA,
74, 4111—4115
Farrell J, Campbell L L (1969) Thermophilic bacteria and bacteriophages, Adv
Microbial Physiol, 3, 83—109
Farrell J, Rose A H (1967a) Temperature effects on microorganisms, Ann
Rev Microbiol, 21, 101—120
Farrell J, Rose A H (1967b) Temperature effects on microorganisms, (Ro-
se A H, ed), Thermobiology, Academic Press, New fork and London
Feder J, Garrett L R, Wildi В S (1971) Studies on the role of calcium in
thermolysin, Biochemistry, 10, 4552—4556
314
Глава 6
Fontana A., Grandi С., Воссй Е, Veronese F. М. (1976). Thermal properties
of glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from Escherichia coli, (Zu-
ber H., ed.), Enzymes and Proteins from Thermophilic Microorganisms,
Experientia Suppl., 26, pp. 135—145, Birkhauser Verlag, Basel and Stutt-
gart.
Frank G., Haberstich H., Schaer H. P., Tratschin J. D„ Zuber H. (1976). Ther-
mophilic and mesophilic enzymes from B. caldotenax and B. stearothermo-
philus: Properties, relationships and formation, (Zuber H., ed.), Enzymes
and Proteins from Thermophilic Microorganisms, Experientia Suppl., 26,
pp. 375—389, Birkhauser Verlag, Basel and Stuttgart.
Friedman S. M. (1968). Protein-synthesizing machinery of thermophilic bacteria,
Bacteriol. Rev., 32, 27—38.
Fujita S. C., Oshima T., Imahori R. (1976). Purification and properties of D-
glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from an extreme thermophile,
Thermus thermophilus strain HB8, Eur. J. Biochem., 64, 57—68.
Gaughran E. R. L. (1947). The thermophilic microorganisms, Bacteriol. Rev., 11,
189—225.
Greenberg G. R., Jaenicke L., Silverman M. (1955). On the occurence of N'°-
formyltetrahydrofolic acid by enzymic formylation of tetrahydrofolic acid
on the mechanism of this reaction, Biochim. Biophys. Acta, 17, 589—591.
Grissom F. E., Rahn J. S. (1975). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
from Euglena gracilis, Arch. Biochem. Biophys., 171, 444—458.
Haberstich H. V., Zuber H. (1974). Thermoadaptation of enzymes in thermo-
philic and mesophilic cultures of Bacillus stearothermophilus and Bacillus
caldotenax, Arch. Microbiol., 98, 275—287.
Hachimori A., Muramatsu N., Nosoh Y. (1970). Studies on an ATPase of ther-
mophilic bacteria. I. Purification and properties, Biochim. Biophys. Acta,
206, 426—437.
Hachimori A., Matsunaga A., Shimizu M., Samejima T., Nosoh Y. (1974). Purifi-
cation and properties of glutamine synthetase from Bacillus stearothermo-
philus, Biochim. Biophys. Acta, 350, 461—474.
Hachimori A., Takeda A., Raibuchi M., Ohkawara R., Samejima T. (1975).
Purification and characterization of inorganic pyrophosphatase from Ba-
cillus stearothermophilus, J. Biochem., 77, 1177—1183.
Han M. H. (1972).. Non-linear Arrhenius plots in temperature-dependent kinetic
studies of enzyme reactions. I. Single transition processes, J. Theor. Biol.,
35, 543—568.
Harris J. I., Perham R. N. (1968). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
from pig muscle, Nature, Lond., 219, 1025—1028.
* Hase T., Ohmiya N„ Matsubara H„ Mullinger R. N„ Rao R. R., Hall D. O.
(1976). Amino acid sequence of a 4-iron-4-sulfur ferredoxin from Bacillus
stearothermophilus, Biochem. J., 159, 55—63.
Hasegawa A., Miwa N., Oshima T., Imahori R. (1976). Studies on an a-amylase
from a thermophilic bacterium. I. Purification and Characterization,
J. Biochem., 79, 34—42.
Heilbrunn L. V. (1924). The colloid chemistry of protoplasm. IV. The heat
coagulation of piotoplasm, Am. J. Physiol., 69, 190—199.
Heinen U. J., Heinen W. (1972). Characteristics and properties of a caldoactive
bacterium producing extracellular enzymes and two related strains, Arch.
Microbiol., 82, 1—23.
Heinen W., Lauwers A. M. (1976). Amylase activity and stability at high and
low temperatures depending on calcium and other divalent cations, (Zu-
ber H., ed.), Enzymes and Proteins from Thermophilic Microorganisms,
Experientia Suppl., 26, pp. 77—89, Birkhauser Verlag, Basel and Stutt-
gart.
Hengartner H„ Zuber H. (1973). Isolation and characterization of a thermophi-
lic glucokinase from Bacillus stearothermophilus, FEBS Lett., 37, 212—
216.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
315
Hengartner И., Kolb Е., Harris J. I. (1976). Phosphofructokinase from thermophi-
lic microorganisms, (Zuber H., ed.), Enzymes and Proteins from Ther-
mophilic Microorganisms, Experientia Suppl., 26, 199—206, Birkhauser
Verlag, Basel and Stuttgart.
Hibino Y., Nosoh Y., Samejima T. (1974). On the conformation of NADP-de-
pending isocitrate dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus,
J. Biochem., 75, 553—561.
Himes R. H., Harmony J. A. K- (1973). Formyltetrahydrofolate synthetase, CRC
Crit. Rev. Biochem., 1, 501—535.
Himes R. H., Wilder T. (1968). Formyltetrahydrofolate synthetase: effect of pH
and temperature on the reaction, Arch. Biochem. Biophys., 124, 230—237.
Hocking J. D., Harris J. I. (1973). Purification by affinity chromatography of
thermostable glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from Thermus
aquaticus, FEBS Lett., 34, 280—284.
Hocking J. D., Harris J. I. (1976). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase
from an extreme thermophile, Thermus aquaticus, (Zuber H., ed.), Enzy-
mes and Proteins from Thermophilic Microorganisms, Experientia Suppl.,
26, pp. 121—133, Birkhauser Verlag, Basel and Stuttgart.
Hong J., Rabinowitz J. C. (1967). Preparation and properties of clostridial
apoferredoxins, Biochem. Biophys. Res. Commun., 29, 246—252.
Howell N., Akagi J. M., Himes R. H. (1969). Thermostability of glycolytic
ensymes from thermophilic Clostridia, Can. J. Microbiol., 15, 461—464.
Hsiu J., Fischer E. H., Stein E. A. (1964). Alpha-amylases as calcium-metal-
loenzymes. II. Calcium and the catalytic activity. Biochemistry, 3, 61—62.
lizuka E., Yang J. I. (1965). Effect of salts and dioxane on the coiled conforma-
tion of poly-L-glutamic acid in aqueous solution, Biochemistry, 4,
1249—1257.
Irwin С. C., Akagi J. M„ Himes R‘. H.' (1973). Ribosomes, polyribosomes, and
deoxyribonucleic acid from thermophilic, mesophihc and psychrophilic
Clostridia, J. Bacteriol., 113, 252—262.
Jones G. M. T„ Harris J. I. (1972). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase:
amino acid sequence of enzyme from baker’s yeast, FEBS Lett., 22,
185—189.
Jung L„ Jost R., Stoll E., Zuber H. (1974), Metabolic differences in Bacillus
stearothermophilus grown at 55°C and 37°C, Arch. Microbiol., 95, 125—138.
* Kagawa Y„ Sone N., Yoshida M., Hirata H., Okamoto H. (1976). Proton trans-
locating ATPase of a thermophilic bacterium. Morphology, subunits and
chemical composition. J. Biochem., 80, 141—151.
Kaneda T. (1963). Biosynthesis of branched-chain fatty acids. I. Isolation and
identification of fatty acids from Bacillus subtilis (ATCC 7059), J. Biol.
Chem., 238, 1222—1228.
Kobayashi S. H„ Hubell H. R., Orengo A. (1974). A homogeneous, thermostable
deoxythymidine kinase from Bacillus stearothermophilus, Biochemistry,
13, 4537—4543.
Koffler H. (1957). Protoplasmic differences between mesophiles and thermophi-
les, Bacteriol. Rev., 21, 227—240.
Koffler H., Gale G. O. (1957). The relative thermostability of cytoplasmic pro-
teins from thermophilic bacteria, Arch. Biochem. Biophys., 67, 249—251.
Kuramitsu H. K- (1968). Concerted feedback inhibition of aspartokinase from
Bacillus stearothermophilus, Biochim. Biophys. Acta, 167, 643—645.
Kuramitsu H. K. (1970). Concerted feedback inhibition of aspartokinase from
Bacillus stearothermophilus. I. Catalytic and regulatory properties, J. Biol.
Chem., 245, 2991—2997.
Langridge J. (1968). Genetic and enzymatic experiments relating to the tertiary
structure of fJ-galactosidase, J. Bacteriol., 96, 1711—1717.
Lindsay J. A., Creaser E. H. (1975). Enzyme thermostability is a transformable
property between Bacillus spp., Nature, Lond., 255, 650—652.
Lipscomb W. N., Hartsuck J. A., Quiocho F. A., Reeke G. N. (1969). The structu-
316
Глава 6
re of carboxypeptidase A. IX. The X-ray diffraction results in the light of
the chemical sequence, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 64, 28—35.
Ljungdahl L. G., Sherod D. (1976). Proteins from thermophilic microorganisms,
(Heinrich M. R., ed.), Extreme Environments: Mechanisms of Microbial
Adaptation, pp. 147—188, Academic Press, New York and London.
Ljungdahl L. G., Wood H. G. (1969). Total synthesis of acetate from CO2 by
heterotrophic bacteria, Ann. Rev. Microbiol., 23, 515—538.
Liungdahl L. G., Irion E., Wood H. G. (1965). Total synthesis of acetate from
CO2. I. Co-methylcobyric acid and Cb-(methyl)-5-methoxybenzimidazolyl-
cobamide as intermediates with Glostridium thermoaceticum, Biochemistry,
4, 2771—2780.
Ljungdahl L. G., Brewer J. M., Neece S. H„ Fairwell T. (1970). Purification,
stability, and composition of formyltetrahydrofolat synthetase from
Clostridium thermoaceticum, J. Biol. Chem., 245, 4791—4797.
Lodish H. F. (1969). Species specificity of polypeptide chain initiation, Nature,
Lond., 224, 867—870.
Long S. K., Williams О. B. (1959). Growth of obligate thermophiles at 37°C as
a function of the cultural condition employed, J. Bacteriol., 77, 545—547.
Lovenberg W., Buchanan В. B„ Rabinowitz J. C. (1963). Studies on the chemi-
cal nature of clostridial ferredoxin, J. Biol. Chem., 238, 3899—3913.
MacKenzie R. E„ Rabinowitz J. C. (1971). Cation-dependent reassociation of
subunits of NI0-formyltetrahydrofolate synthetase from Clostridium acidi-
urici and Clostridium cylindrosporum, J. Biol. Chem., 246, 3731—3736.
Matsubara H„ Feder J. (1971). Other bacterial, mold and yeast proteases,
(Boyer P. D., ed.), The Enzymes (3rd ed.), Vol. 3, pp. 721—795, Academic
Press, New York and London.
Matsunaga A., Nosoh Y. (1974). Conformational change with temperature and
thermostability of glutamine synthetase from Bacillus stearothermophilus,
Biochim. Biophys. Acta, 365, 208—211.
Matsunaga A., Koyama N., Nosoh Y. (1974). Purification and properties of este-
rase from Bacillus stearothermophilus, Arch. Biochem. Biophys., 160,
504—513.
Matthews B. W., Jansonius J. N„ Colman P. M., Schoenborn В. P„ Dupourque D.
(1972a). Three-dimensional structure of thermolysin, Nature, Lond., 238,
37—41.
Matthews В. M., Colman P. M., Jansonius J. N., Titani K., Walsh K. A., Neu-
rath H. (1972b). Structure of thermolysin, Nature, Lond., 238, 41—43.
Matthews B. W„ Weaver L. H., Kester IF. R. (1974). The conformation of thermo-
lysin. J. Biol. Chem., 249, 8030—8044.
Militzer W., Sonderegger T. B., Tuttle L. C., Georgi С. E. (1949). Thermal enzy-
mes, Arch. Biochem., 24, 75—82.
Moore M. R., O'Brien W. E., Ljungdahl L. G. (1974). Purification and charac-
terization of nicotinamide adenine dinucleotide-dependent methylene-
tetrahydrofolate dehydrogenase from Clostridium formicoaceticum, J. Biol.
Chem., 249, 5250—5253.
Moser P„ Roncari G„ Zuber H. (1970). Thermophilic aminopeptidases from Вас.
stearothermophilus. II. Aminopeptidase I (API): physico-chemical pro-
perties, thermostability and activation; formation of apoenzyme and
subunits, Int. J. Prot. Res., 11, 191—207.
Mullinger R. N., Cammack R., Rao К. K„ Hall D. O., Dickson D. P. E., John-
son С. E., Rush J. D„ Simopoulos A. (1975). Physicochemical characteri-
zation of the 4-iron-4-suiphide ferredoxin from Bacillus stearothermophilus,
Biochem. J., 151, 75—83.
Muramatsu N., Nosoh Y. (1971). Purification and characterization of glucose-
6-phosphate isomerase from Bacillus stearothermophilus, Arch. Biochem.
Biophys., 144, 245—252.
* Muramatsu N., Nosoh Y. (1976). Some catalytic and molecular properties of
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 317"
threonine deaminase from Bacillus stearothermophilus, J. Biochem., 80,
485—490.
Murdock A. L., Koeppe 0. J. (1964). The content and action of diphosphopy-
ridine nucleotide in triosephosphate dehydrogenase, J. Biol. Chem., 239,
1983—1988.
Murphey W. H., Barnaby J. F., Lin J. F., Kaplan N. 0. (1967). Malate dehydro-
genase. II. Purification and properties of Bacillus subtilis, Bacillus
stearothermophilus, and Escherichia coli malate dehydrogenases, J. Biol.
Chem., 242, 1548—1559.
Novitsky T. J., Chan M., Himes R. H., Akagi J. M. (1974). Effect of tempera-
ture on the growth and ceil wail chemistry of a facultative thermophilic-
Bacillus, J. Bacteriol., 117, 858—865.
O’Brien W. E„ Ljungdahl L. G. (1972). Fermentation of fructose and synthesis-
of acetate from carbon dioxide by Clostridium formicoaceticum, J. Bac-
teriol., 109, 626—632.
O’Brien W. E., Brewer J. M., Ljungdahl L. G. (1976). Chemical, physical and
enzymatic comparisons of fonnyltetrahydrofolate synthetase from thermo-
and mesophilic Clostridia, (Zuber H., ed.), Enzymes and Proteins from
Thermophilic Microorganisms, Experientia Suppl., 26, pp. 249—262, Birk-
hauser Verlag, Basel and Stuttgart.
Ogasahara K., Imanishi A., Isemura T. (1970). Studies on thermophilic «-amy-
lase from Bacillus stearothermophilus. II. Thermal stability of thermophi-
lic a-amyiase, J. Biochem., 67, 77—82.
Ohno-Iwashita Y., Oshima T„ Imahori K. (1975). Comparison of protein-syn-
thesizing machinery of an extreme thermophile with that of Escherichia
coli, Z. Allg. Mikrobioi., 15, 131—134.
Ohta Y. (1967). Thermostable protease from thermophilic bacteria. II. Studies-
on the stability of the protease, J. Biol. Chem., 242, 509—515.
Ohta Y„ Ogura Y., Wada A. (1966). Thermostable protease from thermophilic-
bacteria. I. Thermostability, physicochemical properties, and amino acid
composition, J. Biol. Chem., 241, 5919—5925.
Olsen K. W., Moras D., Rossman M. G„ Harris J. I. (1975). Sequence variability
and structure of D-glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, J. Biol.
Chem., 250, 9313—9321.
Orengo A., Saunders G. F. (1972). Regulation of a thermostable pyrimidine
ribonucleoside kinase by cytidine triphosphate, Biochemistry, 11, 1761—
1767.
Oshima T., Imahori K. (1974). Description of Thermus lhermophilus (Yoshida
and Oshima) comb, nov., a nonsporulating thermophilic bacterium from
a Japanese thermal spa, Int. J. Syst. Bacteriol., 24, 102—112.
Pearse В. M. F., Harris J. I. (1973). 6-phosphogluconate dehydrogenase from
Bacillus stearothermophilus, FEBS Lett., 38, 49—52.
Perham R. N. (1969). The comparative studies of mammalian glyceraldehyde-3-
phosphate dehydrogenases, Biochem. J., Ill, 17—21.
Perutz M. F., Raidt H. (1975). Stereochemical basis of host stability in bacterial
ferredoxins and in haemoglobin A2, Nature, Lond., 255, 256—259.
Petra P. H. (1970). Bovine procarboxypeptidase and carboxypeptidase A,
(Perlman G. E., Lorand G. E., eds.), Methods in Enzymology, Vol. 19,
pp. 460—503, Academic Press, New York and London.
Pfeuller S. L., Elliott W. H. (1969). The extracellular a-amylase of Bacillus:
stearothermophilus, J. Biol. Chem., 244, 48—54.
Poston I. M., Kuratomi K-, Stadtman E. R. (1966). The conversion of carbon
dioxide to acetate. I. The use of cobalt methylcobalamin as a source of
methyl groups for the synthesis of acetate by cell-free extracts of Clostri-
dium thermoaceticum, J. Biol. Chem,, 241, 4209—4216.
Rabinowitz J. C., Pricer W. E„ Jr. (1957). An enzymatic method for the de-
termination of formic acid, J. Biol. Chem., 229, 321—328.
Rabinowitz J. C., Pricer W. E., Jr. (1962). 'Formyltetrahydrofolate synthetase.
318
Глава 6
I. Isolation and crystallization of the enzvme, J. Biol. Chem., 237, 2898—
2902.
Hall S. C., Bolinger R. E., Cole R. D. (1969). The amino acid sequence of fer-
redoxin from Clostridium acidi-urici, Biochemistry, 8, 2486—2496.
Ramaley R. F., Hixson H. (1970). Isolation of a nonpigmented, thermophilic
bacterium similar to Thermus aquaticus, J. Bacteriol., 103 527—528.
Ray P. H., White D. C., Brock T. D. (1971a). Effect of temperature on the fatty
acid composition of Thermus aquaticus, J. Bacteriol., 106, 25—30.
Ray P. H., White D. C., Brock T. D. (1971b). Effect of growth temperature on
the lipid composition of Thermus aquaticus, J. Bacteriol., 108, 227—235.
Roncari G., Zuber H. (1969). Thermophilic aminopeptidases from Bacillus
stearothermophilus. I. Isolation, specificity, and general properties of the
thermostable aminopeptidase I, Int. J. Prot. Res., 1, 45—61.
Roncari G., Zuber H. (1970). Thermophilic aminopeptidases: API from Bacillus
stearothermophilus, (Perlman G. E., Lorand L., eds.), Methods in Enzy-
mology, Vo., 19, pp. 544—552, Academic Press, New York and London.
Roncari G., Zuber H., Wyttenbach A. (1972). Thermophilic aminopeptidases from
Вас. stearothermophilus. III. Determination of the cobalt and zinc content
in aminopeptidase I by neutron activation analysis, Int. J. Pept. Prot.
Res., 4, 267—271.
Rowe J. J., Goldberg I. D., Amelunxen R. E. (1973). Isolation of mutants of
Bacillus stearothermophilus blocked in catabolic function, Can. J. Micro-
biol., 19, 1521—1523.
Rowe J. J., Goldberg I. N., Amelunxen R. E. (1975). Development of defined and
minimal media for the growth of Bacillus stearothermophilus, J. Bacte-
riol., 124, 279—284.
Rowe J. J., Goldberg I. D., Amelunxen R. E. (1976). Characteristics of Bacillus
stearothermophilus mutants blocked in catabolic function, J. Bacteriol.,
126, 520—523.
Ruwart M. J., Haug A. (1974). Membrane properties of Thermoplasma acido-
phila, Biochemistry, 14, 860—866.
Saiki T., Mahmud I., Matsubara N., Taya K., Arima K. (1976). Purification and
some properties of NADP+-specific isocitrate dehydrogenase from an
extreme thermophile, Thermus flavus AT-62, (Zuber H., ed.), Enzymes
and Proteins from Thermophilic Microorganisms, Experientia Suppl., 26,
pp. 169—183, Birkhauser Verlag, Basel and Stuttgart.
Sando G. N„ Hogenkamp H. P. C. (1973). Ribonucleotide reductase from Thermus
X-l, a thermophilic organism, Biochemistry, 12, 3316—3322.
Sauvan R. L„ Mira O. J., Amelunxen R. E. (1972). Thermostable glyceraldehyde-
3-phosphate dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus. I. Immuno-
chemical studies, Biochim. Biophys. Acta, 263, 794—804.
Shing Y. W„ Akagi J. M., Himes R. H. (1975). Psychrophilic, mesophihc, and
thermophilic triosephosphate isomerases from three clostridial species,
J. Bacteriol., 122, 177—184.
Shoaf W. T„ Reece S. H., Ljungdahl L. G. (1974). Effects of temperature and
ammonium ions on formyltetrahydrofolate synthetase form Clostridium
thermoaceticum, Biochim. Biophys. Acta, 334, 448—458.
Singleton R., Jr. (1976). A comparison of the amino acid composition from
thermophilic and non-thermophilic origins, (Heinrich H. R., ed.), Extreme
Environments: Mechanisms of Microbial Adaptation, pp. 189 200, Aca-
demic Press, New York and London.
Singleton R„ Jr., Amelunxen R. E. (1973). Proteins from thermophilic micro-
organisms, Bacteriol. Rev., 37, 320—342. .
Singleton R. Jr., Kimmel J. R., Amelunxen R. E. (1969). The amino acid com-
position and other properties of thermostable glyceraldehyde-3-phosphate
dehydrogenase from Bacillus stearothermophilus, J. Biol. Chem., 244,
16^3 1630
Smith P. F., Langworthy T. A., Mayberry W. R„ Houghland A. E. (1973). Charac-
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты
319
terization of the membranes of Thermoplasma acidophilum, J Bacterio]
116, 1019—1028.
Stahl S., Ljunger C. (1976). Calcium uptake by Bacillus stearothermophilus:
a reguirement for thermophilic growth, FEBS Lett., 63, 184—187.
Stanier R. Y., Doudoroff M, Adelberg E. A. (1970). The Microbial World (3rd
ed.), pp. 315—318, Prentice-Hall, New Jersey. [Имеется перевод: Стейнн-
ep P., Эдельберг Э., Ингрэм Дж. Мир микробов. — М.: Мир, 1979.]
Stellwagen Е., Barnes L. D. (1976). Analysis of the thermostability of enolases,
(Zuber H., ed.), Enzymes and Proteins from Thermophilic Microorganisms,
Experientia Suppl., 26, pp. 223—227, Birkhauser Verlag, Basel and
Stuttgart.
Stoll E., Zuber H. (1974). Interconversion of the different hybrids of aminopep-
tidase I. FEBS Lett, 40, 210—212.
Stoll E., Hermodson M. A., Ericsson L. H., Zuher H. (1972). Subunit structure
of the thermophilic aminopeptidase I from Bacillus stearothermophilus.
Biochemistry, 11, 4731—4735.
Stoll E., Ericsson L. H., Zuber H. (1973). The function of the two subunits of
thermophilic aminopeptidase I, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 70, 3781—3784.
Sugimoto S., Nosoh Y. (1971). Thermal properties of fructose-1,6-diphosphate
aldolase from thermophilic bacteria, Biochim. Biophys. Acta, 235, 210—221.
Sun A. Y., Ljungdahl L. G., Wood H. G. (1969). Total synthesis of acetate from
CO2. II. Purification and properties of formyltetrahydrofolate synthetase
from Clostridium thermoaceticum, J. Bacteriol., 98, 842—844.
Sundaram T. R., Libor S-, Chell R. M. (1976). Anaplerotic enzymes of acetate
and pyruvate metabolism: distinctive characteristics in Bacillus stearother-
mophilus, (Zuber H., ed.), Enzymes and Proteins from Thermophilic
Microorganisms, Experientia Suppl., 26, pp. 263—275, Birkhauser Verlag,
Basel and Stuttgart.
Suzuki R., Harris J. I. (1971). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from
Bacillus stearothermophilus, FEBS Lett., 13, 217—220.
Suzuki R., Imahori R. (1973a). Isolation and some properties of glyceraldehyde-
3-phosphate dehydrogenase from vegetative cells of Bacillus cereus,
J. Biochem., 73, 97—106.
Suzuki R., Imahori R. (1973b). Glyceraidehyde-3-phosphate dehydrogenase of
Bacillus stearothermophilus. Kinetics and physicochemical studies, J.
Biochem, 74, 955—970.
Suzuki R., Imahori R. (1974). Phosphoglycerate kinase of Bacillus stearothermo-
philus, J. Biochem., 76, 771—782.
Tanaka M., Nakashima T., Benson A. M., Mower H. F., Yasunobu R. T. (1966).
The amino acid sequence of Clostridium pasteurianum ferredoxin, Bioche-
mistry, 5, 1666—1681.
Tanaka M., Haniu M., Matsueda G., Yasunobu R. T., Himes R. H., Akagi I. M.,
Barnes E. M„ Devanathan T. (1971). The primary structure of the Clos-
tridium tartarivorum ferredoxin, a heat-stable ferredoxin, J. Biol. Chem.,
246, 3958—3960.
Tanaka M., Haniu M., Yasunobu R. T., Himes R. H., Akagi I. M. (1973). The
primary structure of the Clostridium thermosaccharolyticum ferredoxin,
a heat-stable ferredoxin, J. Biol. Chem., 248, 5215—5217.
Tanford C. (1968). Protein denaturation, (Anfinsen С. B., Jr., Anson M. L.,
Edsall J. T., Richard F. M., eds.), Advances in Protein Chemistry, Vol., 23,
pp. 122—282, Academic Press, New York and London.
Thomas D. A., Ruramitsu H. R. (1971). Biosynthetic L-threonine desatinase
form Bacillus stearothermophilus. I. Catalytic and regulatory properties,
Arch. Biochem. Biophys., 145, 96—104.
Titani R., Hermodson M. A., Ericsson L. H., Walsh R. A., Neurath H. (1972).
Amino-acid sequence of thermolysin, Nature, Lond., 238, 35—37.
Vclick S. F. (1955). Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase from muscle.
320
Глава 6
(Colowick S. P., Kaplan N. O., eds.), Methods in Enzymology, Vol. 1,
pp. 401—406, Academic Press, New York and London.
Veronese E. M„ Воссй E„ Fontana A., Benassi C. A., Scoffone E. (1974). Isola-
tion and some properties of 6-phosphogluconate dehydrogenase from
Bacillus stearothermophilus, Biochim. Biophys, Acta, 334, 31—44.
* Veronese F. M., Воссй E„ Fontana A. (1976). Isolation and properties of
6-phosphogluconate dehydrogenase from Escherichia coli. Some compari-
sons with the thermophilic enzyme from Bacillus stearothermophilus,
Biochemistry, 15, 4026—4033.
Von Hippel R. H., Eschleich T. (1969). The effects of neutral salts on the structure
and conformational stability of macromolecules in solution, (Timasheff S.,
Fasman G., eds.), Biological Macromolecules, Vol. 11, pp. 417—557,
Marcel Dekker, New York.
* Voordouw G., Roche R. S. (1975). The role of bound calcium ions in ther-
mostable proteolytic enzymes. II. Studies on thermolysin, the thermo-
stable protease from Bacillus ihermoproteolyticus, Biochemistry, 14,
4667—4673.
* Voordouw G., Milo C., Roche R. S. (1976). Role of bound calcium ions in
thermostable proteolytic enzymes. Separation of intrinsic and calcium ion
contributions to the kinetic thermal stability, Biochemistry, 15, 3716—3724.
Wedler F. C., Hoffman F. M. (1974a). Glutamine synthetase of Bacillus stearo-
thermophilus. I. Purification and basic properties, Biochemistry, 13,
3207________3214
Wedler F. C., Hoffman F. M. (1974b). Glutamine synthetase of Bacillus stearo-
thermophilus. II. Regulation and thermostability, Biochemistry, 13, 3215—
3221
* Wedler F. C., Carfi J., Ashour A. E. (1976). Glutamine synthetase of Bacillus
stearothermophilus. Regulation, site interactions, and functional informa-
tion, Biochemistry, 15, 1749—1755.
Weerkamp A., MacElroy R. D. (1972). Lactate dehydrogenase from an extremely
thermophilic Bacillus, Arch. Microbiol., 85, 113—122.
Welch W. M„ Buttlaire D. H., Herch R. T., Himes R. H. (1971). The subunit
structure of formyltetrahydrofolate synthetase, Biochim. Biophys. Acta,
236 599_________611
Whiteley H. R., Osborn M. J., Huennekens F. M. (1959). Purification and pro-
perties of the formate-activating enzyme from Micrococcus aerogenes,
J. Biol. Chem., 234, 1538—1543.
Williams R. A. D. (1975). Caldoactive and thermophilic bacteria and their
thermostable proteins, Sci. Prog. OxL, 62, 373—393.
Wisdom C„ Welker N. E. (1973). Membranes of Bacillus stearothermophilus.
factors affecting protoplast stability and thermostability of alkaline
phosphatase and reduced nicotinamide adenine dinucleotide oxidase,
J. Bacteriol., 114, 1336—1345.
Yasunobu К. T„ Tanaka M. (1973). The types, distribution and nature, structure-
function, and evolutionary data of the iron-sulfur proteins, (Lovenberg W.,
ed.), Iron-Sulfur Proteins, Vol. 2, pp. 27—130, Academic Press, London
and New York. . , .,
* Yeh M. E., Treia J. M. (1976). Purificaton and characterization of a repressib-
le alkaline phosphatase from Thermus aquaticus, J. Biol. Chem., 251,
3134________3139
Yoshida M. (1972). Allosteric nature of thermostable phosphofructokinase from
an extreme thermophilic bacterium, Biochemistry, 11, 1087 10УЗ.
Yoshida M„ Oshima T. (1971). The thermostable allosteric nature of fructose-
1,6-diphosphatase from an extreme thermophile, Biochem. Biophys. Res.
Y oshid^^OsMma^T., Imahori K. (1971). The thermostable allosteric enzyme:
phosphofructokinase from an extreme thermophile, Biochem. Biophys. Res.
Commun., 43, 36—39.
Высокие температуры: механизмы и молекулярные аспекты 321
Yoshida М., Sone N., Hirata Н., Kagawa У. (1975). A highly stable adenosine
triphosphatase from thermophilic bacterium. Purification, properties and
reconstitution, J. Biol., Chem., 250, 7910—7916.
* Yoshida M., Sone N., Hirata H., Kagawa Y. (1977). Reconstitution of adeno-
sine triphosphatase of thermophilic bacterium from purified subunits,
J. Biol. Chem., 252, 3480—3485.
Yutani K- (1976). Role of calcium ion in the thermostability of a-amylase pro-
duced from Bacillus stearothermophilus, (Zuber H., ed.), Enzymes and
Proteins from Thermophilic Microorganisms, Experientia Suppl., 26,
pp. 91—103, Birkhauser Verlag, Basel and Stuttgart.
ГЛАВА 7
ЖИЗНЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ pH
Т. Ленгуорси
(Т. A. Langworthy, University of South Dakota)
I. ВВЕДЕНИЕ
Давно было установлено, что концентрация водородных
ионов играет роль фактора, определяющего границы существо-
вания живой материи. Вероятно, это — один из важнейших фак-
торов, влияющих на рост и размножение организма. Концентра-
ция водородных ионов воздействует на ионное состояние, а сле-
довательно, и на доступность для организма многих метаболитов
и неорганических ионов. Невозможно переоценить ее влияние
на стабильность и функции макромолекул в биологических про-
цессах. Большая часть организмов наилучшим образом разви-
вается при концентрации ионов водорода, близкой к pH 7
(10-7 М), что характерно для многих природных сред. Очень
высокие (кислая реакция) или очень низкие (щелочная реак-
ция) концентрации водородных ионов обычно токсичны для
большинства организмов. В общем предельные концентрации
ионов водорода, выше и ниже которых известные в настоящее
время организмы прекращают рост и размножение, приблизи-
тельно равны pH 1 (0,1 М), что отмечено лишь для немногих
бактерий и грибов, и pH И (10~иМ), что наблюдается в случае
некоторых водорослей, грибов и бактерий (Souza et al., 1974).
Большинство организмов живет при pH от 4 до 9, причем их
оптимальный рост наблюдается в среде, близкой к нейтральной.
Хотя многие организмы обладают способностью развиваться или
выживать при значениях pH, лежащих за пределами этого интер-
вала, истинный оптимум pH для их роста обычно находится в
диапазоне нормальных значений pH. Подобные организмы рас-
сматриваются как кислото- или щелочетолерантные. Кислотолю-
бивые (ацидофильные) организмы, облигатно нуждающиеся для
роста в чрезвычайно низких величинах pH (3 или менее), встре-
чаются крайне редко. Еще меньше примеров щелочелюбивых
(алкалофильных) организмов, требующих для своего роста зна-
чений pH до 10 и выше. Многие сообщения о развитии микро-
организмов при экстремальных значениях pH основаны на изме-
рениях pH окружающей среды, в которой обнаружены эти
организмы. Одпако тщательно контролируемые исследования,
Экстремальные значения pH
323
необходимые для доказательства того, что тот или иной организм
действительно растет и размножается при данном pH среды, как
правило, не проводились.
За последние десятилетия появилось лишь ограниченное чис-
ло сообщений об организмах, растущих при экстремальных зна-
чениях pH. Многие из этих организмов так и остались всего лишь
интересными биологическими диковинками. За исключением
нескольких случаев, попытки количественно охарактеризовать
механизмы устойчивости микроорганизмов к кислоте или щело-
чи весьма немногочисленны. Об ограниченности наших знаний
по этому вопросу свидетельствует то, что в прошлом было напи-
сано только несколько коротких обзоров, касающихся форм
жизни при экстремальных значениях pH (Buchanan, Fulmer!
1930; Vallentyne, 1963; Kushner, 1964: Skinner, 1968; Brock, 1969).
Мы попытаемся обобщить сведения об экстремальных кисло-
го- и щелочелюбивых организмах. Основное внимание будет
уделено вопросу о том, какие физиологические и структурные
свойства этих организмов можно связать с их устойчивостью к
кислоте и щелочи. Предполагается, что данная глава будет слу-
жить напоминанием о том, насколько мало мы знаем о таких
организмах и их способах выживания.
II. ВСТРЕЧАЕМОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ЖИЗНИ
ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ pH
А. ЖИЗНЬ ПРИ НИЗКИХ ЗНАЧЕНИЯХ pH
1. Бактерии
Природные среды, имеющие pH, близкий к обычному ниж-
нему пределу (3—4), встречаются довольно часто. Однако среды
с pH более низким, чем 3—4, чрезвычайно редки. Примерами
среднекислых сред обитания служат многие озера, некоторые
истощенные почвы и кислые болота. Такие естественные среды
обеспечивают развитие многих эукариотических водорослей, бак-
терий, растительных и животных форм (Heilbrunn, 1952). Из
этих сред было выделено множество малоизвестных бактерий.
Например, Шульц и Хирш (Schulz, Hirsch, 1973) описали пред-
ставителей родов Bactoderma, Caulobacter, Microcyclus, Plancto-
myces и Thiovobium, обнаруженных в сфагновых болотах с pH
от 3 до 5. Представители уксуснокислых бактерий растут в пре-
делах pH от 3 до 5 (Asai, 1968). Интересным примером является
Acetobacter acidophilum prov. sp., у которого оптимум роста
находился при pH 3, нижний предел роста при pH 2,8, а верх-
ний— при pH 4,3 (Wiame et al., 1959).
Терриконы угольных шахт, дренажные воды и рудничные
стоки представляют обычно еще более кислые среды (pH 3 и
ниже), которые характеризуются высокими концентрациями
324
Глава 7
растворенных сульфатов, железа и водородных ионов; величины
pH лежат в пределах от 1,5 до 4 (Dugan et al., 1970). Кислот-
ность этих сред обусловлена наличием в них серной кислоты,
образующейся при окислении сульфидов и железного колчедана.
При pH выше 4 наблюдается медленное абиогенное окисление
таких соединений. При pH ниже 4 окисление происходит в ре-
зультате метаболической активности кислотообразующих пред-
ставителей тиобацилл. Было установлено, что эти бактерии уско-
ряют окисление железного колчедана в 106 раз (Singer, Stumm,
1970). Образование кислоты в таких рудничных отходах создает
серьезную проблему загрязнения среды. Например, подсчитано,
что в реку Огайо из этих отходов стекает ежегодно 3-106 тонн
серной кислоты (Dugan, Lundgren, 1963). Именно в такой кис-
лой среде, вероятно, живут хорошо изученные и наиболее извест-
ные представители облигатных экстремальных ацидофилов
Thiobacillus thiooxidans и Thiobacillus ferrooxidans.
С тех пор как Т. thiooxidans был впервые выделен и охарак-
теризован (Waksman,- Jaffe, 1922), он неизменно привлекает к
себе внимание исследователей благодаря своей способности к
автотрофному росту (Vishniac, Santer, 1957). Этот микроорга-
низм вырабатывает метаболически полезную энергию при окис-
лении серы или сульфидных руд, что сопровождается образова-
нием серной кислоты. Т. thiooxidans растет при pH от 0,9 до 4,5
и в культуре имеет оптимум pH около 2,5 (Rao, Berger, 1971).
Как было отмечено (Kemper, 1966), отдельные сообщения о его
росте при отрицательных величинах pH, вероятно, являются
ошибочными. Однако нет сомнения, что этот организм может
переносить pH, близкие к 0, хотя данные о продолжительности
такого воздействия отсутствуют (Kemper, 1966).
Бактерия Т. ferrooxidans, близко родственная Т. thiooxidans,
окисляет ионы двухвалентного железа в ионы трехвалентного,
а также восстановленные соединения серы (Silverman, Ehrlich,
1964; Lundgren et al., 1964, 1972). Окисление железа сопровож-
дается образованием кислоты, и во всех описанных случаях ионы
водорода, связываясь с анионами сульфата, дают серную кис-
лоту (Dugan, Lundgren, 1965). Значения pH, в пределах которых
возможен рост данного микроорганизма, зависят от используе-
мого субстрата (McGoran et al., 1969). Оптимум для окисления
элементарной серы лежит около pH 5. Однако сульфидные руды
окисляются при более низких величинах pH; халькопирит—-при
pH 2, борнит — при pH 3, пирит — при pH 2, (Landesman et al.,
1966). В присутствии ионов двухвалентного железа при pH 2,5
наблюдается оптимальный, а при pH выше 4 — слабый рост
Т. ferrooxidans. Если в присутствии ионов двухвалентного железа
рост микроорганизма начинается при pH выше 4, то величина pH
Экстремальные значения pH
325
быстро снижается до 1,5—2. Различные стороны энергетического
метаболизма тиобацилл и их взаимодействия с минералами опи-
саны в гл. 8, а также в других работах (Vishniac, Santer, 1957;
Lundgren et aL, 1972, 1974; Dugan, Lundgren, 1963; Peck, 1968;
Silverman, Ehrlich, 1964; Touvinen, Kelly, 1972).
При изучении кислых дренажных вод угольных шахт Уолш и
Митчел (Walsh, Mitchell, 1972а, b) описали кислотоустойчивую
железоокисляющую бактерию, напоминающую представителей
рода Metallogenium. Было найдено, что оптимум pH для окисле-
ния железа этим плейоморфным, покрытым окислами железа
организмом составляет от 3,5 до 5. Авторы предположили, что
в рудничных отвалах происходит pH-зависимая сукцессия желе-
зоокисляющих бактерий: первоначально при pH 3,5—5 в них по-
является кислотоустойчивый Metallogenium, а затем при pH ни-
же 4 его сменяет Т. ferrooxidans.
Из кислых рудничных отвалов выделены и другие бактерии.
Маркосян (1973) сообщил о выделении новой миксотрофной
серобактерии из кислых рудничных вод, образующихся при раз-
работке месторождений меди. Этот организм, названный Thio-
bacillus organoparus sp. п., морфологически и физиологически
сходен с Т. thiooxidans, за исключением того, что первый являет-
ся факультативным автотрофом. Белли и Брок (Belly, Brock,
1974а) опубликовали данные о популяции гетеротрофных бакте-
рий, обнаруженной в терриконах угольных шахт. При pH 2,5
среди них преобладала грамотрицательная, окрашенная в жел-
тый цвет неспорообразующая палочковидная бактерия. Из кис-
лых рудничных вод, имеющих pH 2,8, была выделена бактерия,
образующая слизь (Dugan et al., 1970). Однако в лабораторных
условиях этот организм лучше всего развивался при pH 6,9. Был
сделан вывод, что образование слизи предохраняет его от дей-
ствия низких величин pH. Джозеф (см. в работе Dugan et al.,
1970) выделил из кислых источников (pH 2—4) представителей
нескольких бактериальных родов, включая Bacillus, Micrococcus,
Sarcina, Crenothrix и Microsporium. He было установлено, дейст-
вительно ли эти организмы развиваются при значениях pH, ха-
рактерных для их среды обитания. Следует подходить с осто-
рожностью к прямой интерпретации данных об активном росте
организмов, выделенных из природных сред с экстремальными
значениями pH. Более прочной основой для такого вывода слу-
жит способность пересеваемой культуры данного организма раз-
виваться при тех значениях pH, которые были обнаружены в его
природной среде обитания, так как только в этом случае исклю-
чается возможность того, что в исходном образце организм на-
ходился в неактивной форме или в виде спор (Brock, 1969; Belly,
Brock, 1974а).
К наиболее кислым из природных сред, вероятно, относятся
326
Глава 7
горячие кислые источники и окружающие их горячие кислые поч-
вы, иногда называемые сульфатарами. Такие участки содержат
большие количества элементарной серы, образованной в резуль-
тате спонтанного окисления H2S, вынесенного на поверхность
водой (Fliermans, Brock, 1972; Mosser et al., 1973). Кислотность
возникает вследствие окисления элементарной серы. В таких
природных средах обитает Т. thiooxidans, но лишь на участках
с температурой ниже 55°С. В последние годы из этих кислых при-
родных сред с температурой выше 55°С и величинами pH, рав-
ными 1—3, выделены почти чистые культуры нескольких необыч-
ных облигатно термоацидофильных микроорганизмов.
Из таких горячих кислых источников был выделен микроор-
ганизм Sulfolobus acidocaldarius, охарактеризованный как фа-
культативно автотрофная серуокисляющая бактерия (Brock
et aL, 1972). Этот организм, имеющий форму фасоли, лишен
типичной содержащей пептидогликан жесткой клеточной стенки.
Он растет в интервале pH 0,9—5,8, но оптимальный рост наблю-
дается при pH 2—3. Его температурный оптимум роста составля-
ет 70—80°С. Sulfolobus может быть выделен из горячих кислых
сред, встречающихся по всему земному шару, и, по-видимому,
он играет роль главного геохимического агента, ответственного
за образование кислоты в таких районах с высокой температурой
(Fliermans, Brock, 1972; Mosser et al., 1973).
Из горячих кислых источников выделен организм, напоми-
нающий Sulfolobus (Brierly, Brierly, 1973). Однако этот организм
является облигатным автотрофом, способным окислять как эле-
ментарную серу, так и ионы двухвалентного железа, используя
их в качестве источников энергии.
Из горячих и кислых природных сред, кроме автотрофов,
была выделена гетеротрофная спорообразующая палочковидная
бактерия Bacillus acidocaldarius (Darland, Brock, 1971). Этот вид
растет в диапазоне pH от 2 до 6 и имеет оптимум роста при
pH 3. Температурный интервал роста составляет 45—70°С, а оп-
тимальный рост наблюдается при 60°С. В. acidocaldarius в отли-
чие от Sulfolobus обладает настоящей бактериальной клеточной
стенкой. Был описан также сходный организм, который, однако,
имеет нижний предел роста при pH 4, а верхний температурный
предел при 55°С (Uchino, Doi, 1967). Белли и Брок (Belly, Brock,
1974b) выделили из горячих кислых источников ацидофильные
штаммы В. coagulans. Они имеют оптимум pH от 3 до 4 и темпе-
ратурный оптимум 37—45°С.
Вероятно, самым необычным организмом, хорошо развиваю-
щимся в кислых природных средах, является облигатный термо-
ацидофил Thermoplasma acidophilum единственный предста-
витель Mollicutes, не имеющий клеточной стенки. Клеточная
мембрана этого организма подвергается непосредственному воз-
Экстремальные значения pH
327
действию горячей и кислой среды. Данный организм был выде-
лен из саморазогревающихся угольных терриконов, где темпера-
тура колеблется от 32 до 80°С, а величина pH приблизительно
равна 2 (Darland et al., 1970). Thermoplasma развивается при
pH от 1 до 4 с оптимумом при pH 2. Температурные пределы
роста составляют от 45 до 65°С с оптимумом при 59°С. Этот
организм обнаружен только на горячих и кислых углесодержа-
щих участках, но не в горячих и кислых источниках и не в суль-
фатарах. Высказано предположение, что угольные терриконы
служат лишь вторичным его местообитанием, тогда как первич-
ное местообитание остается неизвестным (Belly et al., 1973).
Более детально экологические аспекты существования этих тер-
мофильных микроорганизмов рассмотрены в гл. 5.
2. Другие микроорганизмы
Оптимум pH роста дрожжей, как правило, находится в обла-
сти средней кислотности (pH 5,5—6). Однако многие виды спо-
собны развиваться и в более кислой среде вплоть до pH 2 (Batt-
ley, Bartlett, 1966). Например Saccharomyces ellipsoideus, Sac-
charomyces guttulata и Saccharomyces cerevisiae могут расти при
pH 2,5, 2 и 1,9 соответственно (Shirfine, Phaff, 1958; Hjorth-Han-
sen, 1939). Некоторые дрожжи, которые, согласно сообщениям,
напоминают Rhodotorula, были выделены из отвалов медных
рудников, имеющих pH 2 (Ehrlich, 1963).
К самым устойчивым к кислоте организмам из всех известных
относятся, вероятно, некоторые виды грибов. Старки и Ваксман
(Starkey, Waksman, 1943) описали два выделенных ими из лабо-
раторных сред организма — Acontium velatium и Cephalosporium.
Эти организмы могли развиваться в 2,5 н. H2SO4 и выдерживать
присутствие 4% C11SO4. Рост мог начинаться и при pH 7, однако
pH быстро снижался до 3. Сходный организм, описанный как
Trichosporon cereberiae, был выделен Слетеном и Скинером
(Sletten, Skinner, 1948). Он был способен расти как в НС1, так
И В H2SO4.
Многие грибы характеризуются ацидотолерантностью и спо-
собностью к росту в широких пределах pH (Thimann, 1963). Раз-
ные виды Aspergillus, Penicillium и Fusarium могут расти при
значениях pH близких к 2, тогда как их верхние пределы роста
близки к pH 10. Phycomyces blakesleeanus и Marasmius foetidus
имеют оптимум pH роста около 3 и растут в интервале pH от 2
до 7. Несколько грибов выделено из кислых угольных террико-
нов и кислых источников. Бели и Брок (Belly, Brock, 1974а) опи-
сали полученный из угольных терриконов (pH 2,5) Acontium
pullans, а Эрлих (Ehrlich, 1963) выделил из кислых дренажных
вод медного рудника организм Trichosporon.
328
Глава 7
Некоторые водоросли также переносят низкие величины pH.
Наиболее ярким примером служит Cyanidium caldarium, инте-
ресная эукариотическая водоросль, обнаруженная в горячих кис-
лых источниках (Allen, 1959). Этот организм имеет оптимальный
pH роста от 2 до 3, температурный оптимум роста 45°С, а верх-
ний предел роста около 55°С. Хотя выше pH 5 организм не рас-
тет, он включает 14СО2 и осуществляет фотосинтез как при pH 7,
так и при pH 2 с равной степенью эффективности. Следователь-
но, тот факт, что эта водоросль растет только при pH ниже 5,
по-видимому, не обусловлен ее неспособностью осуществлять
фотосинтез при более высоких pH (Doemel, Brock, 1971). Chlo-
rella pyrenoidosa и Chlorella ellipsoidia могут расти в среде с pH,
значения которых близки к 3,5 и 2 соответственно, хотя верхний
предел для их роста лежит около pH 10 (Kessler, Kramer, 1960).
Chlamydomonas acidophila и Euglena mutabilis, выделенные из
кислых (pH 1—2) торфяных вод, имеют оптимум pH роста, рав-
ный 3, а верхний предел роста вблизи 5,5 (Fott, McCarthy, 1964;
Cassin, 1974). При определении содержания двуокиси углерода
и метаболической активности микроорганизмов в некоторых
вулканических кислых озерах Японии Сатаке и Сайо (Satake,
Saijo, 1974) обнаружили в озере Катанума (pH 1,8—2,0) С. aci-
dophila наряду с некоторыми другими микроводорослями, а так-
же по одному представителю дрожжей и грибов.
Имеются сообщения о развитии и других форм жизни при
низких pH. Жгутиконосец Polytomella caeca может расти при
pH 1,4, тогда как его верхний предел роста соответствует pH 9,6
(Lwoff, 1941). Эрлих (Ehrlich, 1963) нашел жгутиконосцев, по-
хожих на Eutrepia, и нескольких амеб, растущих в кислых руднич-
ных водах при pH 2. При изучении кислых источников (pH 2,2—
3,2) в Западной Виргинии и Индиане Лэки (Lackey, 1938) обна-
ружил представителей И разных родов жгутиконосцев, 12 родов
реснитчатых, 7 родов корненожек и нескольких видов насекомых,
включая личинок ручейников. Некоторые простейшие были най-
дены при pH 1,8. Однако не было установлено, действительно ли
эти организмы развивались при pH окружающей их природной
среды.
Б. ЖИЗНЬ ПРИ ВЫСОКИХ ЗНАЧЕНИЯХ pH
1. Бактерии
Встречающиеся в природе щелочные условия обычно связаны
с почвами. Типичными являются участки, обогащенные щелоч-
ными минералами, экскрементами животных или разлагающи-
мися белками. Щелочные почвы могут возникать в результате
полного окисления органического вещества в районах с повы-
Экстремальные значения pH
329
шенной аэрацией и высокой температурой. К таким районам
относятся некоторые из пустынных почв западных областей Сое-
диненных Штатов, где величины pH могут достигать 10
(Thimann, 1963). Обнаружены также щелочные озера и источ-
ники с величинами pH в диапазоне от 8 до И (Souza et al., 1974;
Brock, Darland, 1970). Наиболее яркими примерами служат ще-
лочные озера Элеменция и Накуру в Кении, где pH воды дости-
гает 10—11 (Jenkin, 1936).
Среди бактерий обнаружено несколько организмов, устойчи-
вых к щелочной среде с pH, приближающихся к 10. Однако опти-
мум pH роста у многих из этих бактерий значительно ниже. Наи-
более устойчивые к щелочи бактерии найдены среди нитрат- и
сульфатвосстанавливающих организмов и активных аммонифи-
каторов. Мик и Липман (Meek, Lipman, 1922) сообщили о видах
Nitrosomonas и Nitrobacter, которые выживают при pH 13. Одна-
ко эти наблюдения не удалось подтвердить, и верхний предел
роста этих бактерий, по-видимому, соответствует pH 10,7 (Bucha-
nan, Fulmer, 1930). Сильнощелочную среду (pH 10—11) выдер-
живают некоторые виды Rhizobiutn, из которых один близок к
Agrobacteriutn radiobacter. Этот организм активно растет при
pH 10—12, тогда как его оптимум роста находится в интервале
pH 6—9 (Thimann, 1963; Allen, Holding, 1974).
Наиболее ярким примером организмов, которые действитель-
но могут расти только в среде с высокими значениями pH, слу-
жит Bacillus pasteurii, представитель группы бактерий, расщеп-
ляющих мочевину. Этот организм гидролизует мочевину в кон-
центрациях до 10% и хорошо растет при pH, близких к 11 (Gib-
son, 1934). Он проявляет специфическую потребность в аммиаке
и плохо растет при pH 9 и ниже в среде, содержащей 1 % NH4CI
(Wiley, Stokes, 1962, 1963). Несколько штаммов родственных
бацилл В. sphaericus, В. pantotheniicus и В. rotans, не нуждаются
в аммиаке, но способны расти при pH 11. Однако нижние значе-
ния pH для их роста приблизительно равны 5 (Bornside, Kallio,
1956). Описан также сходный организм (Vedder, 1934), назван-
ный Bacillus alkalophilous, который активно растет при pH 10,
но не при pH 7. Этот организм не гидролизует мочевину и не нуж-
дается в аммиаке.
Выделены и другие бациллы, чрезвычайно устойчивые к ще-
лочной среде. Один из штаммов Bacillus cereus был получен пу-
тем многочисленных пересевов при использовании сред, в кото-
рых pH повышали до тех пор, пока этот организм не приобрел
способность расти при pH 10,3 (Kushner, Lisson, 1959). Устой-
чивость к щелочи имела стабильный характер и не утрачивалась
при дальнейших пересевах. Выделен также штамм Bacillus circu-
lans (Chislett, Kushner, 1961a), способный к росту при pH 11.
Споры обоих организмов, прораставшие при наивысших значе-
330
Глава 7
ниях pH, давали начало вегетативным клеткам (Chislett, Kush-
ner, 1961b). В процессе роста В. cereus величина pH быстро сни-
жалась, но рост клеток возобновлялся, если для поддержания
высокого pH к среде периодически добавляли щелочь (Kush-
ner, Lisson, 1959). Из почвы также было выделено несколько
устойчивых к щелочи (pH 9—10) видов Bacillus, в которых была
изучена стабильность в щелочных условиях различных внекле-
точных ферментов (Horikoshi, 1971а, b; Horikoshi, Atsukawa,
1975; Kurono, Horikoshi, 1973; Boyer, Ingle, 1972).
Из ферментируемых листьев индигоносных растений, которые
служат источниками получения природной краски индиго (Ohta
et al., 1975), был выделен интересный бациллярный организм.
Было показано, что этот организм представляет собой аэробную
спорообразующую грамположительную подвижную палочку,
растущую наилучшим образом при pH 10—10,5 и не обнаружи-
вающую роста при величинах pH ниже 7—8.
Из щелочного источника (pH 11,2—11,6), отнесенного к каль-
ций-гидроксидному типу с низким дебитом воды, были выделе-
ны предварительно идентифицированный Flavobacterium sp. и
неидентифицированный облигатный анаэроб (Souza et al., 1974).
Эти организмы росли и активно размножались при pH 11,4 с оп-
тимумом роста между pH 9 и 10.
Многие из энтеробактерий толерантны к величинам pH, близ-
ким к 9—10 (Buchanan, Fulmer, 1930). Удалось получить чистые
культуры Streptococcus faecalis, растущие в бульоне при pH 11
(Downie, Cruickshenk, 1928). Способность к росту в средах с ве-
личинами pH, близкими к 10, — один из признаков, характерных
для группы энтерококков (Chesbro, Evans, 1959).
2. Другие микроорганизмы
Многие грибы проявляют толерантность к концентрациям
водородных ионов в широком диапазоне pH. Например, было
показано, что Penicillium variabilis, Fusarium bullatum и Fusa-
rium oxysporium растут при pH 11 (Johnson, 1923), в то время
как нижний предел pH для их роста приближается к 2.
Среди зеленых водорослей С. pyrenoidosa и С. ellipsoidea
могут расти при pH 10 (Kessler, Kramer, 1960).
Сине-зеленые водоросли обычно наиболее обильно растут в
природных средах со щелочной реакцией в пределах pH 7,5—10
(Holm-Hansen, 1968; Fogg, 1956). К еще более необычным орга-
низмам относятся Gloeothece linaris и Microcystis aeruginosa,
имеющие оптимум pH около 10 (Fogg, 1956; McLachlan, Gorham,
1962). Было обнаружено, что среди водорослей 13 различных
родов, растущих в щелочных озерах Кении при pH 11, количест-
венно преобладает Arthrospira plantensis (Jenkin, 1936). Сине-
Экстремальные значения pH 331
зеленая водоросль Plectonema nostocorum способна расти при
pH 13 — вероятно, это наивысшее значение pH, при котором
возможна жизнь (Geiger et al., 1965).
В одном из щелочных источников (pH 11) среди других орга-
низмов были обнаружены простейшие (Souza et al., 1974).
Euglena gracilis характеризуется широкой pH-толерантностью,
развиваясь в диапазоне pH от 2,3 до 11, а ракообразное Chydo-
rus растет при pH 3—10 (Heilbrunn, 1952). Можно также упо-
мянуть реликтовый микроорганизм Kakabekia umbellata Barg-
hoorn (Barghoorn, Tyler, 1965), выделенный из обогащенных
аммиаком почв Зигелем и Гимарро (Siegel, Guimarro, 1966).
Этот организм, по-видимому, растет, хотя и довольно медленно,
в атмосфере аммиака или в 5—10 М растворах NH4OH (Siegel
et al., 1967).
III. ПРИРОДА ФОРМ ЖИЗНИ,
РАЗВИВАЮЩИХСЯ
ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ pH
Рассмотрение механизмов, обеспечивающих выживание мик-
робов при экстремальных концентрациях водородных ионов от-
нюдь не является простой задачей. Несмотря на длительную
историю исследований ацидофильных тиобацилл и недавно воз-
никший интерес к термофильным ацидофилам, пока накоплено
относительно мало сведений о причинах, обусловливающих их
способность выдерживать высокие концентрации водородных
ионов. Еще меньше мы знаем о влиянии pH на метаболизм и ста-
бильность щелочеустойчивых организмов. Поэтому наше внима-
ние будет сосредоточено главным образом на вопросах, касаю-
щихся выживания и стабильности экстремальных облигатных
ацидофилов.
А. ВНЕШНЕЕ ОКРУЖЕНИЕ
Концентрация водородных ионов в окружающей среде оказы-
вает целый ряд прямых и косвенных воздействий на метаболизм
и стабильность клетки. Поэтому было бы слишком большим
упрощением считать, что все эти воздействия обусловлены толь-
ко ионами водорода. Сам по себе ион водорода (Н+) обладает
уникальными свойствами, отличающими его от других катионов.
Он представляет собой протон, лишенный электронов. В водных
растворах он быстро гидратируется и образует ион гидроксония
Н3О+. В кислой среде преобладают ионы гидроксония, которые
реально существуют в форме гидратированных ионов (НзОг)4-,
(Н7О3)+, (Н9О4) + и т. д., причем степень гидратации зависит от
концентрации ионов гидроксония и температуры (VanderWerf,
332
Глава 7
1961). В щелочной среде преобладают гидроксильные ионы
(ОН-). Концентрация гидроксониевой или гидроксильной форм
воды играет важную роль в регулировании сольволиза, ионного
состояния питательных веществ, равновесия электрических заря-
дов на поверхности клетки и коллоидных свойств микроокруже-
ния. Об этих сложных взаимоотношениях в природных микро-
средах известно очень мало (Stotsky, 1972; Mclaren, Skujins,
1968). При низких значениях pH ионы водорода адсорбируются
на частицах вещества и замещают другие катионы, которые
затем могут выщелачиваться из микроокружения. В то время
как растворимость СОг при низких значениях pH уменьшается,
растворимость некоторых ионов, например, Al3+, Мп2+, Си2+ и
Мо3+, возрастает и может достигать таких уровней, которые ток-
сичны для большинства организмов. Так как в кислой среде
многие нетоксичные в норме органические кислоты находятся в
протонированном состоянии, они легче проникают в клетки и ста-
новятся токсичными. Хатнер (Hutner, 1972) отметил, что коли-
чества микроэлементов, необходимых для многих организмов,
увеличиваются при снижении величины pH.
При высоких значениях pH многие необходимые для орга-
низмов элементы, такие, как Fe2+, Са2+, Mg2+ и Мп2+, становятся
нерастворимыми и осаждаются в виде карбонатов, гидроксидов
или фосфатов. Концентрация водородных ионов в окружающей
среде может влиять на равновесие электрических зарядов на по-
верхности клетки, увеличивая суммарный положительный заряд
при низких значениях pH или суммарный отрицательный заряд
при высоких. Резкие изменения, вероятно, влияют на стабиль-
ность и проницаемость клеток, а также на их способность взаи-
модействовать с необходимыми для них или нежелательными ме-
таболитами. Нет сомнения в том, что состояние доступных
питательных веществ, концентрация токсичных метаболитов и не-
стабильность клеток при экстремальных величинах pH ограничи-
вают способность большинства организмов выживать за преде-
лами нормальных значений pH. Организмы, существующие при
экстремальных значениях pH, должны противостоять всем этим
неблагоприятным воздействиям. Интересно, что многие из обли-
гатных ацидофилов устойчивы к высоким концентрациям ионов
тяжелых металлов, таких, как Си2+, которые встречаются во мно-
гих природных местах обитания, имеющих кислую реакцию. Был
выделен автотрофный, термофильный и ацидофильный организм
(Brierley, Brierley, 1973), который оказался устойчивым к молиб-
дену, а также к меди (Brierley, 1974). Повышенная устойчивость
клеток и их потребность в больших количествах некоторых ионов
в кислой среде, по-видимому, может быть связана с увеличением
числа зарядов на поверхности клеток. Не известно, действитель-
но ли, как предполагал Брок (Brock, 1969), устойчивость микро-
Экстремальные значения pH
333
организмов обусловлена способностью ионов водорода обмени-
ваться на поверхности клеток с ионами тяжелых металлов.
Организмы, обладающие способностью расти и размножаться
при низких или высоких значениях pH, имеют определенные пре-
имущества, обеспечивающие их выживание. Несомненно, в таких
условиях резко ограничивается конкуренция других организмов.
Например, ацидофил Thiobacillus thiooxidans может использо-
вать в кислой среде ионы двухвалентного железа, которые при
pH выше 5 самоокисляются, вследствие чего этот производящий
энергию субстрат становится недоступным для данного организ-
ма (Lundgren et al., 1972). При высоких значениях pH алкало-
фил Bacillus pasteurii специфически нуждается в аммиаке (NH3)
для транспорта и окисления таких субстратов, как глутаминовая
кислота, изолейцин, треонин, а также промежуточных продуктов
цикла трикарбоновых кислот — ацетата, а-кетоглутарата и ма-
лата (Wiley, Stokes, 1963). В этом случае преимущество сущест-
вования В. pasteurii при высоких значениях pH заключается, по-
видимому, в том, что щелочная среда обеспечивает доступность
NH3 для организма.
Изменения pH окружающей среды могут вызывать у многих
микроорганизмов компенсаторные ферментативные сдвиги. На-
пример, Escherichia coli реагирует на повышение кислотности
среды синтезом декарбоксилаз аминокислот. Образующиеся в
результате амины приводят к снижению кислотности среды. По-
вышение щелочности среды стимулирует образование дезаминаз
аминокислот, что приводит к снижению pH (Gale, 1943). Как
было показано в предыдущем разделе, большинство активно ме-
таболизирующих щелочеустойчивых организмов имеет склон-
ность к снижению pH среды в процессе роста. Кашнер (Kushner,
1964) предположил, что такая реакция скорее всего является
вторичным механизмом устойчивости микробных клеток к ще-
лочной среде. Пока неизвестно, каков первичный механизм (ы),
обеспечивающий стабильность клеток и их рост при высоких зна-
чениях pH. Большинство облигатных ацидофилов не использует
такого вторичного механизма устойчивости, поскольку их актив-
ный рост не приводит к повышению pH. В тех случаях, когда
рост ацидофилов начинается в среде, близкой к нейтральной, ве-
личина pH быстро снижается. Экстремальные ацидофилы не
просто переносят низкие значения pH, но действительно нужда-
ются в ионах водорода для своего роста и стабильности. Приме-
ром подобных микроорганизмов служит Т. acidophilum, которая
лизируется при pH выше 5 (Smith et al., 1973). Следовательно,
устойчивость клеток к высокой кислотности или щелочности,
вероятно, объясняется их структурными или метаболическими
особенностями.
334
Глава 7
Б. ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ pH
Все организмы, растущие при экстремальных значениях pH,
располагают, по-видимому, какими-то механизмами для поддер-
жания внутриклеточного pH на уровне, близком к нормальным
физиологическим величинам. Такие кислотолабильные молеку-
лы, как АТР и ДНК, вряд ли могли бы существовать, если бы
внутриклеточная концентрация водородных ионов была такой
же, как и во внешней среде. Однако по отношению к внутрикле-
точной среде трудно применить классическую концепцию pH.
Согласно этой концепции, pH является применяемым на практи-
ке показателем концентрации или активности ионов водорода в
водном растворе, между тем как внутриклеточное содержимое
представляет собой коллоидный, а не истинный водный раствор.
Как отметили Батлер и др. (Butler et aL, 1966), измерение вели-
чины внутриклеточного pH не дает информации относительно'
недиссоциированных протонов, связанных с донорными молеку-
лами. Указанная концепция и пригодность классического опреде-
ления pH и концентрации ионов водорода в отношении внутри-
клеточных систем были рассмотрены рядом авторов (Butler
et al., 1966; Siesjo, Ponten, 1966; Waddell, Bates, 1969). Представ-
ление о внутриклеточном pH как о запутанной в теоретическом
отношении проблеме наилучшим образом изложено Сисьё и
Понтеном (Siesjo, Ponten, 1966):
«Создается впечатление, что такое понятие, как «внутрикле-
точный pH», имеет свое собственное, присущее только ему зна-
чение; вероятно, это обусловлено наличием связи между pH сис-
темы и ферментативной кинетикой. Однако предполагается, что
многие ферментативные реакции происходят внутри ограничен-
ных мембранами участков протоплазмы очень малого объема, а
в таких системах термин «pH» имеет весьма сомнительный
смысл.. ».
«Более того, в подобных системах возникает дополнительное
осложнение, связанное с поверхностными зарядами и внутрен-
ним доннановским равновесием, так как многие изучаемые реак-
ции, вероятно, протекают на поверхностях, где активность ионов
отличается от их активности в основной части жидкой среды».
Поэтому любые измерения внутриклеточного pH дают сред-
ние величины pH для всего содержимого клетки, отражающие
среднюю степень ионизации заряженных групп. Концепция вну-
триклеточного pH становится еще более неясной, если учесть,
что при нормальных физиологических значениях pH концентра-
ция свободных ионов водорода, по-видимому, слишком низка, что-
бы играть существенную роль в биологических процессах. На-
пример, Тиманн (Thimann, 1964) вычислил, что клетка объемом
6,1 • 10~14 мл должна содержать 3,6 свободных иона водорода при
Экстремальные значения pH
335
pH 7, если принять, что величины внутриклеточного и внешне-
го pH одинаковы. Экстраполируя эти данные, можно подсчитать,
что в клетке алкалофильного организма содержится 3,6-10—3 ио-
нов водорода при соответствующем увеличении числа гидроксиль-
ных ионов. Вероятность того, что при этом вообще можно обна-
ружить ион водорода, составляет примерно 1 на 300. Напротив,
при pH 2 ацидофил должен содержать 3,6-105 ионов водорода.
Однако допущение, что у кислого- и щелочелюбивых организмов
внутриклеточный и внешний pH имеют одинаковую величину,
чрезвычайно маловероятно. Такие резкие сдвиги в количестве
внутриклеточных ионов водорода нли гидроксила по сравнению
с нейтральной реакцией среды, несомненно, вызывали бы глубо-
кие биологические изменения в природе этих организмов.
1. Измерение внутриклеточного pH
Хотя понятие внутриклеточного pH не вполне ясно, этот по-
казатель имеет определенную ценность, так как он дает пред-
ставление об общих условиях, существующих внутри клетки.
Однако фактическое измерение внутриклеточного pH затрудни-
тельно. В ряде исчерпывающих обзоров (Heilbrunn, 1952; Cald-
well, 1956; Waddell, Bates, 1969; Rottenberg, 1975) детально опи-
сываются принципы и недостатки методов, пригодных для изме-
рения внутриклеточного pH. Некоторые из этих методов включа-
ют использование микроэлектродов, измерение pH в лизатах
разрушенных клеток или в извлеченной из клеток жидкости,
применение индикаторов, таких, как бромфеноловый синий, а
также измерение распределения между внешней и внутриклеточ-
ной средой проникающих слабых кислот или оснований. Послед-
ний из перечисленных методов, применяемый для измерения
внутреннего pH митохондрий и хлоропластов, по-видимому, мо-
жет оказаться весьма полезным и для микроорганизмов. Прин-
цип этого метода основан на способности таких слабых кислот,
как 5,5-диметил-2,4-оксазолидиндион (ДМО; Waddell, Butler,
1959), или аминов, например метиламина или NH3+ (Rottenberg
et al., 1972a, b), проникать в нейтральной форме через мембраны.
Исходя из определения внутренней и внешней концентраций
проникающих молекул, рассчитывают величину pH (Rottenberg,
1975). Слабые кислоты проникают в пузырьки, имеющие внутри
более щелочную реакцию, чем окружающая среда, а амнны —
в пузырьки, имеющие более кислую реакцию. Использование
14С-ДМО исчерпывающе детально описали Эдданки и Сотое
(Addanki, Sotos, 1969). ДМО представляет собой слабую кисло-
ту, метаболически инертную, нетоксичную, не способную связы-
ваться с белками или липидами и пассивно диффундирующую в
нейтральной форме через многие биологические мембраны (But-
336
Глава 7
ler et al., 1966). ДМО был успешно применен для изучения транс-
мембранных градиентов pH, образуемых клетками Streptococcus
faecalis (Harold et al., 1970). Кашкет и Вильсон (Kashket, Wil-
son, 1973) использовали 14С-метиламин для определения величин
внутриклеточного pH при изучении сопряженного с протонами
накопления галактозидов у Streptococcus lactis. Основываясь на
сходных принципах, Нил и др. (Neal et al., 1965) разработали
методику определения внутриклеточного pH у дрожжей по по-
глощению и распределению 2,4-динитрофенола. Хотя этот метод
и пригоден для дрожжей, он, по-видимому, не найдет широкого
применения, поскольку 2,4-ДНФ является разобщителем окисли-
тельного фосфорилирования.
Несколько разработанных недавно методов, основанных на
флуоресценции, в дальнейшем, вероятно, будут успешно исполь-
зоваться для определения внутриклеточного pH. Шульдинер
и др. (Schuldiner et aL, 1972) ввели в практику применение
флуоресцентного амина, 9-аминоакридина. Величины внутрикле-
точного pH определяют, исходя из степени гашения флуоресцен-
ции в клетках, поглотивших молекулы этого вещества. В своем
предварительном сообщении Томас и др. (Thomas et al., 1976)
высказали предположение, что диацетат флуоресцеина может
оказаться пригодным в качестве спектроскопического зонда для
быстрого определения внутриклеточного pH. Диацетат флуорес-
цеина, который служит нефлуоресцирующим субстратом эстераз,
при поглощении клетками превращается внутриклеточными фер-
ментами в сильно флуоресцирующий флуоресцеин. Для опреде-
ления используются исходные спектры поглощения и возбужде-
ния флуоресцеина, обнаруживающие высокую чувствительность
к pH. Данным методом, очевидно, можно пользоваться в диапа-
зоне pH от 2 до 7. Применение этого метода к Bacillus acidocal-
darius, выращенной при pH 3 и температуре 55°С, показало, что
ее внутриклеточный pH равен 5,5; это достаточно хорошо согла-
суется с величиной pH 5,2—5,8, определенной с использованием
ДМО.
2. Ацидофилы
Почти нет сомнений в том, что внутриклеточный pH у ацидо-
филов и алкалофилов не соответствует pH внешней среды. Во
многих сообщениях о ферментных системах, выделенных из этих
организмов, показано, что их оптимум pH сильно отличается от
pH внешней среды. Эти даные в целом рассматриваются как до-
казательство того, что внутриклеточный pH не равен наружному
pH. Вплоть до самого последнего времени было проведено всего
лишь несколько прямых определений внутриклеточного pH. Гру-
бые определения обычно осуществлялись путем разрушения кле-
Экстремальные значения pH 337
ток в небольшом объеме воды и измерения результирующего pH
клеточного сока без какого-либо учета буферной емкости лизата
в воде. Еще более скудна информация относительно действитель-
ного механизма (механизмов), посредством которого эти орга-
низмы поддерживают подобные градиенты pH.
а. Т. acidophilum. Был проведен подробный анализ внутрикле-
точного pH у Thermoplasma (оптимум роста при pH 2 и темпера-
туре 59°С; Hsung, Haug, 1975). Он оказался близким к нейтраль-
ному. Величины pH клеточного сока были равны 6,3—6,8, что
согласуется с величиной внутриклеточного pH (6,5), определен-
ной методом с использованием ДМО. Кроме того, была выделена
малатдегидрогеназа, оптимум pH которой при 56°С находился
в диапазоне pH 8,5—10, тогда как при pH ниже 6,5 она проявля-
ла менее 25% максимальной активности. Было также показано,
что изменения температуры (56, 24°С) или внеклеточного pH (2,
4, 6) не влияют на величину внутриклеточного pH. Внутрикле-
точный pH не изменялся также ни в убитых нагреванием клет-
ках, ни в клетках, обработанных ингибиторами метаболизма,
например 2,4-динитрофенолом, иодацетатом или азидом натрия.
Был сделан вывод, что Thermoplasma поддерживает градиент
pH, составляющий 4,5 единицы, вероятно, благодаря инертности
или непроницаемости клетки, а не путем активного метаболиче-
ского выделения ионов водорода.
б. S. acidocaldarius. Было установлено (DeRosa et al., 1975),
что величина внутриклеточного pH у Sulfolobus (оптимум роста
при pH 3 и температуре 70°С), измеренная в клеточных лизатах,
приготовленных путем обработки клеток 0,5%-ным раствором
лаурилсульфата натрия, близка к нейтральной и равна 6,3. Было
также показано, что клетки быстро утрачивают жизнеспособ-
ность, если их выдерживают в течение некоторого времени при
pH 3 и температурах ниже, чем температура активного роста
(45°С). Микроскопическое изучение выявило, что клетки при
этом вакуолизуются, а цитоплазма свертывается. При субопти-
мальных температурах жизнеспособность клеток можно поддер-
живать, если использовать культуральную среду с pH 6. По мне-
нию авторов, эти результаты свидетельствуют о том, что данный
организм поддерживает трансмембранный градиент pH благода-
ря активным метаболическим процессам.
в. В. acidocaldarius. Внутриклеточный pH В. acidocaldarius
(оптимум роста при pH 3 и температуре 55°С), определенный с
помощью флуоресцентного зонда, диацетата флуоресцеина, а
также методом с использованием ДМО, по-видимому, находится
в диапазоне pH 5,6—5,8 (Thomas et al., 1976J. Аналогичные
338
Глава 7
данные были получены при исследовании бациллярного организ-
ма, вероятно, родственного В. acidocaldarius (Yamazaki et aL,
1973). Этот организм растет в диапазоне pH от 2 до 5,5 (оптимум
при pH 4) и при температурах от 35 до 60°С (оптимум при 55°С).
С помощью кислородного электрода было установлено, что ин-
тактные клетки или полученные из них протопласты обнаружи-
вают максимальную дыхательную активность как при pH 4, так
и при pH 7. Однако в экстрактах из клеток дыхательная актив-
ность была обнаружена только при pH 7, но не при pH 4. Кроме
того, было показано, что суспензия покоящихся клеток при pH 4
поглощает ионы Н+, однако если в качестве субстрата для дыха-
ния добавлялась глюкоза, то поглощение ионов Н+ прекраща-
лось. Поэтому было высказано предположение, что внутрикле-
точный pH близок к нейтральному, а ЛрН зависит как от функ-
ционирования мембраны, так и от механизма энергозависимого
выделения ионов Н+.
г. Thiobacillus. Блейлок и Нэсон (Blaylock, Nason, 1963) сооб-
щили, что у Т. ferrooxidans величина внутриклеточного pH лежит
в пределах pH 4,8—5 (оптимум роста при pH 2,5). Внутриклеточ-
ный pH родственного организма Т. thiooxidans, по-видимому,
также не зависит от внеклеточного pH (Rao, Berger, 1971; De-
wey, Beecher, 1966). Определения, показавшие, что внутриклеточ-
ный pH этих организмов близок к нейтральному, в дальнейшем
были подкреплены данными об очищенных ферментных систе-
мах, выделенных как из Т. thiooxidans, так и из Т. ferrooxidans:
оптимальные величины pH для этих ферментов лежат в диапа-
зоне pH 5—9. Примерами служат неорганическая пирофосфата-
за с оптимумом при pH 7,5—8,5 (Adele, Lundgren, 1970); фер-
ментная система окисления серы с оптимумом pH 7,8 (Silver,
Lundgren, 1968а); фермент роданаза, расщепляющий тиосуль-
фат, оптимум при pH 7,5—9 (Tabita et al., 1969); фермент тетра-
тионаза, окисляющий тиосульфат, оптимум при pH 5 (Silver,
Lundgren, 1968b); цитохромоксидаза, оптимум при pH 7 (Din
et aL, 1967); аденозинтрифосфатаза, оптимум при pH 9—10
(Adapoe, Silver, 1975). Единственной описанной ферментативной
реакцией с оптимумом активности при pH 2,5—3 является неочи-
щенная система окисления железа, связанная с клеточной обо-
лочкой (Bodo, Lundgren, 1972). Аналогичные данные об оптиму-
ме pH в кислой области опубликованы для некоторых
серуокисляющих систем из Т. thiooxidans (Suzuki, 1965; Adair,
1966).
Эмимия и Умбрайт (Amemiya, Umbreit, 1974) изучили белок-
синтезирующую систему из клеток Т. thiooxidans, в которой
включение аминокислот было оптимальным при pH 7,2. Ниже
pH 5 никакого включения аминокислот не наблюдалось. Включе-
Экстремальные значения pH
339
ние аминокислот в системе in vitro зависело от экзогенной мат-
рицы (poly-U), рибосомной и надосадочной фракций, а также от
источника энергии (GTP). Было обнаружено, что система про-
должает функционировать и после замены рибосомной и надоса-
дочной фракций из Т. thiooxidans аналогичными фракциями, по-
лученными из Е. coli или В. thuringiensis. Интересно, что темпе-
ратурный оптимум для включения аминокислот составлял 37—
45°С, более высокий температурный оптимум наблюдался только
у термофильных организмов. Это может оказаться существен-
ным при рассмотрении термофильных ацидофилов. К сожалению,
пока отсутствует информация, касающаяся синтеза ферментов
или других белков у этих организмов.
д. Другие ацидофилы. Результаты нескольких недавних работ
свидетельствуют о том, что и у ряда других ацидофильных орга-
низмов, отличных от бактерий, внутриклеточный pH близок к
нейтральному. Изучая жгутиковую зеленую водоросль Chlamy-
domonas acidophila (растет в диапазоне pH 2—4), Кэссин (Cas-
ein, 1974) установил, что этот организм остается зеленым при
таких значениях pH, при которых другие, не устойчивые к кисло-
те виды Chlamydomonas утрачивают зеленый цвет (феофитини-
зация); это наводит на мысль о наличии у данного вида некоего
механизма выделения Н+.
Было предпринято исследование физиологии и фотосинтеза
эукариотической водоросли С. caldarium, у которой оптимум рос-
та наблюдался при pH 2—3 и температуре 45°С (Enami, Fukuda,
1975; Enami et al., 1975). Для этого были получены частично раз-
рушенные клетки, у которых полностью отсутствовала внешняя
клеточная стенка, но еще сохранялась субклеточная структура.
Была изучена реакция Хилла с использованием n-бензохинона в
качестве окислителя Хилла. У клеток, лишенных внешней кле-
точной стенки, реакция Хилла была максимальной при pH 7 и
температуре 35°С. Активность полностью утрачивалась при pH 3
и температуре 50°С, т. е. в условиях, когда интактные клетки об-
наруживают максимальную активность. Это позволяет предполо-
жить, что клеточная стенка играет важную роль в устойчивости
данного организма к кислоте.
3. Алкалофилы
Как и в случае ацидофилов, внутриклеточный pH алкалофи-
лов, по-видимому, близок к нейтральному. Хотя об этом известна
пока еще слишком мало, следующие примеры подтверждают
мнение о различиях между величинами pH вне и внутри клеток
этих организмов.
340
Глава 7
Ларсон и Каллио (Larson, КаШо, 1954) выделили фермент
уреазу из В. pasteurii (оптимум роста при pH 9,2). Очищенный
фермент обнаруживает оптимум активности при pH 6,5—7. Ак-
тивность уреазы в клеточных лизатах была в 5 раз выше, чем в
целых клетках. Уайли и Стоукс (Wiley, Stokes, 1962, 1963) на-
шли, что суспензии разрушенных клеток В. pasteurii имеют pH 6,8.
Кроме того, было показано, что для окисления низких концен-
траций глицерина, глутаминовой кислоты, аланина, серина, фу-
маровой кислоты и других субстратов суспензия покоящихся
клеток нуждалась в pH 8,5—9 и специфическом присутствии
NH3. В отсутствие NH3 никакого окисления этих субстратов сус-
пензиями целых клеток не наблюдалось. Однако разрушенные
клетки окисляли эти субстраты при pH 7,2 в отсутствие NH3 и
окисление фактически ингибировалось при повышении pH или
при добавлении NH3. На основании этих исследований был сде-
лан вывод, что внутриклеточный pH близок к нейтральному и что
щелочная среда не влияет на содержимое клетки.
Позднее было выделено несколько нуждающихся в щелочи
бацилл, различные внеклеточные ферменты которых были иссле-
дованы в отношении их стабильности в щелочной среде. Как и
можно было предполагать, эти ферменты имеют оптимум pH в
щелочной области. Приведем некоторые примеры: щелочная про-
теаза, pH 11,5—12 и пектиназа, pH 10—10,5 (Horikoshi, 1971а,
1972); щелочная амилаза, pH 9,2—10,5 (Horikoshi, 1971b; Boyer,
Ingle, 1972); щелочная каталаза pH 10 (Kurono, Horikoshi, 1973)
и 0-1,3-глюконаза, pH 8,5 (Horikoshi, Atsukawa, 1975). Так как
упомянутые выше исследования не дали информации о внутрен-
них условиях, существующих в клетках, из которых были полу-
чены перечисленные ферменты, были поставлены эксперименты
по определению облигатных потребностей в щелочи бациллы
(оптимум роста при pH 10—10,5), выделенной из ферментируе-
мых листьев индигоносного растения (Ohta et aL, 1975). Эта ба-
цилла обнаруживала максимальную активность в отношении
синтеза белка и нуклеиновых кислот, поглощения аминокислот,
а также потребления кислорода при pH 9—10,5. Препараты мем-
бран окисляли NADH с максимальной скоростью при pH 7,5, а
связанная с мембраной АТРаза проявляла максимальную актив-
ность при pH 7. Растворимая клеточная фракция обладала мак-
симальной дегидрогеназной активностью в отношении L-лакта-
та, L-аланина и малата при pH 7,4—8,9. Во всех случаях эти
связанные с мембраной или растворимые ферменты не обнару-
живали какой-либо активности при pH 10, оптимальном для рос-
та клеток. Было высказано предположение, что внутриклеточ-
ный pH приближается к нейтральному, а устойчивость клеток к
щелочи обусловлена связанным с мембраной механизмом исклю-
чения ионов ОН-
Экстремальные значения pH
341
Можно привести и другие примеры, показывающие, что орга-
низмы, нуждающиеся в экстремальных значениях pH, не отлича-
ются какими-либо особенностями функционирования их фер-
ментных систем, а их внутриклеточный pH не зависит от
внешних условий. Перечисленные выше примеры позволяют пред-
положить, что различие между величинами внешнего и внутри-
клеточного pH, вероятно, обусловлено удалением из клетки
ионов Н+ или ОН-, что осуществляется при участии клеточной
стенки или мембраны и (или) с помощью метаболически актив-
ного откачивающего механизма.
Полное удаление указанных' ионов с помощью последнего
механизма, по-видимому, может происходить только при значи-
тельных затратах энергии. Кажется более вероятным, что в под-
держании градиентов pH в клетке важную роль играет как при-
рода клеточной стенки и мембраны, так и клеточный метаболизм.
Как отметили Гарольд и Олтендорф (Harold, Altendorf, 1974),
механизмы активной ионной регуляции у алкалофилов остаются
неизученными. Такие исследования должны значительно расши-
рить наше понимание способов выживания организмов при эк-
стремальных значениях pH. Из-за отсутствия доступной инфор-
мации, касающейся алкалофильных организмов, мы не будем
здесь рассматривать вопросы, связанные с трансмембранными
градиентами pH и активной ионной регуляцией. Они детально
обсуждаются в других работах (Henderson, 1971; Harold, 1969,
1972; Harold, Altendorf, 1974).
В. ПОВЕРХНОСТЬ И МЕМБРАНЫ КЛЕТОК
Способность экстремальных ацидофилов и алкалофилов
исключать ионы Н+ или ОН- и сохранять структурную целост-
ность клеток означает, что природа клеточной стенки и цито-
плазматической мембраны зависит от условий внешней среды.
Большая часть имеющейся информации по этому вопросу полу-
чена при изучении ацидофильных тиобацилл. Позднее начались
исследования некоторых экстремально термофильных ацидофи-
лов, таких, как Bacillus acidocaldarius или S. acidocaldarius, у
которого нарушен синтез клеточной стенки, а также не содер-
жащей клеточной стенки Т. acidophilum. Характерные особенно-
сти последних организмов выражаются в их способности выжи-
вать как при низком pH, так и при высокой температуре. Ввиду
отсутствия существенной информации относительно клеточных
стенок и мембран экстремальных алкалофильных организмов мы
рассмотрим лишь ацидофильные организмы, начиная от тиоба-
цилл, имеющих клеточную стенку, и кончая Thermoplasma, ли-
шенной клеточной стенки.
342
Глава 7
1. Тиобациллы
Несколько исследований, касающихся структуры клеточной
стенки и мембранных липидов ацидофильных тиобацилл, были
проведены с целью найти структурные особенности, которые
можно было бы связать со стабильностью этих организмов в
кислой среде. До сих пор, по-видимому, не обнаружено каких-
либо определенных структур, ответственных за такую стабиль-
ность. Как для Т. thiooxidans (Mahoney, Edwards, 1966), так и
для Т. ferrooxidans (Remsen, Lundgren, 1966) установлено тон-
кое строение, типичное для грамотрицательных бактерий. На
электронных микрофотографиях ультратонких срезов и клеток,
обработанных методом замораживания — травления, видны ха-
рактерный внешний слой, липопротеидно-липополисахаридный
(ЛПС) слой, глобулярные белки, соединенные с пептидоглика-
ном, и внутренняя цитоплазматическая мембрана. Ни в одном
случае не обнаружены внестеночные (экстрамуральные) струк-
туры, которые можно было бы связать с устойчивостью клеток к
кислоте.
Химический анализ показал, что пептидогликан Т. ferrooxi-
dans (макромолекулярный комплекс, ответственный за жест-
кость клеточных стенок) содержит глутаминовую кислоту,
а, е-диаминопимелиновую кислоту, аланин, глюкозамин и мура-
мовую кислоту в нормальных соотношениях (Wang, Lundgren,
1968). В составе клеточной стенки Т. thiooxidans не было обна-
ружено необычных аминокислот (Grum, Siehr, 1967). Состав
ЛПС из Т. ferrooxidans слегка варьирует в зависимости от суб-
страта, использованного для выращивания микроорганизма. Он
содержит типичные для ЛПС углеводы: 2-кето-З-дезоксиоктонат,
глюкозу и галактозу (Wang et al., 1970; Vestal et aL, 1973). На-
личие в нем кальция, магния и больших количеств связанного'
железа привело к предположению, что ЛПС может играть роль
во взаимодействии с различными субстратами. ЛПС из Т. ferro-
oxidans содержит значительно меньше фосфора по сравнению с
ЛПС из Salmonella. Это наводит на мысль о том, что указанные
организмы заметно различаются по составу липида А, хотя эта
сторона вопроса далее не исследовалась. Значение низкого со-
держания фосфора остается неизвестным. Благодаря отсутствию
фосфора, а следовательно, и отсутствию потенциального отрица-
тельного заряда, а также потенциальной возможности для про-
тонирования путем присоединения Н+ область локализации ли-
пида А должна обладать значительно большей гидрофобностью,
а значит, и большей стабильностью при ее соприкосновении с
кислой водной средой.
Из Т. thiooxidans были выделены жгутики, оказавшиеся
устойчивыми как к высокой кислотности, так и к высокой темпе-
Экстремальные значения pH
343
ратуре (Doetsch et al., 1967). Хотя можно было заранее предви-
деть, что жгутики должны быть устойчивыми к кислоте, посколь-
ку они непосредственно контактируют с кислой средой, эти дан-
ные показывают, что тиобациллы способны синтезировать кисло-
тоустойчивый белок.
Было проведено исследование метаболизма фосфолипидов у
Т. ferrooxidans с целью установить, играют ли фосфолипиды ак-
тивную роль в поддержании внутриклеточного pH (Short et al.,
1969). В состав диацильных фосфолипидов этого организма вхо-
дят фосфатидилмонометилэтаноламин (42%), фосфатидилглице-
рин (23%), фосфатидилсерин (20%) кардиолипин (13%) и сле-
довые количества фосфатидилхолина и фосфатидилдиметилэтано-
ламина. Сходные фосфолипиды найдены у Т. thiooxidans (Jones,
Benson, 1965; Shively, Benson, 1967; Barridge, Shively, 1968). He
обнаружено различий в обновлении 14С- или 32Р-фосфилипидов
в клетках, выращенных при pH 1,5 или 3,5. По сравнению с дру-
гими грамотрицательными организмами, растущими при pH 7,
метаболизм фосфолипидов у тиобацилл протекает в общем до-
вольно вяло. Левин (Levin, 1971) показал, что у Т. ferrooxidans и
Т. thiooxidans действительно преобладают циклопропановые
жирные кислоты. Установлено, что у Т. thiooxidans присутствует
орнитинсодержащий липид, образующий сложноэфирную связь
с г{ыс-11,12-метилен-2-оксиоктадекановой кислотой (Knoche,
Shively, 1969; Shively, Knoche, 1969).
В настоящее время, по-видимому, трудно связать какую-либо
особенность структуры клеточной стенки или состава мембраны
со стабильностью тиобацилл в кислой среде. Преобладание фос-
фолипидов, содержащих амины, могло бы на первый взгляд на-
вести на мысль о вытеснении Н+ посредством протонирования
аминогрупп, что способствовало бы сохранению целостности
мембраны благодаря увеличению буферной емкости. Было пока-
зано, что аминогруппы подавляют действие протонов в кислой
среде вследствие того, что в этих условиях повышается протони-
рование данных функциональных групп (Haest et al., 1972).
Установлено, что Staphylococcus aureus синтезирует большие ко-
личества лизилфосфатидилглицерина, если pH культуры снижа-
ется с 7 до 4,7. Обратное повышение pH до 7 приводит к быстро-
му уменьшению содержания лизилфосфатидилглицерина и соот-
ветствующему увеличению содержания фосфатидилглицерина.
При низких значениях pH наблюдалось также сильное уменьше-
ние поглощения Rb+. Сходным образом культуры Acholeplasma
laidlawii (штамм В) синтезировали D- или L-аланилфосфати-
дилглицерин при подкислении среды до pH 5, но не при pH 8,
оптимальном для роста этого организма (Koostra, Smith, 1969).
В устойчивости ацидофильных тиобацилл к кислоте подобные
компенсаторные механизмы в лучшем случае могут играть лишь
344
Глава 7
незначительную роль, так как фосфатидилэтаноламин и сходные
Производные широко распространены и встречаются у многих не
толерантных к кислоте грамотрицательных представителей
Eubacteriales и Pseudomonadales (Goldfine, 1972; Shaw, 1974).
Функциональное значение избытка циклопропановых жирных
кислот также остается невыясненным, поскольку они найдены у
многих не толерантных к кислоте бактерий, например у лакто-
бацилл, стрептококков, клостридиев и бруцелл (Goldfine, 1972).
2. В. acidocaldarius
Этот организм имеет оптимум роста при температуре 60°С и
pH 3. Он представляет собой аэробную спорообразующую па-
лочку и обладает клеточной стенкой, содержащей пептидогли-
кан (Darland, Brock, 1971). Подробные данные, касающиеся
структуры его клеточной стенки, пока не опубликованы. Недавно
проведенные исследования были сконцентрированы в первую
очередь на составе мембранных липидов. Был изучен состав
жирных кислот, причем впервые были обнаружены необычные
и-циклогексил-Сп- и -С^-жирные кислоты: 11-циклогексилунде-
кановая и 13-циклогексилтридекановая кислоты (De Rosa et al.r
1971). В зависимости от условий выращивания эти и-циклогек-
сильные кислоты составляют от 60 до 90% всех жирных кислот в
клетке; в меньших количествах представлены кислоты с Сп-раз-
ветвленной цепью: 15-метилгексадекановая и 14-метилгексаде-
кановая кислоты. В дальнейшем структура этих кислот была
подтверждена (Oshima, Ariga, 1975), и было показано, что у это-
го организма жирные кислоты, входящие в состав сложных ли-
пидов глицеринового типа, находятся в этерифицированной и
амидной форме (Langworthy et aL, 1976). В ряде исследований
(De Rosa et aL, 1971a, 1972, 1974a, b, c; De Rosa, Gambacorta,
1975) было установлено, что биосинтетическим предшественни-
ком (о-циклогексильных жирных кислот является шикимовая
кислота. Шикимовая кислота дезоксигенируется в циклогек-
сен-1-карбоновую кислоту, которая далее восстанавливается в
циклогексанкарбоновую кислоту. Жирные кислоты образуются
путем последовательного присоединения двууглеродных единиц
к растущей цепи из производного циклогексанкарбоновой кисло-
ты и СоА. Этот биосинтетический путь был подтвержден и изу-
чен более подробно в работе, в которой было показано, что ши-
кимовая кислота образуется из глюкозы (Oshima, Ariga, 1975).
Было отмечено, что многие разветвленные и циклопропановые
жирные кислоты, обнаруженные у не толерантных к кислоте бак-
терий, связаны с метаболизмом аминокислот, а не глюкозы.
В дальнейшем было установлено, что изменение температуры
или pH не влияет на относительное содержание со-циклогексиль-
Экстремальные значения pH
345
ных и нециклических жирных кислот. Эти данные противоречат
сообщению других авторов (De Rosa et al., 1974a), которые обна-
ружили, что количество образующихся со-циклогексильных кис-
лот снижается при высоких значениях pH или при низких темпе-
ратурах и увеличивается при низких значениях pH или высоких
температурах.
Установлено строение нескольких липидов нейтрального типа
(De Rosa et aL, 1971b, 1973), включая Сд0- и С55-полипренолы,
менахиноны, скваленовые и пентациклотритерпеновые углеводо-
роды, принадлежащие к классу гопанов, из которых главный
представляет собой гоп-22 (29)-ен. Детальный анализ сложных
липидов (Langworthy et al., 1976; Langworthy, Mayberry, 1976)
показал, что нейтральные липиды составляют 15,7%, гликолипи-
ды — 64%, и кислые липиды — 20,3%. Гликолипиды представ-
лены главным образом глюкозил (1—>-4)1М-ацилглюкозаминил
(1—>1)диацилглицерином (24,9%), глюкозил (1—>-4)И-ацил-
3
глюкозаминил(1—>-1) моноацилглицерином (41,3%) и необыч-
ным пентациклическим тритерпеном, производным тетрол-N-
ацилглюкозаминозида (26%). Последний гликолипид идентифи-
цирован как N-ацилглюкозамин, связанный p-связью с первич-
ным гидроксилом полностью насыщенного 1, 2, 3, 4-тетраокси-
пентанзамещенного тритерпена (С35Н62О4; мол. вес 546). Почти
все NH2-rpynnbi гликолипидов N-ацилированы жирными кисло-
тами того же типа, что и этерифицированные жирные кислоты,
входящие в глицеридную часть гликолипидов. Кислые липиды
представлены следующими фосфолипидами, типичными для мно-
гих не толерантных к кислоте бактерий: дифосфатидилглицери-
ном (32,3%), лизодифосфатидилглицерином (5,3%), фосфати-
диловой кислотой (5,8%) и фосфатидилглицерином (13,4%).
В больших количествах присутствует также сульфонолипид
(43,2%), очень близкий, если не идентичный, сульфонолипиду,
содержащемуся в растениях, — 6-сульфохиновозилдиацилглице-
рину Сульфонолипид содержит кислотоустойчивую С — S-связь.
Характерной особенностью мембранных липидов В. acidocal-
darius является присутствие в них многих уникальных и необыч-
ных структур. Можно было бы строить различные предположе-
ния относительно физиологической связи между липидами мем-
бран и стабильностью клеток при низких значениях pH и высо-
кой температуре, но пока наши знания в этой области слишком
ограничены, чтобы можно было устанавливать достаточно на-
дежные корреляции. Возможно, что наличие в мембранах пол-
ностью насыщенных со-циклогексильных и разветвленных жир-
ных кислот способствует поддержанию необходимой текучести
мембраны при высоких температурах. Полагают, что разветв-
346
Глава 7
ленные и насыщенные жирные кислоты выполняют эту функцию
и увеличивают жесткость мембраны у термофилов (Singleton,
Amelunxen, 1973). Не ясно, какую специфическую роль могли бы
играть в исключении ионов Н+ циклические структуры, напри-
мер (о-циклогексильные жирные кислоты и пентациклические
тритерпены, а также их производные. Возможно, эти структуры
влияют на упаковку, а следовательно, и на физическое состояние
мембраны таким образом, что делают ее еще более жесткой и
менее проницаемой для ионов Н+ при высокой температуре. Зна-
чение тритерпенов и их производных у этого организма остается
неясным. Тритерпены встречаются в природе крайне редко; из-
вестно только об их присутствии у некоторых эукариотических
организмов, например у мхов и папоротников (Marsili, Morelli,
1968, 1970; Marsili et al., 1971) и всего лишь у одного прокарио-
та — Methylococcus capsulatus (Bird et al, 1971). Аминоглико-
зиды значительно более устойчивы к кислотному гидролизу, чем
нейтральные гликозиды. Однако аминогликозиды гидролизуют-
ся примерно с такой же скоростью, как и нейтральные гликози-
ды, если их аминогруппа N-ацилирована, как почти во всех ос-
татках глюкозамина у В. acidocaldarius. Этот организм содер-
жит сульфонолипид, аналогичный растительному сульфонолипи-
ду 6-сульфохиновозилдиацилглицерину, который имеет устойчи-
вую к кислоте С — S-связь. В настоящее время 6-сульфохиново-
зилдиацилглицерин найден лишь у фотосинтезирующих расте-
ний, бактерий и водорослей. Полагают, что он выполняет какие-
то функции в фотосинтезе и дыхании (Haines, 1971). Однако
В. acidocaldarius — нефотосинтезирующий организм. Сульфоно-
липиды относятся также к наиболее кислым из всех полярных
липидов — они ионизированы в водном растворе при всех значе-
ниях pH. Можно было бы предположить, что сульфснолипид
В. acidocaldarius играет роль стимулятора дыхания во время
роста организма при высоких температурах и (или) участвует в
некой системе исключения ионов Н+ (Langworthy et al., 1976).
3. Sulfolobus acidocaldarius
Этот организм, представляющий собой факультативный авто-
троф, характеризуется многолопастной формой и способностью
к оптимальному росту при pH 3 и температуре 70°С. Необычная
клеточная поверхность, непосредственно контактирующая с аг-
рессивной средой, не обнаруживает морфологически и химически
определенного слоя пептидогликана, характерного для других
бактерий, но содержит внешний ультраструктурный элемент
(Brock et al., 1972; Millong et al., 1975). Этот организм обладает
пилями неправильной формы, по-видимому, предназначенными
для прилипания к таким поверхностям, как поверхность элемен-
Экстремальные значения pH
347
тарной серы. Пили обладают чрезвычайно высокой устойчиво-
стью к кислоте и нагреванию (Weiss, 1973). В детальном иссле-
довании (Weiss, 1974) было показано, что клеточная стенка со-
стоит из регулярно расположенных на клеточной поверхности
полигексагональных белковых субъединиц диаметром 13—15 нм,
которые прочно связаны с цитоплазматической мембраной. С по-
мощью метода замораживания — скалывания не удается полу-
чить типичные срезы внутренних слоев стенки или гидрофобной
внутренней части цитоплазматической мембраны. Вместо этого
клетки раскалываются поперек, в результате чего образуется по-
перечный срез, проходящий через стенку, мембрану и цитоплаз-
му, что свидетельствует о необычной природе оболочки. Такая
субъединичная клеточная стенка не дезагрегируется после отде-
ления от мембраны, но утрачивает всякое сходство с первона-
чальной лопастной формой. Кажется вероятным, что взаимодей-
ствие субъединиц клеточной стенки с мембраной необходимо для
поддержания целостности клетки.
Трипсин, проназа или лизоцим-ЭДТА не оказывают действия
на интактный организм. Экстракция клеток диметилсульфокси-
дом, который преимущественно извлекает ЛПС, не влияет ни на
стабильность, ни на внешний вид клеточной стенки. В ней обна-
руживаются лишь следы гексозамина и нейтральных сахаров.
Аминокислотный анализ показал, что содержание кислых амино-
кислот в клеточной стенке приблизительно на 10% превышает
содержание основных, что характерно и для организмов, живу-
щих в местах обитания с нейтральной реакцией. Было высказа-
но предположение, «что в местах обитания с низкими значения-
ми pH и высокой температурой пептидогликан неустойчив, а не
содержащая пептидогликана стенка S. acidocaldarius может ока-
заться фактором, который позволяет организму адаптироваться
к экстремальным условиям». Однако скорее всего это не так, по-
скольку содержащая пептидогликан В. acidocaldarius и вообще
не имеющая клеточной стенки Т. acidophilum обнаружены в
сходных природных условиях.
Сложные липиды S. acidocaldarius, имеющие необычную при-
роду, были исследованы Лэнгуорси и др. (Langworthy et al.,
1974). Клетки, выращенные гетеротрофно при 70°С и pH 3, со-
держали липиды в следующих соотношениях: 10,5% нейтраль-
ных липидов, 21,7% фосфолипидов и очень большое количество
(67,6%) гликолипидов. В состав всех, сложных липидов входят
чрезвычайно длинные цепи (С<0) полностью насыщенных изопре-
нол-глицериновых диэфиров, а не типичные диглицериды, пред-
ставляющие собой эфиры глицерина и жирных кислот. Прове-
денное в дальнейшем детальное критическое исследование
(De Rosa et al., 1974, 1976a) показало, что глицериндиэфирная
часть состоит из эквимолярных количеств глицерина и С^-изо-
348
Глава 7
преноидной алкильной боковой цепи с разветвлениями, образуе-
мыми метильными группами; эти цепи могут быть нециклически-
ми (С4оН82), моноциклическими (С^Нво) или бициклическими
(С40Н78). При расщеплении глицеринового диэфира получается
алкильная боковая цепь в виде спирта, имеющего строение
Сад-диола и содержащего на обоих концах углеводородной це-
пи гидроксильные группы. Поскольку глицерин и С40-диол най-
дены в эквимолярных количествах, было высказано предположе-
ние, что каждый из концевых гидроксилов Сю-диола соединен
простой эфирной связью с глицерином, в результате чего обра-
зуется диэфир глицерина, содержащий макроциклическую пет-
лю из 40 атомов углерода. Считают, что это приводит к образо-
ванию диэфира глицерина, который по размерам сходен с ди-
эфирами глицерина экстремальных галофилов, содержащими
две Сго-дигидрофитанильные углеводородные цепи (Kates, 1972).
Показано также, что диэфир глицерина из Sulfolobus имеет кон-
фигурацию 8П-2,3-глицерина, так же как и эп-2,3-ди-О-фитанил-
глицерин экстремальных галофилов. Однако с точки зрения ав-
тора настоящего обзора точное строение диэфиров глицерина из
Sulfolobus окончательно еще не выяснено. По-видимому, их мо-
лекулярный вес значительно выше, чем можно было бы ожи-
дать, исходя из предполагаемой структуры циклического диэфи-
ра глицерина, причем фактически они содержат более одной сво-
бодной гидроксильной группы. Эти соединения на самом деле
представляют собой диглицеринтетраэфиры (Langworthy, 1977а).
Анализ гликолипидов (Longworthy et al., 1974) показал, что
они состоят из диэфира глюкозилгалактозилглицерина и диэфи-
ра глюкозилполиолглицерина. Последний гликолипид содержит
неидентифицированный полиспирт, присоединенный к диэфиру
глицерина посредством простой эфирной связи. Приблизительно
40% фосфолипидов присутствует в виде диэфирного аналога
фосфатидилинозита. Обнаружены два необычных фосфоглико-
липида. Они представляют собой инозитмонофосфатные произ-
водные двух гликолипидов, найденных у этого организма: ди-
эфир инозитфосфорилглюкозилгалактозилглицерина и диэфир
инозитфосфорилглюкозилполиолглицерина. Найдено также не-
большое количество моносульфатного производного диэфира
глюкозилгалактозилглицерина. В этих липидах не обнаружено
никаких устойчивых к кислоте связей углерод—-фосфор или уг-
лерод— сера, вопреки тому, что можно было бы ожидать в усло-
виях высокой температуры и низких значений pH. Липидный
состав клеток Sulfolobus, выращенных автотрофно в присутствии
серы, практически идентичен составу клеток, выращенных гете-
ротрофно, за исключением того, что первые содержат один до-
полнительный, еще не идентифицированный, фосфогликолипид.
Липидный состав сходного с Sulfolobus облигатно автотрофного
Экстремальные значения pH
349
организма, выделенного Брайерли и Брайерли (Brierley, Brier-
ley, 1973), идентичен липидному составу Sulfolobus, если клетки
обоих организмов выращены в присутствии серы, что позволяет
предположить их близкое таксономическое родство (Langworthy,
1977b).
Выживание S. acidocaldarius, по-видимому, зависит от тес-
ной связи, существующей между клеточной стенкой и мембра-
ной. Длинные Сад-изопреноидные алкильные цепи диэфиров гли-
церина, входящих в состав липидов, вероятно, имеют определен-
ное отношение к поддержанию необходимого жидкокристалли-
ческого состояния мембраны при высокой температуре. Эфирные
связи, устойчивые к большинству видов химической деградации,
возможно, способствуют стабильности данного организма в кис-
лой среде. Значение высокого содержания гликолипидов и нали-
чие только фосфолипидов, содержащих углеводы или их произ-
водные, остается неясным. Возможно, что их присутствие обус-
ловливает особенности строения клеточной стенки. Высказано
предположение, что накопление фосфогликолипидов у некоторых
микоплазм связано с неспособностью этих организмов синтези-
ровать клеточную стенку нормального строения (Smith et al.,
1973).
4. Т. acidophilum
Этот организм, лишенный клеточной стенки и имеющий опти-
мум роста при pH 2 и температуре 59°С, представляет собой
уникальную модель для изучения стабильности мембраны в
сильно кислой среде. В то время как другие известные ацидофи-
лы обладают некоторым подобием клеточной стенки, мембрана
Thermoplasma находится в прямом контакте с горячей и кислой
средой. Описаны главные физиологические и морфологические
особенности этого организма (Belly et al., 1973; Mayberry-Carson
et al., 1974). На необычную природу мембраны указывают иссле-
дования методом замораживания — скалывания. Как и в случае
Sulfolobus, клетки Т. acidophilum раскалываются поперек, обна-
руживая только двухслойную мембрану и цитоплазму (Verver-
gaert, личное сообщение). Белли и Брок (Belly, Brock, 1972) со-
общили о необычной стабильности Т. acidophilum в отношении
ряда физико-химических агентов. Клетки устойчивы к нагрева-
нию до температуры, близкой к 100°С, а также к неионным де-
тергентам и некоторым из ферментов: проназе, трипсину и лизо-
циму. Клетки лизируются катионными детергентами и еще лег-
че— анионными. Исключительная жесткость мембраны выявле-
на также методом электронного парамагнитного резонанса
(Smith et al., 1973b). Фазовые переходы липидов обнаружены
при 45 и 60°С, что соответствует температурным пределам роста.
350
Глава 7
Подвижность спиновых меток в липидных доменах мембраны бы-
ла еще меньше, чем их подвижность, установленная для Halobac-
teriutn cutirubrum, поэтому можно предположить, что мембрана
Thermoplasma, вероятно, наиболее жесткая из всех известных
клеточных мембран.
Были опубликованы более детальные сведения о свойствах
этой мембраны и стабильности клеток (Smith et al., 1973), полу-
чившие в дальнейшем подтверждение (Ruwart, Haug, 1975).
Изменение pH и ионной силы среды оказывало влияние на ста-
бильность и выживаемость этого организма. Заметный лизис
клеток происходил при pH ниже 2 и выше 6. Максимальная
стабильность, определенная на основе выживаемости, наблюда-
лась при pH 3—4, несмотря на то, что оптимум pH для роста был
равен 2. Выше pH 8 лизис был практически полным. Увеличение
ионной силы среды вызывало лизис организма при таких значе-
ниях pH, которые в норме обеспечивали его максимальную ста-
бильность. Если лизис клеток был обусловлен действием высо-
кой ионной силы или высоких значений pH, то их центрифугиро-
вание при lOOOOOXg не приводило к образованию осадка, что
указывает на солюбилизацию клеточных мембран при этих усло-
виях. Интересно, что диализ солюбилизированных мембран про-
тив дистиллированной воды (pH 5,5) приводит к реагрегации
мембранных пузырьков. Было установлено, что клетки чрезвы-
чайно устойчивы также к действию ультразвука. Однако препа-
раты мембран можно было получить с помощью ультразвука
при средней ионной силе (0,05) и pH 5, что позволяет выделить
около 50% мембранного материала. Электрофорез выделенных
мембран в полиакриламидном геле дает сложный набор полос,
свидетельствующий о присутствии гетерогенной смеси белков.
Аминокислотный состав мембранных белков не обнаруживает
необычных компонентов. В мембранах Thermoplasma соотноше-
ние свободных карбоксильных и аминогрупп приблизительно
соответствует 4:1. Аналогичное соотношение наблюдается и у
Acholeplasma laidlawii В, обычной микоплазмы, выращенной при
pH 7. Однако общее количество заряженных групп в мембране
Thermoplasma составляет только половину количества, выявлен-
ного в мембране обычной микоплазмы, что указывает на гидро-
фобную природу первой из них.
Путем воздействий, вызывающих изменение содержания в
мембране свободных карбоксильных групп, было показано, что
в поддержании стабильности мембраны определенную роль иг-
рают электрические заряды (Smith et al., 1973). В норме мем-
браны целых клеток Thermoplasma солюбилизируются при pH
выше 5—6. Если к карбоксильным группам в мембране присо-
единяли метиловый эфир глицина, который удаляет один потен-
циальный отрицательный заряд, то мембрана становилась устой-
Экстремальные значения pH
351
чивой во всем диапазоне pH. После присоединения к мембран-
ным карбоксильным группам этилендиамина, снимающего один
потенциальный отрицательный заряд и вводящего один потен-
циальный положительный заряд, мембраны приобретают ста-
бильность в щелочной среде, но солюбилизируются в кислой.
Эти данные, очевидно, указывают на то, что ионы водорода не-
обходимы для подавления ионизации доступных карбоксильных
групп в мембране. По-видимому, возникающее при повышении
pH отталкивание отрицательных зарядов вызывает разрушение
мембранных белков, приводящее к лизису клеток. Потребность
в ионах водорода является специфической. Различные однова-
лентные и двухвалентные катионы или сахароза не стабилизиру-
ют клетку при повышенных значениях pH. Концентрация водо-
родных ионов оказывает на Thermoplasma стабилизирующее
действие, аналогичное действию высокой концентрации соли на
экстремальные галофилы. Повышение pH в случае Thermoplas-
ma или снижение концентрации соли в случае галофилов приво-
дит к дезагрегации мембраны.
Общий химический анализ мембраны обнаружил около 10%
углеводов, 25%липидов и 60% белка. Большую часть углеводов
составляет необычный липополисахарид — диэфир (маннозо)г4-
глюкозоглицерина (Mayberry-Carson et al., 1974а). ЛПС про-
являет заметную антигенную активность (Sugiyama et al., 1974),
при 59°С и pH 2 образует стабильный высокомолекулярный аг-
регат и обладает физическими свойствами, типичными для
ЛПС грамотрицательных бактерий (Mayberry-Carson et al.,
1975).
Липиды Thermoplasma исследованы Лэнгуорси и др. (Lang-
worthy et al., 1972). Сложные липиды содержат диэфиры С40-
изопренолглицерина, в структурном отношении аналогичные
диэфирам из Sulfolobus (De Rosa et al., 1976a). Эти фосфолипи-
ды не относятся к типичным фосфатидильным формам, а пред-
ставляют собой фосфогликолипиды. Хотя точная структура ли-
пидов пока не установлена, известно, что около 50% этих липи-
дов составляет диэфир глицерин фосфорилгликозилглицерина.
Из общего количества липидов около 57% составляют фосфоли-
пиды, 25%—гликолипиды, включающие диэфиры моноглико-
зил- и дигликозилглицерина, и 17% — нейтральные липиды.
Присутствие среди нейтральных липидов нафтохинона Кг-7 ука-
зывает на существование у данного организма дыхательной
цепи.
Метаболизм Thermoplasma имеет несколько интересных осо-
бенностей, которые, возможно, связаны с его способностью су-
ществовать в горячей и кислой среде. Сиарсп (Searcy, 1975) со-
общил о внутриклеточном гистоноподобном нуклеопротеиде,
ассоциированном с ДНК. Молекулы этого вещества богаты ос-
352
Глава 7
новными аминокислотами и амидами кислых аминокислот, раст-
воримы в кислоте, при нейтральном pH заряжены положительно
и обнаруживают такую же подвижность при электрофорезе в
полиакриламидном геле, как и гистон IV (F2al) из тимуса те-
ленка. Функции этого нуклеопротеида неизвестны, но предпола-
гают, что он повышает термостабильность ДНК, а возможно, и
предохраняет ее от депуринизации кислотой. Было показано
также (Smith et al., 1975), что Thermoplasma испытывает абсо-
лютную потребность в факторе роста, который представляет со-
бой выделенный из дрожжевого экстракта и частично охаракте-
ризованный полипептид. Добавление аминокислот к среде не
устраняет этой специфической потребности. Анализ полипептида
показал, что он состоит главным образом из аргинина, глутами-
новой и аспарагиновой кислот и имеет мол. вес около 1000. Было
высказано предположение, что специфическая потребность Ther-
moplasma в полипептиде на самом деле объясняется либо его
способностью захватывать ионы некоторых микроэлементов,
участвовать в ионном транспорте и в защите клеточной поверх-
ности от иоиов Н+, либо тем, что он служит источником необхо-
димых для микроорганизма аминокислот, которые в такой форме
могут проникать в клетку в условиях кислой среды.
Результаты, полученные при изучении Т. acidophilum, позво-
ляют предположить, что облш'атная ацидофилия связана с гид-
рофобной природой мембраны, обусловленной резким снижени-
ем количества полярных групп в мембранных белках, а также
наличием липидов, содержащих простые эфирные связи. Для
стабильности клеток, по-видимому, необходимо также установ-
ление равновесия во взаимодействии между ионами и мембран-
ными белками. Эти-условия приближаются к оптимальным в ла-
бораторных культуральных средах, имеющих расчетную ионную
силу 0,25 и pH 2. Присутствие в липидах длинных изопреновых
цепей, очевидно, имеет какое-то отношение к термофилии данно-
ного организма. Весьма вероятно, что облигатная потребность
Т. acidophilum в горячей и кислой окружающей среде находит
выражение в постоянстве состава липидов и белков, входящих в
основную часть ее мембраны.
5. Ацидофилы; общие представления
По сравнению с тиобациллами, имеющими довольно типич-
ный состав стенки и мембраны, термофильные ацидофилы изо-
билуют веществами необычного и уникального химического
строения. Что касается их состава, то экстремальные термоаци-
дофилы, по-видимому, обеспечивают собственное выживание
путем синтеза веществ с новым химическим строением, создаю-
щих для них преимущества при воздействии двойного стрес-
Экстремальные значения pH
353
са — высокой температуры и низкого pH. Thermoplasma, так же
как и Sulfolobus, содержит почти исключительно диэфиры
С^-алкилглицерина, составляющие основу сложных липидов.
Эти длинные углеводородные цепи, вероятно, обусловливают не-
обходимую текучесть мембраны при высокой температуре, тогда
как простые эфирные связи, очевидно, придают липидам устой-
чивость к кислотному гидролизу. В этом отношении два указан-
ных организма по своим структурным особенностям напоминают
экстремальные галофилы, содержащие в составе сложных липи-
дов исключительно диэфиры дигидрофитанилглицерина. И в том,
и в другом случае клеточная мембрана почти полностью сопри-
касается с экстремальным ионным окружением. Кроме того,
Thermoplasma испытывает специфическую потребность в ионах
Н+ для поддержания стабильности клеток, подобно тому как
экстремальные галофилы для тех же целей используют высокие
концентрации солей (Larsen, 1967; Kushner, 1968, гл. 8). Воз-
можно, что, помимо указанных выше, другие особенности ионов
Н+ и их взаимодействий также окажутся аналогичными функци-
ям солей у экстремальных галофилов. Таким образом, Thermo-
plasma можно рассматривать как организм, обладающий свой-
ствами, связанными с крайними случаями термофилии, галофилии
и ацидофилии. Как Thermoplasma, так и Sulfolobus содер-
жат фосфолипиды, которые по еще неясным причинам представ-
лены исключительно их углеводными производными — фосфо-
гликолипидами. Возможно, это связано с отсутствием у этих
двух организмов истинной клеточной стенки, так как имеющий
клеточную стенку термоацидофил В. acidocaldarius содержит не
фосфогликолипиды, а довольно типичные фосфатиды. В состав
сложных липидов В. acidocaldarius входят диглицериды, а ие
диэфиры, построенные из длинных цепей алкилов и глицерина.
У этого организма есть только одно истинно кислотоустойчивое
соединение — сульфонолипид. Поэтому устойчивость В. acidocal-
darius к горячей и кислой окружающей среде, вероятно, обеспе-
чивается клеточной стенкой, которая должна обладать необыч-
ными свойствами. Скорее всего ее наличие и позволяет организму
синтезировать мембранные липиды, по своей структуре зани-
мающие промежуточное положение между липидами Thermop-
lasma и Sulfolobus, с одной стороны, и липидами менее экстре-
мальных организмов — с другой.
Общей особенностью термоацидофплов, по-видимому, являет-
ся наличие больших количеств углеводных производных мем-
бранных липидов. Все сложные липиды Thermoplasma и Sulfolo-
bus содержат углеводные остатки, и даже липиды В. acidocalda-
rius на 75% состоят из производных гликолипидов. Аналогично, у
термофила Flavobacterium thermophilum найден тетрагликозил-
диацилглицерин, составляющий почти 70% общего содержания
354
Глава 7
липидов (Oshima, Yamakawa, 1974). Кроме того, было показано,
что содержание гликолипидов у Thermits aquaticus увеличивает-
ся в четыре раза при повышении температуры от 50 до 75°С
(Ray et al., 1971). Было высказано предположение, что эти веще-
ства способствуют повышению стабильности мембраны при вы-
соких температурах. Возможно, преобладание углеводных про-
изводных липидов у термоацидофилов также представляет со-
бой реакцию на высокую температуру и служит аналогичным
целям.
На основании общих представлений об известных ацидофи-
лах создается впечатление, что при ослаблении температурного
стресса облигатные ацидофилы становятся морфологически и
химически сходными с организмами, растущими при величинах
pH, более близких к нейтральным. В настоящее время не извест-
но ни одной явно выраженной общей структурной особенности, о
которой можно было бы сказать, что именно она обусловливает
ацидофилию организмов. Возможно, что общей чертой, характер-
ной для всех изученных до сих пор ацидофилов, является цикли-
зация внутри углеводородных участков мембранных липидов.
У Thermoplasma и Sulfolobus в алкильных цепях содержатся
циклогексильные кольца, тогда как в состав В. acidocaldarius
входят циклогексильные жирные кислоты и множество пента-
циклических тритерпеновых производных. У тиобацилл обнаружи-
вается большое количество циклопропановых жирных кислот.
Циклизация влияет на текучесть внутри липидных доменов мем-
браны. Полагают, что холестерин, например, оказывает влияние
на упаковку мембраны, которая при этом становится более же-
сткой и менее проницаемой (De Kruyff et al., 1972; Rottem et al.,
1973). Циклизованные углеводороды ацидофилов, вероятно,
функционируют аналогичным образом. Де Роза и др. (De Rosa
et aL, 1974d) предположили, что циклизованные углеводороды
вызывают подобный «холестериновый эффект» в гидрофобной
части мембраны. Однако для выяснения истинной физиологиче-
ской роли, которую такая циклизация может играть в проявле-
нии ацидофилии, необходимо получить дополнительные экспери-
ментальные данные. Совершенно ясно, что механизмы ацидофи-
лии представляют собой сложное переплетение тонких структур-
ных и метаболических особенностей, ожидающих дальнейших
исследований, которые позволят более детально охарактеризо-
вать ацидофильный способ жизни.
В качестве интересного заключительного момента отметим,
что наличие у термоацидофилов множества липидов необычного
строения потенциально может иметь важное эволюционное
значение. Например, В. acidocaldarius содержит, с одной
стороны, тритерпеновые липидные производные, характер-
ные для примитивных эукариот — папоротников и мхов, а с дру-
Экстремальные значения pH
355
гой — сульфонолипид, найденный лишь в фотосинтезирующих
клетках. Гистоноподобный нуклеопротеид обнаружен у Thermo-
plasma, хотя в норме гистоны связаны лишь с эукариотическими
клетками. Не исключено, что производные циклогексановых
углеводородов, присутствие которых во многих геохимических
отложениях трудно объяснить, берут начало от таких организ-
мов, как термоацидофилы (в том случае, если они существовали
в доисторические времена). Наличие горячей и кислой среды,
образовавшейся в результате повышенной геологической актив-
ности, в далеком прошлом, по-видимому, было вполне обычным
явлением. Поэтому есть основание предполагать, что термофиль-
ные ацидофилы относятся к довольно примитивным формам
жизни, родственным эволюционным предшественникам совре-
менных клеток.
1V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как свидетельствует краткость этой главы, наши сведения о
жизни организмов при экстремальных значениях pH весьма ог-
раничены. Хотя трудно побороть искушение высказать те или
иные догадки относительно этих организмов, вряд ли имеет
смысл делать подобные попытки ввиду недостаточности наших
знаний о них. Например, большинство щелочеустойчивых орга-
низмов проявляет тенденцию в процессе активного роста сни-
жать величину pH, приближая ее к нейтральной. Но существу-
ют, хотя и немногочисленные, примеры облигатных алкалофиль-
ных организмов, которые оптимально растут при pH 10 и выше.
На другом полюсе находятся облигатные ацидофилы, не вызы-
вающие повышения pH в процессе роста и представленные отно-
сительно большим числом организмов. Создается впечатление,
что присутствие избытка ионов водорода — менее жесткое для
организма условие, чем отсутствие таких ионов. Однако это наб-
людение отражает просто-напросто тот факт, что попытки тща-
тельного поиска истинных экстремально облигатных алкало-
фильных организмов в щелочных природных средах предприни-
мались крайне редко. Вероятно, можно с уверенностью сделать
вывод, что ацидофильные организмы удаляют из своих клеток
ионы водорода. По аналогии алкалофильные организмы скорее
всего исключают гидроксильные ионы или, наоборот, удержива-
ют ионы водорода. Теперь достаточно точно установлено, что
внутриклеточный pH у этих организмов отличается от pH внеш-
ней среды. В настоящее время кажется вероятным, что как Mej
таболическая активность, так и особенности строения клеточной
стенки и (или) мембраны действуют в качестве факторов, поддер-
живающих градиент между внутри- и внеклеточным pH. Хотя
для объяснения активного механизма удаления ионов из клетки
356
Глава 7
часто привлекается концепция протонных, а возможно, и анион-
ных насосов, прямые экспериментальные доказательства пока
остаются недоступными. Такая информация была бы чрезвы-
чайно ценной, так как это позволило бы понять, каким образом
организмам удается выжить при экстремальных значениях pH.
Необходимо также продолжать исследования физиологии и
строения оболочки ацидофильных и алкалофильных организмов
до тех пор, пока Не будут выяснены механизмы их устойчивости
к экстремальным величинам pH. Возможно, что интерес, вызван-
ный недавно открытыми термофильными ацидофилами, послу-
жит стимулом для новых исследований их мезофильных анало-
гов. Ясно, что дальнейшее изучение природы и распространения
форм жизни при экстремальных pH вполне оправдано. Эти ор-
ганизмы, несомненно, должны приобретать все большее значе-
ние, так как в связи с возрастанием загрязнения окружающей
среды увеличивается число местообитаний, в которых организмы
живут в экстремальных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Adair R. IT. (1966). Membrane-associated sulfur oxidation by the autotroph
Thiobacillus thiooxidans, J. Bacteriol., 92, 899—904.
Adapoe C„ Silver M. (1975). The soluble adenosine triphosphatase of Thiobacillus
ferrooxidans, Can. J. Microbiol., 21, 1—7.
Addanki S., Sotos J. F. (1969). Observations on intramitochondrial pH and ion
transport by the 5,5-dimethyl-2,4-oxazolidinedione (DMO) method, Ann.
N. Y. Acad. Sci., 147, 756—804.
Adele H„ Lundgren D. G. (1970). Inorganic pyrophosphatase from Ferrobacillus
ferrooxidans (Thiobacillus ferrooxidans), Can. J. Biochem., 48, 1302—1307.
Allen M. B. (1959). Studies with Cyanidium caldarium an anomously pigmented
chiorophyte, Arch. Mikrobiol., 32, 270—277.
Allen O. N„ Holding A. J. (1974). In: Bergy’s Manual of Determinative Bacte-
riology (8th ed.) (R. E. Buchanan and N. E. Gibbons, eds.), pp. 264—
267, Williams and Wilkins, Baltimore.
Amemiya K., Umbreit IT. IT. (1974). Heterotrophic nature of the cell-free
protein-synthesizing system from the strict chemolithotroph, Thiobacillus
thiooxidans, J. Bacteriol., 117, 834—839.
Asai T. (1968). In: Acetic Acid Bacteria, University Park Press, Baltimore.
Barghoorn E. S., Tyler S. A. (1965). Microorganisms from the Gunflint chert,
Science, 147, 563. .
Barridge J. K., Shively J. M. (1968). Phospholipids of the thiobacilli, J. Bacteriol,
Battley E. M„ Bartlett E. J. (1966). A convenient pH-gradient method for the
determination of the maximum and minimum pH for microbial growth,
Antonie van Leeuwenhoek, 32, 245—255.
Belly R. T„ Brock T. D. (1972). Cellular stability of a thermophilic, acidophilic
mycoplasma, J. Gen. Microbiol., 73, 465—469. .
Belly R. T., Brock T. D. (1974a), Ecology of iron-oxidizing bacteria in pyntic
materials associated with coal, J. Bacteriol., 117, 726 732.
Belly R. T., Brock T. D. (1974b). Wide spread occurence of acidophilic strains
of Bacillus coagulans in hot springs, J. Appl. Bacteriol., 37, 175 177.
Belly R. T., Bohlool В. B., Brock T. D. (1973). The genus Thermoplasma, Ann.
N. Y. Acad. Sci., 225, 94—107.
Экстремальные значения pH 357
Bird С. W., Lynch J. М., Pirt S. J., Reid 117. W. (1971). Identification of hop-
22(29)-ene in procaryotic organisms, Tetrahedron Lett., 34, 3189—3190.
Blaylock B. A., Nason A. (1963). Electron transport systems of the chemoauto-
troph Ferrobacillus ferrooxidans, ,1. Biol. Chem., 238, 3453—3462.
Bodo C. A., Lundgren D. G. (1972). Oxidation of iron by cell free envelopes of
Thiobacillus ferroxidans, Abst. Am. Soc. Microbiol., 72, 174.
Bornside G. H., Kallio R. E. (1956). Urea-hydrolyzing bacilli. I. A physiological
approach to identification, J. Bacteriol., 28, 627—634.
Boyer E. W., Ingle M. B. (1972). Extracellular alkaline amylase from a Bacillus
species, J. Bacteriol, 110, 992—1000.
Brierley C. L. (1974). Molybdenite-leaching: use of a high-temperature microbe,
J. Less-Common Metals, 36, 237—247.
Brierley C. L., Brierley J. A. (1973). A chemoautotrophic and thermophilic
microorganism isolated from an acid hot spring, Can J. Microbiol., 19,
183—188.
Brock T. D. (1969). Microbial growth under extreme conditions, Symp. Soc.
Gen. Microbiol., 19, 15—41.
Brock T. D., Darland G. (1970). The limits of microbial existence: temperature
and pH, Science, 169, 1316—1318.
Brock T. D., Gustafson J. (1976). Ferric iron reduction by sulfur- and iron-oxi-
dizing bacteria, Appl. Environ. Microbiol., 32, 567—571.
Brock T. D., Brock К. M., Belly R. T., Weiss R. L. (1972). Sulfolobus: a new
genus of sulfur-oxidizing bacteria living at low pH and high temperature,
Arch. Mikrobiol., 84, 54—68.
Buchanan R. E., Fulmer E. I. (1930). In: Physiology and Biochemistry of Bac-
teria, Vol. 2, Williams and Wilkins, Baltimore.
Butler T. C., Waddell W. J., Poole D. T. (1966). The pH of intracellular water,
Ann. N. Y. Acad. Sci., 133, 73—77.
Caldwell P. C. (1956). Intracellular pH, Int. Rev. Cytol., 5, 229—277.
Cassin P. E. (1974). Isolation, growth and physiology of acidophilic chlamydo-
monads, J. Phycol., 10, 439—447.
Chesbro W. R., Evans J. B. (1959). Factors affecting the growth of enterococci
in highly alkaline media, J. Bacteriol., 78, 858—862.
Chislett M. E., Kushner D. J. (1961a). A strain of Bacillus circulans capable of
growing under highly alkaline conditions, J. Gen. Microbiol., 24, 187—190.
Chislett M. E., Kushner D. J. (1961b). Germination under alkaline conditions and
transmission of alkali resistance by endospores of certain strains of Ba-
cillus cereus and Bacillus circulans, J. Gen. Microbiol., 25, 151—156.
Crum E. H., Siehr D. J. (1967). Thiobacillus thiooxidans cell wall amino acids
and monosaccharides, J. Bacteriol., 94, 2069—2070.
Darland G., Brock T. D. (1971). Bacillus acidocaldarius sp. nov., an acidophilic
thermophilic spore-forming bacterium, J. Gen. Microbiol., 67, 9—15.
Darland G., Brock T. D., Samsonoff W., Conti S. F. (1970). A thermophilic,
acidophilic mycoplasma isolated from a coal refuse pile, Science, 170,
1416—1418. , r , , x ,
De Kruyff B., Demel R. A., van Deenen L. L. M. (1972). The effect of cholesterol
and epicholesterol incorporation on the permeability and on the phase
transition of intact Acholeplasma laidlawii cell membranes and derived
liposomes, Biochim. Biophys. Acta, 255, 331—347. .....
DeRosa AL, Gambacorta A. (1975). Identification of natural and semisynthetic
ы-cyclohexyl fatty acids, Phytochemistry, 14, 209—210.
DeRosa M., Gambacorta A., Minale L„ Bu’Lock L. D. (1971a). Cyclohexane fatty
acids from a thermophilic bacterium, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1971,
DeRosa M., Gambacorta A., Minale L., Bu’Lock J. D. (1971b). Bacterial tri-
terpenes, J. Chem. Soc. Shem. Commun., 1971, 618—620.
DeRosa M., Gambacorta A., Minale L., Bu’Lock L D. (1972). A new biosynthetic
358
Глава 7
pathway the formation of o> cyclohexyl fatty acids from shikimate in an
acidophilic thermophilic bacillus, Biochem J , 128, 751—754
DeRosa M , Gambacorta A , Mtnale L , Bu’Lock J D (1973) Isoprenoids of
Bacillus acidocaldarius, Phytochemistry, 12, 1117—1123
DeRosa M, Gambacorta A , Bu’Lock I D (1974a) Effects of pH and tempera
ture on the fatty acid composition of Bacillus acidocaldarius, J Bacteriol,
117, 212—214
DeRosa M, Gambacorta A, Bu’Lock I D (1974b) Origin of cyclohexane
carboxylic acid in Bacillus acidocaldarius, Phytochemistry, 13, 1793—1794
DeRosa M, Gambacorta A, Bu’Lock I D (1974c) Specificity effects in the
biosynthesis of fatty acids in Bacillus acidocaldarius, Phytochemistry, 13,
905—910
DeRosa M, Gambacorta A, Minale L, Bu’Lock J D (1974d) Cyclic diether
lipids from very thermophilic acidophilic bacteria, J Chem Soc Chem
Comm, 1974, 543—544
DeRosa M, Gambacorta A, Bu’Lock J D (1975) Extremely thermophilic acido-
philic bacteria convergent with Sulfolobus acidocaldarius, J Gen Micro-
biol , 86, 156—164
DeRosa M, Gambacorta A, Bu’Lock J D (1976a) The Caldariella group of
extreme thermoacidophile bacteria Direct comparison of lipids in Sulfo-
lobus, Thermoplasma, and the MT strains, Phytochemistry, 15, 143—145
DeRosa M, DeRosa S, Gambacorta A, Carieni-Farina M, Zappta V (1976b)
Occurrence and characterization of new polyamines in the extreme ther-
mophile Caldarella acidophila, Biochem Biophys Res Commun, 69,
253—261
DeRosa M DeRosa S, Gambacorta 4, Bu’Lock J D (1976c) Isoprenoid tri-
ether lipids from Caldariella, Phytochemistry, 15, 1995—1996
Dewey D L, Beecher J (1966) The internal hjdrogen ion concentration of
Thiobactllus thiooxidans and survival after irradiation, Radiat Res, 28,
289—295
Din G A, Suzuki L Lees H (1967) Ferrous iron oxidation by Ferrobacillus
ferrooxidans Purification and properties of Fe++-cytochrome c reductase,
Can J Biochem , 45, 1523—1546
Doemel W N, Brock T D (1971) The physiological ecology of Cyanidium
caldarium, J Gen Microbiol, 67, 17—32
Doetsch R N, Cook T M, Vaituzis Z (1967) On the uniqueness of the fla-
gellum of Thiobactllus thiooxidans, Antonie van Leeuwenhoek, 33,
196—202
Downte A W, Cruiukshank J (1928) The resistance of Streptococcus faecalis
to acid and alkaline media, Brit J Exp Pathol, 9, 171—173
Dugan P R (1975) Bacterial ecology of strip mine areas and its relationship
to the production of acidic mine drainage, Ohio J Sci, 75, 266—279
Dugan P, Lundgren D G (1963) Acid production by Terrobacillus ferrooxidans
and its relation to water pollution, Dev Ind Microbiol, 5, 250—257
Dugan P R, Lundgren D G (1965) Energy supply for the chemohthotroph
Ferrobacillus ferrooxidans, J Bacteriol, 89, 825—834
Dugan P R, MacMillan C D, Pfister R M (1970) Aerobic heterotrophic
bacteria indigenous to pH 2,8 acid mine water microscopic enumeration
of acid streams, J Bacteriol, 101, 973—981
Ehrlich H L (1963) Microorganisms in acid drainage from a copper mine,
J Bacteriol, 86, 250—352
Enamt I, Fukuda I (1975) Mechanisms of the acido and thermo phily of
Cyanidium caldarium Geitler I Effects of temperature, pH and light
intensity on photosynthetic oxygen evolution of intact and treated cells,
Plant Cell Physiol, 16, 211—220
Enami I, Nagashina H, Fukuda I (1975) Mechanisms of the acido- and thermo-
phily of Cyanidium caldarium Geither 11 Physiological role of the cell
wall Plant Cell Physiol, 16, 221—232
Экстремальные значения pH
359
Filermans С В, Brock Т D (1972) Ecology of sulfur oxidizing bacteria in
hot acid soils, J Bacteriol ,111, 343—350
Fogg G E (1956) ILe comparative physiology and biochemistry of ths blue-
green algae, Bacteriol Rev, 20, 148—165
Fott B, McCarthy S J (1964) Three acidophilic volvocine flagellates in pure
culture, J Protozol, 11, 116—120
Gale E F (1943) Factors influencing the enzymatic activities of bacteria,
Bact Rev, 7, 139—173
Geiger P J, Jaffe L D, Mamikunian G (1965) Biological contamination of
the planets fn Current Aspects of Exobiology (G Mamikunian and
M H Briggs, eds ), pp 283—322, Pergamon Press, New York
Gibson T (1934) An investigation of the Bacillus pasteurii group II Special
physiology of the organisms, J Bacteriol, 28, 313—322
Goldfine H (1972) Comparative aspects of bacteriol lipids, Adv Microbiol
Physiol, 8, 1—58
Haddock B, Cobley J G (1976) Electron transport in the alkalophile Bacillus
pasteurii (NCIB 8841), Biochem Soc Trans, 4, 709—711
Haest C W M De Cier J , op Den Kamp J A F , Bartels P, van Deenen L L M
(1972) Changes in permeability of Staphylococcus aureus and derived
liposomes with varying lipid compositions, Biochim Biophys Acta, 255,
720—733
Haines T H (1971) The chemistry of the sultolipids In Progress in the
Chemistry of Fats and other Lipids (R T Holman, ed), Vol 2, pp 297—
345, Pergamon Press, New York
Handley P S, Knight D G (1975) Ultrastructural changes occurring during
germination and outgrowth of spores of the thermophile Bacillus acido-
caldarius, Arch Microbiol, 102, 155—161
Harold F M (1969) Antimicrobial agents and membrane function, Adv Micro
biol Physiol, 4, 46—104
Harold F M (1972) Conservation and transformation of energy by bacterial
membranes, Bacteriol Rev, 36, 172—230
Harold F M, Altendoif К (1974) Cation transport in bacteria K+, Na+, H+,
In Current Topics in Membranes and Transport (F Bonner and
A Kleinzeller, eds), Vol 5, pp 1—50, Academic Press, New York and
London
Harold F M, Pavlasova E, Baarda J R (1970) A transmembrane pH gradi-
ent in Streptococcus faecalis Origin and dissipation by proton conductors
and N', N'-Dicyclohexylcarbodiimide, Biochem Biophys Acta, 196, 235—
244
Hedbrunn L V (1952) An Outline of General Physiology (3rd ed), Saunders,
Philadelphia
Henderson P J (1971) Ion transport by energy conserving biological membra-
nes, Ann Rev Microbiol, 25, 393—428
Hjorth Hansen S (1939) Uber das Wachstum der Hefe in synthetischer Nahrlo-
sung bei konstantem pH, Biochem Z , 301, 292—300
Holm Hansen О (1968) Ecology, physiology and biochemistry of bluegreen
algae, Ann Rev Microbiol, 22, 47—70
Horikoshi К (1971a) Production or alkaline enzymes by alkalophilic microorga-
nisms I Alkaline protease produced by bacillus No 221, Agric Biol
Chem, 35, 1407—1414
Horikoshi К (1971b) Production of alkaline enzymes by alkalophilic microor-
ganisms II Alkaline amylase produced by bacillus No A 40 2, Agric
Biol Chem , 35, 1783—1791
Horikoshi К (1972) Production of alkaline enzymes by alkalophilic microorga-
nisms HI Alkaline pectinase of bacillus No P 4-N, Agric Biol Chem,
36, 285—293
Horikoshi K, Atsukawa Y (1975) (3-1,3 Gluconase produced by alkalophilic
bacteria, bacillus No К 12 5, Agric Biol Chem, 37, 1449—1456
360
Глава 7
Hsung J. C., Haug A. (1975). Intracellular pH of Thermoplasma acidophila,
Biochim. Biophys. Acta, 389, 477—482.
Hsung J. C„ Haug A. (1977). Membrane potential of Thermoplasma acidophi-
la, FE9BS Lett, 73, 47—50.
Hunter S. H. (1972). Inorganic nutrition, Ann. Rev. Microbiol., 26, 313—346.
Jenkin P. M. (1936). Reports on the Percy Sloden expedition to some rift valley
lakes in Kenya in 1929. VII. Summary of the ecological results, with
special reference to the alkaline lakes, Ann. Mag. Nat. Hist., 18, 133—181.
Johnson H. W. (1923). Relationships between hydrogen ion, hydroxyl ion and
salt concentrations and the growth of seven soil molds, Iowa Agr. Exp.
Stn. Res. Bull, 76, 307—344.
Jones G. E., Benson A. A. (1965). Phosphatidyl glycerol in Thiobacillus thio-
oxidans, J. Bacteriol., 89, 260—261.
Kashket E. R., Wilson T. H. (1973). Proton-coupled accumulation of galactoside
in Streptococcus lactis 7962, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 70, 2866—2869.
Kates M. (1972). Ether-linked lipids in extremely halophilic bacteria. In: Ether
lipids: Chemistry and Biology (F. Snyder, ed.), pp. 351—398, Academic
Press, New York and London.
Kemper E. S. (1966). Acid production by Thiobacillus thiooxidans, J. Bacteriol.,
92, 1842—1843.
Kessler E., Kramer H. (1960). Physiologische untersuchungen an einer unge-
wohnlich saureresistenten Chlorella, Arch. Mikrobiol., 37, 245—255.
Knoche N. W., Shively J. M. (1969). The identification of cis-11, 12-methylene-
2-hydroxvoctadecanoic acid from Thiobacillus thiooxidans, J. Biol.. Chem.,
244, 4773—4778.
Koostra W. L., Smith P. F. (1969). D- and L-Alanylphosphatidylglycerols from
Mycoplasma laidlawii, strain B, Biochemistry, 8, 4794—4806.
Kurono Y., Horikoshi K. (1973). Alkaline catalase produced by bacillus No. KU-1,
Agric. Biol. Chem., 37, 2565—2570.
Kushner D. J. (1964). Microbial resistance to harsh and destructive environmen-
tal conditions. In: Experimental Chemotherapy (R. J. Schnitzer and
F. Hawking, eds.), Vol. 2, pp. 113—168, Academic Press, New York and
London.
Kushner D. J. (1968). Halophilic bacteria, Adv. Appl. Microbiol, 10, 73—99.
Kushner D‘. J., Lisson T. A. (1959). Alkali resistance in Bacillus cereus, J. Gen.
Microbiol., 21, 96—108.
Lackey J. B. (1938). The flora and fauna of surface waters polluted by acid
mine drainage, Publ. Health Rep., Wash., 53, 1499—1507.
Landesman TDuncan D. W., Walden С. C. (1966). Oxidation of inorganic
sulfur compounds by washed cell suspensions of Thiobacillus ferrooxidans,
Can. J. Microbiol., 12, 957—964.
Langworthy T. A. (1977a). Long-chain diglycerol tetraethers from Thermoplas-
ma acidophilum, Biochim. Biophys. Acta, 487, 37—50.
Langworthy T. A. (1977b). Comparative lipid composition of heterotrophically
and autotrophically grown Sulfolobus acidocaldarius, J. Bacteriol., 130,
1326—1332.
Langworthy T. A., Mayberry W. R. (1976a). A 1, 2, 3, 4-Tetrahydroxy pentane-
substituted pentacyclic triterpene from Bacillus acidocaldarius, Biochim.
Biophys. Acta, 431, 570—577.
Langworthy T. A., Smith P. E., Mayberry Ц7. R. (1972). Lipids of Thermoplasma
acidophilum, J. Bacteriol., 112, 1193—1200.
Langworthy T. A., Mayberry W. R., Smith P. F. (1974). Long-chain glycerol
diether and polyol dialkyl glycerol triether lipids of Sulfolobus acidocal-
darius, J. Bacteriol., 119, 106—116.
Langworthy T. A., Mayberry IV. R„ Smith P. F. (1976). A sulfonolipid and no-
vel glucosamidyl glycolipids from the extreme thermoacidophile Bacillus
acidocaldarius, Biochim. Biophys. Acta, 431, 550—569.
Экстремальные значения pH
361
Larsen Н. (1967). Biochemical aspects of extreme halophilism, Adv. Microbiol.
Physiol., 1, 97—132.
Larson A. D., Kallio R. E. (1954). Purification and properties of a bacterial
urease, J. Bacteriol., 68, 67—73.
Levin R. A. (1971). Fatty acids of Thiobacillus thiooxidans, J. Bacteriol., 108,
992—995.
Lundgren D. C., Andersen K. J., Remsen С. C., Mahoney R. P. (1964). Culture,
structure, and physiology of the chemoaulotrophic Ferrobacillus ferrooxi-
dans, Dev. Ind. Microbiol., 6, 250—259.
Lundgren D. G., Vestal J. R., Tabita F. R. (1972). The microbiology of mine
drainage pollution. In: Water Pollution Microbiology (R. Mitchell, ed.),
pp. 69—88, Wiley, New York.
Lundgren D. G., Vestal J. R., Tabita F. R. (1974). The iron-oxidizing bacteria.
In: Microbial Iron Metabolism, a Comprehensive Treatise (J. B. Neilands,
ed.), pp. 457—473, Academic Press, New fork and London.
Lwoff A. (1941). Limites de concentrations en ions H et OH compatibles avec
le development in vitro du flagelle Polytomella caeca, Ann. Inst. Pasteur.,
66, 407—416.
Mahoney R. P., Edwards M. R. (1966). Fine structure of Thiobacillus thiooxi-
dans, J. Bacteriol., 92, 487—495.
Маркосян Г. E. (1973). Новая миксотрофная тионовая бактерия, развиваю-
щаяся в кислой среде, Thiobacillus organoparus sp. п., ДАН СССР, сер.
биол., 211, 1205—1208.
Marsili A., Morelli I. (1968). Triterpenes from mosses. I. The occurrence of
22(29)-hopene in Thamnium alopecurum (L.), Br. Eur. spp. Eu-alopecurum
Giac., Phytochemistry, 7, 1705—1706.
Marsili A., Morelli I. (1970). Triterpenes from Thuidium tamariscifolium, Phyto-
chemistry, 9, 651—653.
Marsili A., Morelli L, lori A. M. (1971). 21-Hopene and some other constituents
of Pseudoscleropodium purum, Phytochemistry, 10, 432—433.
Mayberry-Carson K. L, Langworthy Г. A., Mayberry W. R., Smith P. F.
(19745a). A new class of lipopolysaccharide from Thermoplasma acidophi-
lum, Biochim. Biophys. Acta, 360, 217—229.
Mayberry-Carson K. J., Roth I. L., Harris J. L., Smith P. F. (1974b). Scanning
electron microscopy of Thermoplasma acidophilum, J. Bacteriol., 120,
1472—1475.
Mayberry-Carson K. L, Roth I. L., Smith P. F. (1975). Ultrastructure of lipo-
polysaccharide isolated from Thermoplasma acidophilum, J. Bacteriol.,
121, 700—703.
Meek C. S., Lipman С. B. (1922). The relation of the reactions of the salt con-
centration of the medium to nitrifying bacteria, J. Gen. Physiol., 5,
195—204.
McGoran C. J. M., Duncan D. W'., Walden С. C. (1969). Growth of Thiobacillus
ferrooxidans on various substrates, Can. J. Microbiol., 15, 135—138.
McLachlan J., Gorham P. R. (1962). Effects of pH and nitrogen sources on
growth of Microcystis aeruginosa Kutz., Can. J. Microbiol., 8, 1—11.
Mclaren A. D., Skujins J. (1968). The physical environments of microorganisms
in soil. In: The Ecology of Soil Bacteria (T. R. G. Gray and D. Parkin-
son, eds.), Liverpool University Press, Liverpool.
Millong G., DeRosa M., Gambacorta A., Bu’Lock J. D. (1975). Ultrastructure
of an extremely thermophilic acidophilic microorganism, J. Gen. Micro-
biol., 86, 165—173.
Mosser J. L, Mosser A. G, Brock T. D. (1973). Bacterial origin of sulfuric acid
in geothermal habitats, Science, 179, 1323—1324.
Neal A. L„ Weinstock J. O., Lampen J. O. (1965). Mechanisms of fatty acid
toxicity for yeast, J. Bacteriol., 90, 126—131.
Ohta K, Klyomiya A., Koyama N., Nosoh У. (1975). The basis of the alkalo-
philic property of a species of Bacillus, J. Gen. Microbiol., 86, 259—266.
362
Глава 7
Oshima М„ Ariga Т. (1975). a>-Cyclohexyl fatty acids in acidophilic thermophilic
bacteria, J. Biol. Chem., 250, 6963—6968.
Oshima T., Kawasaki Y. (1976). Bacteria in hot springs. Introduction to studies
on acidophilic and thermophilic bacteria, Gendai Kagaku, 66, 12—17.
Oshima M„ Yamakawa T. (1974). Chemical structure of a novel glycolipid
from an extreme thermophile, Flavobacterium thermophilum, Biochemistry,
13, 1140—1146.
Peck H. D. (1968). Energy-coupling mechanisms in chemolithotrpophic bacteria,
Ann. Rev. Microbiol., 22, 489.
Rao G. S., Berger L. R. (1971). The requirement of low pH for growth of Thio-
bacillus thiooxidans, Arch. Mikrobiol., 79, 338—344.
Ray P. H„ White D. C., Brock T. D. (1971). Effect of growth temperature on
the lipid composition of Thermus aquaticus, J. Bacteriol., 108, 227—235.
Remsen C., Lundgren D. G. (1966). Electron microscopy of the cell envelope of
Ferrobacillus ferroxidans prepared by freeze-etching and chemical fractio-
nation techniques, J. Bacteriol., 92, 1765—1771.
Rottem S„ Yashomy J., Ne’eman Z„ Razin S. (1973), Cholesterol in Mycoplas-
ma membranes: composition, ultrastructure and biological properties from
Mycoplasma mycoides var. Capri cells adapted to grow with low choleste-
rol concentrations, Biochim. Biophys. Acta, 323, 495—508.
Rottenberg H. (1975). The measurement of transmembrane electrochemical pro-
ton gradients, Bioenergetics, 7, 61—74.
Rottenberg H, Grunwald T. (1972a). Determination of ApH in chloroplasts.
3. Ammonium uptake as a measure of ApH in chloroplasts and sub-chloro-
plast particles, Eur. J. Biochem., 25, 71—74.
Rottenberg H., Grunwald T., Avron M. (1972b). Determination of ApH in chloro-
plasts. 1. Distribution of [”C] methylamine, Eur. J. Biochem., 25, 54—63.
Ruwart M. J., Haug A. (1975). Membrane properties of Thermoplasma acidophi-
la, Biochemistry, 14, 860—866.
Sakaki Y., Oshima T. (1976). A new lipid-containing phage infecting acidophilic,
thermophilic bacteria, Virology, 76, 256—259.
Satake J., Saijo Y. (1974). Carbon dioxide content and metabolic activity of
microorganisms in some acid lakes in Japan, Limnol. Oceanogr., 19,
331—338.
Schuldiner S., Rottenberg H., Avron M. (1972). Determination of ApH in chlo-
roplasts. 2. Fluorescent amines as a probe for the determination of ApH
in chloroplasts, Eur. J. Biochem., 25, 64—70.
Schulz E., Hirsch P. (1973). Morphologically unusual bacteria in acid bog water
habitats, Abst. Am. Soc. Microbiol., 73, 60.
Searcy D. G. (1975). Histone-like protein in the prokaryote Thermoplasma acido-
philum. Biochim. Biophys. Acta, 395, 535—547.
Searcy D. G. (1976). Thermoplasma acidophilum: Intracellular pH and potassium
concentration, Biochim. Biophys. Acta, 451, 278—286.
Searcy D. G. (1976). Thermoplasma acidiphilum: Studies on a procaryote that
contains a histone-like protein, Symp. Mol. Cell. Biol., 5, 51—57.
Shaw N. (1974). Lipid composition as a guide to the classification of bacteria,
Adv. Appl. Microbiol., 17, 63—108.
Shirfine M., Phaff H. J. (1958). On the isolation, ecology and taxonomy of
Saccharomycopsis guttulatta, Antonie van Leeuwenhoek, 24, 193—209.
Shively J. M„ Benson A. A. (1967). Phospholipids of Thiobacillus thiooxidans,
J. Bacteriol., 94, 1679—1683.
Shively J. M., Knoche H. W. (1969). Isolation of an ornithine-containning lipid
from Thiobacillus thiooxidans, J. Bacteriol., 98, 829.
Short S. A., White D. C„ Aleem M. I. H. (1969). Phospholipid metabolism in
Ferrobacillus ferrooxidans, J. Bacteriol., 99, 142—150.
Siegel S. M., Giumarro C. (1966). On the culture of an microorganism similar
to the Precambrian microfossil Kakabekia umbellata Barghoorn in ammo-
nia-rich atmospheres, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 55, 349—353.
Экстремальные значения pH
363
Siegal S. М., Roberts К., Nathan Н., Daly О. (1967). Living relative of the
microfossil Kakabekia, Science, 156, 1231—1234.
Siesjd B. K-, Ponlen U. (1966). Intracellular pH-true parameter or misnomer?
Ann. N. Y. Acad. Sci., 133, 78—86.
Silver M., Lundgren D. G. (1968a). Sulfur-oxidizing enzyme of Ferrobacillus
ferrooxidans (Thiobacillus ferrooxidans), Can. J. Biochem., 46, 457—461.
Silver M., Lundgren D. G. (1968b). The thiosulfate-oxidizing enzyme of Fer-
robacillus ferrooxidans (Thiobacillus ferrooxidans), Can. J. Biochem.,
46, 1215—1219.
Silverman M.' P., Ehrlich H. L. (1964). Microbial formation and degradation
of minerals, Adv. Appl. Microbiol., 6, 153—206.
Singer P. C., Stumm W. (1970). Acidic mine drainage: the rate-determining
step, Science, 167, 1121—1123.
Singleton R., Amelunxen R. E. (1973). Proteins from thermophilic microorga-
nisms, Bacteriol. Rev., 37, 320—342.
Skinner F. A. (1968). Limits of microbial existence, Proc. R. Soc., Ser. B. Biol.
Sci., 171, 77—89.
Sletten 0., Skinner С. E. (1948). Fungi capable of growing in strongly acid
media and in concentrated copper sulfate solutions, J. Bacteriol., 56, 679—
681.
Smith P. F„ Langworthy T. A., Mayberry W. R. (1973a). Lipids of mycoplasmas,
Ann N. Y. Acad. Sci., 225, 22—27.
Smith P. F., Langworthy T. A., Mayberry W. R., Houghland A. E. (1973b).
Characterization of the membranes of Thermoplasma acidophilum, J. Bac-
teriol., 116, 1019—1028.
Smith P. F., Langworthy T. A., Smith M. R. (1975). Polypeptide nature of
growth requirement in yeast extract for Thermoplasma acidophilum,
J. Bacteriol., 124, 884—892.
Smith G. G., Ruwart M. J., Haug A. (1974). Lipid phase transitions in membra-
ne vesicles from Thermoplasma acidophila, FEBS Lett., 45, 96—98.
Souza K- A., Deal P. H., Mack H. M„ Turnbill E. E. (1974). Growth and repro-
duction of microorganisms under extremely alkaline conditions, Appl.
Microbiol., 28, 1066—1068.
Starkey R. L., Waksman S. A. (1943). Fungi tolerant to extreme acidity and
high concentrations of copper sulfate, J. Bacteriol., 45, 509—519.
Stotsky G. (1972). Activity, ecology and population dynamics of microorganisms
in soil. In: Critical Reviews in Microbiology (A. I. Laskin and H. Leche-
valier, eds.), CRC Press, Cleveland.
Sugiyama T., Smith P. F., Langworthy T. A., Mayberry W. R. (1974). Immuno-
logical analysis of glycolipids and lipopolysaccharides derived from
various mycoplasmas, Infect. Immun., 10, 1273—1279.
Suzuki I. (1965). Oxidation of elemental sulfur by an enzyme system of Thio-
bacillus thiooxidans, Biochim. Biophys. Acta, 104, 359—371.
Tabita R„ Silver M., Lundgren D. G. (1969). The rhodanase enzyme of Ferro-
bacillus ferrooxidans (Thiobacillus ferrooxidans). Can. J. Biochem, 47,
1141—1145.
Thimann K- V. (1963). The Life of Bacteria (2nd ed.), Macmillan Co., New
York.
Thomas J. A., Cole R. E., Langworthy T. A. (1976). Intracellular pH measure-
ments with a spectroscopic probe generated in situ, Fed. Proc., 35, 1455.
Touvinen О. H., Kelly D. P. (1972). Biology of Thiobacillus ferrooxidans in
relation to the microbiological leaching of sulfide ores, Z. Allg. Mikrobiol.,
12,311—346.
Uchino F„ Doi S. (1967). Acido-thermophilic bacteria from thermal waters,
Agric. Biol. Chem., 31, 817—822.
Vallentyne J. R. (1963). Environmental biophysics and microbial ubiquity, Ann.
N. Y. Acad. Sci., 108, 342—352.
VanderWerf C. A. (1961). Acids, Bases, and the Chemistry of the Covalent
364
Глава 7
Bond. In: Selected Topics in Modern Chemistry (H. H. Sister and
C. A. VanderWerf, eds.), pp. 33—39, Reinhold, New York.
Vedder A. (1934). Bacillus alcalophilus n. sp., benevens enkele ervaringen met
sterk alcalische voedingsbodems, Antonie van Leeuwenhoek, 1, 141—147.
Vestal J. R., Lundgren D. G., Milner К. C. (1973). Toxic and immunological
differences among lipopolysaccharides from Thiobacillus ferrooxidans
grown autotrophically and heterotrophically, Can. J. Microbiol., 19,
1335________1339
Vishniac W., Santer M. (1957). The Thiobacilli, Bacteriol, Rev., 21, 195—213.
Waddell W. J., Bates R. G. (1969). Intracellular pH, Physiol. Rev., 49, 285—329.
Waddell W. J., Butler T. C. (1959). Calculation of intracellular pH from the
distribution of 5,5-dimethyl-2,4-oxazolidinedione (DMO). Application to
skeletal muscle of the dog, J. Clin. Invest., 38, 720—729.
Waksman S. A., Jaffe J. S. (1922). Microorganisms concerned in the soil. II.
Thiobacillus thiooxidans, a new sulfur-oxidizing organism isolated from
the soil, J. Bacteriol., 7, 239—256.
Walsh F., Mitchell R. (1972a). An acid-tolerant iron-oxidizing Metallogenium,
J. Gen. Microbiol., 72, 369—376.
Walsh F„ Mitchell R. (1972b). A pH-dependent succession of iron bacteria,
Environ. Sci. Technol., 6, 809—812.
Wang W. S., Lundgren D. G. (1968). Peptidoglycan of a chemolithotrophic bac-
terium, Ferrobacillus ferrooxidans, J. Bacteriol., 95, 1851—1856.
Wang W. S., Korczynski M. S„ Lundgren D. G. (1970). Cell envelope of an
iron-oxidizing bacterium: structure of lipopolysaccharide and peptidogly-
can, J. Bacteriol., 104, 556—565.
Weiss R. L. (1973). Attachment of bacteria to sulfur in extreme environments,
J. Gen. Microbiol., 77, 501—507.
Weiss R. L. (1974). Subunit cell wall of Sulfolobus acidocaldarius, J. Bacteriol.,
118, 275—284.
Wiame J. M., Harpigny R., Dothey R. G. (1959). A new type of Acetobacter:
Acetobacter acidophilum prov. sp., J. Gen. Microbiol., 20, 165—172.
Wiley W. R„ Stokes J. C. (1962). Requirement of an alkaline pH and ammonia
for substrate oxidation by Bacillus pasteurii, J. Bacteriol., 84, 730—734.
Wiley W. R„ Stokes J. L. (1963). Effect of pH and ammonium ions on the
permeability of Bacillus pasteurii, J. Bacteriol., 86, 1152—1156.
Yamazaki Y., Koyama N., Nosoh Y. (1973). On the acidostability of an acido-
philic thermophilic bacterium, Biochim. Biophys, Acta, 314, 257—260.
ГЛАВА 8
ЖИЗНЬ МИКРООРГАНИЗМОВ
ПРИ ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ СОЛЕЙ
И РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ:
ГАЛОФИЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ 1
Д. Кашнер
(D. J. Kushner, University of Ottawa)
1. ВВЕДЕНИЕ
В живых клетках вода служит средой, в которой молекулы
разных размеров взаимодействуют между собой. Структура во-
ды, в которой находятся растворенные вещества, контролирует
все жизненно важные процессы в клетке: действие ферментов и
регуляцию их активности, ассоциацию и диссоциацию орга-
нелл, структуру мембран и их функционирование. Небольшие
изменения в концентрации растворенных веществ и активности
воды могут приводить к значительным физиологическим измене-
ниям, поэтому не удивительно, что многоклеточные организмы
выработали специальные физиологические механизмы для под-
держания постоянного состава не только жидкостей тела, но и
внутриклеточной среды. Приведем только один пример: в крови
млекопитающих поддерживается равновесие между ионами нат-
рия и калия с помощью сложного гормонального контроля, дей-
ствующего на уровне почек и основанного на обмене между
кровью и тканями.
Однако микробные клетки должны самостоятельно приспо-
сабливаться к внешней водной среде. В качестве «экстремаль-
ных условий» можно рассматривать весьма обычные условия,
когда клетки растут в растворах, значительно более разбавлен-
ных, чем их внутренняя среда, что имеет место у всех пресновод-
ных микроорганизмов. Животные предохраняют от осмотическо-
го лизиса клетки своего тела, поддерживая концентрации ве-
ществ, растворенных во внеклеточных жидкостях, в соответствии
с их концентрациями внутри клеток. Часто их наружный покров
совершенно непроницаем для воды1 2. Большинство микроорга-
низмов (а также растительных клеток) покрыто жесткой клеточ-
1 Посвящается памяти д-ра Нормана Гиббонса (Norman Gibbons, 1906—
1977), пионера в изучении галофильных бактерий. Я лично благодарен ему за
то, что он сделал мне много добра и привлек меня к изучению микроорганиз-
мов, живущих в экстремальных условиях.
2 А также для растворенных веществ: у меня есть сведения, что многие
членистоногие могут выживать в жидких фиксаторах в течение длительного
времени, если их наружный покров остается неповрежденным
366
Глава 8
ной стенкой, предотвращающей их лизис в результате высокого
осмотического давления, возникающего внутри этих клеток.
У простейших, которые имеют более гибкие стенки, проблемы,
связанные с высоким осмотическим давлением, решаются дру-
гим путем: вода, поступающая в клетки, собирается в сократи-
тельные вакуоли, а затем выделяется из них наружу.
Напротив, клетки, растущие при высоких концентрациях
растворенных веществ, по-видимому, не способны поддерживать,
цитоплазму в более разбавленном состоянии. Действительно,
как отметил Браун (Brown, 1964а, 1976), это было бы возможно
только в том случае, если бы клетки были непроницаемы для
воды или непрерывно осуществляли активное выделение раство-
ренных веществ. Хотя внутриклеточная среда микроорганизмов
по химическому составу сильно отличается от внешней, не изве-
стно ни одного вида, который был бы способен поддерживать
внутри клеток общую концентрацию растворенных веществ на
более низком уровне, чем в окружающей среде.
В настоящей главе обсуждаются природные места обитания,
классификация и физиология микроорганизмов, способных су-
ществовать в присутствии высоких концентраций солей или дру-
гих растворенных веществ, причем особое внимание в ней
уделяется механизмам, которые они используют для приспособле-
ния к таким условиям. Все эти проблемы неоднократно рассмат-
ривались как в ранних, так и в сравнительно недавно опублико-
ванных обзорах (Flannery, 1956; Brown, 1964а, 1976; MacLeod,
1965; Larsen, 1962, 1967, 1973; Ingram, 1957; Kushner, 1968, 1971;
Onishi, 1963; Lanyi, 1974a; Gibbons, 1970). К указанным обзорам
следует обращаться для детального ознакомления с ранней ли-
тературой. Вполне понятно, что при любом рассмотрении дан-
ного вопроса основное внимание следует уделять «главным дей-
ствующим лицам» — экстремально галофильным бактериям, по-
скольку наиболее интенсивные исследования были проведены с
использованием именно этих микроорганизмов. И лишь сравни-
тельно недавно стало ясно, что при изучении микроорганизмов,
способных расти в широком диапазоне концентраций растворен-
ных веществ, также могут возникать такие же трудные и зани-
мательные проблемы, как и при изучении экстремальных гало-
филов.
II. ПРИРОДНЫЕ МЕСТА ОБИТАНИЯ
С ВЫСОКИМИ КОНЦЕНТРАЦИЯМИ СОЛЕЙ
И ДРУГИХ РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Высокие концентрации солей и сахаров уже давно использу-
ются для консервирования пищевых продуктов. В начальный пе-
риод изучения микроорганизмов, толерантных в отношении солей
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
367
и других растворенных веществ, интерес к ним в основном был
обусловлен тем, что они, как было подмечено, вызывают порчу
продуктов с большим содержанием соли или сахара (Ingram,
1957; Scott, 1957). Окрашенные в красный цвет галофилы при-
влекли к себе внимание вследствие их способности вызывать
порчу соленой рыбы и шкур животных, хотя эти микроорганиз-
мы заявили о себе сотни лет назад — об их присутствии говорит
красный цвет солеварен, где под действием солнечных лучей
происходит выпаривание соли из морской воды (Baas-Becking,
1931). Эти солеварни длительное время были богатыми источни-
ками красных галофильных бактерий; некоторые из изучаемых
в настоящее время бактерий получены из солеварен, одна из ко-
торых расположена вблизи лаборатории НАСА на берегу залива
Сан-Франциско. Другим хорошим источником галофильных бак-
терий служат природные соленые озера, например Мертвое море,
откуда было получено несколько штаммов, используемых учены-
ми Израиля со времени первых исследований микрофлоры этого
водоема, проведенных Волкени (Volcani, 1940). В табл. 8.1 пе-
речислены ионы, содержащиеся в некоторых соленых озерах.
Следует отметить, что не во всех озерах такого рода NaCl явля-
ется главным солевым компонентом; в Мертвом море содержа-
ние Mg2+ выше, чем содержание Na+. Существуют и другие ин-
Таблица 8.1
Ионный состав воды в некоторых природных соленых озерах
Озеро Катионы Анноны Общее содер- жание солей Источник данных
Na+ К+ Mg2+ Са’+ С1 SO4 НСО3 Вг
Большое Со- леное озеро 8,99 0,47 0,8 — 15,0 0,20 — — 27,5 Brock, 19692
Мертвое мо- ре1 3,49 0,75 4,19 1,58 20,8 0,54 0,24 — 31,5 Brock, 1969
Озеро Ассал на поверх- ности на глубине 20 м 7,78 9,1 0,54 0,63 0,80 2,92 1,46 1,58 16,4 24,6 0,23 0,15 — 0,47 0,51 Brisou et al., 1974
Концентрации выражены в граммах иа 100 мл.
1 Бризу и др (Brisou et al., 1974) приводят для Мертвого моря цифры, показывающие,
что иа глубине 50 м концентрации солей значительно выше, чем иа поверхности Это дает осно-
вание думать, что цифры, указанные Броком (Brock, 1969), относятся к концентрациям со-
лей на поверхности озера
2 В воде других упомянутых Броком (Brock, 1969) озер содержится более 7,5% NaHCOa,
который является практически единственным растворенным веществом, или главным образом
MgSO4 (общая соленость >25%). В его статье приводятся также данные для сверхсоленых
лагун.
368
Г лава 8
тересные соленые озера, которые, однако, в микробиологическом
отношении либо мало, либо совсем не изучены. В этих озерах,
по-видимому, нет никаких форм жизни, кроме бактерий и других
микроорганизмов, встречающихся в них в большом изобилии.
Как отметил Брок (Brock, 1969), это не означает, что такие мик-
роорганизмы относятся к постоянным обитателям данных озер.
Так, например, в озере Ассал, находящемся в отдаленной и поч-
ти недоступной части Французского Сомали, был выявлен (Bri-
sou et aL, 1974) ряд бактерий, среди которых преобладали пре-
сноводные и эвригалинные виды (растущие в среде, содержащей
NaCl в концентрации от 1 до 5%); были также найдены умерен-
ные и экстремальные галофилы. Большинство выделенных видов
не могло развиваться при тех концентрациях соли, которые были
обнаружены в этом озере. Поэтому кажется наиболее вероят-
ным, что к природным обитателям озера относятся только гало-
филы, остальные же микроорганизмы приносятся несколькими
впадающими в него реками. Значительную часть обнаруженных
микроорганизмов составляют бациллы. Это говорит о хорошей
выживаемости данных видов в очень соленой воде. Некоторое
время считали, что бактерии могут расти в незамерзающем пру-
ду Дон-Жуан в Антарктике, где вода, активность которой
(aw) близка к 0,45, представляет собой насыщенный раствор
хлорида кальция. Полученные позже результаты убедительно
свидетельствуют в пользу того, что найденные в этом пруду бак-
терии были принесены внешними потоками (Horowitz, 1976).
Поэтому величина aw, равная 0,62, может по-прежнему рассмат-
риваться как минимальная активность воды, при которой еще
возможен рост микроорганизмов.
Кроме природных или искусственных озер хорошими среда-
ми, поддерживающими рост толерантных к солям и другим раст-
воренным веществам микроорганизмов, служат некоторые пище-
вые продукты. Большинство изученных японскими исследовате-
лями микроорганизмов такого типа было выделено ими из соу-
сов двух видов, один из которых содержал 18% NaCl, а другой —
от 7 до 20% (Onishi, 1963). К счастью для потребителей, эти
соусы содержат не экстремальных галофилов, а солетолерант-
ные микроорганизмы, так как брожение, необходимое для их
производства, проводится в темноте. Красные же галофилы, по-
видимому, имеют селективные преимущества при росте на ярком
солнечном свету благодаря тому, что характерные для них пиг-
менты не только обеспечивают им защиту от видимого света, но
и помогают в процессе фотореактивации после ультрафиолетово-
го облучения (Dundas, Larsen, 1962; Hescox, Carlberg, 1972). Од-
нако даже в этих условиях они растут медленно, поэтому нельзя
ожидать, что они преобладают в неосвещенной среде, при кон-
центрации соли ниже оптимальной и в анаэробных условиях.
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
369
Концентрация растворенного вещества,% (вес/объем)
Рис. 81 Зависимость между концентрациями различных растворенных ве-
ществ (выраженными в граммах на 100 мл раствора) и активностью воды
(aw) в этих растворах.
III. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ВЫСОКИХ КОНЦЕНТРАЦИЙ
РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Действие высоких концентраций растворенных веществ на
микроорганизмы может быть обусловлено самим растворенным
веществом или его влиянием на активность воды, aw. Любое ве-
щество, содержащееся в растворителе, притягивает молекулы
этого растворителя и таким образом снижает их подвижность.
Активность воды (aw) можно определить согласно уравнению
UW -- п --- ’
Pq Пу П2
где Р — давление пара раствора, а Ро — давление пара раство-
рителя (чистой воды); ni и п.2— число молей растворителя и
растворенного вещества соответственно. Более детальный ана-
лиз концепции «активности воды» и способов ее расчета для
растворов известной концентрации содержится в опубликован-
ных обзорах (Scott, 1957; Kushner, 1971; Brown, 1976). На
рис. 8.1 приведены величины aw растворов, в которых возможен
рост микробов. Влияние величины ал на рост микробов опреде-
ляется путем добавления растворяемых веществ к питательной
среде или (особенно при изучении отношения к воде грибов,
способных расти в условиях низкой влажности) путем уравнове-
370
Глава 8
Таблица 8.2
Величины активности воды (aw), лимитирующие рост микроорганизмов
Организм Нижиий предел роста, Оптимальные значения
Грибы Rhizopus nigricans Penici Ilium (8 видов) Aspergillus flavus A. niger A. amstelodamii Sporendonema sebi Xeromyces bisporus1 Дрожжи Saccharomyces cerevisiae Candida pseudotropicalis Saccharomyces rouxii2 Бактерии3 Bacillus subtilis Pseudomonas aeruginosa Escherichia coli Vibrio metchnikovii Lactobacillus2 Staphylococcus (14 видов) Умеренные галофилы Vibrio costicola Paracoccus halodenitrificans Экстремальные галофилы Галобактерии и галококки 0,93 0,80—0,90 0,90 0,84 0,77 0,65 0,94 (в присутствии NaCl) 0,92 (в присутствии глюкозы) 0,90 (на агаре, уравновешен- ном с раствором солей) 0,93 (в присутствии NaCl) 0,860 (в присутствии NaCl) 0,857 (в присутствии сахаро- зы) 0,845 (в присутствии глюко- зы) 0,949 0,945 0,932 0,995—0,96 0,90 0,86—0,88 0,86—0,98 (в присутствии NaCl) 0,86—0,98 (в присутствии NaCl) 0,75—0,88 (в присутствии NaCl) 0,96—0,98 0,70—0,95 0,90—0,97
1 X. bisporus не растет при av, превышающих 0,97.
2 Из работы Брауна (Brown, 1976). Браун приводит значительно более низкую лимити-
рующую величину aw (0,60) для Saccharomyces rouxii, растущего в присутствии сахара.
3 За исключением галофилов, большинство этих бактерий лучше всего растет в таких
средах, как питательный бульон (aw = 0,999) без добавления дру1их растворимых веществ.
V. metchnikovii и V. cholerae не растут в- питательном бульоне без добавления солей.
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
371
шивания небольшого объема среды с большим объемом раство-
ра соли или H2SO4 с желаемой величиной активности воды
(Scott, 1957). В табл. 8.2 перечислены величины aw, лимитирую-
щие рост различных микроорганизмов во всем диапазоне aw, в
котором возможна жизнь.
Для нескольких микроорганизмов было установлено, что са-
мое низкое значение aw, при котором возможен рост, не зависит
от того, создается ли оно ионным или неионным растворенным
веществом. Например, гриб Aspergillus amstelodamii не может
расти при aw выше 0,99, тогда как лучше всего он растет при aw,
равной 0,96, независимо от того, достигнуто ли это значение до-
бавлением сахарозы, глюкозы, глицерина, MgCl2 или NaCl
(Scott, 1957). Аналогично минимальное значение aw для роста
штаммов Staphylococcus aureus, вызывающих пищевые токсико-
инфекции, и некоторых штаммов сальмонелл одинаково при ис-
пользовании в качестве растворенных веществ сахаров, солей,
сухих супов, мясного и молочного порошков (Scott, 1957). Обо-
гащение среды питательными веществами повышает минималь-
ное значение aw, при котором растет Salmonella Oranienburg
(Christian, 1955), а также повышает' минимальную и макси-
мальную величины aw (верхнюю и нижнюю концентрации
NaCl), при которых Могут расти умеренно галофильные бакте-
рии Vibrio costicola и Paracoccus (прежнее название Micrococ-
cus') halodenitrificans (Forsyth, Kushner, 1970). В других случаях
природа растворенного во внешней среде вещества определен-
ным образом влияет на минимальную величину aw, допускаю-
щую рост микроорганизма. Наглядным примером служит
Saccharomyces rouxii, который в присутствии сахаров растет при
значительно более низких значениях aw, чем в присутствии со-
лей (см. табл. 8.2). Не всегда можно заранее сказать, будет ли
растворенное вещество оказывать на микроорганизм специфи-
ческое действие или влиять на доступность воды.
IV. ТАКСОНОМИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЕРАНТНЫХ
К РАСТВОРЕННЫМ ВЕЩЕСТВАМ
И ГАЛОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Организмы, толерантные к солям и другим растворенным
веществам, широко распространены среди бактерий, грибов,
дрожжей, водорослей и простейших, а также среди вирусов, спе-
цифичных для некоторых из этих организмов (табл. 8.2 и 8.3);
ряд примеров приведен в тексте. К наиболее характерным для
этой группы организмам относятся экстремально галофильные
бактерии родов Halobacterium и Halococcus, способные к росту
в насыщенном растворе NaCl (около 32% или 5,2 М). Они харак-
теризуются тем, что нижний, критический для их роста предел
372
Глава 8
Таблица 8.3
Реакция различных микроорганизмов на соль1
Категория Реакция Примеры
Негалофилы Лучше всего растут на средах с концентрацией соли менее 0,2 М2 Большинство обычных эубактервй и пресновод- ных микроорганизмов
Слабые галофилы Лучше всем растут на средах, содержащих 0,2—0,5 М соль Большинство морских микроорганизмов
Умеренные галофилы Лучше всего растут на средах, содержащих 0,5—2,5 М соль. Орга- низмы, способные к рос- ту в менее чем 0,1 М растворе соли, рассмат- риваются как факульта- тивные галофилы Бактерии и некоторые водоросли (более под- робный перечень приве- ден в табл. 8.6)
Погранично экстремаль- ные галофилы3 Лучше всего растут на средах, содержащих 1,5—4,0 М соль Ectothiorhodospira halop- hila, Actinopolyspora ha- lophila
Экстремальные галофилы Лучше всего растут на средах, содержащих 2,5—5,2 М соль (насы- щенный раствор) « Красные галофилы», га- лобактерии и галокскки
Галотолеранты Негалофилы, выдержи- вающие присутствие со- ли. Если диапазон их роста выходит за преде- лы 2,5 М соли, их мож- но рассматривать как экстремальные галотоле- ранты Staphylococcus aureus и другие стафилококки; толерантные к раство- ренным веществам дрож- жи и грибы4
1 Расширенный вариант классификации, предложенной Ларсеном (Larsen, 1962) и Швид-
лером (Shindler, 1976).
2 <Соль> обычно представляет собой NaCl, но в растворе могут присутствовать и другие
соли в дополнение к минимальному количеству NaCl.
3 Галофильная сине-зеленая водоросль (цианобактерия) Aphanothece halophytica, неспо-
собная расти при концентрации NaCl менее 1,5 М, описана Миллером и др. (Miller et al.,
1976), а также Броком (Brock, 1976).
* Галотолерантиая сиие-зеленая водоросль Cocchochloris elabens может растн в присутст-
вии 25% NaCl (4,3 М) (Као et al., 1973). Staphylococcus epidermidis может расти в присут-
ствии 4,0 М NaCl (Koniaratat, Kates, 1975).
содержания NaCl составляет 12—15% (Buchanan, Gibbons,
1974), в то же время целый ряд других организмов, способных к
росту в насыщенном растворе NaCl, нуждается в значительно
меньших его количествах, чем экстремальные галофилы. Гало-
бактерии и галококки обладают многими биохимическими свой-
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
373
ствами, отличающими их от других форм микроорганизмов. Не-
давно открытый актиномицет Actinopolyspora halophila (Goch-
nauer et al., 1975), для которого минимальная потребность в
NaCl составляет 10% на твердой среде и 12% на жидкой, также
может рассматриваться как экстремальный галофил, правда за-
нимающий пограничное положение. Как мы увидим, у него от-
сутствуют некоторые из биохимических «маркеров», характер-
ных для других экстремальных галофилов. Статус пограничного
организма должен быть также присвоен фотосинтезирующей
бактерии Ectothiorhodospira halophila, которая может расти при
несколько более низкой концентрации NaCl, чем экстремальные
галофилы.
К умеренным галофилам, которые впервые были описаны
Бекстером и Гиббонсом (Baxter, Gibbons, 1956), было отнесено
несколько организмов, вызывающих порчу пищевых продуктов и
способных расти при концентрациях NaCl от 0,5 до 3,5 М
(приблизительно 3—20%). Это определение относится также ко
многим морским бактериям, которые нуждаются для своего рос-
та в присутствии NaCl в концентрации около 0,5 М (3%;
MacLeod, 1965), но, как было установлено при дальнейшем ис-
следовании, выдерживают значительно более высокие концент-
рации NaCl, например 20, 25 и даже 30% (Forsyth et al., 1971).
Полученные в последнее время данные показывают, что точ-
ное определение нижней концентрации соли, необходимой для
роста умеренно галофильных бактерий, невозможно, если при
этом не указывается температура. При 20°С описанный недавно
вид Pianococcus halophilus (Novitsky, Kushner, 1976) растет при
почти полном отсутствии в среде ионов Na+ (0,01 М). При по-
вышении температуры до 25°С или выше концентрация NaCl
должна быть увеличена по крайней мере до 0,5 М, причем NaCl
не может быть заменен КС1 или какими-либо неионными веще-
ствами (Novitsky, Kushner, 1975). Таким образом, если экспери-
менты проводятся при 25°С, то данный организм (способный
расти в присутствии 4,0 М NaCl) можно классифицировать как
высокотолерантный к соли, тогда как при 20°С его следует рас-
сматривать как умеренный галофил.
Эти эксперименты заставляют задуматься над следующими
вопросами: насколько распространены в природе истинные уме-
ренные галофилы и уменьшается ли при снижении температуры
солетолерантность других представителей умеренных галофилов.
В этой связи повторному исследованию был подвергнут, вероят-
но, наиболее изученный умеренный галофил Vibrio costicola, ко-
торый при температуре 30°С растет в диапазоне концентраций
NaCl от 0,5 до 4,0 М. При 20°С концентрация NaCl может быть
снижена до 0,2 М, но не ниже (Shindler, неопубликованные дан-
ные). Для негалофильных бактерий это может считаться сушест-
374
Глава 8
венной солевой потребностью, однако она значительно ниже,
чем соответствующая потребность при более высокой температу-
ре. Таким же образом следует проверить и другие «умеренные
галофилы». Наши эксперименты позволяют предполагать, что
при снижении температуры потребность таких микроорганизмов
в соли можно уменьшить или устранить совсем.
Причины результатов, полученных для Р. halophilus и
V. costicola, неизвестны, однако это отнюдь не единственный
случай, когда у микроорганизмов изменяются потребности в
растворенных веществах в зависимости от температуры или, ско-
рее, изменяется их реакция на температуру под действием раст-
воренных веществ. Есть даные о том, что как ионные, так и не-
ионные растворенные вещества оказывают защитное действие на
многие температурочувствительные (Ts) мутанты Escherichia co-
li при непермиссивных температурах (Bilsky, Armstrong, 1973).
Причем результаты этих опытов показывают, что защита не
обусловлена какими-либо определенными ионами. Скорее, это
еще один пример общего явления «осмотической защиты»,
наблюдаемого у определенных мутантов нескольких видов, ко-
торые могут быть предохранены от летальных последствий мута-
ции растворенными веществами.
Интересными примерами организмов, нуждающихся для со-
хранения своей нормальной морфологии в солях или других
растворенных веществах, служат так называемые rod-мутанты
Bacillus subtilis и В. licheniformis. Такие мутанты имеют вид
нормальных клеток, если в среде присутствует 0,8 М NaCl, одна-
ко в отсутствие NaCl они растут совершенно аномальным обра-
зом, превращаясь в нити из кокковидных тел с искривленной
стенкой, хотя при этом многие из них, по-видимому, еще сохра-
няют жизнеспособность. При высокой температуре (45°С) rod-
мутанты в отличие от нормальных клеток нуждаются для роста
в NaCl (Rogers et al., 1970).
А. ВЫДЕЛЕНИЕ МУТАНТОВ, НУЖДАЮЩИХСЯ
В БОЛЬШИХ ИЛИ МЕНЬШИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ
РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Из последующего изложения станет ясно, что между экстре-
мально галофильными бактериями и всеми остальными микро-
организмами существуют значительные генетические различия.
Вряд ли вызывает удивление то, что предпринятые в прошлом
попытки превращения экстремальных галофилов в умеренные и
наоборот оказались неудачными (Larsen, 1967; Kushner, 1968).
Однако исследователи, работающие с некоторыми эукариотичес-
кими организмами, добились большего успеха, поэтому в скором
времени, вероятно, можно будет изучать генетические основы то-
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
375
лерантности микроорганизмов к растворенным веществам и
потребности в них. Пределы концентрации солей для более или
менее галофильных видов Dunaliella были раздвинуты в обоих
направлениях (Drown, 1976). Удалось выделить ряд облигатно
осмофильных мутантов Saccharomyces rouxii (Koh, 1975а, b).
Многие из этих мутаций, по-видимому, заключались в изменении
только одного гена. Большинство осмофильных мутантов, веро-
ятно, имели ослабленные клеточные ободочки; у одного из них,
исследованного более детально (Koh, 197&b), оказался изменен-
ным химический состав оболочки. Зависимость между осмоляр-
ностью и температурой у полученных мутантов не изучалась.
Однако ранее был выделен ряд температурно-условных обли-
гатных осмофилов (Onishi, 1963).
V. ВЛИЯНИЕ ВНЕКЛЕТОЧНЫХ РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
НА ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ
РАСТВОРЕННЫХ ВЕЩЕСТВ
Адаптация большинства микроорганизмов к высоким кон-
центрациям растворенных веществ во внешней среде, вероятно,
никогда не осуществляется путем поддержания низкой внутри-
клеточной концентрации растворенных веществ. Общая актив-
ность воды внутри клеток никогда не превышает ее активность
во внешней среде, а часто бывает и ниже ее. Этот вывод (Ingram,
1957; Larsen, 1962, 1967; Brown, 1964а, 1976; Kushner, 1964а,
1968) следует из измерений точки замерзания растворов внутри
клеток, выращенных при разных концентрациях солей, а также
из ряда прямых химических анализов. Тот факт, что клетки, на-
ходящиеся в среде с высокими концентрациями растворенных
веществ, осаждаются при центрифугировании, служит убеди-
тельным доказательством высокой внутриклеточной концентра-
ции растворенных веществ; если бы плотность клеток была ни-
же, чем плотность окружающей среды, то их осаждения не
происходило бы; однако мы увидим, что, каким бы ни было об-
щее содержание растворенного вещества, клеточную воду ни в
коем случае нельзя рассматривать как «простой» раствор при-
сутствующих в ней ионов и компонентов.
В табл. 8.4 приведены известные внутриклеточные концентра-
ции растворенных веществ для ряда микроорганизмов, способ-
ных к росту в растворах с высокой концентрацией солей. Вероят-
но, наиболее поразительным и загадочным примером адаптации,
осуществляемой путем поддержания высокой внутриклеточной
концентрации растворенных веществ, служат экстремально гало-
фильные бактерии, способные к росту в насыщенном растворе
NaCl и в то же время содержащие такую концентрацию ио-
нов К+, которой было бы более чем достаточно для насыщения
376
Глава 8
Таблица 8.4
Внутриклеточные концентрации ионов у бактерий, растущих при различных
концентрациях NaCl
Бактерия Концентрация иоиа, М Источник данных
в среде связанного с клетками
Na+ к+ Na+ к+
Vibrio costicola1 1,о 0,6 1,0 1,6 2,0 0,004 0,008 0,008 0,008 0,008 0,684 0,505 0,584 1,09 0,898 0,221 0,524 0,661 0,594 0,567 Christian, Waltho, 1962; Shindler et al., 1977
Paracoccus halodenit- rificans 1,0 0,004 0,311 0,474 Christian, Waltho. 1962
Pseudomonas 101 1,0 2,0 3,0 0,0055 0,0055 0,0055 0,90 1,15 1,04 0,71 0,89 0,67 Masui, Wada, 1973
Морская псевдомонада В-16 0,3 0,123 0,374 Thompson, Macleod, 1973
Неидентифицирован- ная солетолерантная палочка2 0,6 4,4 0,04 0,04 0,05 0,62 0,34 0,58 Matheson et al., 1976’
Halobacterium cutiru- brum3 3,33 0,05 0,80 5,32 Matheson et al., 1973
В некоторых из этих работ приведены концентрации иоиов Mg2+ (которые очень мало за-
висят от общей концентрации Na+) и С1“, однако полный ионный баланс для указанных микро-
организмов неизвестен. Полный ионный баланс определен только для Е. coli (Harold, Alien*
dorf, 1974).
1 Различия между концентрациями К+» определенными в двух лабораториях, могут быть
обусловлены тем, что Кристиан и Волсо (Christian, Waltho, 1962) измеряли содержание ио-
нов в клетках, находящихся в стационарной фазе, а Шиндлер и др. (Shindler et al , 1977) в
экспоненциально растущих клетках, подвергнутых аэрации после центрифугирования.
2 Анализ содержания G+C позволяет сделать предположение, что этот микроорганизм
является псевдомонадой (Matheson, личное сообщение).
3 Несколько исследователей сообщили об аналогичном или более высоком содержании
иоиов К+ У Н. cutirubrum или Н halobium.
всей доступной внутриклеточной воды, если бы они находились в
виде КС1. Подсчитано, что К+ может составлять от 30 до 40%
сухого вещества Halobacterium halobium (Gochnauer, Kushner,
1971). Содержание K+ изменяется в зависимости от физиологи-
ческого состояния клеток и достигает наибольшей величины на
ранних стадиях их роста (Gochnauer, Kushner, 1971).
У галобактерий градиент между внутриклеточными и внекле-
точными ионами К+ может достигать 1000 : 1 (Ginzburg et al.,
1971а). Потребность в К+ может быть столь высокой, что этот
ион легко становится фактором, лимитирующим рост культуры,
причем высокий выход биомассы достигается при значительной
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
377
концентрации ионов К+ в среде, составляющей не менее
1 мг-мл-1 (26 мМ) (Gochnauer, Kushner, 1969). Однако нет
оснований полагать, что для создания таких градиентов необхо-
димы большие затраты энергии, поскольку они могут сохранять-
ся на холоду, т. е. в условиях, когда метаболические процессы в
клетках протекают, по-видимому, очень медленно (Ginzburg
et al., 1971а). Клетки Н. halobium могут сутками существовать в
25%-ном растворе NaCl без добавления во внешнюю среду ио-
нов К+ или какого-либо источника энергии и при этом сохранять
постоянным содержание К+. Они выживают еще дольше, если
наряду с ионами Na+ в среде присутствуют также ионы Mg2* и
Са2+. Ионы К+ выделяются во внешнюю среду только после от-
мирания клеток (Gochnauer, Kushner, 1971). Галобактерии те-
ряют ионы К+ также при обработке их тринитрокрезолатом или
другими ионами (Ginzburg et al., 1971b).
Результаты подобных экспериментов позволили предполо-
жить, что К+ внутри клетки находится в связанном состоянии.
Исследования, проведенные методом ядерного магнитного резо-
нанса, свидетельствуют о том, что внутриклеточные ионы К+ свя-
зываются фиксированными зарядами или сольватируются полу-
кристаллической клеточной водой (Соре, Damadian, 1970). Одна-
ко если такое связывание и происходит, то оно, по-видимому,
легко нарушается. Лани и Сильверман (Lanyi, Silverman, 1972)
нашли, что активность К+, ассоциированная с лизированными
клетками Н. cutirubrum, была почти идентичной активности
эквимолярных растворов КС1, хотя лизированные клетки еще
сохраняли способность связывать ионы Mg2+. Таким образом,
только интактные клетки обладают способностью связывать
значительные количества ионов К+.
Интерпретация «свободного состояния» ионов К+ в цитоплаз-
ме экстремальных галофилов и других бактерий осложняется
тем, что клеточная вода имеет, по всей вероятности, более упо-
рядоченную структуру, чем внеклеточная (Harold, Altendorf,
1974); возможно, что такие ионы, как К+ и Na+, находятся в
цитоплазме в менее свободном состоянии, чем во внеклеточных
растворах, однако они достаточно свободны, чтобы проявлять
осмотическую и физиологическую активность. Как мы увидим,
поведение внутриклеточных ферментов и белоксинтезирующих
систем экстремальных галофилов согласуется с представлением
о том, что измеренная в клетке общая концентрация ионов соот-
ветствует концентрации активных ионов; однако этот вывод не
обязательно применим к умеренным галофилам.
Хотя можно было предположить, что концентрации солей
внутри клеток умеренно галофильных бактерий так же высоки,
как и снаружи, и хотя первые измерения (Christian, Waltho,
1962) как будто бы подтвердили это предположение для V. cos-
378
Глава 8
ticola и Р. halodenitrificans (табл. 8.4), более поздние измерения
показали, что у других бактерий внутриклеточные концентрации
солей могут быть существенно ниже внешних.
Масуи и Вада (Masui, Wada, 1973) обнаружили, что у уме-
ренного галофила «Pseudomonas 101», растущего в среде, содер-
жащей от 1,0 до 3,0 М NaCl, внутриклеточные концентрации Na+,
К+ и С1~ почти не зависели от концентрации NaCl в среде. Они
также нашли, что препараты изолированных клеточных оболочек
могли концентрировать как ионы Na+, так и ионы К+- Однако на
основании приведенных ими данных нельзя сказать, происходит
ли при этом связывание ионов непосредственно с клеточными
оболочками или их поглощение пузырьками, содержащимися в
этих оболочках.
У неидентифицированного грамотрицательного палочковидно-
го организма (табл. 8.4) внутриклеточная концентрация ионов
обычно значительно ниже внешней концентрации (Matheson
et al., 1976). Как будет видно из дальнейшего изложения, другие
микроорганизмы также могут поддерживать внутриклеточные
концентрации ионов на более низком уровне, чем их концентра-
ции в питательной среде, используя для снижения активности
внутриклеточной воды неионные растворенные вещества. Это,
вероятно, справедливо и для умеренных галофилов, хотя у них
пока не определено содержание неионных растворенных веществ.
Независимо от того, какова общая концентрация ионов в
клетках умеренных галофилов, концентрация ионов К+ внутри
их клеток существенно выше, чем снаружи, а концентрация
ионов Na+ несколько ниже (табл 8.4). Эти данные следует ин-
терпретировать с осторожностью, так как измеряемые соотноше-
ния внутриклеточных ионов могут сильно зависеть от фазы роста,
на которой собраны клетки, и от обработки их после отделения
от культуральной среды. Нами было показано (Shindler et al.,
1977), что клетки V. costicola, собранные в середине экспоненци-
альной фазы роста культур, имеют более высокое содержание
ионов К+ и более низкое содержание ионов Na+, чем клетки,
собранные в стационарной фазе. Кроме того, клетки, по-видимо-
му, могли потерять значительные количества ионов К+ и при-
обрести большие количества ионов Na+ в процессе их отделения
от среды и промывания, что неизбежно занимает длительное вре-
мя, так как для точного определения межклеточной и внутри-
клеточной воды необходимы относительно большие количества
осажденных клеток. Если концентрированные суспензии клеток
V. costicola аэрировали в присутствии источника энергии, на-
пример глюкозы, то наблюдалось поглощение ионов К+ и выде-
ление ионов Na+. При анаэробных условиях или в клетках, об-
работанных метаболическими ингибиторами, этот процесс
протекал в обратном направлении. Такие эксперименты убеди-
Высокие концентрации солей- галофильные бактерии
379
тельно свидетельствуют в пользу того, что анаэробные условия,
которые легко создаются при центрифугировании и промывании
клеток, существенно изменяют содержание в них ионов сравни-
тельно с их содержанием в растущих клетках. Величины, полу-
ченные нами для внутриклеточного содержимого V7. costicola, су-
щественно выше, чем приведенные ранее (Christian, Waltho,
1962), вероятно, из-за различий в длительности процедур по от-
делению клеток или их обработки. Наш опыт убеждает нас в
том, что любые измеренные величины внутриклеточных концент-
раций солей у этого организма и, вероятно, у других умеренных
галофилов в лучшем случае приблизительно соответствуют кон-
центрациям солей в активно растущих клетках.
Концентрация Mg2+, главного двухвалентного катиона, при-
сутствующего в клетках V. costicola, а также, насколько извест-
но, и в клетках других галофильных бактерий, относительно ма-
ло изменяется в зависимости от времени выращивания культуры
и условий обработки клеток (Shindler et al., 1977).
V. costicola отличается от других умеренных галофилов в том
отношении, что общая концентрация одновалентных катионов
изменяется у него в зависимости от внешних концентраций со-
лей, причем наивысшего уровня она достигает в клетках, выра-
щенных при самых высоких концентрациях NaCl. Однако вну-
триклеточные концентрации солей изменяются в меньшей степени,
чем внеклеточные: при трехкратном изменении концентра-
ции соли во внешней среде ее внутриклеточная концентрация из-
меняется лишь в 1,5 раза.
А. «СОВМЕСТИМЫЕ РАСТВОРЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА»
Хотя большинство микроорганизмов, растущих при высоких
концентрациях растворенных веществ, фактически не способно
поддерживать внутриклеточное содержимое в значительно более
разбавленном состоянии (т. е. создавать гораздо более высокую
активность воды), чем окружающая среда (Brown, 1964а, 1976),
некоторые организмы растут при таких концентрациях солей,
которые ингибируют многие ферменты, играющие важную роль
в клетке. Это относится, например, к Saccharomyces rouxii (Oni-
shi, 1963) и к галофильной зеленой водоросли Dunaliella viridis,
способных расти в широком диапазоне концентрации NaCl
(вплоть до насыщения). Однако ферменты этих микроорганиз-
мов столь же чувствительны к высоким концентрациям соли, как
и ферменты пресноводных водорослей (Johnson et aL, 1968).
Различные виды Dunaliella содержат в своих клетках весьма
значительные количества глицерина, причем эти количества
варьируют при изменении концентраций солей во внешней среде
(Ben-Amotz, Avron, 1973; Borowitzka, Brown, 1974). Колебания
380
Глава 8
внутриклеточной концентрации глицерина, по-видимому, зависят
от соотношения активного синтеза и распада этого вещества,
изменяющегося в ответ на изменения концентраций солей во
внешней среде. Возможные механизмы данного процесса обсуж-
даются Брауном (Brown, 1976). Боровинка и Браун (Borowitzka,
Brown, 1974) сравнили также внутриклеточные концентрации
глицерина у морской водоросли Dunaliella tertiolecta, способной
расти в присутствии 1,36 М NaCl, и у более галофильной
D. viridis, способной расти в присутствии 1,7 М NaCl и выше.
Внутриклеточные концентрации глицерина у галофильной водо-
росли достигали 4,4 моль-кг-1, а у морской водоросли
1,4 моль-кг-1. У этих водорослей трудно было точно измерить со-
держание внутриклеточных ионов Na+ (из-за того, что в осад-
ках, используемых для анализа, содержались большие количест-
ва межклеточных ионов Na+). Однако на основании косвенных
данных можно предположить, что оно невелико (Borowitzka,
Brown, 1974). Было показано, что внутриклеточные концентра-
ции ионов Na+ и С1_ у галофильной Chlamydotnonas также зна-
чительно ниже, чем внешние (0,2 М для клеток, растущих в при-
сутствии 1,7 М NaCl) (Okamoto, Suzuki, 1964).
Боровинка и Браун (Borowitzka, Brown, 1974) отметили, что
у D. tertiolecta и D. viridis глюксзо-6-фосфат — дегидрогеназа и
глицеролдегидрогеназа (NADP+) ингибировались высокими кон-
центрациями NaCl, но не глицерина. В действительности глице-
рин даже частично защищал эти ферменты от ингибирования вы-
сокими концентрациями солей. Эти авторы предположили, что
глицерин играет роль «совместимого растворенного вещества»,
которое поддерживает низкую величину aw в клетках, выращен-
ных при высоких концентрациях NaCl, и в то же время не пре-
пятствует функционированию ферментов.
Многоатомные спирты, в том числе глицерин и арабит, могут
действовать как совместимые растворенные вещества и в отно-
шении соле- и сахарозотолерантных дрожжей (Brown, Simpson,
1972; Brown, 1974). Высокая внутриклеточная концентрация
многоатомных спиртов наблюдалась у толерантных дрожжей
Saccharomyces rouxii в тех случаях, когда они росли при высо-
ких концентрациях солей или сахарозы. Нетолерантные дрожжи,
как, например, S. cerevisiae, не содержали высоких концентраций
таких спиртов. Высокие концентрации солей и сахарозы ин-
гибировали изоцитратдегидрогеназу как S. rouxii, так и S. cere-
visiae, между тем как глицерин не оказывал на нее ингибирую-
щего действия (Brown, 1976). Эти результаты позволяют предпо-
ложить, что в клетках соле- и сахарозотолерантных дрожжей
многоатомные спирты дают возможность ферментам функциони-
ровать при низких значениях aw.
Группа Брауна (Brown, 1976) изучает действие неионных
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
381
растворенных веществ на активность ферментов (проблема, ко-
торой ранее уделялось относительно мало внимания). Очевидно,
что действие таких растворенных веществ обусловлено не только
снижением aw или гидрофобностью молекул ингибитора, но в
значительной мере и их специфической структурой. Приведем
один пример: сахароза является значительно более сильным ин-
гибитором ферментов, чем мальтоза. Подробные сведения, ка-
сающиеся этого вопроса, а также физиологии организмов, расту-
щих при высоких концентрациях неионных растворенных ве-
ществ, можно найти в обзоре Брауна (Brown, 1976).
VI. ФИЗИОЛОГИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ГАЛОФИЛОВ
А. ПИТАНИЕ И МЕТАБОЛИЗМ
Экстремально галофильные палочки и кокки имеют сложные
пищевые потребности. Напротив, A. halophila может расти на
значительно более простых средах (Gochnauer et al., 1975). Вце
среды определенного химического состава, используемые для
выращивания Halobacterium, содержат ряд аминокислот; рост
культуры можно стимулировать также добавлением витаминов
(Dundas et al., 1963; Onishi et al., 1965; Gochnauer, Kushner,
1969). Из-за высокой концентрации K+ в клетках бактерий этот
ион сам по себе может ограничивать рост культуры, если он
присутствует во внешней среде в недостаточных концентрациях;
иначе говоря, когда весь К+ среды связывается клетками, рост
останавливается (Gochnauer, Kushner, 1971). Совсем недавно
было показано (Grey, Fitt, 1976а), что рост культуры Н. cutiru-
brum заметно улучшается, если при выращивании используют
только L-аминокислоты (вместо двойного количества DL-амино-
кислот). Это позволяет предположить, что некоторые D-амино-
кислоты подавляют рост микроорганизмов.
Долгое время считали, что большинство галобактерий не ме-
таболизируют углеводы. Этот вывод был основан на их неспособ-
ности образовывать кислоту из глюкозы и других углеводов в
стандартных лабораторных условиях. В определителе Берги
(7-е изд.) упоминается лишь один вид галобактерий (Н. maris-
mortui), образующий кислоту из глюкозы (Breed et al., 1957),
однако в 8-м издании указывается, что этого вида уже нет в кол-
лекциях культур (Buchanan, Gibbons, 1974).
Тем не менее было отмечено, что углеводы стимулировали
рост культуры Н. halobium (Gochnauer, Kushner, 1969). Следо-
вательно, эти вещества, вероятно, использовались клетками,
хотя pH среды при этом и не снижался. Позднее был выделен
ряд галобактерий, образующих кислоту из углеводов (Tomlin-
son, Hochstein, 1972а, b, 1976). Один из них получил название
Н. saccharovorum. Этот организм сбраживает глюкозу с по-
382
Глава 8
мощью реакций пути Энтнера — Дудорова (Tomlinson et al..
1974), а также образует галактоновую кислоту из галактозы и
лактобионовую кислоту из лактозы (Hochstein et al., 1976). Ме-
ченый углерод из 14С-глюкозы включался в липиды Н. cuti.ru-
brum (Deo, 1974).
Б. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ АКТИВНОСТЬ
Внутренний аппарат экстремальных галофилов, по-видимо-
му, весьма хорошо приспособлен к высоким концентрациям со-
лей, а в некоторых случаях даже к высоким концентрациям
ионов К+ преобладающих в цитоплазме. Об этом в первую оче-
редь свидетельствует тот факт, что большая часть из многих
изученных ферментов таких организмов нуждается в высоких
концентрациях солей либо для проявления активности, либо для
стабилизации, либо для того и другого одновременно. Данному
вопросу посвящено два обзора (Lanyi, 1974; Cazzulo, 1975).
Характер поведения ферментов экстремальных галофилов по
отношению к солям не отличается единообразием. Наоборот, в
зависимости от их реакции на соли все эти ферменты можно
разделить на три группы: 1) ферменты, которым для проявления
активности необходимы соли одновалентных катионов в концент-
рации не менее 1 М, а для максимальной активности — в кон-
центрации от 2 до 4 М. Примерами служат аспартаттранскарба-
милаза (АТКаза), многие ферменты, активирующие аминокисло-
ты, и ферменты, связанные с клеточными мембранами; 2) такие
ферменты, как изоцитратдегидрогеназа (NADP+), обнаруживаю-
щая максимум активности в 0,5—1,5 М растворах солей и инги-
бируемая их более высокими концентрациями; 3) ферменты,
проявляющие наивысшую активность в отсутствие солей и силь-
но ингибируемые их высокими концентрациями. Последние
включают синтетазу жирных кислот (Pugh et al., 1971), а при
определенных условиях и ДНК-зависимую РНК-полимеразу
Н. cutirubrum (Louis, Fitt, 1972а, b). Синтетаза жирных кислот
присутствует в относительно небольших' количествах и ее инги-
бирование высокими концентрациями солей служит, вероятно,
еще одним объяснением того, что Н. cutirubrum образует лишь
следовые количества жирных кислот (Kates et al., 1966). Любо-
пытным ферментом является РНК-полимераза, выделенная из
Н. cutirubrum (Louis, Fitt, 1972а, b). Для ее активности необхо-
димы высокие концентрации солей, если роль матрицы выполня-
ет ДНК Н. cutirubrum. Однако, если в качестве матрицы исполь-
зуют ДНК тимуса теленка, то фермент обнаруживает наиболь-
шую активность в отсутствие соли и ингибируется на 90% при
0,5 М и более концентрации NaCl или КС1. Молекулярный вес
этого фермента, состоящего из двух субъединиц, равен всего
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
383
лишь 36000, что значительно меньше, чем у других известных
ДНК-зависимых РНК-полимераз. Между тем из комплекса
ДНК — белок — мембрана того же организма была выделена и
частично очищена полимераза со значительно более высоким мо-
лекулярным весом (300 000—400 000) и по своему отношению к
соли отличающаяся ог первого фермента (Chazan, Bayley, 1973).
Более поздние исследования (Fitt et al., 1975) позволяют пред-
положить, что в высокоочищенном состоянии оба фермента иден-
тичны. Ни один из них не образует длинных цепей РНК- По-ви-
димому, РНК-синтезирующая система этих бактерий пока еще
не достаточно понятна.
1. Специфическое влияние катионов
на ферменты
К наиболее изученным солям в отношении их действия на
ферменты экстремально галофильных бактерий относятся NaCl
и КС1 — главные соли, находящиеся соответственно вне и внутри
клеток этих бактерий. Более половины исследованных до сих
пор ферментов почти одинаково реагируют на эти две соли, тогда
как остальные ферменты в присутствии КС1 обнаруживают зна-
чительно более высокую активность, чем в присутствии NaCl
(Lanyi, 1974а). Ионы Li+ и NH4+ также могут поддерживать ак-
тивность некоторых ферментов экстремальных галофилов. Осо-
бый интерес представляет так называемый «яблочный» фермент
(малатдегидрогеназа декарбоксилирующая) Н. cutirubrum, об-
ладающий оптимальной активностью в присутствии 1 М NH4C1,
сохраняющий около 60% максимальной активности в присутст-
вии 3 М КС1 и не обнаруживающий активности при любой кон-
центрации NaCl вплоть до 5 М (Cazzulo, Vidal, 1972).
Некоторые из ферментов, нуждающиеся для проявления ак-
тивности в высоких концентрациях солей одновалентных катио-
нов, могут активироваться значительно более низкими концент-
рациями солей двухвалентных катионов, например Mg2+ или
Са2+, или поливалентными ионами, такими, как спермидин или
спермин (Lanyi, 1974а). Примерами служат цитратсинтаза
(Cazzulo, 1973) и аспартат — карбамоилтрансфераза (Norberg
et al., 1973).
В прошлом исследователи не всегда проводили четкие раз-
граничения между действием солей на активность и стабильность
ферментов: тем не менее это необходимо делать, чтобы интерпре-
тировать влияние соли на активность фермента, особенно если
опыт проводится в течение длительного времени. Иногда стабиль-
ность зависит от высоких концентраций солей в значительно
большей мере, чем активность. Приведем один пример: актив-
ность аспартаттранскарбамилазы (АТКазы) Н. cutirubrum в
384
Глава 8
присутствии 3,5 М NaCl почти в четыре раза выше, чем в присут-
ствии 2 М NaCl. Однако стабильность, если судить о ней по по-
лупериоду жизни фермента (8 ч и 1 мин), отличается при этих
двух концентрациях соли почти в 500 раз (Norberg et al., 1973).
Наилучшим активатором малатдегидрогеназы из этого организ-
ма служит NH4CI, в то же время эта соль в гораздо меньшей сте-
пени стабилизирует фермент по сравнению с NaCl, который сов-
сем неспособен активировать фермент (Cazzulo, Vidal, 1972).
Хаббард и Миллер (Hubbard, Miller, 1969) также отметили, что
разные соли оказывают противоположное действие на актив-
ность и стабильность изоцитратдегидрогеназы Н. cutirubrum.
2. Регуляторные свойства ферментов
экстремально галофильных бактерий
Регуляция ферментативной активности посредством аллосте-
рических эффекторов и ингибиторов зависит от взаимодействий
между субъединицами фермента. С регуляторными ферментами
экстремальных (или других) галофилов до сих пор проведено
лишь несколько исследований, но ни в одном из них не использо-
вались высокоочищенные ферменты.
АТКаза Н. cutirubrum была одним из первых изученных в
этом отношении ферментов (Liebl et al., 1969; Norberg et aL,
1973). Высокие концентрации соли необходимы как для актив-
ности этого фермента, так и для его регуляции. Максимальная
активность и регуляция фермента, о которой судили по измере-
нию ретроингибирования (ингибирования по принципу обрат-
ной связи) ферментативной активности под действием СТР,
наблюдаются в присутствии 3 М соли. Как NaCl, так и КС1
приблизительно одинаково активируют фермент, однако ретро-
ингибирование в присутствии КС1 проявляется несколько отчет-
ливее, чем в присутствии NaCl (Liebl, неопубликованные данные).
Если концентрация соли падает ниже 2 М, активность фермента
снижается, но его способность к ретроингибированию снижается
еще сильнее, так что остаточная ферментативная активность по-
давляется СТР лишь в незначительной степени. Поведение
АТКазы из дрожжей представляет собой практически «зеркаль-
ное изображение» активности фермента из Н. cutirubrum, по-
скольку максимальная активность и ретроингибирование (по-
средством UTP) первого из этих двух ферментов наблюдаются
в отсутствие соли. Если концентрация соли повышается, актив-
ность АТКазы быстро снижается, а ее способность к ретроинги-
бированию снижается еще быстрее. При концентрациях соли
выше 1,0 М активность исчезает полностью (Liebl et al., 1969).
АТКаза из Н. cutirubrum была очищена лишь частично. Она
очень нестабильна даже в 2,0 М растворе NaCl, и некоторые из
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии 385
ее кинетических свойств изменяются с течением времени (Nor-
berg et al., 1973), что препятствует попыткам определить, про-
исходит ли потеря регуляторных свойств фермента при низких
концентрациях солей в результате его диссоциации на каталити-
ческие субъединицы. Каталитическая и регуляторная активности
АТКазы Н. cutirubrum с трудом поддаются разделению. Нагре-
вание при 50°С, которое позволяет разделить каталитические и
регуляторные субъединицы дрожжевой АТКазы (Kaplan, Mes-
smer, 1969) таким образом, что фермент утрачивает способность
к ингибированию по принципу обратной связи до исчезновения
его каталитической активности, оказывает на фермент из Н. cu-
tirubrum противоположный эффект. Другие воздействия, пригод-
ные для мезофильных ферментов также не дают возможности
разобщить каталитические и регуляторные свойства галофиль-
ной АТКазы. Однако обработка этого фермента полиэтиленгли-
колем при высокой концентрации соли приводит к снижению его
молекулярного веса от 160 000 до 34 000 (как установлено с
помощью хроматографии на колонках с агарозой), по-видимому,
в результате расщепления молекулы фермента на четыре субъ-
единицы. Эти низкомолекулярные формы фермента более не ин-
гибируются СТР. Полученные результаты позволяют предполо-
жить, что для данного фермента характерна такая же зависи-
мость регуляции от субъединичной структуры, как и у ферментов
из более «нормальных» микроорганизмов. Другие случаи диссо-
циации мультисубъединичных ферментов неионными растворен-
ными веществами рассматриваются Брауном (Brown, 1976).
Либерман и Лани (Lieberman, Lanyi, 1972) нашли,что ADP,
аллостерический эффектор треониндегидратазы (ТДазы) Н. cuti-
rubrum (фермент, участвующий в катаболизме треонина), силь-
но изменяет реакцию этого фермента на соль. В отсутствие ADP
фермент проявляет активность в широком диапазоне концентра-
ций NaCl (оптимум между 2 и 3 М); в присутствии же ADP этот
фермент ингибируется NaCl. Малатдегидрогеназа Н. cutirubrum,
играющая центральную роль в метаболизме, ингибируется аце-
тил-СоА, NADH, оксалоацетатом и глиоксилатом. Эти ингибито-
ры, особенно NADH (Vidal, Cazzulo, 1976), в присутствии 3 М
КС1 были более эффективными, чем в присутствии 1 М NH4C1,
хотя активность фермента в 1 М NH4C1 была вдвое выше (Caz-
zulo, Vidal, 1972). Было отмечено, что галофильная малатде-
гидрогеназа была сходна, за исключением ее потребности в соли,
с соответствующими ферментами негалофильных организмов как
по кинетическим, так и по регуляторным свойствам (Vidal, Caz-
zulo, 1976).
Цитратсинтазы грамотрицательных бактерий (мол. вес около
250 000) ингибируются низкой концентрацией NADH и реакти-
вируются АМР. Тот же самый фермент из грамположительных
386
Глава 8
бактерий и эукариотических организмов (мол. вес около 80 000)
не подвержен такому регуляторному контролю. Цитратсинтаза
из Н. cutirubrum ингибируется лишь очень высокими концентра-
циями NADH, и это ингибирование сильнее выражено в присут-
ствии 45 мМ MgCl2, чем в присутствии 2,6 М КС1, хотя каждая
из этих солей обеспечивает максимальную активность фермента
(Cazzulo, 1973). Таким образом, кажется маловероятным, что ре-
гуляция ферментативной активности посредством NADH имеет
для Н. cutirubrum физиологическое значение. Молекулярный вес
данного фермента равен около 75 000; в этом отношении он на-
поминает цитратсинтазу эукариотических организмов и грампо-
ложительных бактерий, а не фермент грамотрицательных бакте-
рий. В дальнейшем цитратсинтаза Н. cutirubrum была получена
в высокоочищенном состоянии (400-кратная очистка), хотя и не
доведена до гомогенности (Higa, Cazzulo, 1975).
В. СИНТЕЗ БЕЛКА in vitro
Белоксинтезирующая система И. cutirubrum служит примером
того, как далеко может заходить адаптация микроорганиз-
мов к необычной внутриклеточной среде. Результаты, получен-
ные в работах, посвященных этому вопросу, начиная с исследова-
нйя рибосом Н. cutirubrum (Bayley, Kushner, 1964), недавно бы-
ли обобщены в обзоре Бейли (Bayley, 1976). Изложенные ниже
данные заимствованы главным образом из его обзора. Рибосомы
Н‘. cutirubrum (и, вероятно, других галобактерий и галококков)
уникальны в двух отношениях: во-первых, для сохранения их
стабильности требуются высокие солевые концентрации и, во-
вторых, они содержат большое число кислых белков. Для под-
держания устойчивой структуры мономеров (70S) и субчастиц
(30 и 50 S) необходимы высокие концентрации как КС1 (3 М),
так и ионов Mg2+ (около 0,1 М). КС1 нельзя заменить NaCl; при
высоких концентрациях NaCl происходит беспорядочная агрега-
ция рибосом. При низких концентрациях солей (например, в
присутствии 0,001 М MgCl2), способных поддерживать структу-
ру рибосом Е. coli, 30S и SOS-субчастицы рибосом Н. cutirubrum
теряют большую часть белков, в них остается лишь несколько
основных белков, связанных с рРНК.
Синтез белка, измеряемый в бесклеточных системах по вклю-
чению радиоактивных аминокислот, оптимально протекает в
присутствии 3,8 М КС1, 1,0 NaCl, 0,4 М NH4C1 и 0,04 М ацетата
магния. Различные эксперименты показали, что эта ионная за-
висимость обусловлена белковыми компонентами белоксинтези-
р$ющей системы. Как было отмечено выше, для стабилизации
рибосом необходимы высокие концентрации ионов К+ и Mg2+.
Ряд аминоацил-тРНК-синтетаз требуют для оптимальной актив-
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
387
ности 3,8 М KCL Места действия других одновалентных катионов
остаются неизвестными.
Напротив, тРНК экстремальных галофилов и мезофилов, по-
видимому, не определяют солевые потребности белкового синте-
за у этих организмов. Аминоацил-тРНК-синтетазы Н. cutirubrum
способны использовать тРНК из Е. coli (возможна также и об-
ратная комбинация). Аминокислота, связанная с тРНК любого
из этих организмов с помощью гомологичной синтетазы, может
быть включена в полипептидную цепь при использовании рибосом
и белковых факторов, выделенных из другого микроорганизма.
Бейли и его сотрудники рассмотрели заманчивую возмож-
ность того, что высокие концентрации соли вызывают неправиль-
ное считывание генетического кода, специфически приводящее к
образованию большего количества кислых аминокислот и мень-
шего количества основных. Однако эксперименты с использова-
нием ряда синтетических мРНК показали, что значение кодонов в
основном одинаково как у галофильных, так и у негалофильных
организмов. По-видимому, характерные свойства белков экстре-
мальных галофилов обусловлены особенностями генетической
информации этих бактерий, а не ошибочным считыванием «обыч-
ной» генетической информации.
Кроме высокой потребности в солях белоксинтезирующая
система Н. cutirubrum необычна также в том отношении, что
синтез белка у этих бактерий инициируется неформилированной
метионил-тРНКМег; этим она напоминает эукариотические, а не
прокариотические белоксинтезирующие системы.
Еще одно необычное свойство белкового синтеза у экстре-
мальных галофилов состоит в том, что они нечувствительны к
антибиотикам, действующим на рибосомы. Было показано, что
«стандартные антибиотики» не действуют на рост галофилов
(Moore, McCarthy, 1969а). Томлинсон и Хохштейн (Tomlinson,
Hochstein, 1976) обнаружили, что клетки Н. saccharovorum не-
чувствительны к хлорамфениколу, стрептомицину, тетрациклину,
эритромицину и бацитрацину, но чувствительны к полимиксину.
Кроме того, эти клетки нечувствительны также к пенициллину,
как и следовало ожидать, учитывая отсутствие у них муко-
пептидов и нечувствительность других экстремальных галофилов
к этому антибиотику (Larsen, 1967).
1. Рибосомные белки Н. cutirubrum
Главный N-концевой остаток белка, входящего в состав 50S-
субчастиц рибосом Н. cutirubrum, представляет собой серин;
аналогичные белки из Е. coli и Bacillus stearothermophilus со-
держат на N-концах в основном следующие аминокислоты (пе-
речисленные в соответствии с частотой их встречаемости): ме-
388
Глава 8
тионин>аланин>серин. У всех трех бактерий преобладающи-
ми N-концевыми остатками в белках ЗОБ-субчастицы являются:
аланин» метионин» серин. У галофилов, термофилов и мезофи-
лов наблюдается в общем одинаковое распределение N-конце-
вых остатков в суммарных растворимых белках цитоплазмы
(Matheson et al., 1975).
При низких концентрациях солей из этих рибосом освобож-
дается 75—80% белков ЗОБ-субчастиц и 60—65% белков 50S-
субчастиц, а также 5S-PHK. Освобожденные белки относятся к
наиболее кислым белкам рибосом. Менее кислые и основные бел-
ки, оставшиеся связанными с 16S- и 23S-PHK, могут быть экст-
рагированы растворами, содержащими смесь Li+ и ЭДТА
(Visentin et aL, 1972). Позднее было проведено значительно бо-
лее детальное исследование влияния пониженных концентраций
ионов К*- и Mg2+ на освобождение 5S-PHK и определенных бел-
ков из рибосомных субчастиц. Было осуществлено разделение
приблизительно 21 белка из ЗОБ-субчастицы и 32 белков из 50S-
субчастицы (Str0m, Visentin, 1973; Str0m et aL, 1975a) и изучены
свойства некоторых из этих белков.
Два белка 50Б-субчастицы (HL20 и HL21) отличались высо-
ким содержанием аланина, а также высокой кислотностью. Экс-
перименты с клетками, выращенными при различных температу-
рах, наводят на мысль, что белок HL21 представляет собой про-
дукт распада белка HL20 (Strain et aL, 1975b). Эти белки весьма
сходны химически с белками L7—L12 Е. coli и белками «As-
В. stearothermophilus, найденными в 505-субчастицах рибосом
этих бактерий и участвующими, как полагают, в транслокации
полипептида (Strain et aL, 1975b; Visentin et aL, 1974). В этих
белках, полученных из экстремальных галофилов и из мезофи-
лов, обнаружены некоторые участки с гомологичной последова-
тельностью аминокислот (Oda et aL, 1974; Str0m et aL, 1975b).
Более поздняя работа (Matheson et aL, личное сообщение), в
которой проведено сравнение белков L7—L12 двух умеренно га-
лофильных бактерий (V. costicola и неидентифицированного га-
лофила) , позволяет предположить, что умеренные галофи-
лы находятся в гораздо более близком родстве друг с дру-
гом и с Е. coli, чем с экстремальными галофилами, если судить
по числу мутаций, необходимых для превращения одного белка
в другой. Действительно, вполне возможно, что белки «As Н. cu-
tirubrum гораздо теснее связаны с соответствующими белками
рибосом некоторых эукариот, чем с какими-либо из выполняю-
щих соответствующие функции известных белков рибосом прока-
риот (Matheson, личное сообщение).
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
389
Г. МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ СОЛЕЙ НА ФЕРМЕНТЫ
И ДРУГИЕ СОЛЕЗАВИСИМЫЕ БЕЛКИ
ЭКСТРЕМАЛЬНО ГАЛОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ
Подробные сведения о влиянии солей на конформацию бел-
ков можно найти в обзоре Лани (Lanyi, 1974а). Наши представ-
ления о химических свойствах ферментов экстремальных гало-
филов в значительной мере основаны на анализе неферментных
белков. До гомогенного состояния очищено лишь очень неболь-
шое число ферментов экстремальных (или других) галофилов.
Во многих методах очистки белков используется разделение за-
ряженных молекул посредством колоночной хроматографии; меж-
ду тем электрические заряды эффективно блокируются высоки-
ми концентрациями солей, применяемых для стабилизации боль-
шинства ферментов экстремальных галофилов. Аминокислотный
анализ, по-видимому, можно использовать лишь при исследова-
нии ДНК-зависимой и РНК-зависимой РНК-полимераз Н. cuti-
rubrum (Lois, Fitt, 1972а—с).
Мы знаем, что в целом белки экстремальных галофилов яв-
ляются сильно кислыми. Это было показано для суммарных ци-
топлазматических белков нескольких экстремально галофильных
бактерий, для белков оболочки других экстремальных галофилов
и для рибосомных белков Н. cutirubrum (табл. 8.5). Был также
определен аминокислотный состав белка газовых вакуолей и
белка «пурпурной мембраны» Н. halobium. Ни один из этих бел-
ков не обнаруживает заметной зависимости от присутствия солей.
Фактически выделение пурпурной мембраны основано на том,
что она устойчива в условиях низкой ионной силы, когда распа-
дается большинство других клеточных структур. Создается впе-
чатление, что все белки галофильных бактерий, за исключением
двух указанных выше, имеют значительно более высокую кис-
лотность (измеряемую по разнице между числом кислых и ос-
новных аминокислот), чем соответствующие белки негалофиль-
ных бактерий.
Лани (Lanyi, 1974а) отметил, что во всех этих исследованиях
содержание амидов либо совсем не определялось, либо оценива-
лось косвенно по выделению NH3. Сам он показал, что по край-
ней мере 80% общего количества кислых групп в оболочках
Н. cutirubrum находилось в свободном состоянии, а не в амидной
форме. Такие определения, по-видимому, необходимы для точной
оценки кислотности галофильных белков.
Поскольку об общей кислотности белков экстремальных га-
лофилов было известно уже в течение ряда лет, обычно счита-
ли, что в ферментах также преобладают кислые группы и соли
действуют на эти ферменты таким же образом, как и на другие
390
Глава 8
Таблица 8.5
Свойства аминокислот в белках экстремально галофильных
н негалофильных бактерий1
Анализируемый материал Бактерия Аминокислоты, мол. % Отношение числа поляр- ных аминокис- лот к числу неполярных2
кислые основные избыток кислых
Цитоплазматические Halobacterium 26,8 9,7 17,1 1,089
белки salinarium
Halococcus No 24 27,8 9,9 17,9 1,107
Pseudomonas flu- 20,9 13,8 7,1 0,953
orescens
Sarcina lutea 21,2 12,6 8,6 0,917
Рибосомы, 70 S H. cutirubrum 26,6 13,1 13,5 1,321
E. coli5 18,4 18,2 0,2 1,003
Клеточные оболочки, в H. cutirubrum 27,6 6,9 20,7 1,204
целом
Клеточные оболочки H. halobium3 28,0 7,3 20,7 1,423
Внешний слой мембран- 25,7 8,2 17,5 1,124
ной фракции
Красный осадок 24,0 7,2 16,8 1,022
Пурпурная мембрана 13,6 7,4 6,2 0,610
Надосадочная жидкость 29,2 7,1 22,1 1,371
Газовые вакуоли4 H. halobium 21,2 10,9 10,3 0,997
J Приводятся в сокращенном виде из работы Ланн (Lanyi, 1974), табл. 1.
2 Отношение объемов аминокислотных остатков.
3 См. в тексте методы разделения разных частей оболочки. «Красный осадок* н «пурпур-
ные мембраны» были получены после диализа против дистиллированной воды; части оболоч-
ки, остающиеся в растворе, представляют собой иадосадочную жидкость.
4 Средние данные, полученные в двух разных лабораториях.
5 Из работы Falkenberg et. al,, 1976.
полианионы. Несколько лет назад Бэкстер (Baxter, 1959) пред-
положил, что соли способствуют сохранению активности фермен-
тов галофильных микроорганизмов благодаря тому, что катионы
экранируют отрицательно заряженные группы и предотвращают
их'взаимное отталкивание (обусловленное этими зарядами), ис-
кажающее конформацию белков. Если это действительно так, то
можно‘ожидать, что двух- и поливалентные катионы, такие, как
Mg2+ |Sa2+, спермин, имеющие значительно большую плотность
зарядов, чем одновалентные катионы, будут намного эффектив-
нее, чем последние, способствовать сохранению активности и
(или) стабильности ферментов. Это получило подтверждение
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
391
при исследовании ряда ферментов экстремальных галофилов
(Lanyi, 1974а).
Установлено также, что для предохранения оболочек экстре-
мальных галофилов от разрушения необходимы значительно бо-
лее низкие концентрации двухвалентных катионов, чем однова-
лентных (Brown, 1964а; Kushner, 1964b; Kushner, Onishi, 1966).
Хотя экранирование катионами отрицательных зарядов, не-
сомненно, играет важную роль в действии солей на фермейты й
другие белки экстремально галофильных бактерий, результаты
довольно подробных исследований (Lanyi, 1974а; Lanyi, Steven-
son, 1970) показали, что не все эффекты солей обусловлены экра-
нированием зарядов. Прежде всего концентрации солей однова-
лентных катионов, необходимые для поддержания активности или
стабильности ферментов, слишком высоки. Известно, что однова-
лентные катионы могут также экранировать заряды таких Сильно
заряженных полианионов, как ДНК или полиглутаМИйоВая кис-
лота, однако для нейтрализации этих зарядов достаточно 6,2 М
NaCl, т. е. значительно меньше, чем для защиты или активации
ферментов экстремальных галофилов. Лани (Lanyi, 1974а) отме-
тил, что, хотя ДНК и полиглутаминовая кислота легко проницае-
мы для растворителя (воды) и растворенных ионов; это не обяза-
тельно так в случае белков. При очень высоких концентрациях
солей следовало бы вносить поправку на уменьшение их экрани-
рующего действия вследствие сжимания полинептидйых цепей.
Действительно, полиглутаминовая кислота становится неста-
бильной при очень высоких концентрациях NaCl или КС1. Эти со-
ображения показывают, что было бы неверно и нецелесообразно
объяснять действие солей на ферменты или другие белки гало-
филов только экранированием их полианионного заряда.
Лани (Lanyi, 1974а), а также Лани и Стивенсон (Lanyi, Ste-
venson, 1970) рассмотрели возможность того, что очень высокие
концентрации NaCl или некоторых других солей необходимы для
стабилизации гидрофобных взаимодействий в белках экстремаль-
ных галофилов. Такие взаимодействия, в норме имекйцие очень
важное значение для сохранения структуры белков, в белках га-
лофилов выражены слабее, чем в обычных белках.
Известно, что соли влияют на гидрофобные взаимодействия в
основном путем изменения структуры воды. Когда в воде раство-
ряются такие гидрофобные соединения, как толуол или неполяр-
ные группы аминокислот, происходит снижение энтропии вследст-
вие увеличения упорядоченности структуры воды вокруг этих
групп. Когда же неполярные группы, отталкивая водную фазу,
взаимодействуют друг с другом с образованием «гидрофобных
связей», энтропия увеличивается. Эти связи, по-видийому, под-
держиваются скорее за счет исключения воды, чем в результате
активного притягивания неполярных молекул. Роль гидрофоб-
392
Глава 8
ных связей в белках и в образовании биологических структур,
состоящих из многих белковых субъединиц, детально рассмотре-
на в других работах (Lanyi, 1974а; Kushner, 1968).
Можно считать, что снижение растворимости белков («выса-
ливание») в присутствии таких солей, как NaCl или Na2SO4, и по-
вышение их растворимости под действием таких солей, как
NaSCN нли NaCLCh, происходят главным образом благодаря
влиянию анионов на структуру воды. «Высаливающие» анионы
ослабляют взаимодействие неполярных групп с водой и усилива-
ют гидрофобные взаимодействия в неводной части молекулы.
Анионы, вызывающие растворение белков, облегчают взаимодей-
ствие неполярных групп белка с водой и, следовательно, ослаб-
ляют внутримолекулярные гидрофобные взаимодействия.
Высокие концентрации солей, вызывающих растворение бел-
ков, могут денатурировать многие ферменты, в том числе фер-
менты галофилов, откуда следует, что последние не стабилизи-
руются в присутствии таких солей. Соли «высаливающего» типа,
по-видимому, специфически стабилизируют менадионредуктазу,
цитохром с — оксидазу и треониндегидратазу Н. cutirubrum. (La-
nyi, 1974а). Ингибирование менадионредуктазы (в присутствии
высоких концентраций NaCl) под действием ряда агентов, денату-
рирующих белки, включая алкильные производные мочевины и
формамида, очевидно, коррелирует со способностью последних
повышать растворимость толуола в воде (Lanyi, Stevenson, 1970).
Это наводит на мысль, что данные соединения действуют путем
нарушения гидрофобных связей, необходимых для поддержания
активной конфигурации фермента.
Еще одним показателем важности гидрофобных связей в фер-
ментах экстремальных галофилов служит тот факт, что некоторые
из этих ферментов (Lanyi, 1974а) обнаруживают «холодовую ла-
бильность», к их числу относятся АТКаза (Norberg et al., 1973) и
цитратсинтаза (в 3 М КС1, но не в 5 М КС1, т. е. в физиологичес-
ком растворе) (Higa, Cazzubo, 1975). Иначе говоря, они облада-
ют максимальной стабильностью при температурах выше 0°С и
пониженной стабильностью при более низких температурах. Это
также характерно для гидрофобных связей; данный эффект про-
ще всего рассматривать в связи со структурой воды. При более
низких температурах увеличивается размер «скоплений» (clus-
ters) молекул воды и облегчается взаимодействие с этими моле-
кулами гидрофобных групп, что сопровождается разрывом гидро-
фобных связей (Lanyi, 1974а). Холодовая чувствительность была
рассмотрена в аспекте стабильности структур, способных к само-
сборке (Kushner, 1968).
Упомянутые выше эксперименты свидетельствуют о важной
роли гидрофобных связей, поддерживаемых высокими концентра-
циями солей, в создании активной конфигурации белков экстре-
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
393
мально галофильных бактерий. Лани (Lanyi, 1974а) отметил, что
индивидуальные белки экстремальных галофилов [рибосомные
белки; ДНК- и РНК-зависимые РНК-полимеразы (Louis, Fitt,
1972а, b); два очищенных фермента], а также суммарные цито-
плазматические белки и белки оболочки содержат значительно
меньшие количества неполярных аминокислот, чем аналогичные
белки мезофильных бактерий (см. табл. 8.5). В некоторых случа-
ях снижение количества неполярных аминокислотных остаткав
уравновешивается повышением количества «погранично-гидро-
фобных» аминокислот — серина и треонина.
Снижение количества неполярных аминокислот, вероятно, спо-
собствует ослаблению гидрофобных взаимодействий, которые воз-
можны лишь в присутствии очень высоких концентраций солей.
Конечно, мы слишком мало знаем об аминокислотной последова-
тельности любого из этих белков и нам ничего не известно-об их
внутренней конформации. Остается надеяться, что чрезвычайно
интересные косвенные данные, указывающие на то, что высокие
солевые потребности белков обусловлены наличием в их молеку-
лах очень слабых гидрофобных взаимодействий, будут стимули-
ровать дальнейшие исследования очищенных белков галофилов
для получения более прямых доказательств этого предположения.
Д. ОСОБЕННОСТИ ДНК И БАКТЕРИОФАГОВ
ЭКСТРЕМАЛЬНО ГАЛОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ
Многие галобактерии и галококки (фактически все, изучен-
ные до сих пор) содержат сателлитную ДНК, составляющую от
11 до 36% всей ДНК (Joshi et aL, 1963; Aloore, McCarthy, 1969a).
Все сателлитные зоны имеют заметно сниженное содержание
G + C (57—60%) по сравнению с их содержанием в главной фрак-
ции ДНК (66—68%). Эти зоны представляют собой, по-видимо-
му, не эписомы (Moore, McCarthy, 1969а), а составную часть ге-
нома. Лоу (Lou, в работе Barley, 1976) обнаружил, что сателлит-
ная ДНК Н. salinarium. состоит из замкнутых кольцевых молекул
окружностью около 37 мкм. Было подсчитано, что каждая клет-
ка содержит от семи до девяти таких колец, и высказано предпо-
ложение, что различия в доле сателлитной ДНК У разных видов
экстремальных галофилов связаны с наличием в их клетках раз-
ного числа кольцевых молекул.
Исследования гибридизации ДНК/ДНК и ДНК/РНК (Moore,
McCarthy, 1969b) наводят на мысль, что разные галобактерии
родственны друг другу, но не родственны галококкам; сходные
выводы получены методами нумерической таксономии (Colwell
et al., неопубликованные данные), хотя на основании биохимиче-
ских особенностей галобактерий и галококков создается впечатле-
394
Глава 8
ние, что эти роды более терно связаны друг с другом, чем с каки-
ми-либо иными родами.
Высокие концентрации солей, при которых живут экстремаль-
ные галофилы, не препятствуют фаговой инфекции. Для несколь-
ких видов описаны фаги с изометрическими головками и с отрост-
ками (Torsyic, Dundas, Щ74; Wais, et al., 1975). Недавно было
показано, что эти фаги содержат двухцепочечную ДНК. Фаг од-
ного из видов галобактерий способен инфицировать несколько
других видов. Для поддержания стабильности фаги нуж-
даются в высокцх концентрациях солей моновалентных катионов
цли в более низкцх концентрациях ирнрв Mg2+, причем КС1 ока-
зывает значительно более эффективное действие, чем NaCl.
Недавно Грей и Фит (Grey, Pitt, 1976b) установили, что клет-
ки Н. cutirubrum. не могут осуществлять темновую репарацию
досле ультрафиолетового облучения, хотя и способны к репара-
ции путем фотореактивации.
Е. ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОЦ
ЭКСТРЕМАЛЬНО ГАЛОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ
1. Клеточные стенки и мембраны
Поверхностные слои экстремально, галофильных палочек и
кркцов значительно отличаются от аналогичных структур боль-
шинства других прокариот. Обозначения «грамположительные»
(галококки) и «грамотрицательные» (галобактерий) в примене-
нии к этим группам (Вшфапар, Gibbons, 1974) с химической и,
вероятно, с таксономическрй точек зрения лишены смысла. По-
верхностные слои галобактерий имеют некоторое (правда, до-
вольно незначительное) сходство с такими же слоями микоплазмы
и обитающей в горячих кислых источниках бактерии Sulfol-
obus (см. гд. 7). В последнце годы было показано, что галобакте-
рии не содержат мурамовой, диаминопимелиновой и D-амино-
кислот и, следовательно, не имеют мукопептидного слоя (Brown,
1964а; Larsen,' )967; Kushner, 1968>. Более того, у них, по-види-
мому, отсутствует и слой липопротеидов (Steensland, Larsen,
1969). Поскольку у галобактерий нет мукопептидов, считали, что
они вообще не имеют нррмальной клеточной стенки, а содержат
цитоплазматическую мембрану, покрытую внешним слоем гекса-
гонально расположенных белковых субъединиц, которые, вероят-
но, состоят из белка одцого вида. Аналогичный поверхностный
слой с гексагональной организацией субъединиц белка наблюда-
ется также у таких регалофнльцых бактерий, как Spirillum, Aci-
netobacter и другие (Beveridge, Murray, 1976). При исследовании
тонких срезов галобактерий под электронным микроскопом не
удается обнаружить четкой клеточной стенки. Однако отсутствие
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
395
мурамовой кислоты и других мукопептидных компонентов само по
себе еще не говорит о том, что эти бактерии вообще лишены кле-
точной стенки, оно лишь указывает на то, что у них нет клеточ-
ной стенки «стандартного» типа. Наглядным подтверждением
этого предположения служат экстремально галофильные кокки,
которые имеют толстые и прочные клеточные стеики, также не
содержащие мурамовой кислоты (Brown, Cho, 1970; Forsyth, 1971;
Reistad, 1972). Эти клетки характеризуются, по-видимому, жест-
ким структурным каркасом, определяющим их форму, но его
химическая природа остается пока неизвестной. Было показано,
что от одной трети до половины клеточных стенок различных
галококков состоит из углеводов, главным образом гексоз б пре-
обладанием глюкозы и галактозы (Forsyth, 1971). Присутствуют
также гексозамины. При более подробном изучении этих соеди-
нений среди них были обнаружены глюкозамин, галактозамйн и
2-амино-2-дезоксигулуроновая кислота (Reistad, 1972). Предпо-
лагается, что последнее соединение может выполнять роль, ана-
логичную роли мурамовой кислоты, образуя химические связи с
другими сахарами и аминокислотами. Изучение стенок экстре-
мально галофильных бактерий представляют собой поистине
трудную проблему для биохимика, занимающегося бактериаль-
ными клеточными стенками. Причем эта проблема вполне может
остаться нерешенной, поскольку медики йе проявляют к ней
должного интереса, который, как известив, ‘послужил стимулом
для многих работ по изучению структуры клеточных стенок мик-
роорганизмов, патогенных для человека.
У галококков стенки остаются неповрежденными в Дистилли-
рованной воде, в то время как галобактериям для йЬДдержания
палочковидной формы клеток и стабильности оболочек требу-
ются высокие концентрации солей. Обычно этй бактерии растут,
сохраняя стабильность в среде, содержащей примерно 4 М NaCl.
Если концентрация NaCl падает значительйб ниже 3 М, клетки
начинают приобретать неправильную форму й в конце концов
становятся шарообразными. При еще более низкой концентрации
(от 1 до 2 М NaCl в зависимости от штамма) внешние слои клеток
разрушаются. Среди одновалентных солей NaCl значительно бо-
лее эффективно поддерживает целостность клетки, чем КС1 или
NH4C1. Например, клетки Halobacterium cutirubrum в 2 М NaCl
приобретают шарообразную форму, но не теряют своего содержи-
мого, в то время как в 2 М растворах КС1 или NH4CI большая
часть клеточного содержимого выходит наружу, хотя клеточные
стенки еще вполне различимы (Kushner, 1964 b; Stoeckenius, Ro-
wen, 1967).
Поверхностные слои («клеточные оболочки»), выделяемые ме-
ханическим путем в 4 М NaCl, разрушаются при суспендирований
в растворах с более низкой концентрацией соли. Высокие кон-
396
Глава 8
центрации неионных растворимых веществ не стабилизируют
клеточных оболочек. Разрушение оболочек, очень быстро проте-
кающее на холоду, не обусловлено ферментативными реакциями.
В процессе разрушения происходит образование плохо идентифи-
цируемой смеси макромолекул, имеющих коэффициенты седимен-
тации, равные примерно 5S (Kushner et al., 1964). Исключение
составляют такие виды, как Н. halobium, оболочки которых содер-
жат значительное количество «пурпурных мембран». Частичная
стабилизация оболочек может быть также достигнута при низких
концентрациях (0,02 М) солей магния, хотя при этом происходит
потеря внешнего слоя. Если клетки поместить в такие растворы,
то наблюдается осмотический лизис, но большая часть оболочки
сохраняется. Этот способ применяется в качестве удобного мето-
да получения клеточных стенок для дальнейших исследований
(Brown et al., 1965).
В отличие от целых клеток клеточные оболочки почти одина-
ково хорошо сохраняются в растворах КС1, NH4C1 или NaCl
(Kushner, 1964b). Для объяснения этого наблюдения было выд-
винуто несколько гипотез. Более раннее предположение (Kushner,
1964b) о том, что Na+ действует на наружный, а К+ и NH4+ на
внутренний слой клеточной оболочки, вероятно, является слиш-
ком упрощенным, хотя, конечно, наружная часть оболочки под-
вергается воздействию высоких концентраций ионов Na+, тогда
как внутренняя находится в контакте со средой с высоким содер-
жанием ионов К+. Согласно другому предположению, при уме-
ренных концентрациях ионов К+ клетки претерпевают лизис, так
как К+ действует как проникающий растворимый агент (Soo-Hoo,
Brown, 1967). Эта гипотеза, очевидно, несостоятельна, поскольку
такие клетки обычно уже содержат достаточное для насыщения
количество ионов К+. Представляется более вероятным, что ионы
Na+ нужны не для поддержания стабильности всей оболочки, а
для предупреждения утечки определенных компонентов и что Na+
справляется с этой задачей лучше, чем другие ионы. Несомнен-
но, что высокие концентрации Na+ необходимы для обеспечения
лишь одной функции мембраны — активного транспорта. Было
показано, что для активного транспорта L-глютамата клеткам
Н. salinarium требуется NaCl, который не может быть заме-
нен KCL или NH4CI в концентрациях, обеспечивающих поддер-
жание клеточной структуры (Stevenson, 1966). Na+ необходим
также для индуцируемого светом накопления лейцина мембран-
ными пузырьками Н. halobium (MacDonald, Lanyi, 1975). Специ-
фическая потребность в ионах Na+ для активного транспорта бы-
ла также обнаружена у морских бактерий (MacLeod, 1965).
Потребность в высокой концентрации одновалентной соли или
в низкой концентрации двухвалентной соли для поддержания
стабильности оболочек, по-видимому, обусловлена, по крайней
Высокие концентрации солей- галофильные бактерии 397
мере частично, кислотностью белка оболочки (табл. 8.5), так как
в кислой среде происходит взаимное отталкивание анионных
групп, если они не защищены катионами. Участие отрицательно
заряженных групп в проявлении галофильных (солезависимых)
свойств клеточных оболочек было четко продемонстрировано в
экспериментах Брауна (Brown, 1964 b). Мембраны морской псев-
домонады (NCMB 845) подвергались обработке янтарным ангид-
ридом, который взаимодействовал со свободными Р4Н3+-группами,
вызывая возрастание числа карбоксильных групп на мембране.
Для поддержания стабильности обработанных таким образом
мембран требовались значительно более высокие концентрации
солей, чем в случае нативных мембран.
При обсуждении влияния очень высоких концентраций соли на
ферментативную активность следует учитывать также их воз-
можное действие на гидрофобные связи. Было высказано предпо-
ложение (Brown, 1976), что соли в высоких концентрациях могут
влиять на стабильность оболочек, усиливая гидрофобные связи
(которые, несомненно, имеются во всех мембранах). Мембран-
ные белки аналогично другим белкам (за исключением белков
«пурпурных мембран») экстремальных галофилов характеризу-
ются низким содержанием неполярных аминокислот (табл. 8.5).
Вполне логично предположить, что гидрофобные связи принима-
ют участие в стабилизации мембраны. Доказательства такого
участия были получены при тщательном изучении компонентов
мембраны (белки, липиды, флавопротеиды и цитохромоксидаза),
высвобождаемых при суспендировании оболочек Н. cutirubrum в
растворах с постепенно снижающимися концентрациями солей
(Lanyi, 1971). При самой высокой концентрации NaCl (3,4 М)
обеспечение их полной стабильности достигалось только в при-
сутствии низких концентраций ионов Mg2+(^0,2 мМ), что указы-
вает на существование связанной с Mg2+ фракции оболочки. По
мере снижения концентрации соли первым разрушался поверх-
ностный слой оболочки (при 1,0—1,2 М NaCl). При более низких
концентрациях NaCl (до 0,6 М) наблюдалась утрата других ком-
понентов оболочки. Тот факт, что NaCl в этом диапазоне концент-
раций более эффективно стабилизирует клеточные оболочки, чем
NaNO3 или NaClCh, наряду с действием агентов, разрушающих
гидрофобные связи, позволяет предположить, что утраченные
оболочкой компоненты были связаны главным образом гидро-
фобными связями. При концентрациях NaCl ниже 0,6 М стабиль-
ность оставшейся части оболочки обнаруживала слабую анион-
ную специфичность, свидетельствуя о том, что действие солей
было направлено в основном на ионные связи (Lanyi, 1971).
Оболочки экстремальных галофилов отличаются и другими
необычными свойствами, причем некоторые из них четко связаны
с солевой потребностью клеток. Тщательное изучение клеточной
398
Глава 8
оболочки Н. salinarium (штамм 1) показало, что 40—50% ее бел-
ковой фракции было представлено одним белком с мол. весом
около 194 000, содержащим ковалентно связанный углевод (Mes-
cljer et al., 1974; Mescher, Strominger, 1976 a, b). Остальная часть
оболочки состояла из 15—20 белков более низкого молекулярно-
го веса. При суспендировании оболочек в растворе, содержащем
5 мМ MgSO4, 0,14 М NaCl и 0,01 М КС1 (указанная концентрация
A|g2+ должна была обеспечить сохранение значительной части
структуры оболочки), большинство белков оболочки растворя-
лось, а высокомолекулярный белок оставался во фракции, осе-
дающей в результате центрифугирования в течение 1 ч при
100 000 g.
. Оболочки Е. coli и других грамотрицательных бактерий содер-
жат белки, комплексно связанные с липополисахаридами (кото-
рые отсутствуют у экстремальных галофилов). Наличие истинных
гдикопротеидов характерно для клеток эукариот, а среди прока-
рцот оно доказано только для Н. salinarium и Н. halobium (Mes-
cher, Strominger, 1976 а, b; Koncewicz, 1972). Гликопротеид яв-
ляется основным компонентом поверхностного слоя Н. salinarium.
При его отсутствии или тогда, когда его гликозилирование блоки-
ровано в результате обработки бактерий бацитрацином, клетки
теряют свою палочковидную форму и становятся шарообразными
(Mescher, Strominger, 1976 b). Вероятно, для поддержания фор-
мы этих клеток необходим целостный гликопротеид.
Липиды оболочек экстремальных галофилов обладают уни-
кальными свойствами, отличающими их от всех остальных липи-
дов биологического происхождения. Они вызывают особый инте-
рес, так как указывают на весьма необычные биохимические
характеристики этих микроорганизмов, а также позволяют, веро-
ятно, объяснить некоторые из их реакций на высокие концентра-
ции солей в окружающей среде. Почти все липиды И. cutirubrum
находятся в клеточной оболочке (Kushner et al., 1964). К основ-
ным компонентам этих липидов относятся дифитанилэфирный
аналог фосфатидилглицерофосфата (63% общего содержания
липидов) и гликолипидсульфата (23% общего содержания липи-
дрв; Kates, 1972). Наряду с указанными полярными липидами
оболочки этих и других экстремально галофильных палочек и
кокков содержат неионные липиды, такие, как красные Cgo-каро-
тцноидные пигменты, бактериоруберины и сквалены, а также
фитоен, ликопин, 0-каротин, витамин МК8 и ретиналь, являющий-
ся зрительным пигментом сетчатки глаза позвоночных (Kushwa-
ha et al., 1974, 1976, 1975a; Kates, 1972; Kates, Kushwaha, 1976;
Plachy et al., 1974). Большинство липидов экстремально гало-
фильных палочек и кокков представляют собой изопреновые со-
единения; жирные кислоты встречаются у них лишь в микроко-
личествах (Kates et aL, 1966), что объясняется, вероятно, очень
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии 399
низкой активностью синтазы жирных кислот у этих организмов и
ее ингибированием высокими концентрациями солей (Pugh et’al.,
1971).
В настоящее время активно исследуются пути биосинтеза ли-
пидов клетками Н. cutirubrum. Образование С40-каротинов проте-
кает по пути, который сходен, но не идентичен пути их синтеза, у
высших растений (Kushwaha et aL, 1976а). Изменения в составе
среды выращивания галобактерий могут приводить к изменению
пути образования липидов (особенно пигментированных) (Goch-
nauer et aL, 1972; Kushwaha et aL, 1974). Совсем недавно бьцю
обнаружено, что никотин ингибирует синтез Сао-бактериорубери-
нов (Kushwaha, Kates, 1976). Особенности образования бактерио-
руберинов после удаления ингибитора позволяют предположить,
что эти пигменты образуются из Сдо-каротина (ликопина).
Такой необычный состав этих липидов до недавнего времени
служил биохимическим «ключом» для обнаружения экстремаль-
ных галофилов. Экстремально галофильные палочки и кокки ха-
рактеризуются наличием липидов с диэфирной связью и отсутст-
вием жирных кислот и мукопептидных компонентов. Наоборот,
отсутствие липидов с диэфирной связью и наличие жирных кислот
и мукопептидных компонентов оказались полезными признаками,
позволившими выявить в коллекциях культур те микроорганиз-
мы, которые считались экстремальными галофилами, но на самом
деле были умеренными галофилами или солетолерантными орга-
низмами (Kates et aL, 1966; Novitsky, Kushner, 1975; Komaratat,
Kates, 1975). Однако экстремально галофильный актиномицет
Actinopolyspora halophila (Gochnauer et aL, 1975) составляет
исключение из этого правила. Он требует для своего роста по край-
ней мере 10%-ной концентрации NaCl (что считается весьма низ-
кой концентрацией для экстремальных галофилов), но имеет ли-
пиды, похожие на липиды мезофилов (фосфолипиды со сложно-
эфирными связями и жирные кислоты), а также мукопептиднуе
компоненты (о чем свидетельствует присутствие диаминопимели-
новой кислоты и чувствительность к лизоциму). Можно считать,
что отмеченные выше биологические особенности присущи только
галобактериям и галококкам.
Липиды экстремально галофильных палочек и кокков отлича-
ются необычно высокой кислотностью, так как основные группы
содержатся в них в небольших количествах или совсем отсутст-
вуют. Данные титрования белков оболочек (Brown, 1965) позво-
лили предположить, что их кислые группы расположены на
поверхности либо вблизи от нее, в то время как основные группы
находятся под поверхностным слоем и в этом случае они вполне
могут реагировать с кислыми группами фосфолипидов (Brown,
1976). Таким образом, кислотность фосфолипидов может активно
содействовать возрастанию кислотности белков оболочки и уве-
400
Глава 8
личивать тенденцию к взаимному отталкиванию между отрица-
тельно заряженными группами последней.
Проведены широкие исследования физического состояния ли-
пидов в оболочках И. cutirubrum или в искусственных дисперсных
системах липидов, выделенных из этих оболочек, с использова-
нием флуоресцентного зонда или спиновой метки. Используя
стеариновую кислоту с нитроксидной меткой, связанной с различ-
ными атомами углерода таким образом, что метка могла прони-
кать на разные расстояния в глубь оболочки или двойного липид-
ного слоя, Эссер и Ланьи (Esser, Lanyi, 1973) обнаружили, что
окружение искусственного двойного слоя было значительно бо-
лее подвижным, чем окружение оболочки. В последней окружение
оказалось более подвижным только в узкой центральной части ли-
пидного двойного слоя, при этом текучесть менялась с изменени-
ем температуры. По данным этих авторов, соотношение липидов
и белков в этих оболочках составляет менее 0,2, что является не-
обычно низким для бактериальных оболочек. Иными словами,
содержание белка в них выше, чем во многих других мембранах.
По мнению указанных авторов, белковые молекулы определяют
иммобилизацию всех липидов, за исключением тех, которые рас-
положены в центральной части. Почти по всей глубине двойной
слой имеет высокоупорядоченную структуру. И действительно в
этом случае отмечалось наибольшее по сравнению с любой другой
биологической мембраной ограничение подвижности спиновой
метки. По-видимому, только в очень немногих известных биологи-
ческих мембранах (примером могут служить саркоплазматиче-
ские пузырьки^ имеют место такие же сильные белок-липидные
взаимодействия в двойном липидном слое. Сравнение поведения
флуоресцентных зондов, перилена и 8-анилинонафталинсульфо-
кислоты в липидных дисперсных системах и пузырьках оболочки
также говорит в пользу того, что мембранные белки И. cutirubrum
иммобилизуют большую часть всей липидной фазы (Lanyi,
1974b).
Проведенные недавно исследования с дисперсными системами
общих липидов и выделенных из оболочек Н. cutirubrum поляр-
ных липидов дают ключ к пониманию структуры мембраны, необ-
ходимой для такого связывания катионов (Lanyi et. al., 1974; Pla-
chy et al., 1974). Полярные липиды представляют собой смесь
дифитанилэфирного аналога фосфатидилглицерофосфата и
дифитанилэфирного аналога гликолипидсульфата в соотношении
примерно 2:1. Использование спиновой метки и дилатометриче-
ские исследования позволяют предположить, что в дисперсных
системах, содержащих только полярные липиды, происходит зна-
чительное скручивание упакованных углеводородных цепей ли-
пидов. При добавлении одного из основных неполярных липи-
дов— сквалена — наблюдаются изменения в поведении зондов,
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
401
указывающие на то, что это соединение проникает в углеводород-
ную часть двойного слоя, располагаясь перпендикулярно плоскос-
ти мембраны в промежуточном пространстве между углеводород-
ными цепочками. Ионы Mg2+ или Са2+ вызывали агрегацию выде-
ленных из И. cutirubrum полярных липидов только в присутствии
сквалена. Таким образом, роль сквалена, возможно, заключается
в том, чтобы держать молекулы полярных липидов на достаточ-
ном расстоянии друг от друга, обеспечивающем доступ двухва-
лентных катионов к заряженным фосфатным группам. Эти явле-
ния наблюдались при температуре и концентрациях солей (NaCl
и КС1), характерных для условий жизни этих микроорганизмов,
что позволяет предположить важное физиологическое значение
сквалена.
Более ранние работы (Kushner, Onishi, 1966; Rayman et al.,
1967; McClare, 1967; Brown, 1976) также показывают, что поляр-
ные липиды экстремальных галофилов могут выполнять важную
роль участков связывания двухвалентных катионов.
2. Пурпурная мембрана галобактерий
Многие работы по экстремальным галофилам, проведенные в
последнее время, посвящены этой интересной структуре, обнару-
женной у штаммов Н. halobium и Н. cutirubrum. Стокениус и его
сотрудники (Stoeckenius, 1976) первыми заметили, что оболочки
Н. halobium, помещенные в дистиллированную воду, диссоцииру-
ют не полностью: от них остается небольшое количество окрашен-
ного в пурпурный цвет материала, который при центрифугирова-
нии в градиенте плотности собирается в виде отдельных фракций
пурпурных мембран. Можно выделить также отдельную фракцию
красного цвета. Окрашенный в пурпурный цвет материал пред-
ставляет собой дифференцированные участки клеточной мемб-
раны, которые могут составлять до 50% всей мембраны при вы-
ращивании клеток на свету в условиях недостаточной аэрации.
В пурпурных мембранах содержится от 20 до 25% липидов, как
полярных, так и неполярных (Kushwaha et al., 1975b). Они вклю-
чают упоминавшиеся ранее ретиналь и сульфатпроизводное гли-
колипида, но не содержат бактериоруберинов — красных пигмен-
тов, характерных для галобактерий. Последние были обнаружены
в красных мембранах, не содержащих ни ретиналя, ни сульфи-
рованных липидов (Kushwaha et al., 1975). Пурпурные мембраны
содержат только один белок — бактериородопсин, названный так
потому, что он, подобно родопсину глаза животных, связан с ре-
тиналем (Oesterhelt, Stoeckenius, 1971; Kushwaha et al., 1975).
Сначала при определении молекулярного веса бактериородопсина,
выделенного из Н. cutirubrum и Н. halobium, в нескольких лабо-
раториях были получены разные величины (Oesterhelt, Stoeckeni-
402
Глава 8
us, 1971; Kushwaha et al., 1975). Однако позднее совместная про-
верка (Kushwaha et al., 1976b) показала, что молекулярный вес
бактериородопсина равен 19 300+200 L Насколько удалось уста-
новить, пурпурные мембраны этих двух видов бактерий идентич-
ны. Хотя пурпурные мембраны были изучены только у бактерий
рода Halobacterium, обнаружено, что ретиналь содержится в це-
лом ряде пигментированных экстремальных галофилов (в отли-
чие от умеренных). Это позволяет предположить, что все бакте-
рии такого типа имеют пурпурные мембраны (Kushwaha et al.,
1974).
Большой интерес, который вызывают пурпурные мембраны,
обусловлен тем, что эти структуры ответственны за уникальный
тип фотофосфорилирования. Остерхельт и Стокениус (Oesterhelt,
Stoeckenius, 1973) показали, что на свету клетки выделяют ионы
водорода; позднее было установлено, что свет способен катализи-
ровать внутриклеточное образование АТР в анаэробных условиях
(Danon, Stoeckenius, 1974). Эти световые эффекты коррелируют
со сдвигом максимума поглощения света бактериородопсином с
560 до 415 нм. Этот сдвиг может быть временным с быстрым воз-
вратом максимума к 560 нм в темноте, при непрерывном же осве-
щении могут наблюдаться колебания между указанными длина-
ми волн (Oesterhelt, Stoeckenius, 1973). Суммарным результатом
всех этих процессов является высвобождение протонов из клетки.
Участие пурпурных мембран в энергетическом обмене клетки
подтверждается также тем фактом, что свет может индуцировать
транспорт лейцина в мембранные пузырьки Н. halobium (MacDo-
nald, Lanyi, 1975).
Выделенные пурпурные мембраны могут быть включены в пу-
зырьки, содержащие животные или растительные фосфолипиды,
где они также вызывают выделение Н+ на свету (в этом случае
внутрь пузырьков, так как мембраны в таких искусственных об-
разованиях «вывернуты наизнанку»). В эти пузырьки может
включаться АТРаза митохондрий бычьего сердца, и тогда под
действием света осуществляется синтез ATP (Packer, Stoeckeni-
us, 1974).
Методом диффракции рентгеновских лучей, а также с помо-
щью электронно-микроскопических исследований проводилось
изучение расположения бактериородопсина в пурпурной мембра-
не (Blaurock, Stoeckenius, 1971; Blaurock, 1975; Henderson, 1975).
Как показывают полученные данные, лежащие в одной плоскости
молекулы бактериородопсина собраны в группы по три молеку-
лы в каждой группе, через центр которой проходит тройная ось
вращения. Эти группы располагаются гексагонально на поверх-
1 Установлено методом электрофореза в ДСН-геле, который дает зани-
женные значения, сейчас правильной величиной считается мол вес 25 000+100
{Bndgen, Walker, 1976).
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
40$
нести мембраны. Каждая молекула белка, значительная часть
которой представлена а-спиралью, проходит через мембрану,
пронизывая ее насквозь. Функция насоса, которую, как предпо-
лагается, выполняют молекулы белка, может осуществляться без;
привлечения дополнительных мембранных или цитоплазматиче-
ских компонентов; присутствующие в мембране липиды, по-види-
мому, образуют включения между белковыми группами.
VII. ОСОБЫЕ ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ
ПРИ ИЗУЧЕНИИ УМЕРЕННО
ГАЛОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ
И СОЛЕТОЛЕРАНТНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Хотя экстремальные галофилы вызывают большой интерес и
привлекают к себе внимание исследователей, необходимо учиты-
вать, что они занимают особое положение среди бактерий. Боль-
шинство микроорганизмов, обладающих способностью расти в.
растворах с высокой концентрацией солей, могут также расти и
в значительно менее концентрированных растворах. Это было
продемонстрировано при обследовании ряда морских бактерий,,
выделенных (на агаре, содержащем 3% NaCl) из прибрежных
вод в Нью-Брансуике (Forsyth et al., 1971). Большая часть этих
бактерий могла расти при концентрациях NaCl, не превышающих
20%, а некоторые росли и в 30%-ном растворе NaCl. Как показы-
вают эти исследования, многие или большинство морских бакте-
рий обладают способностью к росту при концентрациях солей,,
намного превышающих их концентрацию в океане. Такие бакте-
рии можно считать умеренными галофилами или по крайней ме-
ре микроорганизмами с очень высокой солетолерантностью. Воз-
можно, наиболее интересной’ особенностью жизни таких микро-
организмов является диапазон солевых концентраций, в которых
они могут расти.
Адаптация экстремальных галофилов (по крайней мере, гало-
бактерий и галококков) к высоким концентрациям солей связана
с определенными изменениями в их белках, а также со сдвигами:
других биохимических показателей, что выражается в изменении
химического состава их клеточных оболочек и липидов клетки.
Характерны ли такие изменения для всех бактерий, растущих в.
растворах с высокими концентрациями солей? Если такие клетки
выращивать в значительно менее концентрированных растворах,,
будут ли они адаптироваться к этим концентрациям? Наконец,
самый интересный вопрос — будет ли меняться состав белков в
зависимости от тех концентраций солей, при которых происходит
их синтез?
В табл. 8.6 приведены некоторые из умеренных галофилов,
которые активно изучаются в настоящее время. Особенно приго-
Таблица 8.6
Умеренно галофильные бактерии, Изучавшиеся в Последние годы илй Изучаемые в настоящее время1
Организм Концентрация NaCl, M Источник организма Источник данных
диапазон роста нанлучшнй рост
Vibrio costicola NRC 37001, NCMB 701 0,2—4,0 0,7—2,0 Рассол для приготовления бекона Smith, 1938; Robinson, 1952
V. alginolyticus 138-2 0,1 —1,7 0,5 Морская рыба Unemoto, Hayashi, 1969
Paracoccus halodenitrificans2 0,4—4,0 0,5—2,0 Рассол для приготовления Robinson, 1950; Robinson, Gib-
бекона bons, 1952
Micrococcus 203 0,5—3,4 1,9—2,1 Соленое китовое мясо Hiwatashi et al., 1958
Pseudomonas 1013 0,5—4,3 2,1 Неочищенная соль, импор- тируемая в Японию Hiwatashi et al., 1958; Hirama- tsu et al., 1976; Ohno et al., 1976
Pseudomonas Ba! 0—4,0 0,5—1,0 Неочищенная соль, полу- Rafaeli-Eshkol, 1968
ценная при испарении воды из Мертвого моря 1
Micrococcus halobius 0,5—4,0 1,0—2,0 Неочищенная соль из мор- Onishi, 1972; Onishi, Kameku-
ской воды ra, 1972
M. varians 0—4,0 1,3—3,0 Соевый соус Kamekura, Onishi, 1974a
Pianococcus halophilus NRC 140334 Bacillus 21-1 0—5,0 0,7—1,5 Возможный контаминант ис- ходной галофильной куль- туры Novitski, Kushner, 1975, 1976
0—4,0 1,2—2,0 Неочищенная соль из мор- ской воды Kamekura, Onishi, 1974b
1 Перечислены неполностью
2 Данный микроорганизм первоначально назывался Micrococcus Haiodenitrificans, но впоследствии был переименован на основании новых
таксономических данных.
3 В цитируемой работе предполагается, что данный организм относится к роду Achromobacter, но в большинстве других работ он рассмат-
ривается как Pseudomonas,
* При описании этого штамма Новицкий и Кушиер (Novitski, Kushner, 1976) используют термин «факультативный галофил».
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
405
ден для физиологических исследований V. costicola, который рас-
тет на простых питательных средах (глюкозоминимальная сре-
да). Кроме того, внутриклеточная концентрация ионов у этого
микроорганизма обычно равна (или выше) их концентрации во
внешней среде, что не свойственно другим умеренным галофи-
лам (табл. 8.4).
Форсит и Кашнер изучали характер роста Vibrio costicola и
Paracoccus halodenitrificans при различных концентрациях NaCl
(Forsyth, Kushner, 1970). Он оказался одинаковым для обеих
бактерий: наиболее высокая скорость роста отмечалась при кон-
центрациях от 0,5 до 1,0 М NaCl, независимо от того, проводилось
ли предварительное культивирование инокулятов при самой
высокой (3,5 М) или самой низкой (0,5 М) концентрации NaCl,
при которой возможен рост. Эти эксперименты, а также другие
работы, в которых проводился подсчет колоний при различных
концентрациях соли, показывают, что при любой данной кон-
центрации соли не происходит отбора популяций клеток с раз-
личной ответной реакцией на присутствие соли. Более вероятно,
что каждая клетка способна расти во всем диапазоне концентра-
ций NaCl. По-видимому, это свойство присуще и другим орга-
низмам, способным расти в широком диапазоне концентраций
растворенных веществ (хотя до сих пор это не проверено ни для
одного из них). Во всяком случае, перед тем как проводить срав-
нение физиологических свойств клеток, выращенных при различ-
ных концентрациях растворенных веществ, необходимо удосто-
вериться, что мы имеем дело с генетически гомогенной популя-
цией.
Для того чтобы сравнить поведение внутриклеточных компо-
нентов клеток, выращенных при разных концентрациях соли,
следует также установить, как меняется содержание ионов внут-
ри клетки при изменении концентрации соли во внешней среде.
В настоящее время лишь для некоторых умеренно галофильных
бактерий имеются данные о количестве связанных клеткой ионов
(выраженном в виде их внутриклеточной коцентрации в пересче-
те на содержащуюся в клетке воду) для широкого диапазона
концентраций соли во внешней среде (табл. 8.4). Как уже упо-
миналось, некоторые дрожжи и водоросли, растущие при высо-
ких наружных концентрациях соли, имеют высокую внутрикле-
точную концентрацию неионных растворенных веществ. Таким
образом, невозможно a priori сделать какие-либо предположе-
ния в отношении состава внутриклеточных растворенных ве-
ществ для любого организма, способного расти в широких пре-
делах концентраций соли (или другого растворенного вещества).
В немногих изученных случаях изменение концентрации соли
в среде для выращивания микроорганизмов, по-видимому, не вы-
зывало изменения ответной реакции ферментов умеренных гало-
406
Глава 8
Рис. 8 2. Влияние концентрации NaCl на активность треониндезаминаз V. cos-
ticola и Е. coti (Shindler, 1976) и их ингибирование изолейцином. А — актив-
ность V. costicola; Q активность V costicola + 103 М lie; ф активность Е. co-
lt; □ активность Е. соП+10-3М Не.
филов на присутствие соли. Это было установлено для внеклеточ-
ной амилазы умеренного галофила (Onishi, 1972) и для NADH-
дегидрогеназы V. costicola (Hochstein, личное сообщение).
В этом же плане была изучена биосинтетическая треонинде-
гидратаза (ТДаза) V. costicola. Этот фермент образуется при вы-
ращивании клеток на глюкозоминеральной среде. В среде, содер-
жащей несколько аминокислот, образование этого фермента по-
давляется и, более того, не происходит синтеза катаболической
ТДазы. Интересно, что изменение активности этого фермента и
его ингибирования по принципу обратной связи в ответ на при-
сутствие соли протекает совершенно иначе, чем аналогичное из-
менение биосинтетической ТДазы Е. coli (рис. 8.2). Наибольшая
активность обоих ферментов наблюдается в отсутствие NaCl
(хотя соли стабилизируют ТДазу U. costicola). По мере повыше-
ния концентрации соли активность ТДазы галофила снижается,
достигая в конце концов примерно 30% максимальной величины.
Ингибирование фермента по принципу обратной связи под дей-
ствием изолейцина происходит на достаточно высоком уровне во
всем диапазоне концентраций NaCl. Таким образом, функциони-
рование этого фермента протекает вполне удовлетворительно
(как в отношении активности, так и регуляции) в широких пре-
делах солевых концентраций. Изменение как активности ТДазы,
так и ее ингибирования по принципу обратной связи в ответ на
присутствие NaCl было одинаковым независимо от тех концент-
раций солей, при которых происходило культивирование V. cos-
ticola (Shindler, 1976).
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
407
Что касается фермента, выделенного из Е. coli, то его актив-
ность также снижалась с увеличением концентрации NaCl, одна-
ко уже при концентрации 2 М и выше наблюдалась почти полная
его инактивация. В 3 М растворе соли изолейцин не ингибировал
фермент по принципу обратной связи.
Было изучено лишь небольшое число других регуляторных
ферментов умеренных галофилов. АТКаза N. costicola (мол. вес
160 000) проявляет максимальную активность в 2 М растворе
NaCl. Однако этот фермент не ингибируется по принципу обрат-
ной связи под действием СТР или UTP и на него не действует
целый ряд других нуклеотидов. По-видимому, он не подвергается
аллостерической регуляции (Shindler, 1976).
Можно предположить, что ответная реакция транспортных
систем умеренных галофилов на присутствие соли меняется при
выращивании клеток в растворах с различной концентрацией со-
ли, но эта интересная возможность не изучалась.
Рибосомы V. costicola имеют одинаковые седиментационные
свойства в широких пределах концентраций соли, причем их по-
ведение не зависит от того, выращивались ли клетки в средах с
более высокой или более низкой концентрацией соли (Wydro et
al., 1977).
Выращивание клеток умеренных галофилов при различных
солевых концентрациях, вероятно, не вызывает больших измене-
ний в химическом составе их клеточных стенок и липидов. По
своему липидному составу умеренные галофилы, выращенные в
растворах с высокой концентрацией соли, не обнаруживают
сходства с экстремальными галофилами, для которых характер-
но наличие дигидрофитиловых эфиров липидов и практически
полное отсутствие жирных кислот (Kates et al., 1966; Kushner,
Forsyth, неопубликованная работа, проведенная па V. costicola
и Р. halodenitrifleans). Эти два умеренных галофила и толерант-
ный «факультативный галофил» Pianococcus halophilus сохраня-
ют также мурамовую кислоту (и, вероятно, мукопептидную
структуру) при росте в высококонцентрированных солевых рас-
творах (Forsyth, 1971; Novitsky, Kushner, 1975). Упомянутые вы-
ше эксперименты и аналогичные данные, полученные на зани-
мающем пограничное положение экстремальном галофиле Acti-
nopolyspora halophila (Gochnauer et aL, 1975), позволяют пред-
положить, что необычные свойства липидов и клеточных стенок
галобактерий и галококков не обязательно связаны с их ростом
в высококонцентрированных солевых растворах или даже с их
потребностью в высоких концентрациях солей. И действительно,
до сих пор остается неизвестным, почему красные галофилы име-
ют такие необычные стенки и липиды. Ферменты, действующие
на эти структуры, по-видимому, чрезвычайно редко встречаются
в природе и возможно, что именно на этом основано действие за-
408
Глава 8
щитных механизмов у экстремальных галофилов. Благодаря то-
му, что все липиды экстремальных галофилов имеют изопреноид-
ную структуру, из них могут образоваться различные пигменти-
рованные соединения, которые должны способствовать выжива-
нию этих микроорганизмов, растущих на ярком солнечном свету
(Dundas, Larsen, 1962).
А. СИНТЕЗ БЕЛКА in vitro
Одна из основных проблем, возникающих при изучении уме-
ренных и экстремальных галофилов, заключается в определении
истинных концентраций свободных ионов в цитоплазме. Опреде-
ление количества связанных клеткой ионов в отличие от их
внутриклеточной локализации не доставляет больших затрудне-
ний. Масуи и Вада (Masui, Wada, 1973) обнаружили, что значи-
тельное количество ионов Na+ и К+ может быть связано оболоч-
кой умеренно галофильной палочки. Хотя это и свидетельствует
о том, что некоторые из содержащихся в клетке ионов не нахо-
дятся в свободном состоянии в цитоплазме, на основании количе-
ства ионов, связанных оболочками разрушенных клеток, очевид-
но, невозможно рассчитать путем экстраполяции количество ио-
нов, связанных с оболочкой в живой клетке. Прежде всего, равно-
весие связывания одновалентных ионов нарушается в результате
разбавления внутриклеточного материала, что обязательно про-
исходит при разрушении клеток и выделении оболочек Далее,
весьма вероятно, что способность оболочек к связыванию ионов
меняется при их разрушении и удалении из естественной среды
обитания клеток.
Об истинной внутриклеточной среде можно также судить на
основании влияния солей и других растворенных веществ на фи-
зиологические функции микроорганизмов. Такой подход исходит
из предположения, что концентрация растворенных веществ, на-
илучшим образом обеспечивающая выполнение этих функций, и
есть та концентрация, которая реально существует в живой клет-
ке. Этому подходу уделяется большое внимание в обзоре Брауна
(Brown, 1976), поскольку его можно рассматривать как состав-
ную часть выдвинутой Брауном гипотезы о «совместимых раст-
воренных веществах», т. е. таких соединениях, которые поддер-
живают соответствующую величину активности внутриклеточной
воды (aw) и тем самым дают возможность клетке осуществлять
ее функции. Он отмечает, что для одного очень хорошо изученно-
го фермента, изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ) из Н. salinariumr
КС1 в высоких концентрациях вызывает меньший ингибирующий
эффект по сравнению с NaCl и, по-видимому, действует как про-
стой неконкурентный ингибитор. NaCl оказывает на фермент ин-
гибирующее действие сложного нелинейного характера. Тща-
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
409
тельные кинетические исследования позволяют предположить,
что при более высоких концентрациях NaCl гораздо более тесно
связан с ферментом, чем КС1. Хотя NaCl и оказывает на фер-
мент более сильное ингибирующее действие по сравнению с КС1,
он не вызывает полного ингибирования фермента, так что значи-
тельная часть активности фермента сохраняется даже при самых
высоких концентрациях NaCl (Aitken, Brown, 1972; Brown,
1976).
Как показано в другой работе (Brown, 1976), ИЦДГ
(NADP+) солеустойчивых дрожжей Saccharomyces rouxii в боль-
шей степени подавляется сахарозой, чем глицерином. Это хоро-
шо согласуется с тем фактом, что данный микроорганизм не по-
глощает сахарозу, но накапливает многоатомные спирты.
Хотя эти эксперименты сами по себе представляют опреде-
ленный интерес, очевидно, на их основе нельзя сделать вывод о
том, что фактическое содержание растворенных веществ в клет-
ке соответствует той их концентрации, которая обеспечивает наи-
большую активность только одного, пусть даже важного фермен-
та. Нельзя с уверенностью утверждать, что любой фермент будет
работать с максимальной интенсивностью в клетке, где кон-
центрации субстратов должны быть низкими. Изменения, при-
водящие к адаптационным сдвигам в клетках микроорганизмов
под воздействием температуры, обусловлены изменениями регу-
ляторных свойств функционирующих в клетке ферментов, а не
изменениями ]/тлх (Hochachka, Somero, 1973). Можно также
сомневаться в том, что для клетки выгодно, чтобы большинство
содержащихся в ней ферментов работало на полную мощность.
Регуляторные ферменты служат более подходящим физиологи-
ческим показателем оптимального внутриклеточного содержания
растворенных веществ. Поразительный пример с малатдегидро-
геназой Н. cutirubrum (Vidal, Cazzulo, 1976), у которой макси-
мальная активность проявляется в 1 м NH4C1, а наибольшая спо-
собность к регуляции — в 3 М КС1, весьма убедительно подтвер-
ждает то мнение, что концентрация КС1, равная 3 М, близка к
физиологической концентрации этой соли в клетке.
Вероятно, синтез белка in vitro представляет собой наилуч-
ший из всех возможных физиологических показателей, требую-
щий дальнейшего изучения у других микроорганизмов. На сегод-
няшний день единственное тщательное исследование такого ро-
да, касающееся галофильных бактерий, — это описанная выше
работа Бэйли и его сотрудников, выполненная на экстремальном
галофиле Н. cutirubrum (Bayley, 1976). Они показали, что ста-
бильность рибосом, активность ферментов, активирующих ами-
нокислоты, и включение аминокислот в белок обеспечиваются
при концентрациях ионов, близких тем, которые были рассчита-
ны для клетки на основании определения количества связанных
410
Глава 8
ею ионов. Эти опыты явно указывают на то, что связанные клет-
кой ионы в действительности находятся в цитоплазме в «свобод-
ном состоянии» (хотя, как следует из обсуждения, приведенного
в разд. V, эта свобода, по-видимому, не абсолютна).
Результаты проведенных недавно экспериментов с умерен-
ным галофилом V. costicola свидетельствуют о том, что боль-
шинство связанных клеткой ионов у этого микроорганизма, веро-
ятно, находится в цитоплазме не в свободном состоянии. Бескле-
точная белоксинтезирующая система была испытана в присутст-
вии химических смесей того состава и концентрации, которые, как
предполагается на основании анализа связанных клеткой ионов,
существуют в цитоплазме (Shindler et al., 1977). Было выясне-
но, что эта система действует только при низких концентрациях
солей. Фактически существенная активность была обнаружена
лишь в том случае, если концентрация соли была не выше 0,2 М.
Максимальный синтез белка (либо эндогенный, определяемый
по включению смеси аминокислот без добавления матрицы, либо
экзогенный, измеряемый по включению фенилаланина, направ-
ляемому добавленной извне poly-(U) наблюдался в 0,1—0,2 М
растворе соли, причем наиболее эффективными были КС1 и
NH<C1. Необходимо было также присутствие ионов Mg2+, опти-
мальная концентрация которых соответствовала 20 мМ, что зна-
чительно ниже общего содержания ионов Mg2+ в клетке (рис. 8.3
и 8.4). Более высокие концентрации одновалентных солей инги-
бировали белковый синтез. Интересно, что NaCl обладает более
выраженным ингибирующим действием, чем КС1 или NH4CI. Эти
соли влияли также на стабильность белоксинтезирующей систе-
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
411
Рис. 8.4. Влияние MgCl2 на синтез белка (направляемое poly-U включение фе-
нилаланина) экстрактами клеток V. costicola.
мы, но при концентрациях, подавляющих активность системы, ее
стабильность еще сохранялась. Высокие концентрации NaCl вы-
зывали, однако, быструю инактивацию системы (Wydro et al.,
1977).
Поскольку растущие клетки должны синтезировать белки, на
основании этих данных можно предположить, что в клетках
V. costicola имеются защищенные от влияния высоких концент-
раций солей зоны, в которых и происходит синтез белка. Если
это так, то в клетке должны существовать и другие участки с
очень высокой концентрацией солей, например клеточная обо-
лочка. Возможно даже, что зоны с высоким содержанием солей
оказывают стабилизирующее действие на белоксинтезирующую
систему в то время, когда она не функционирует, хотя нельзя
412
Глава 8
исключить и возможность ее стабилизации другим путем, напри-
мер с помощью полиаминов.
Эти предположения не вытекают из исследования рибосом
указанных организмов (проявляющих стабильность в широком
диапазоне концентраций солей) или из изучения индивидуальных
ферментов, которые, как показано выше, проявляют максималь-
ную активность при разных концентрациях солей. На основании
изучения только одного фермента невозможно предсказать, ка-
кова физиологическая концентрация ионов. Гораздо более подхо-
дящим физиологическим показателем, по-видимому, является
белковый синтез — важнейший процесс, в котором участвуют
многие ферменты и клеточные структуры.
Было бы целесообразным провести подобные исследования и
на других микроор! анизмах, более или менее устойчивых к дей-
ствию солей и других растворенных веществ. Можно ожидать,
что защищенные от действия растворенных веществ зоны суще-
ствуют и в цитоплазме мезофильных организмов. Рибосомы
Е. coli подвергаются агрегации в 0,5 М растворе NaCl, тогда как
клетки обладают способностью расти при такой концентрации
соли (Wydro et al., 1977). Возможно, что этот организм также
обеспечивает удаление солей из самых чувствительных участков
клетки, хотя вряд ли можно считать, что это достигается путем
поддержания активности внутриклеточной воды на более высо-
ком уровне по сравнению с внешним раствором.
VIII. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
А. ВОДА И РАСТВОРЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА
Роль водного стресса, т. е. низкой активности воды, в ограни-
чении роста микроорганизмов в природе рассматривается в гл. 9.
Многие примеры из лабораторных исследований указывают на
то, что обычно невозможно разграничить влияние водного стрес-
са и влияние высоких концентраций тех или иных растворенных
веществ. Конечно, на уровне ферментов эффекты, по-видимому,
в большей степени обусловлены влиянием растворенных ве-
ществ, чем общим снижением активности воды. Целесообразно,
вероятно, рассматривать aw как фактор, лимитирующий рост
микроорганизмов, растущих на сухих поверхностях, т. е. в усло-
виях, когда рост можно измерять как функцию относительной
влажности атмосферы. Однако тот факт, что подобные организ-
мы перестают расти после того, как внешняя активность воды
достигает определенной минимальной величины, еще не доказы-
вает, что единственной причиной прекращения роста является
aw. Низкая величина внешней tzw приведет к оттоку воды из
клетки, что вызовет повышение концентрации внутриклеточных
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
413
растворенных веществ. Вероятно, невозможно разграничить эф-
фекты, связанные с потерей воды и с влиянием таких растворен-
ных веществ.
Действие некоторых веществ, особенно при высоких концент-
рациях, может объясняться их влиянием на структуру воды, т. е.
на ассоциацию молекул воды, что в свою очередь влияет на об-
разование гидрофобных связей. Как явствует из обсуждения,
приведенного в данной главе [более подробные данные содер-
жатся в обзоре Ланьи (Lanyi, 1974)], при этом также невозмож-
но разграничить эффекты, обусловленные действием растворен-
ных веществ на белковые молекулы и на структуру воды.
Б. ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
ГАЛОФИЛОВ
Если раньше галобактерии и галококки рассматривались как
какие-то редкие биологические курьезы, то теперь эта группа
микроорганизмов привлекает к себе все большее внимание ис-
следователей. Такой интерес объясняется уникальными биохи-
мическими свойствами данных организмов. Но эти же свойства
обусловливают и некоторые трудности, возникающие при работе
с галофильными организмами. К ним относятся: 1) сложные пи-
щевые потребности галофилов, что, вероятно, сильно затруднит
поиски мутантов с измененными пищевыми потребностями (хотя
до сих пор таким поискам не уделялось серьезного внимания);
2) устойчивость галофилов к большинству антибиотиков, что
исключает возможность проводить отбор полезных мутантов по
этому признаку; 3) трудности, связанные с тем, что значительная
часть тонкой структуры клетки нарушается при удалении солей
и что соли являются большой помехой при детальном изучении
клеточных органелл. Последнее обстоятельство, вероятно, объяс-
няет почти полное отсутствие сведений о жгутиках экстремаль-
ных галофилов, за исключением того, что они, по-видимому, раз-
рушаются в отсутствие солей так же, как и жгутики морской
бактерии Vibrio alginolyticus (Ulitzur, Kessel, 1973). Об этом
можно судить на основании данных о том, что у галобактерий,
подвергшихся лизису при перенесении в воду, не обнаружено ни-
каких жгутиков. К субклеточным структурам, наиболее тщатель-
но изученным с помощью электронного микроскопа, относятся
те, которые проявляют стабильность в отсутствие солей, такие,
как рассмотренные выше пурпурные мембраны и газовые вакуо-
ли Н. halobium (Krantz, ВаПои, 1973).
Нестабильность белков в отсутствие солей и трудности, свя-
занные с их очисткой в присутствии солей, также ограничивают
исследования ферментов экстремальных галофилов. Я знаю мно-
гих биохимиков, которые, сделав значительный вклад в энзимо-
414
Глава 8
логию экстремальных галофилов, затем забросили их и стали
заниматься другими микроорганизмами, более удобными как с
генетической, так и с энзимологической точки зрения. Вероятно,
отнюдь не случайно, что наиболее детальная работа, выполняе-
мая сейчас на экстремальных галофилах (а именно исследова-
ние пурпурных мембран), посвящена изучению структуры, кото-
рая не требует соли для осуществления своих физиологических
функций. Я не отрицаю, что эта структура заслуживает тот ог-
ромный интерес, который она вызывает, но все же «галофилове-
ды» старой школы должны задать себе вопрос, проводилось ли
бы столь ревностное изучение пурпурных мембран, если бы это
пришлось делать при постоянном присутствии солей в высоких
концентрациях.
Эти и некоторые другие необычные свойства галобактерий и
галококков, включая их липиды, стенки и сателлитную ДНК,
вполне заслуживают изучения сами по себе, но нет прямых ука-
заний на то, что они имеют отношение к жизни в высококонцент-
рированных солевых растворах. Тот факт, что микроорганизм,
способный существовать в экстремальных условиях, обладает
каким-то необычным свойством, еще не доказывает наличия свя-
зи между этими двумя явлениями.
Вопреки этому предостережению необычные биохимические
свойства красных галофилов следует рассматривать как возмож-
ное объяснение особого таксономического и эволюционного ста-
туса данных организмов, что само по себе представляет доста-
точно интересный предмет исследования. Раньше предполага-
лось, что галобактерий родственны псевдомонадам и даже про-
слеживались возможные пути их происхождения от этой группы
(Larsen, 1967). Мне кажется, будет ошибкой считать, что крас-
ные галофилы тесно связаны с каким-либо известным родом бак-
терий. Можно надеяться, что сравнительные исследования спе-
цифичных рибосомных белков, РНК и других макромолекул с
изученной функцией позволят уточнить таксономическое положе-
ние этих организмов1.
Хотя на первый взгляд умеренно галофильные бактерии и
вообще солеустойчивые микроорганизмы не заслуживают такого
внимания как экстремальные галофилы, при их изучении возни-
кает целый ряд достаточно интересных вопросов, связанных в
первую очередь с их способностью к росту в широких пределах
концентраций растворенных веществ. Дальнейшее исследование
1 Некоторые исследователи считают, что галобактерий, как и метаиообра-
зующие бактерии, являются особой вегвью эволюции. Их предлагают назы-
вать архебактериями (arhaebacteria). Более подробно об этом см. Woese С. R.
et al, J Mol Evol., 11, 245—252, 1978; Fox et al„ Science, 209, 457, 1980. —
Прим ped. перевода.
Высокие концентрации солей- галофильные бактерии
415
этих сравнительно мало изученных микроорганизмов, вероятно,
поможет пролить свет на взаимосвязь между внутриклеточной
и наружной концентрациями растворенных веществ, а также ус-
тановить, в каком состоянии находятся ионы в цитоплазме. Мож-
но надеяться, что если прошедшие десять лет были отмечены ус-
пехами в изучении экстремальных галофилов, то следующее де-
сятилетие будет свидетелем того, как их более скромные и уме-
ренные «собратья по духу» займут достойное место в науке.
ДОПОЛНЕНИЕ
На протяжении прошедшего года быстрыми темпами про-
должалось изучение молекулярной биологии экстремальных га-
лофилов, в особенности пурпурных мембран галобактерий (Bay-
ley, Morton, в печати; Heinrich et al., 1977; Henderson, 1977).
В указанных обзорах содержатся ссылки на все новые работы.
Самые последние работы отмечены в списках литературы звез-
дочками.
Опубликованы обзоры по экологии микробов Мертвого моря
(Nissenbaum, 1975, 1977а, b )и Большого Соленого озера (Post,
1977). Было также проведено изучение микробных популяций,
обитающих в природных водоемах, в которых наблюдаются ко-
лебания концентраций солей, например в эстуариях, лагунах и
солеварнях (Blevins et al., 1976; Jeske, 1975; Vreeland, Litchfield,
1976). Список других солеустойчивых или галофильных микро-
организмов, в том числе тех, которые были обнаружены в мор-
ской воде, крови, колбасах, сырах и омарах, приводится ниже.
По сравнению с галобактериями другие галофильные орга-
низмы изучаются в значительно менее широких масштабах. Сре-
ди тех, физиология которых наиболее изучена, можно назвать
«классические» умеренные галофилы Vibrio costicola (de Medi-
cis, Rossignol, 1977) и Paracoccus halodentr if leans (Alico, Hoch-
stein, 1976); весьма интересный фотосинтезирующий галофил
Ectothiorhodospira halophila (Rinehart, Hubbard, 1976; Tabita,
McFadden, 1976) и галофильную сине-зеленую водоросль Apha-
nothece halophitica (Koelsch et al., 1976; Miller et al., 1976; Yopp
et al., 1976).
БЛАГОДАРНОСТИ
Я хочу выразить благодарность д-рам М. Кейт (М. Kate) и
А. Мэтесон (A. D. Matheson) за их ценные советы при подготов-
ке этой главы.
416
Глава 8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1
Абдулаев Н Г.КисаевА В, Овчинников Ю А (1971) Действие протеоли-
тических феркю.тов иа пурпурные мембраны Halobacterium halobium,
Биоорганическая кимия, 2, 1148—1150
Aitken. D М, Brown. А D (1972) Properties of halophil nicotinamideadenine
dmucleotide phosphate specific isocitrate dehydrogenase, Biochem, J, 130
645—662
* Aidova E, Rye M (1976) Halophihc мЬпо isolated from presswurst, Folia
Microbiol, 21, 327
* Ahco R К, Hochstein L I (1976) Internal cation concentiations in the mode-
rate halophile Paracoccus halodenitrificans, Abst Ann Meet Am Soc
Microbiol, 76, 182
Baas Becking Y G M (1931) Historical notes on salt and salt manufacture,
Sci Month , 32, 434—446
* Балашов С П, Литвин Ф Ф (1976) Первичные фотохимические реакции
бактериородопсина в пурпурных мембранах галобактерий при 4К, Био-
органическая химия, 2, 565—566
Барский Е Л, Лрачев Л А, Каулен А Д, Кондрашин А А, Либерман Е А,
Остроумов С А , Самуилов В Д , Семенов А Ю , Скулачев В П , Ясай-
тис А А (1975) Прямые измерения генерации электрического тока ли-
попротеидными комплексами, Биоорганическая химия, 1, 113—126
Baxtet R М (1959) An interpretation of the effects of salts on the lactic dehyd-
rogenase of Halobacterium salinarium, Can J Miciobiol, 5, 47—57
Baxter R M Gibbons N E (1956) Effects of sodium and potassium chloride
on certain enzymes of Micrococcus halodenitrificans and Pseudomonas
sahnana Can J Microbiol , 2, 599—606
Bayley S T (1976) Information transfer salt effects, m Extreme Environ
ments mechanisms of microbial adaptation (Ed Heinrich M R), pp 119—
136, Academic Press, New York and London
Bayley S T, Kushner D J (1964) The ribosomes of the extremely halophihc
bacterium, Halobacterium cutirubrum, J Mol Biol, 9, 654—669
* Bayley S T, Morton R A (1978) Recent developments in the molecular
biology of extremely halophihc bacteria, CRC Cnt Rev Microbiol (in
press)
Ben Amotz A (1974) Osmoregulation mechanism m the halophihc alga Dunahel-
la parva, in Membrane Transport in Plants (Eds Zimmerman U, Dain-
ty J )> PP 95—100, Springer Verlag, New York
Ben Amotz A , Avron M (1973) The role of glvcerol m the osmotic regulation of
the halophihc alga Dunaliella parva, Plant Physiol, 51, 875—878
Beveridge T J, Murray R G E (1976) Dependence of the superficial layers
of Spirillum putndiconchylium on Ca2+ or Sr2+, Can J Microbiol, 22,
1233—1244
Bilsky A Z, Armstrong J В (1973) Osmotic reversal of temperature sensitivity
m Eschetichta coli, J Bacteriol 113, 76—81
Blaurock A E (1975) Bacteriorhodopsin A transmembrane pump containing
a helix, J Mol Biol, 93, 139—158
Blaurock A E, Stoeckenius W (1971) Structure of the purple membrane, Nature
New Biol, 233, 152—155 , , , , ,
* Blevins W L, Nevin T A, Noble C L (1976) Thiol synthesis by halophihc
bacteria indigenous in a coastal lagoon, Bull Environ Contam Toxicol,
15, 330—334
* Боровягин В Л, Плакунова В Г, Шерман М 6 (1976) Изучение струк-
туры мембран Halobacterium halobium, ДАН СССР, 228, 726 728
1 Звездочкой отмечены недавно опубликованные работы, не упомянутые в
тексте
Высокие концентрации солей' галофильные бактерии
417
Borowitzka L J, Brown A D (1974) The salt relations of marine and halo-
philic species of the unicellular green alga, Dunaliella, Arch Microbiol,
96, 37—52
Breed R S, Murray E G D, Smith N R (1957) In Bergey’s Manual of Deter
minative Bacteriology (7th ed ), Williams and Wilkins, Baltimore
Bndgen J, Walker I D (1976) Photoreceptor protein from the purple mem-
brane of Halobacterium halobium, Molecular weight and retinal binding
site, Biochemistry, 15, 792—798
* Brinkley A W , Rommel F A , Huber T W (1976) The isolation of Vibrio
parahemolyticus from moribund aquarium lobsters, Can J Microbiol, 22,
315—317
Brisou J, Courtois D, Denis F (1974) Microbiological study of a hypersaline
lake in French Somaliland, Appl Microbiol, 27, 819—822
Brock T (1969) Microbial growth under extreme conditions, Symp. Soc Gen
Microbiol, 19, 15—42
Brock T (1976) Halophilic blue green algae, Arch Microbiol, 107, 109—111
Brown A D (1964a) Aspects of bacterial response to the ionic environment,
Bacteriol Rev , 28, 296—329
Brown A D (1964b) The development of halophilic properties in bacterial
membranes by acylation, Biochem Biophys Acta, 93, 136—142
Brown A. D (1965). Hydrogen ion titrations of intact and dissolved lipoprotein
membranes, J Mol Biol, 12, 491—508
Brown A D (1974) Microbial water relations features of the intracellular com
position of sugar tolerant yeasts, J Bacteriol, 118, 769—777
Brown A D (1976) Microbial water stress, Bacteriol Rev, 40, 803—846
Brown A D, Simpson J. R. (1972). Water relations of sugar-tolerant yeasts the
role intracellular polyols, J Gen Microbiol, 72, 589—591
Brown A D , Shorey C D , Turner H P (1965) An alternative method of isola-
ting the membrane of a halophilic bacterium, J Gen Microbiol, 41,
225—231
Buchanan R E, Gibbons N E (1974) In Bergeys Manual of Determinative
Bacteriology, Williems and Wilkins, Baltimore
Cazzulo J J (1973) On the regulatory properties of a halophilic citrate synthase,
FEBS Lett, 30, 339—342
Cazzulo J J (1975) Las bacterias halophilas extremas I Generalidades, compo-
sicion quimica у estructura II Enzimologia у metabohsmo, Rev. Asoc
Arg Microbiol, 7, 28—37, 68—80
Cazzulo J. J, Vidal M C (1972) Effect of monovalent cations on the malic
enzyme from the extreme halophile, Halobacterium cutirubrum, J Bacte-
riol , 109, 437—439
Chazen L L, Bayley S T. (1973) Some properties of a DNA dependent RNA .
polymerase from Halobacterium cutirubrum, Can J. Biochem, 51, 1297—
1304
* Чекулаева Л H, Королев Ю H, Телегин H Л, Рихирева Г. T (1975) Изу-
чение образования пурпурных мембран в процессе культивирования со-
левых бактерий, Биофизика, 20, 839—843.
* Cherry R J, Heyn М Р, Oesterhelt D (1977). Rotational diffusion and ex-
cition coupling of bacteriorhodopsin in cell membrane on Halobacterium
halobium, FEBS Lett, 78, 25—30
* Chignell C F, Chignell D A (1975) A spin label study of purple membranes
from Halobacterium halobium, Biochem Biophys Res. Commun, 62,
136—143
Christian J H В (1955) The influence of nutntion on the water relations of
Salmonella Oranienburg, Aust J Biol Sci, 8, 75—82
Christian J H. В, Waltho J. (1962). Solute concentrations within qells of
halophilic and non halophilic bacteua, Biochim Biophys Acta, 65, 506—
508
* Cinco M, Tamaro M , Cociancich L (1975) Taxonomical, cultural and m^tabo-
418
Глава 8
lie characteristics of halophilic leptospirae, Zent. Bakteriol. Parasit. Infekt.
Hyg. Erste, 233, 400—405.
Cope F. W., Damadian R. (1970). Cell potassium by 39K spin echo nuclear
magnetic resonance, Nature, Lond., 228, 76—77.
* Daiku F., Fujita У., Ezura У., Sakai M. (1976). Physiological studies on the
inorganic salt requirements of marine bacteria. 1. Minimum salt con-
centration in the cell suspension required to prevent lysis, Bull. Jap. Soc.
Sci. Fish., 42, 307—313.
* Daiku F., Fujita У., Ezura У., Sakai M. (1976). Physiological studies on the
inorganic salt requirements of marine bacteria. 2. Effects of inorganic
salts on the oxidations of succinic acid and of fumaric acids, Bull. Jap.
Soc. Sci. Fish., 42, 315—322.
Danon A., Stoeckenius IF. (1974). Photophosphorylation in Halobacterium
halobium, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 71, 1234—1238.
* de Medicis E., Rossignol B. (1977). Pyruvate kinase from the moderate
halophile, Vibrio costicola, Can. J. Biochem., 55, 825—833.
Deo P. W. (1974). Studies on the structure and metabolism of the glycolipids
and glycolytic sulphate in the extreme halophile Halobacterium cutirub-
rum, Ph. D. Thesis, Univ. Ottawa.
Dundas I. D, Larsen H. (1962). The physiological role of the carotenoid pigments
of Halobacterium salinarium, Arch. Mikrobiol., 44, 233—239.
Dundas I. D„ Srinivasan V. R., Halvorson H. O. (1963). A chemically defined
medium for Halobacterium salinarium strain 1, Can. J. Microbiol., 9,
619—624.
* Dynev T., Rajkov P., Stamenova C„ Nackova V., Atanasova V. (1976). Isola-
tion of non-agglutinating and halophile vibrios in man, Folia. Microbiol.,
21, 326—327.
* Edzes H. T., Ginzburg M., Ginzburg B. Z„ pan Berendsen H. J. C. (1977).
Physical state of alkali ions in a halobacterium: some NMR results,
Experientia, 33, 732—734.
Esser A. F„ Lanyi J. K. (1973). Structure of the lipid phase in cell envelope
vesicles from Halobacterium cutirubrum, Biochemistry, 12, 1933—1939.
Falkenberg P., Matheson A. T., Rollin C. F. (1976). The properties of ribosomal
proteins from a moderate halophile, Biochim. Biophys. Acta, 434, 474—482.
* Fitt P. S., Peterkin P. I. (1976). Isolation and properties of a small mangane-
se ion stimulated bacterial alkaline phosphatase, Biochem. J., 157, 161—
167.
Fitt P. S., Peterkin P. I., Barua N. N. (1975). The relationship between the
deoxyribonucleic acid-bound and low-molecular-weight soluble forms of
Halobacterium cutirubrum deoxyribonucleic acid-dependent ribonucleic
acid polymerase, Biochem. J., 149, 719—724.
Flannery W. L. (1S56). Current status of knowledge of halophilic bacteria,
Bacteriol. Rev., 20, 49—66.
Forsyth M. P. (1971). Physiological studies on halophilic bacteria, Ph. D. Thesis,
Univ. Ottawa.
Forsyth M. P., Kushner D. J. (1970). Nutrition and distribution of salt response
in populations of moderately halophilic bacteria, Can. J. Microbiol., 16,
253 261
Forsyth M. P., Shindler D. B., Gochnauer M. B., Kushner D. J. (1971). Salt
tolerance of intertidal marine bacteria, Can. J. Microbiol., 17, 825—828.
* Garty H„ Caplan S. R. (1977). Light dependent rubidium transport in intact
Halobacterium halobium cells, Biochim. Biophys. Acta, 459, 532—545.
Gibbons N. E. (1970). Isolation, growth and requirements of halophilic bacteria
(Eds. Norris J. R„ Ribbons D. W.), in: Methods in Microbiology, Vol. 3B,
pp. 169—182, Academic Press, New York and London.
* Gillbro T., Kriebel A. N., Wild U. P. (1977). Origin of red emission of light-
adapted purple membrane of Halobacterium halobium, FEBS Lett., 78,
57—60.
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
419
Ginzburg М., Sachs L., Ginzburg В. Z. (1971а). Ion metabolism in a Halobacte-
rium. II. Ion concentration in cells at different levels of metabolism,
J. Memb. Biol., 5, 78—101.
Ginzburg M., Ginzburg B. Z., Tosteson D. C. (1971b). The effect of anions on
K+-binding in a Halobacterium species, J. Memb. Biol., 6, 259—268.
Gochnauer M. B., Kushner D. J. (1969). Growth and nutrition of extremely
halophilic bacteria, Can. J. Microbiol., 15, 1157—1165.
Gochnauer M. B., Kushner D. J. (1971). Potassium binding, growth and survival
of an extremely halophilic bacterium, Can. J. Microbiol., 17, 17—23.
Gochnauer M. B., Kushwaha S. C., Kates M., Kushner D. J. (1972). Nutritional
control of pigment and isoprenoid compound formation in extremely
halophilic bacteria, Arch. Mikrobiol., 84, 339—349.
Gochnauer M. B„ Leppard G. G., Komaratat P., Kates M„ Novitsky T„ Kush-
ner D. J. (1975). Isolation and characterization of Actinopolyspora halo-
phila, gen. et sp. nov., an extremely halophilic actinomycete, Can.
J. Microbiol., 21, 1500—1511.
Grey V. L., Fitt P. S. (1976a). An improved synthetic growth medium for
Halobacterium cutirubrum, Can. J. Microbiol., 22, 440—442.
Grey V. L., Fitt P. S. (1976b). Evidence for the lack of deoxyribonucleic acid
dark-repair in Halobacterium cutirubrum, Biochem. J., 156, 569—575.
* Griffiths D. E., Hyams R. L., Partis M. D. (1977). Studies of energy linked
reactions: role for lipoic acid in purple membrane of Halobacterium
halobium, FEBS Lett., 78, 155—160.
* Gupte S. S., Haug A., Elbavoumi M. A. (1976). Phase transitions in purple
membrane and cell membrane vesicles in Halobacterium halobium, Biophys.
J., 16, A103.
Harold F. M., Altendorf K. (1974). Cation transport in bacteria: K+, Na+, and
H+, in: Current Topics in Membranes and Transport (Eds. Bronner F.,
Klenzeller A.), Vol. 5, pp. 1—50, Academic Press, London and New York.
* Heinrich M. R., Lanyi J. K„ Stoeckenius W., Oesterhelt D. (1977). Light
energy transduction by the purple membrane of halophilic bacteria, Fed.
Proc., 36, 1797—1839.
* Helgerson S. L., Lanyi J. K- (1977). Effects of cysteine on methionine trans-
port in Halobacterium halobium vesicles, J. Supramol. Struct., 1977, 139.
Henderson R. (1975). The structure of the purple membrane from Halobacterium
halobium: analysis of the X-ray diffraction pattern, J. Mol. Biol., 93, 123—
138.
* Henderson R. (1977). The purple membrane from Halobacterium halobium,
Ann. Rev. Biophys, Bioeng., 6, 87—109.
Hescox M. A., Carlberg D. M. (1972). Photoreactivation in Halobacterium cu-
tirubrum, Can. J. Microbiol., 18, 981—985.
* Hess B., Kuschmitz D. (1977). The photochemical reaction of the 412 nm
chromophore of bacteriorhodopsin, FEBS Lett., 74, 20—24.
Higa A., Cazzulo J. J. (1975). Some properties of the citrate synthase from
the extreme halophile, Halobacterium cutirubrum, Biochem. J., 147,
267—274.
Hiramatsu T., Yokoyama T., Ohno У., Yano I., Masui M„ Iwamoto T. (1976).
Preparation and chemical properties of the outer membrane of a mode-
rately halophilic gram-negative bacterium, Can. J. Microbiol., 22, 731—
740.
Hiwatashi T., Hara M., Yamada A. (1958). Biological properties of halophilic
bacteria no. 101 and no. 203, J. Osaka City Med. Cent., 7, 550—552.
Hochachka P. W., Somero G. N. (1973). Strategies of Biochemical Adaptation,
358 pp., Saunders W. B., London and Philadelphia.
* Hochstein L. I. (1975). Studies of a halophilic NADH dehydrogenase. 2. Kinetic
properties of the enzyme in relation to salt activation, Biochem. Biophys.
Acta, 403, 58—66.
Hochstein L. L, Dalton В. P., Pollock G. (1976). The metabolism of carbohydra-
420
Глава 8
tes by extremely halophilic bacteria: identification of galactonic acid as a
product of galactose metabolism, Can. J. Microbiol., 22, 1191—1196.
* Hollis D. G., Weaver R. E„ Baker C. N., Thornsberry C. (1976). Halophilic
Vibrio species isolated from blood cultures, J. Clin. Microbiol., 3, 425—431.
* Hong F. T. (1977). Photoelectric and magneto orientation effects in pigmented
biological membranes, J. Colloid Interface Sci., 58, 471—497.
Horowitz N. H. (1976). Life in extreme environments: Biological water require-
ments, In: Chemical Evolution of the Giant Planets (Ed. C. Ponnam
peruma), pp. 121—128, Academic Press, New York and London.
Hubbard J. S., Miller A. B. (1969). Purification and reversible inactivation of
the isocitrate dehydrogenase from an obligate halophile, J. Bacteriol., 99,
161—168.
Ingram M. (1957). Microorganisms resisting high concentrations of sugars or
salt, Symp. Soc. Gen. Microbiol., 7, 90—133.
* Jeske R. (1975). A study on the influence of salinity fluctuations upon the
bacterial flora of the lagoon Cianaga Grande de Santa Marta, Colombia
and the adjacent coastal region, Kiel Meeresforsch., 31, 7—16.
Johnson M. K.. Johnson E. J., MacElroy R. D., Speer H. L., Bruff B. J. (1968).
Effects of salts on the halophilic alga Dundaliella viridis, J. Bacteriol.,
95, 1461—1468.
Joshi J. G„ Guild W. R., Handler P. (1963). The presence of two species of
DNA in some halobacteria, J. Mol. Biol., 6, 34—38.
Kamekura M., Onishi H. (1974a). Halophilic nuclease from a moderately halo-
philic Micrococcus varians, J. Bacteriol., 119, 339—344.
Kamekura M., Onishi H. (1974b). Protease formation by a moderately halophilic
Bacillus strain, Appl. Microbiol., 27, 809—810.
Kao О. H. W., Berns D. S., Town W. R. (1973). The characterization of C-phyco-
cuanin from an extremely halotolerant blue-green alga, Coccochloris
elabens, Biochem. J., 131, 39—50.
Kaplan J. G., Messmer J. (1969). The combined effect of temperature and dilu-
tion on the activity and feedback inhibition of yeast aspartate trans-
carbamylase, Can. J. Biochem., 47, 477—479.
Kates M. (1972). Ether linked lipids in extremely halophilic bacteria, in: Ether
Lipids, Chemistry and Biology (Ed. F. Snyder), pp. 351—398, Academic
Press, New York and London.
Kates M., Kushwaha S. C. (1976). The diphytanyl glycerol ether analogues of
phospholipids and glycolipids in membranes of Halobacterium cutirubrum,
in: Lipids, Vol. 1, Biochemistry (Eds. Paoletti R., Procellati G., Jacini G.),
pp. 267—275, Raven Press, New Yoik.
Kates M., Palameta B., Joo C. N., Kushner D. J., Gibbons N. E. (1966). Alipha-
tic diether analogs of glyceride-derived lipids. IV. The occurence of di-
O-dihydrophytyl-glycerol ether containing lipids in extremely halophilic
bacteria, Biochemistry, 5, 4092—4099.
* Kayamura Y., Takada H. (1975). Establishment of salt hypertonic medium
which allows halophilic Streptomyces species to grow, Trans. Mycol. Soc.
Jap., 16, 282—288.
* Keradjopolos D„ Holldorf A. W. (1977). Thermophilic character of enzymes
from extreme halophilic bacteria, FEMS Microb., 1, 179—182.
* Koelsch J. C„ Tindall D. R., Yopp J. H. (1976). Utilization of inorganic and
organic nitrogen by the halophilic blue-green alga Aphanothece halophyti-
ca, Plant Physiol., 57, 96.
Koh T. Y. (1975a). The isolation of obligate osmophilic mutants of the yeast
Saccharomyces rouxii, J. Gen. Microbiol., 88, 184—188.
Koh T. Y. (1975b). Studies on the „osmophilic” yeast Saccharomyces rouxii and
an obligate osmophilic mutant, J. Gen. Microbiol., 88, 101—114.
Komaratat P., Kates M. (1975). The lipid composition of a halotolerant species
of Staphylococcus epidermidis, Biochim. Biophys. Acta, 398, 464—484.
Koncewicz M. A. (1972). Glycoproteins in the cell envelope of Halobacterium
halobium, Biochem. J., 128, 124P.
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
421
* Koops Н. Р„ Harms Н„ Wehrmann Н. (1976). Isolation of a moderate halophi-
lic ammonia oxidizing bacterium, Nitrosococcus mobilis new species, Arch.
Microbiol., 107, 277—282.
Krantz M. J., Ballou С. E. (1973). Analysis of Halobacterium halobium gas
vesicles, J. Bacteriol., 114, 1058—1067.
Kushner D. J. (1964a). Microbial resistance to harsh and destructive environ-
mental conditions, Exp. Chemother., 2, 113—168.
Kushner D. J. (1964b). Lysis and dissolution of cells and envelopes of an
extremely halophilic bacterium, J. Bacteriol., 87, 1147—1156.
Kushner D. J. (1968). Halophilic bacteria, Adv. Appl. Microbiol., 10, 73—99.
Kushner D. J. (1971). Influence of solutes and ions on microorganism, in.:
Inhibition and Destruction of the Microbial Cell (Ed. W. B. Hugo),
pp. 259—283, Academic Press, New York and London.
Kushner D. J., Onishi H. (1966). Contributions of protein and lipid components
to the salt response of envelopes of an extremely halophilic bacterium,
J. Bacteriol., 91, 653—660.
Kushner D. J., Bayley S. T., Bating J., Kates M., Gibbons N. E. (1964). Mor-
phological and chemical properties of cell envelopes of the extreme
halophile, Halobacterium cutirubrum, Can. J. Microbiol., 10, 483—497
Kushwaha S. C„ Kates M. (1976). Effect of nicotine on biosynthesis of C50
carotenoids in Halobacterium cutirubrum, Can. J. Biochem., 54, 824—829.
Kushwaha S. C., Gochnauer M. B„ Kushner D. L, Kates M. (1974). Pigments
and isoprenoid compounds in extremely and moderately halophilic bacte-
ria, Can. J. Microbiol., 20, 241—245.
Kushwaha S. C„ Kramer J., Kates M. (1975a). Isolation and characterization
of Cso-carotenoid pigments and other polar isoprenoids from Halobacterium
cutirubrum, Biochim. Biophys. Acta, 398, 303—314.
Kushwaha S. C., Kates M„ Martin W. G. (1975b). Characterization and compo-
sition of the red and purple membrane from Halobacterium cutirubrum,
Can. J. Biochem., 53, 284—292.
Kushwaha S. C., Kates M., Porter J. W. (1976a). Enzymatic synthesis of C4o
carotenes by cell-free preparation from Halobacterium cutirubrum, Can.
J. Biochem., 54, 816—823.
Kushwaha S. C„ Kates M., Stoeckenius W. (1976b). Comparison of purple
membrane from Halobacterium cutirubrum and Halobacterium halobium,
Biochim. Biophys. Acta, 426, 703—710.
* Kushwaha S. C., Kates M., Kramer J. K. G. (1977). Occurence of indole in
cells of extremely halophilic bacteria, Can. J. Microbiol., 23, 826—828.
Lanyi J. K. (1971). Studies of the electron transport chain of extremely halophi-
lic bacteria. VI. Salt-dependent dissolution of the cell envelope, J. Biol.
Chem., 246, 4552—4559.
Lanyi J. K- (1974a). Salt-dependent properties of proteins from extremely
halophilic bacteria, Bacteriol. Rev., 38, 272—290.
Lanyi J. K. (1974b). Irregular bilayer structure in vesicles prepared fronr
Halobacterium cutirubrum lipids, Biochim. Biophys. Acta, 356, 245—256.
* Lanyi J. K. (1977). Transport in Halobacterium halobium: Light-induced cation
gradients, amino acid uptake kinetics and reconstitution, J. Supramol.
Struct., 1977, 133.
Lanyi J. K-, Silverman M. P. (1972). The state of binding of intracellular K+ in
Halobacterium cutirubrum, Can. J. Microbiol., 18, 993—995.
Lanyi J. K, Stevenson J. (1970). Studies of the electron transport chain of
extremely halophilic bacteria. IV. Role of hydrophobic forces in the struc-
ture of menadione reductase, J. Biol. Chem., 245, 4074—4080.
Lanyi J. K, Plachy W. Z., Kates M. (1974). Lipid interactions in membranes
of extremely halophilic bacteria. II. Modification of the bilayer structure
by squalene, Biochemistry, 13, 4914—4920.
Larsen H. (1962). Halophilism, in: The Bacteria (Eds. Gunsalus I. C., Sta-
nier R. Y.), Vol. 4, pp. 297—342, Academic Press, New York and London.
422
Глава 8
Larsen Н. (1967). Biochemical aspects of extreme halophilism, Adv. Microbiol.
Physiol., 1, 97—132.
Larsen H. (1973). The halobacteria’s confusion to biology, Antonie van
Leeuwenhoek, 39, 383—396.
• Либинзон A. E., Демина А. И., Кулов Г. И., Шестиалтынова И. С. (1977).
Галофильные вибрионы Азовского моря, Журнал микробиологии, эпи-
демиологии и иммунобиологии, 197, 77—80.
Lieberman М. М., Lanyi J. К. (1972). Threonine deaminase from extremely
halophilic bacteria, Cooperative substrate kinetics and salt dependence.
Biochemistry, 11, 211—216.
Liebl V., Kaplan J. G., Kushner D. J. (1969). Regulation of a salt-dependent
enzyme: the aspartate transcarbamylase of an extreme halophile, Can.
J. Biochem., 47, 1095—1097.
Louis B. G„ Fitt P. S. (1972a). Isolation and properties of highly purified
Halobacterium cutirubrum deoxyribonucleic acid-dependent ribonucleic
acid polymerase, Biochem. J., 127, 69—80.
Louis B. G., Fitt P. S. (1972b). The role of Halobacterium cutirubrum deoxyribo-
nucleic acid-dependent ribonucleic acid polymerase subunits in initiation
and polymerization, Biochem. J., 127, 81—86.
Louis B. G., Fitt P. S. (1972c). Purification and properties of the ribonucleic
acid-dependent ribonucleic acid polymerase from Halobacterium cutiru-
brum, Biochem. J., 128, 755—762.
MacDonald R. E., Lanyi J. K- (1975). Light-induced leucine transport in
Halobacterium halobium envelope vesicles: a chemiosmotic system, Bio-
chemistry, 14, 2882—2889.
MacLeod R. A. (1965). The question of the existence of specific marine bacte-
ria, Bacteriol. Rev., 29, 9—23.
Masui M„ Wada S. (1973). Intracellular concentration of Na+, K+, and Cl~ of
a moderately halophilic bacterium, Can. J. Microbiol., 19, 1181—1186.
Matheson A. T„ Yaguchi M., Visentin L. P. (1975). The conservation of amino
acids in the N-terminal position of ribosomal and cytosol proteins from
Escherichia coli, Bacillus stearothermophilus, and Halobacterium cutiru-
brum, Can. J. Biochem., 53, 1323—1327.
Matheson A. T„ Sprott G. D., McDonald I. J., Tessier H. (1976). Some properties
of an unidentified halophile: growth characteristics, internal salt concen-
tration, and morphology, Can. J. Microbiol., 22, 780—786.
* McCarthy D. H. (1975). Aeromonas proteolytica, a halophilic aeromonad, Can.
J. Microbiol., 21, 902—904
McClare C. W. F. (1967). Bonding between proteins and lipids in the envelopes
of Halobacterium halobium, Nature, Lond., 216, 766—771.
Mescher M. F., Strominger J. L. (1976a). Purification and characterization of
a prokaryotic glycoprotein from the cell envelope of Halobacterium
salinarium, J. Biol. Chem., 251, 2005—2014.
Mescher M. F., Strominger J. L. (1976b). Structural (shape-maintaning) role of
the cell surface Igycoprotein of Halobacterium salinarium, Proc. Natl.
Acad. Sci. USA, 73, 2687—2691.
Mescher Л4. F., Strominger J. L., Watson S. W. (1974). Protein and carbohydrate
composition of the cell envelope of Halobacterium salinarium, J. Bacteriol.,
120, 945—954.
Miller D. M., Jones J. H., Yopp J. H., Tindall D. R., Schmid W. E. (1976a). Ion
metabolism in a halophilic blue-green alga, Aphanothece halophytica.
Arch. Microbiol., Ill, 145—149.
Miller D. M„ Yopp J. H., Schmid W. E„ Tindall D. R. (1976b). Intracellular
ions and water in response to environmental changes in an obligately
halophilic blue-green alga, Plant Physiol., 57, 96.
Moore R. L„ McCarthy B. J. (1969a). Characterization of the deoxyribonucleic
acid of various strains of halophilic bacteria, J. Bacteriol., 99, 248—254.
Moore R. L., McCarthy B. J. (1969b). Base sequence homology and renaturation
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
423
studies of the deoxyribonucleic acid of extremely halophilic bacteria,
J. Bacteriol., 99, 255—262.
* Mullakhanbhai M. F„ Larsen H. (1975). Halobacterium volcanii new species, a
Dead Sea halobacterium with a moderate salt requirement, Arch. Micro-
biol., 104, 207—214.
* Nissenbaum A. (1975). The microbiology and biogeochemistry of the Dead Sea,
Microb. Ecol., 2, 139—161.
* Nissenbaum A. (1977a). Minor and trace elements in Dead Sea Water, Chem.
Geol., 19, 99—111.
* Nissenbaum A. (1977b). The physicochemical basis of legends of the Dead
Sea, Proc. Conference on Termirfal Lakes, Utah.
* Nissenbaum A., Kaplan I. R. (1976). Sulfur and carbon isotopic evidence for
biogeochemical processes in the Dead Sea ecosystem. Environmental Bio-
geochemistry (Ed. Nriagu J. O.), pp. 309—325, Ann Arbor Science Publi-
chers, Inc., Ann Arbor, Michigan.
Norberg P., Kaplan J. G., Kushner D. J. (1973). Kinetics and regulation of the
salt-dependent aspartate transcarbamylase of Halobacterium cutirubrum,
J. Bacteriol., 113, 680—686.
Novitsky T. J., Kushner D. J. (1975). Influences of temperature and salt con-
centration on the growth of a facultatively halophilic „Micrococcus” sp.,
Can. J. Microbiol., 21, 107—110.
Novitsky T. J., Kushner D. J. (1976). A facultatively halophilic coccus, Plano-
coccus halophilis sp. nov., Int. J. Syst. Bacteriol., 26, 53—57.
Oda G., Strom A. R., Visentin L. P., Yaguchi M. (1974). An acidic, alanine-rich
50S ribosomal protein from Halobacterium cutirubrum: amino acid sequ-
ence homology with Escherichia coli protein L7 and LI2, FEBS Lett, 43,
127—130.
Oesterhelt D., Stoeckenius W. (1971). Rhodopsin-like protein from the purple
membrane of Halobacterium halobium., Nature New Biol., 233, 149—152.
Oesterhelt D., Stoeckenius W. (1973). Functions of a new photoreceptor membra-
ne, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 70, 2853—2857.
Ohno Y., Yano I., Hiramatsu T., Mosul M. (1976). Lipids and fatty acids of a
moderately halophilic bacterium, No. 101, Biochim. Biophys. Acta, 424,
337—350.
Okamoto H., Suzuki Y. (1964). Intracellular concentration of ions in a halo-
philic strain of Chlamydomonas I. Concentrations of Na+, K+, and Cl-
in the cell, Z. Allg. Mikrobiol., 4. 350—357.
Onishi H. (1963). Osmophilic yeasts, Adv. Food. Res., 12, 53—94
Onishi H. (1972). Salt response of amylase produced in media of different NaCl
or KC1 concentrations by a moderately halophilic Micrococcus, Can. J.
Microbiol., 18, 1617—1620.
Onishi H., Kamekura M. (1972). Micrococcus halobius sp. n., Int. Syst. Bacte-
riol., 22, 193—210.
Onishi H„ McCance M. E., Gibbons N. E. (1965). A synthetic medium for extre-
mely halophilic bacteria, Can. J. Microbiol., 11, 365—373.
Plachy W. Z., Lanyi J. K-, Kates M. (1974). Lipid interactions in membranes of
extremely halophilic bacteria. I. Electron spin resonance and dilatometric
studies of bilayer structure, Biochemistry, 13, 4906—4913.
* Плакунова В. Г. (1976). Двухфазный характер фотозависимого транспорта
14С-аланииа в клетки Halobacterium halobium, Биофизика, 21, 661—664.
* Post F. J. (1977). The microbial ecology of the Great Salt Lake, Microb. Ecol.,
3, 143—165.
Pugh E. L., Wassef M. K-, Kates M. (1971). Inhibition of fatty acid synthe-
tase in Halobacterium cutirubrum and Escherichia coli by high salt con-
centrations, Can. J. Biochem., 49, 953—958.
Racker E., Stoeckenius W. (1974). Reconstitution of purple membrane vesicles
catalyzing light-driven proton uptake and adenosine triphosphate forma-
tion, J. Biol. Chem., 249, 662—663.
Rafeali-Eshkol D. (1968). Studies on halotolerapce in a moderately halophilic
424
Глава 8
bacterium. Effect of growth conditions on salt resistance of the respiratory
system, Biochem. J., 109, 679—685.
Rayman M. K., Gordon R. C„ MacLeod R. A. (1967). Isolation of a Mg++
phospholipid from Halobacterium cutirubrum, J. Bacteriol., 93, 1465—1466.
Reistad R. (1972). Cell wall of an extremely halophilic coccus: investigation of
ninhydrin-positive compound, Arch. Mikrobiol., 82, 24—30.
* Rinehart C. A., Hubbard J. S. (1976). Energy coupling in active transport of
proline and glutamate by the photosynthetic halophile, Ectothiorhodospira
halophila, J. Bacteriol., 127, 1255—1264.
Robinson J. (1952). The effects of salts on the nitratase and lactic acid dehydro-
genase activity of Micrococcus halodenitrif leans, Can. J. Bot., 30, 155—163.
Robinson J., Gibbons N. E. (1952). The effect of salts on the growth of Micro-
coccus halodenitrtficans n. sp., Can. J. Bot., 30, 147—154.
Rogers H. J., McConnell M., Burdett I. D. (1970). The isolation and characteri-
zation of mutants of Bacillus subtilis and Bacillus lichemformis with
disturbed morphology and cell division, J. Gen. Microbiol., 61, 155—171.
* Rose A. H. (1976). Osmotic stress and microbial survival, Symp. Soc. Gen.
Microbiol., 26, 155—182.
Scott W. J. (1957). Water relations of food spoilage microorganisms, Adv. Food
Res., 7, 83—127.
Shindler D. B. (1976). Physiology and enzymatic aspects of moderately halo-
philic microorganisms, Ph. D. Thesis, University of Ottawa.
Shindler D. B., W'ydro R. W., Kushner D. L. (1977). Cell-bound cations of the
moderately halophilic bacterium, Vibrio costicola, J. Bacteriol., 130,
698—703.
* Синещеков В. А., Литвин Ф. Ф. (1976). Люминесценция бактериородопсииа
пурпурных мембран из клеток Halobacterium halobium, Биофизика, 21,
313—320.
Smith F. В. (1938). An investigation of a taint in rib bones of bacon. The de-
termination of halophilic Vibrios (n. spp.), Proc. R. Soc. Queensland., 49,
29—52.
Soo-Hoo T. S., Brown A. D. (1967). A basis of the specific sodium requirement
for morphological integrity of Halobacterium halobium, Biochim. Biophys.
Acta, 135, 164—166.
* Steber J., Schleifer К- H. (1975). Halococcus morrhuae: A sulfated hetero-
polysaccharide as the structural component of the bacterial cell wall, Arch.
Microbiol., 105, 173—177.
Steensland H., Larsen H. (1969). A study of the cell envelope of the halobacteria,
J. Gen. Microbiol., 55, 325—336.
Stevenson J. (1966). The specific requirement for sodium chloride for the active
uptake of L-glutamate by Halobacterium salinarium, Biochem. J., 99,
257—260.
Stoeckenius W. (1976). The purple membrane of salt-loving bacteria, Sci. Am.,
234, 38—46.
Stoeckenius W., Rowen R. (1967). A mophological study of Halobacterium
halobium and its lysis in media of low salt concentration, J. Cell Biol.,
34, 365—393.
Strom A. R., Visentin L. P. (1973). Acidic ribosomal proteins from the extreme
halophile, Halobacterium cutirubrum. The simulataneous separation,
indentification and molecular weight determination, FEBS Lett., 37, 274—
280.
Strom A. R., Hasnain S., Smith N. Natheson A. T., Visentin L. P. (1975a). Ion
effects on protein-nucleic acid interactions: the disassembly of the 50S
ribosomal subunit from the halophilic bacterium Halobacterium cutirubrum,
Biochim. Biophys. Acta, 383, 325—337.
Strom A. R., Oda G., Hasnain S., Yaguchi M., Visentin L. P. (1975b). Tempera-
ture related alterations in the acidic alanine-rich ,,A“ protein from the
50S ribosomal particle of the extreme halophile, Halobacterium cutirubrum.
Mol. Gen. Genet., 140, 15—27.
Высокие концентрации солей: галофильные бактерии
425
* Tabita F. R., McFadden В. А. (1976). Molecular and catalytic properties of
ribulose 1,5 bis phosphate carboxylase from the photosynthetic extreme
halophile Ectothiorhodospira halophita, J. Bacteriol., 126, 1271—1277.
* Takeuchi T. (1976). Growth factors for Pediococcus halophilis in polypeptone,
J. Ferment. Technol., 54, 302—307.
Thompson J., MacLeod R. A. (1973). Na+ and K+ gradients and a-aminoisobuty-
ric acid transport in a marine pseudomonad, J. Biol. Chem., 248, 7106—
7111.
Tomlinson G. A., Hochstein L. I. (1972a). Isolation of carbohydrate-metabolizing
extremely halophilic bacteria, Can. J. Microbiol., 18, 698—701.
Tomlinson G. A., Hochstein L. I. (1972b). Studies on acid production during
carbohydrate metabolism by extremely halophilic bacteria, Can. J. Micro-
biol., 18, 1973—1976.
Tomlinson G. A., Hochstein L. I. (1976). Halobacterium saccharavorum sp. nov.,
a carbohydrate-metabolizing, extremely -halophilic bacterium, Can. J. Mi-
crobiol., 22, 587—591.
Tomlinson G. A., Koch T. K-, Hochstein L. I. (1974). The metabolism of carbo-
hydrates by extremely halophilic bacteria: glucose metabolism via a
modified Entner-Doudoroif pathway, Can. J. Microbiol., 20, 1085—1091.
Torsvik T., Dundas I. (1974). Bacteriophage of Halobacterium salinarium, Natu-
re, Lond., 248, 680—681.
Ulitzur S., Kessel M. (1973). Giant flagellar bundles of Vibro alginolyticus, Arch.
Mikrobiol., 94, 331—339.
Unemoto T., Hayashi M. (1969). Chloride ion as a modifier of 2'3'-cyclic phospho-
diesterase purified from halophilic Vibrio alginolyticus, Biochim. Biophys.
Acta, 171, 89—102.
Vidal M. C., Cazzulo J. J. (1976). On the regulatory properties of a halophilic
malic enzyme from Halobacterium cutirubrum, Experientia, 32, 441—442.
Visentin L. P., Chow C., Matheson A. T., Yaguchi M., Rollin F. (1972). Halo-
bacterium cutirubrum ribosomes. Properties of the ribosomal proteins and
ribonucleic acids, Biochem. J., 130, 103—110.
Visentin L. P., Matheson A. T., Yaguchi M. (1974). Homologies in procaryotic
ribosomal proteins: alanine rich acidic proteins associated with polypep-
tide translocation, FEBS Lett., 41, 310—314.
Volcani В. E. (1940). Studies of the microflora of the Dead Sea, Ph. D. Thesis,
Hebrew University, Jerusalem.
* Vreeland R. H., Litchfield C. D. (1976). Identification of bacteria from a solar
salt facility, Abst. Ann. Meeting Am. Soc. Microbiol., 76, 181.
Wais А. С., Коп M., MacDonald R. E., Stollar B. D. (1975). Salt-dependent
bacteriophage infecting Halobacterium cutirubrum and Halobacterium ha-
lobium, Nature, Lond., 256, 314—315.
Wydro R. W., Madira W., Hiramatsu T., Kogut M., Kushner D. J. (1977). Salt-
sensitive in vitro protein synthesis by moderately halophilic bacterium.
Nature, Lond., 269, 824—825.
* Yamanaka K-, Okada T. (1975). Production of arginase by a halophilic bacte-
rium, especially on effect of manganese salt, J. Agric. Chem. Soc. Japan,
49, 363—369.
* Yanai Y., Rosen B., Pinsky A., Sklan D. (1977). The microbiology of pickled
cheese during manufacture and maturation, J. Dairy Res., 44, 149—153.
* Yopp J.H., Miller D. M„ Tindall D. R„ Schmid W. E. (1976). Physiochemical
parameters of solutes differentially affecting glucose-6-phosphate dehydro-
genase from a halophilic blue-green alga, Plant Physiol., 57, 100.
% * *
См. также Dundas I. E. D. (1977). Physiology of Halobacteriaceae Advances.
In: Microbial Physiology, 15, 85—120; Lanyi K. (1978). Light Energy
Conversion in Halobacterium halobium. Microbial Reviews, 42, № 4, 682—
706. — Прим ped. перевода.
ГЛАВА 9
ЗНАЧЕНИЕ ВОДЫ
ДЛЯ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПРИРОДЕ
Д. Смит
(D. W. Smith, University of Delaware)
I. ВВЕДЕНИЕ
В ряде последних работ обсуждаются различные аспекты
выживаемости и роста микроорганизмов в естественных усло-
виях (Holding et al., 1974; Gray, Postgate, 1976; Brown, 1974;
Heinrich, 1976). Однако в экологических исследованиях до сих
пор сравнительно мало внимания уделялось роли воды в жизни
микроорганизмов. Даже в обстоятельном обзоре (Friedman,
Galun, 1974), посвященном различным сторонам жизни микро-
организмов в условиях пустыни, не отражена роль воды как
регулирующего фактора per se. Грей (Gray, 1976) обсуждает
роль воды в выживаемости почвенных микроорганизмов, но не
затрагивает вопроса о значении состояния почвенной влаги.
В настоящей главе основной акцент будет сделан на значе*
нии воды для микроорганизмов в засушливых условиях, а так-
же вообще на роли воды для жизнедеятельности микроорганиз-
мов в природе. Однако мы не будем затрагивать некоторые спе-
циальные вопросы, такие, как вопрос о галофильных бактериях
и о микроорганизмах, присутствующих в воздухе. Галофилы
обсуждаются в гл. 8, а данные по микроорганизмам атмосферы
рассматриваются в обзоре Грегори (Gregory, 1971 )*.
Состояние оводненности микроорганизмов и их среды обита-
ния может быть определено различными способами, простейшим
из которых является определение влажности или содержания
воды. Однако определение содержания воды, хотя и полезное
само по себе, еще ничего не говорит о доступности воды для дан-
ного организма. Почвы двух разных типов могут иметь одну и ту
же влажность, но совершенно различную доступность воды,
обусловленную явлениями адсорбции и растворения. Поэтому
сейчас становится все более распространенным способ выраже-
1 Более полные сводки данных по упоминаемым автором и близким к
ним вопросам читатель может наичи в таких монографиях, как: Webb S. J,
1965 Bound water in biological integrity, T. Springfield, Illinois; Gregory P. H,
1973. The microbiology of the atmosphere (2nd ed.), J Wiley, New York,
Clegg J- (Eds), 1978. Dry biological systems Academic Press, New York —
Прим ped перевода
Значение воды
427
ния состояния оводненности в терминах энергетических отноше-
ний или водного потенциала почвы — количества термодинами-
ческой работы, которая должна быть затрачена организмом для
извлечения воды. Потенциал воды обычно выражается в барах
(1 бар = 106 дин-см~2 = 0,987 атм = 75 см рт. ст. = 1022 см водяно-
го столба). Потенциал чистой воды равен 0. По отношению к
чистой воде все растворы имеют отрицательные потенциалы, ко-
торые выражаются в отрицательных барах. Доступность воды
может также выражаться величиной водной активности (aw) или
относительной влажности (ЛИ). Эти величины, обычно исполь-
зуемые в пищевой микробиологии, связаны друг с другом и с
водным потенциалом (Т) следующими уравнениями (Lang,
1976):
Ow
100
1000RT . , ч
«7. (aw)
где R — газовая постоянная, T — абсолютная температура и
Wa — молекулярный вес воды. Потенциал воды может изменять-
ся двумя путями: матричным и осмотическим (Griffin, 1969),
Матричное изменение водного потенциала обусловлено адсорб-
цией молекул воды на поверхностях раздела в твердых субстра-
тах, например в почве. Осмотическое изменение водного потен-
циала происходит в растворе в результате взаимодействия мо-
лекул воды с растворенными веществами.
Обстоятельное изучение влияния водного стресса (недостат-
ка воды) на живые организмы было проведено на грибах, ли-
шайниках, бактериях, водорослях и мхах. Результаты для каж-
дой из этих групп будут представлены отдельно.
II. ГРИБЫ
Как было неоднократно показано, грибы являются наиболее
устойчивыми к обезвоживанию компонентами почвенного ценоза
(Griffin, 1963, 1969). Устойчивость грибов к обезвоживанию
представляет интерес в связи с целым рядом различных вопро-
сов, а именно: 1) грибковые заболевания растений; 2) роль гри-
бов микоризы для растений-хозяев; 3) роль грибов как разруши-
телей органических веществ (редуцентов); 4) продуцирование
грибами антибиотиков и возможная роль последних в природе;
5) значение грибов в физиологии и экологии лишайников.
Гриффин (Griffin, 1969) пришел к выводу, что частота мно-
428
Глава 9
гих грибковых заболеваний растений возрастает с увеличением 1
матричного водного потенциала (т. е. при большем водном
стрессе она выше). Это явление связано со способностью гриба
выдерживать градиенты водного потенциала, создаваемые вокруг
корней растения (Schippers et al., 1967). Грибы способны также
выдерживать периодически возникающие в почве засушливые
условия.
Явление улучшения роста многих растений, находящихся в
симбиозе с грибами микоризы, хорошо известно. Недавно было
высказано предположение (Mexal, Reid, 1973) о том, что роль
грибов в подобных сообществах, вероятно, не ограничивается
лишь их участием в обеспечении более эффективного всасыва-
ния минеральных веществ растением. Поскольку грибы весьма
активно поглощают воду, они могут защищать растение от обез-
воживания. Такое же предположение о защитной (или водопог-
лощающей) функции грибов было высказано недавно и в отно-
шении лишайников (Brock, 1975b).
Роль грибов в разложении растительного опада достаточно
хорошо известна, но о ней следует еще раз упомянуть. Рецирку-
ляция растительного материала между периодами вегетации важ-
на для поддержания баланса химических элементов в природе.
Основная часть цикла происходит в то время, когда условия не
являются оптимальными для биологической активности. Обычно
для него важна температура, но большое значение имеет также
водный потенциал почвы, где происходит процесс разложения
(Shameemullah et al., 1971). Воду в почву поставляют растущие
растения (Schippers et al., 1967), поэтому прекращение их актив-
ного роста снижает водный потенциал почвы. Способность гри-
бов переносить водный стресс и функционировать при низком
водном потенциале играет важную роль для поддержания не-
прерывности круговорота питательных веществ.
Вопрос о синтезе и роли антибиотиков в природе вызывает
значительный интерес и активно обсуждается уже довольно
давно (Brian, 1957). Бруэль и др. (Bruehl et al., 1972) показали,
что максимальная активность синтеза антибиотиков грибом
Cephalosporiutn gratnineutn наблюдается при водных потенциа-
лах в диапазоне от —30 до —40 бар, в то время как торможение
роста гриба начинается при —-10 барах. По мнению авторов,
1 Говоря здесь и далее в тексте главы об увеличении или уменьшении
водного потенциала, автор во многих случаях имеет, по-видимому, в виду ие
сами значения водного потенциала, выраженные отрицательными величинами,
а значения модулей соответствующих величин. Более подробное обсуждение
физического смысла водного потенциала, его отношение к другим важным
показателям (особенно к осмотическому давлению и активности воды) чита-
тель может найти в статье Brown A. D., 1976. Bacteriol. Revs, 40, 803—846. —
Прим, ред перевода.
Значение воды
429
антагонисты Cephalosporium в такой естественной среде его оби-
тания, как солома, лучше всего растут при водных потенциалах
от —10 до —67 бар. Выживаемость гриба в условиях, когда вод-
ный потенциал лимитирует скорость его роста, вероятно, связа-
на с его обусловленной водным стрессом способностью проду-
цировать антибиотики.
III. ЛИШАЙНИКИ
Лишайники обычно являются преобладающими макроскопи-
ческими организмами, обнаруженными в засушливых районах.
Высказывается мнение, что они представляют собой симбиоз
водоросли и гриба, который реализуется только в неблагоприят-
ных условиях окружающей среды. Такая точка зрения базируется
на неоднократных наблюдениях, свидетельствующих о том, что
ценоз лишайников чрезвычайно трудно культивировать в лабора-
торных условиях. Устранение неблагоприятных условий окружа-
ющей среды обычно вызывает преимущественный рост того или
иного компонента ценоза, что приводит в итоге к разрушению
лишайника как единого целого. Можно осуществить воссоеди-
нение фикобионта (водоросли) и микобионта (гриба) в единое
сообщество лишайника, но для этого требуются строго контро-
лируемые стрессовые условия. Ключевой фактор, который необ-
ходимо регулировать, — это водный режим. Воссоздание единого
сообщества лишайника происходит только после того, как од
подвергается стрессу попеременного увлажнения и обезвожива-
ния (Ahmadjian, 1967).
Эти наблюдения положили начало большому числу исследо-
ваний, посвященных водному режиму как таллома целого ли-
шайника, так и его отдельных компонентов — фикобионтов и
микобионтов (Карреп, 1973; Blum, 1973). Было показано, что
распространение лишайников на обводненной территории (Rou-
se, Kershaw, 1973), в пустыне (Rogers, 1971; Lange et al., 1970,
цит. no Rogers, 1971) и в лесу (Jesberger, Sheard, 1973; Lecho-
wicz, Adams, 1974) определяется доступностью воды. В лабора-
торных исследованиях на интактных талломах было обнаруже-
но, что способность лишайников к ассимиляции СО2 обусловлена
содержанием воды в талломе. По-видимому, оптимальная асси-
миляция происходит, когда содержание воды в лишайнике близ-
ко к 50%-ному насыщению таллома (Kershaw, 1972; Adams,
1971). Было также высказано предположение, что именно изме-
нение влажности, т. е. попеременная смена сухих и влажных пе-
риодов, имеет более важное значение с точки зрения физиоло-
гии лишайника, чем содержание влаги в данный момент (Har-
ris, Kershaw, 1971). В результате совместного влияния назван-
430
Глава 9
ных факторов фотосинтетическая активность многих лишайников
ограничена несколькими утренними часами, когда они еще дос-
таточно влажны от ночной росы (Lange et al., 1970). В недавнем
исследовании Фэррара (Farrar, 1976а, Ь) было тщательно изу-
чено влияние на лишайники циклического чередования сухих и
влажных периодов. Он обнаружил, что непрерывное насыщение
влагой отрицательно влияет на метаболическую активность изу-
ченных им организмов. Создавая в лаборатории сухие и влаж-
ные периоды (т. е. пытаясь моделировать природные условия),
он пришел к заключению, что лишайникам действительно необ-
ходимы такие колебания влажности.
Как говорилось выше, на грибах было выполнено большое
количество исследований по изучению водного потенциала (или
энергетических отношений) в среде их обитания. К сожалению,
в случае лишайников ситуация иная. Почти во всех выполненных
на них работах результаты выражаются в терминах содержания
воды (влажность) и процентах водонасыщения таллома. Прият-
ным исключением является работа Брока (Brock, 1975b), посвя-
щенная изучению вопросов энергетики водного режима в обла-
сти экологии и физиологии лишайников.
Почему лишайники способны существовать в засушливых
районах? Известно, что грибы устойчивы к водному стрессу, в
то время как водоросли чрезвычайно чувствительны к обезвожи-
ванию. Отсюда следует вполне логичное заключение, что гриб
способен каким-то образом передавать свою стойкость к обез-
воживанию всему ценозу лишайника. Это предположение полу-
чило в последнее время определенное экспериментальное под-
тверждение (Brock, 1975b). Было изучено влияние водного стрес-
са на фотосинтетическую активность интактных талломов и
водорослей, выделенных из талломов после их измельчения.
Минимальный водный потенциал, при котором еще возможен
фотосинтез, был всегда более низким у интактных талломов.
В одном случае наблюдаемая разность потенциалов была весь-
ма значительной, она составляла —162 бара. Однако объяснение
защитной функции грибов представляет значительные трудно-
сти. Если допустить, что грибы способны поглощать влагу из
сухой окружающей среды, проделывая требуемую термодинами-
ческую работу, то каким образом они могут передавать добытую
влагу чувствительным к обезвоживанию водорослям? Как пола-
гает Брок, по-видимому, необходимо признать наличие активного
выделения воды грибом. В противоположность этому Ахмадьян
(Ahmadjian, 1967) утверждает, что поглощение воды лишайни-
ками представляет собой почти исключительно физический про-
цесс и не включает ее активного поглощения. В поддержку этой
точки зрения он приводит данные о том, что живые и мертвые
лишайники поглощают одинаковое количество воды. Однако в
Значение воды
431
цитируемых им классических работах (Bachmann, 1922; Smyth,
1934, цит. по Ahmadjian, 1967) определялось только содержание
воды в талломах, а водный потенциал не изучался.
IV. БАКТЕРИИ
Водный режим бактериальных популяций исследовался в са-
мых разнообразных условиях. Пищевая микробиология (Scott,
1957), изучение выживаемости микробов (Bateman et al., 1962;
Goepfert et al., 1970), и конечно, почвенная микробиология внесли
значительный вклад в наше понимание водного баланса микро-
организмов. В настоящем разделе речь пойдет о почвенных бак-
териях.
Самое простое исследование состоит в определении выживае-
мости бактерий в зависимости от времени их пребывания в вы-
сушенной почве. Подобные исследования свидетельствуют о весь-
ма различной устойчивости к обезвоживанию у бактерий разного
типа. Показано, что численность жизнеспособных клеток Pseudo-
monas снижается в 100 раз в течение месяца после инокуляции
и инкубации в воздушно-сухой почве (Robinson et al., 1965). Вме-
сте с тем число клеток Arthrobacter, инкубированных при тех же
условиях, сначала снижалось на 50%, а затем бактерии остава-
лись жизнеспособными по крайней мере в течение шести меся-
цев (Boylen, 1973). Изучение нагивных почвенных проб, которые
хранились в течение различных периодов времени, показало что
Azotobacter остается жизнеспособным даже после 13 лет хране-
ния (Vela, 1974). В последней цитированной работе не приво-
дятся данные ни о снижении численности жизнеспособных кле-
ток, ни об условиях высушивания проб. Вместе с тем известно,
что выживаемость азотобактера обусловлена скорее его циста-
ми, а не вегетативными клетками (Socolofsky, Wyss, 1962).
Уильямс и др. (Williams et al., 1972) изучали выживаемость
актиномицетов как в чистых культурах, так и в природных поч-
венных пробах. Эта работа представляет собой пример образ-
цового исследования выживаемости бактерий, поскольку в ней
были использованы показатели водного потенциала. Чрезвычай-
но убедительными в этих исследованиях являются полученные
авторами данные о том, что водный стресс приводит к возраста-
нию процентного содержания актиномицетов среди всех жизне-
способных микроорганизмов, обнаруживаемых в природных поч-
венных пробах. Это обусловлено большей выживаемостью акти-
номицетов в почве по сравнению с грибами и истинными бакте-
риями. Следует отметить, что при более низких значениях
водных потенциалов численность микроорганизмов всех трех
типов снижалась. Результаты изучения чистых культур, приве-
денные в этой же работе, свидетельствуют о том, что устойчи-
432
Глава 9
вость актиномицетов к обезвоживанию обусловлена устойчиво-
стью спор; вегетативные гифы актиномицетов гораздо быстрее
повреждаются под действием водного стресса.
Таким образом, ясно, что выживаемость бактерий в почве
значительно возрастает, если данный организм образует какие-
либо устойчивые формы *. Вегетативные клетки псевдомонаса
обладают чрезвычайно высокой чувствительностью к обезвожи-
ванию, в то время как цисты азотобактера и споры актиномицетов
(Streptomyces) значительно более устойчивы. Ситуация в случае
Arthrobacter менее ясна. Эта бактерия не имеет явно выражен-
ной покоящейся или защитной формы в цикле развития. Возмож-
но, здесь играет определенную роль переход из палочковидной
в шарообразную форму и обратно, который претерпевает Arthro-
bacter. Было бы крайне интересно выяснить, не является ли одна
нз упомянутых форм более устойчивой к обезвоживанию, чем
другая. Если это так, то, быть может, удалось бы установить
корреляцию между такой повышенной устойчивостью и частотой
встречаемости двух форм в почве в природных условиях.
Естественный круговорот питательных веществ, особенно
цикл азота, непосредственно связан со специфической активно-
стью. Поэтому выяснение влияния водного стресса на бактерии
представляет значительный интерес. Снижение водного потенци-
ала приводит к подавлению как нитрификации (Dubey, 1968),
так и симбиотической азотфиксации (Sprent, 1971). Эти эффекты
необходимо учитывать при оценке общего воздействия засушли-
вых условий на урожайность сельскохозяйственных культур и
диких растений. Несомненно большую роль при этом играет вод-
ный режим самих растений, но не следует недооценивать и влия-
ние водного стресса на потенциально патогенные и полезные
микроорганизмы.
V. ВОДОРОСЛИ
Водоросли представляют собой наименее экспериментально
изученную группу почвенных микроорганизмов. Такое положе-
ние дел покажется еще более серьезным, если вспомнить важ-
ную роль этих организмов в продуктивности наземных сообществ
и в возвращении в культуру земель, искусственно лишенных
растительности (Shields, Durrell, 1964; Lund, 1967; Bold, 1970).
Для восполнения этого пробела были начаты исследования
естественных популяций Cyanidium caldarium в горячих кислых
1 Краткое обсуждение различных аспектов устойчивости бактериальных
эндоспор к неблагоприятным воздействиям в связи с возможными механизма-
ми уменьшения оводненности центральных областей соответствующих клеток
читатель может найти в сборнике Chambliss G., Vary J. С. (Eds.), 1978. Spo-
res — VII. Amer. Soc. Microbiol. Press, Washington, D. C. — Прим. ped. пе-
ревода.
Значение воды
433
почвах Йеллоустонского национального парка (штат Вайоминг,
США (Smith, Brock, 1973а, b). Мы показали, что естественные
популяции Cyanidium никогда не обнаруживаются при водных
потенциалах ниже —4 бар. Минимальный водный потенциал,
при котором наблюдается рост культур в лаборатории, равен
примерно —80 бар. Такое несовпадение результатов, полученных
в лаборатории и в природных условиях, по крайней мере частич-
но объясняется резко выраженным пространственным градиен-
том водного потенциала, характерным для йеллоустонских почв,
где обитает Cyanidium. Этот градиент составляет от —50 бар на
поверхности до —2-. 4 бар на глубине 3—5 мм (Smith, Brock,
1973b). Все естественные популяции Cyanidium обнаруживаются
в слое от 3 до 5 мм ниже поверхности почвы. Отсюда можно за-
ключить, что неблагоприятные экологические условия, создавае-
мые водным стрессом, вынуждают эти фототрофные организмы
жить в затененных условиях. Следует заметить, что почва в этом
геотермальном районе относится к типу прозрачного опалового
кремнезема (Walter, неопубликованные данные; Smith, Brock,
1973b).
Проведению исследований с йеллоустонскими популяциями
Cyanidium способствовало то обстоятельство, что экстремальные
условия pH и температуры приводили к упрощению структуры
сообществ, и, таким образом, почти во всех изученных участках
обнаруживались практически чистые культуры Cyanidium. Необ-
ходимо было также разработать новые количественные методы
измерения активности почвенных популяций. Применялась спе-
циально разработанная методика (Smith et al., 1972, 1973), поз-
волившая добиться достаточно чувствительного определения
фиксации СО2. Основным ее преимуществом является то, что
радиоактивную методику (меченный по углероду газ 14СО2)
можно добавлять к пробе, не вызывая изменения ее водного по-
тенциала. В дальнейшем эта методика была модифицирована и
использована для изучения активности других водорослей
(Brock, 1975а), бактерий (Belly, Brock, 1974) и лишайников
(Brock, 1975b).
При исследовании обитающих в пустыне сине-зеленых водо-
рослей Броку (Brock, 1975а) удалось установить четкое разли-
чие между выживаемостью микроорганизмов и их способностью
функционировать при пониженном водном потенциале. Исполь-
зованный им исходный биологический материал обычно находит-
ся в природе в неактивном состоянии, что обусловлено засушли-
выми условиями. В связи с этим для получения активных попу-
ляций водорослей сначала необходимо было инкубировать пробы
на свету в условиях увлажнения. Однако эти активированные
популяции снова теряли свою активность при сравнительно сла-
бом водном стрессе (потенциал от —18 до —28 бар). Можно пред-
434
Глава 9
положить, что изученные водоросли в течение года проявляют
активность лишь временами только в условиях достаточного
увлажнения при выпадении дождевых осадков или росы. В обес-
печении их устойчивости к обезвоживанию, вероятно, немалую
роль играет слизистая капсула этих микроорганизмов (Shields
et al., 1957). Брок установил также, что воздействие матричного
стресса на водоросли является более неблагоприятным, чем осмо-
тического. Эти данные представляют значительный интерес,
поскольку почвенные организмы подвержены в основном матрич-
ному стрессу. Экологическое значение стрессов обоих типов будет
рассмотрено ниже.
Другое исследование, проведенное с аэрозольными препара-
тами (Ehresmann, Hatch, 1975), показало, что водоросли-прока-
риоты обладают более высокой устойчивостью к обезвоживанию
по сравнению с водорослями-эукариотами. Было установлено,
что поведение сине-зеленой водоросли Synechococcus напоминает
поведение бактерий атмосферы, что открывает новые аспекты в
изучении водного режима водорослей.
Водоросли, обитающие в водоемах, за исключением форм,
прикрепленных к твердым породам или какому-либо другому
твердому субстрату, подвержены только осмотическому стрессу.
Осмотические эффекты легче обнаруживаются в естественных
условиях повышенной солености. Прорастание акинет хетофоро-
вой водоросли Ctenocladus circinnatis ингибируется при —40 бар
и вовсе прекращается при —70 бар (Blinn, 1971). Галофильную
водоросль Dunaliella легко обнаружить в Большом Соленом озе-
ре, где соленость воды в 4 раза выше, чем в море. Брок (Brock,
1975с) показал, что водный потенциал, обеспечивающий опти-
мальный рост и фотосинтетическую активность этой водоросли в
лабораторных условиях, намного выше (от —100 до —150 бар;
12—17% NaCl), чем в природной окружающей среде (—300 бар;
25% NaCl). Выживаемость водорослей при этих условиях, веро-
ятно, в определенной степени зависит от их способности выдер-
живать конкуренцию и избегать опасности стать жертвой орга-
низмов-хищников при более низкой солености. Способность Du-
naliella к существованию и росту (правда, довольно медленно-
му) в насыщенных растворах NaCl позволяет рассматривать эту
водоросль как наиболее устойчивую к низкому водному потенци-
алу (Brock, 1975с).
Известны также работы на зеленой водоросли Trebouxia, ко-
торая является типичным фикобионтом многих лишайников.
Брок (Brock, 1975b) показал, что эта водоросль способна к фото-
синтетической активности в составе симбиотического сообщества
при водных потенциалах до —200 бар. Лишайники, которые
содержат Trebouxia в качестве фикобионтов, являются устойчи-
выми к обезвоживанию (Ahmadjian, 1967).
Значение воды
435
VI. МХИ
По своим экологическим характеристикам мхи близки к не-
которым лишайникам. В связи с этим было бы интересно вкратце
обсудить эти простейшие растения наряду с уже рассмотренны-
ми протистами. Ли и Стюарт (Lee, Stewart, 1971) изучали влия-
ние обезвоживания на фотосинтетическую активность мхов из
разных мест обитания. Они обнаружили что мхи, собранные в
засушливых районах, были более устойчивы к обезвоживанию,
чем мхи, обитающие в увлажненных местах. Дилкс и Проктор
(Dilks, Proctor, 1974) показали, что способность к выживанию
в сухих местах обитания не обязательно связана с необходимо-
стью проявлять активную жизнедеятельность в этих условиях.
Их данные сходны с данными Брока (Brock, 1975а) для сине-
зеленых водорослей, обитающих в пустыне. Бьюли (Bewley, 1973,
1974) установил, что мхи сохраняют способность к синтезу бел-
ков в условиях водного стресса. Он показал, что водные мхи
значительно более чувствительны к обезвоживанию, чем назем-
ные. Исследования Брока были продолжены на молекулярном
уровне в целях установления механизма повреждения этих орга-
низмов в условиях обезвоживания (Dhindsa, Bewley, 1976). Уди-
вительно, что для мхов, об экологии которых известно сравни-
тельно мало, существует относительно подробная информация о
молекулярных механизмах повреждения водным стрессом.
VII. МЕХАНИЗМ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ВОДНЫМ СТРЕССОМ
Для объяснения того, почему живому организму требуется
определенное количество воды-или, вернее, почему в отсутствие
воды наблюдаются различные повреждения, было высказано
много гипотез. Согласно одной из этих гипотез, в условиях недо-
статка воды энергия, необходимая для роста, тратится на осмо-
регуляцию (Bernstein, 1963). Было также высказано предполо-
жение, что при низком водном потенциале ингибируются внутри-
клеточные биохимические реакции и ферментативная активность
(Christian, Waltho, 1962)
Интересно отметить, что в ответ на стрессы различных типов
•организмы проявляют более высокую чувствительность к мат-
ричному водному стрессу, чем к осмотическому (Sommers et al.,
1970; Adebayo, Harris, 1971; Brock, 1975b). Как полагают Аде-
•байо и др. (Adebayo et al., 1971), это может быть обусловлено
1 Важный механизм обратимого нарушения обменных реакций в условиях
снижения актйвности воды в среде продемонстрирован в работе Charlang G.,
Horowitz N. Н., 1974 J. Bacteriol., 117, 261—264. — Прим. ped. перевода.
436
Глава 9
потребностью большинства микроорганизмов в положительном
тургорном давлении. Для того чтобы находиться в состоянии
тургора и не подвергаться коллапсу, клетка должна поддержи-
вать свой внутренний водный потенциал на более низком уровне,
чем водный потенциал окружающей среды. Если клетка (или
организм) подвергаются осмотическому стрессу, существует
вероятность того, что она может поглотить какое-то количество
растворенного вещества и тем самым снизить свой внутрикле-
точный водный потенциал. В некоторых случаях это может до-
стигаться в результате синтеза низкомолекулярных веществ.
Dunaliella способна существовать в насыщенном растворе NaCl,
но ее ферменты чувствительны к высоким концентрациям этой
соли. Показано, что для поддержания низкого внутриклеточного
водного потенциала эта водоросль в большом количестве синте-
зирует глицерин (Ben-Amotz, Avron, 1973). В то же время орга-
низм, который подвергается матричному стрессу в условиях ок-
ружающей среды с низкой концентрацией растворенных веществ
(например, во многих почвах), не имеет возможности поглощать
осмотически активные соединения. Такой организм должен либо
сам синтезировать растворимые вещества de novo, как это дела-
ет Dunaliella, либо осуществлять деструкцию некоторых внутри-
клеточных макромолекул, таких, как нуклеиновые кислоты или
белки с образованием большого числа молекул растворимых
химических веществ. Такая деструкция должна быть достаточно
избирательной для того, чтобы обеспечить выживаемость клетки.
Отсюда можно предположить, что организм, поставленный в
условия матричного стресса, испытывает большие трудности в
обеспечении адекватной реакции на него. Поэтому не удивитель-
но, что водный стресс матричной природы оказывает более пов-
реждающее действие, чем осмотический стресс.
В данном разделе основное внимание уделялось водному
режиму как важному экологическому показателю. Не следует
забывать, однако, что в естественных условиях природной среды
живые организмы подвергаются воздействию многих физических
и химических факторов. Весьма вероятно, что любой из этих
факторов влияет на другие факторы и сам испытывает их ответ-
ное влияние. Данные по водному режиму, взятые в отдельности,
не могут ответить на все вопросы, касающиеся экологии микро-
организмов. Но успехи, достигнутые за последние 20 лет в раз-
работке новых методов и постановке экспериментов, обусловили
значительное возрастание роли водного режима как важного
фактора при изучении жизнедеятельности микроорганизмов в
природе.
Значение воды
437
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Adams М. S. (1971). Effects of drying at three temperatures on carbon dioxide
exchange of Cladonia ranglferina (L). Wigg., Photosynthetica, 5, 124—127.
Adebayo A. A., Harris R. F. (1971). Fungal growth responses to osmotic as
compared to matric water potential, Soil Sci. Soc. Am Proc., 35, 465—469.
Adebayo A. A., Harris R. F., Gardner W. R. (1971). Turgor pressure of fungal
mycelia, Trans. Br. Mycol. Soc., 57, 145—151.
Ahmadjjan V. (1967). The Lichen Symbiosis, 152 pp., Blaisdell Publishing Co.,
Waithan, Massachusetts.
Bachmann E. (1922). Zur Physiologic der Krustenflechten, Z. Bot., 14, 193—233.
Bateman J. B., Stevens C. L., Mercer W. B., Carstensen E. L. (1962). Relative
humidity and the killing of bacteria: the variation of cellular water con-
tent with external relative humidity of osmolality, J. Gen. Microbiol., 29,
207—219.
Belly R. T., Brock T. D. (1974). Ecology of iron-oxidizing bacteria in pyritic
materials associated with coal, J. Bacteriol., J17, 726—732.
Ben-Amotz A., Avron M. (1973). The role of glycerol in the osmotic regulation
of the halophilic alga Dunaliella parva, Plant Physiol., 51, 875—878.
Bernstein L. (1963). Osmotic adjustments of plants to saline media. II. Dynamic
phase, Am. J. Bot., 50, 360—370.
Bewley J. D. (1973). Dessication and protein synthesis in the moss Tortula
ruralis, Can. J. Bot., 51, 203—206.
Bewley J. D. (1974). Protein synthesis and polyribosome stability upon dessica-
tion of the aquatic moss Hydrohyphum luridum, Can. J. Bot., 52, 423—427.
Blinn D. W. (1971). Autecology of a filamentous alga, Ctenocladus circinnatus
(Chlorophyceae), in saline environments, Can. J. Bot., 49, 735—743.
Blum О. B. (1973). Water relations, in: The Lichens (Eds. V. Ahmadjian,.
M. E. Hale), pp. 381—400, Academic Press, New York and London.
Bold H. C. (1970). Some aspects of the taxonomy of soil algae, Ann. N. Y. Acad.
Sci., 175, 601—616.
Boylen C. W. (1973). Survival of Arthrobacter crystallopoites during prolonged
periods of extreme desiccation, J. Bacteriol., 113, 33—57.
Brian P. W. (1957). The ecological significance of antibiotic production, Symp.
Soc. Gen. Microbiol., 7, 168—188.
Brock T. D. (1975a). Effect of water potential on a Microcoleus (Cyanophyceae)
from a desert crust, J. PhycoL, 11, 316—320.
Brock T. D. (1975b). The effect of water potential on photosynthesis in whole
lichens and in their liberated algal components, Planta, 124, 13—23.
Brock T. D. (1975c). Salinity and the ecology of Dunaliella from Great Salt
Lake, J. Gen. Microbiol., 89, 285—292.
Brown G. W., Jr. (Ed.) (1974). Desert Biology, Vol. 2, 601 pp., Academic Press,
New York and London.
Bruehl G. W., Cunfer B., Toivinanen M. (1972). Influence of water potential on
growth, antibiotic production, and survival of Cephalosporium gramineum.
Can. J. Plant Sci., 52, 417—423.
Christian J. H. B„ Waltho J. A. (1962). The water relations of Staphylococci
and Micrococci, J. Appl. Bacteriol., 25, 369—377.
Dhindsa R. S., Bewley J. D. (1976). Plant desiccation: polysome loss not due to
ribonuclease, Science, 191, 181—182.
Dilks T. J. K., Proctor M. C. F. (1974). The pattern of recovery of bryophytes-
after desiccation, J. Bryol., 8, 97—115.
Dubey H. D. (1968). Effect of soil moisture levels on nitrification, Can. J. Micro-
biol., 14, 1348—1350.
Ehresmann D. W., Hatch M. T. (1975). Effect of relative humidity on the sur-
vival of airborne unicellular algae, Appl. Microbiol., 29, 352—357.
Farrar J. F. (1976a). Ecological physiology of the lichen Hypogymnia physodes.
I. Some effects of constant water saturation, New Phytol., 77, 93—103.
438
Глава 9
Farrar J. F. (1976b). Ecological physiology of the lichen Hypogymnia physodes.
II. Effects of wetting and drying cycles and the concept of “physiological
buffering”, New Phytol., 77, 105—113.
Friedman E. I., Galun M. (1974). Desert algae, lichens, and fungi, in Desert
Biology (Ed. G. W. Brown, Jr.), pp. 165—212, Academic Press, New York
and London.
Goepfert J. M., Iskander I. K-, Amundson С. H. (1970). Relation of the heat
resistance of salmonellae to the water activity of the environment, Appl.
Microbiol., 19, 429—433.
Gray T. R. G. (1976). Survival of vegetative microbes in soil, Symp. Soc. Gen.
Microbiol., 26, 327—364.
Gray T. R. G., Postgate J. R. (Eds.) (1976). The Survival of Vegetative Micro-
bes, Symp. Soc. Gen. Microbiol., 26, 432 pp., Cambridge University Press,
Cambridge.
Gregory P. H. (1971). Airborne microbes: their significance and distribution. The
Leeuwenhoek Lecture, 1970, Proc. R. Soc. Lond. B., 177, 469—483.
Griffin D. M. (1963). Soil moisture and the ecology of soil fungi, Biol. Rev., 38,
141—166.
Griffin D. M. (1969). Soil water in the ecology of fungi, Ann. Rev. Phytopathol.,
7, 289—310.
Harris G. P., Kershaw К A. (1971). Thallus growth and the distribution of
stored metabolites in the phycobiont of the lichens Paimelia sulcata and
Parmelia physodes, Can. J. Bot., 49, 1367.
Heinrich M. R. (Ed.) (1976). Extreme Environments, 362 pp., Academic Press,
New York and London.
Holding A. J., Heal O. W., MacLean S. F., Jr., Flanagan P. W. (Eds.) (1974).
Soil Organisms and Decomposition in Tundra, 398 pp., Swedish IBR
Committee, Stockholm.
Jesberger J. A., Sheard J. W. (1973). A quantitative study and multivariate ana-
lysis of corticolous lichen communities in the southern boreal forest of
Saskatchewan, Can. J. Bot., 51, 185—201.
Kappen L. (1973). Response to extreme environments, in: The Lichens (Eds.
Ahmadjian V., Hale M. E.), pp. 311—380, Academic Press, New York and
London.
Kershaw K. A. (1972). The relationship between moisture content and net assi-
milation rate of lichen thalli and its ecological significance, Can. J. Bot.,
50, 543—555.
Lang A. R. G. (1967). Osmotic coefficients and water potentials of sodium
chloride solutions from 0 to 40°C, Aust. J. Chem., 20, 2017—2023.
Lange O. L., Schulze E. D., Koch W. (1970). Experimentellokologische Unter-
suchungen an Flechten der Negev-Wuste. II. CO2-Gaswechsel und Wasser-
haushalt von Ramalina maciformis (Del.) Bory am natiirlichen Standort
wahrend der sommerlichen Trochen-periode, Flora, Jena, 149, 345.
Lechowicz M. J., Adams M. S. (1974). Ecology of Cladonia lichens. II. Compara-
tive physiological ecology of C. mitis, C. rangiferina, and C. uncialis, Can.
J. Bot., 52, 411—422.
Lee J. A., Stewart G. R. (1971). Desiccation injury in mosses. I. Intraspecific
differences in the effect of moisture on photosynthesis, New Phytol., 70,
1061—1068.
Lund J. W. G. (1967). Soil algae, in: Soil Biology (Eds. Burges A., Raw F.),
pp. 129—147, Academic Press, New York and London.
Mexal J., Reid С. P. P. (1973). The growth of selected mycorrhizal fungi in
response to induced water stress, Can. J. Bot., 51, 1579.
Robinson J. B., Salonius P. O., Chase F. E. (1965). A note on the differential
response of Arthrobacter spp. and Pseudomonas spp. to drying soil, Can.
J. Microbiol., 11, 746—748.
Rogers R. W. (1971). Distribution of the lichen Chondropsis semiviridis in rela-
tion to its heat and drought resistance, New Phytol., 70, 1069—1077.
Значение воды
439
Rouse W. R., Kershaw К- A. (1973). Studies of the lichen-dominated systems.
VI. Interrelations of vegetation and soil moisture in the Hudson Bay
Lowlands, Can. J. Bot., 51, 1309—1316.
Schippers B., Schroth M. N., Hildebrand D. C. (1967). Emanation of water from
underground plant parts, Plant Soil., 27, 81—91.
Scott W. J. (1957). Water relations of food spoilage microorganisms, Food Res „
7, 83—127.
Shameemullah M., Parkinson D., Burges A. (1971). The influence of soil moisture
tension on the fungal population of a pinewood soil, Can. J. Microbiol.,
17, 975—986.
Shields L. M., Durrell L. W. (1964). Algae in relation to soil fertility, Bot. Rev.,
30, 92—128.
Shields L. M., Mitchell C., Drouet F. (1957). Alga- and lichen-stabilized surface
crust as a soil nitrogen source, Am. J. Bot., 44, 489—498.
Smith D. W., Brock T. D. (1973a). The water relations of the alga Cyanidium
caldarium in soil, J. Gen. Microbiol., 79, 219—231.
Smith D. W., Brock T. D. (1973b). Water status and the distribution of Cyani-
dium caldarium in soil, J. Phycol., 9, 330—332.
Smith D. W., Fliermans С. B., Brock T. D. (1972). Technique for measuring
14CO2 uptake bu soil microorganisms in situ, Appl. Microbiol., 23, 595—600.
Smith D. W., Fliermans С. B., Brock T. D. (1973). An isotopic technique for
measuring the autotrophic activity of soil microorganisms in situ, Bull.
Ecol. Res Comm. (Stockholm), 17, 243—246.
Smyth E. S. (1934). A contribution to the physiology and ecology of Peltigera
canina and P. polydactyla, Ann. Bot., 48, 781—818.
Socolofsky M. D., Wyss O. (1962). Resistance of the Azotobacter cyst, J. Bac-
teriol., 84, 119—124.
Sommers L. E., Harris R. F., Dalton F. N., Gardner W. R. (1970). Water potential
relations of three root-infecting Phytophthora species, Phytopathology, 60,
932—934.
Sprent J. I. (1971). The effects of water stress on nitrogen-fixing root nodules,
New Phytol., 70, 9—17.
Vela G. R. (1974). Survival of Azotobacter in dry soil, Appl. Microbiol., 28,
77—79.
Williams S. T., Shameemullah M„ Watson E. T., Mayfield С. I. (1972). Studies
on the ecology of actinomycetes in soil. VI. The influence of moisture
tension on growth and survival, Soil. Biol. Biochem., 4, 215—225.
ГЛАВА 10
ЖИЗНЬ МИКРОБОВ
В ПРИСУТСТВИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ,
МЫШЬЯКА И СУРЬМЫ
X. Эрлих
(Н. L. Ehrlich, Rensselaer Polytechnic Institute)
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время встречаются, хотя и не очень часто, естест-
венные биотопы, в которых концентрация металлов может дости-
гать необычно высокого уровня без всякого вмешательства чело-
века. Так, например, сообщалось, что рапа в одной из впадин
в Красном море (Atlantis Deep), имеющая температуру 56°С,
содержит (в граммах металла на 1 кг рапы): Fe — 8,1-10—2,
Мп —8,2-10-2, Zn —5,4-10-3, Си —2,6-Ю-4, Со— 1,6-Ю"4 и
РЬ—6,3-IO-4 (Brewer, Spencer, 1969). Показано, что в торфе
из болота Блэк-Бей-Бог (Онтарио) максимальная концентрация
(ч. на млн.) составляет: Zn — 100, Си —60, Ni— 40, РЬ—10
(Gleeson, Сооре, 1967). В торфе из болота Сойер-Бог (Квебек)
максимальная концентрация (ч. на млн.) Zn равна 140 Си — 30
и Ni —60 (Gleeson, Сооре, 1967). Было обнаружено, что в почве
из торфяного болота с высоким содержанием меди (68000 ч. на
млн.) растут грибы (Kendrick, 1962). В воде некоторых ручьев
в Андах концентрация меди доходит до 100 ч. на млрд., а в дон-
ных отложениях — до 100 ч. на млн. (De Grys, 1964). Ее источ-
ник— содержащие медь минералы в бассейнах этих ручьев и
рек. Ковальский и Летунова (1974) изучали озера и почвы с вы-
соким содержанием Со, Си, Mo, U и V и показали, что обитаю-
щие там микроорганизмы в основном резистентны к этим эле-
ментам. Из приведенных примеров только для впадин Красного
моря, характеризующихся высокой концентрацией солей, прямо
продемонстрировано отсутствие в них жизнеспособных микроор-
ганизмов (Watson, Waterbury, 1969).
Воздействие человека на окружающую среду привело к по-
явлению тяжелых металлов (или повышению их локальной кон-
центрации) в некоторых водоемах, почве и даже атмосфере.
Убедительным примером таких изменений может служить обра-
зование в шахтах кислых сточных вод в результате окисления
пирита (ассоциированного со слоями битуминозного угля) при
его контакте с воздухом и влагой в процессе добычи угля (Lund-
gren et al., 1972). Эти сточные воды наносят вред окружающей
среде. Другой пример — образование кислых стоков из отходов
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
441
и низкосортной руды в выщелачиваемых отвалах медных рудни-
ков (Beck, 1967). В данном случае сточные воды имеют эконо-
мическую ценность.
Очень высокие концентрации тяжелых металлов, мышьяка и
сурьмы, в одних случаях превышающие 1 г-л-1, в других— 1, 10
или 100 мг-л-1, часто вредны для микробов. В меньших концент-
рациях эти элементы, если они не токсичны, могут быть химиче-
ски модифицированы некоторыми микроорганизмами и, таким
образом, удалены из среды. Определенные группы микроорга-
низмов способны использовать те или иные соединения тяжелых
металлов, мышьяка и сурьмы в нетоксичных концентрациях в
качестве источников энергии или конечных акцепторов электро-
нов. Низкие концентрации некоторых тяжелых металлов могут
стимулировать рост микробов (Andreesen, Ljungdahl, 1973;
Andreesen et al., 1974). Действительно, в ряде случаев тяжелые
металлы необходимы для питания микроорганизмов. В настоя-
щей главе рассматриваются реакции микробов на разные кон-
центрации тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы.
II. ИСТОЧНИКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ,
МЫШЬЯКА И СУРЬМЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ
СРЕДЕ
Содержание различных металлов, мышьяка и сурьмы в окру-
жающей среде варьирует в широких пределах. В табл. 10.1 при-
водятся их средние концентрации или диапазоны их концентра-
ций в почве, пресной и морской воде. В табл. 10.2 даны имею-
щиеся в литературе сведения о токсичных концентрациях
некоторых тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы. Следует учи-
тывать, что не во всех случаях, перечисленных в таблице, при-
менялись одинаковые критерии токсичности и что токсичные
концентрации, указанные для того или иного элемента, опреде-
лялись в специфических условиях, поэтому в других условиях
они могут быть иными. Степень токсичности любого соединения
тяжелых металлов, мышьяка или сурьмы зависит от его конк-
ретного состояния, т. е. от того, присутствует ли оно в растворе
в виде свободного иона или в основном в виде недиссоцирован-
ной соли и входит ли данный элемент в состав органических или
неорганических комплексных соединений. Была проведена коли-
чественная оценка связывания ионов Hg2+, Pb2+, Cu2+, Cd2+ в
хелатные комплексы органическими и неорганическими лиганда-
ми, встречающимися в естественных условиях в речной воде, а
в лабораторных —в микробиологических культуральных средах
(Ramamoorthy, Kushner, 1975а, b). Показано, что в состав комп-
лексов может входить значительная часть ионов. Существует
несколько теорий образования комплексов и связывания метал-
442
Глава 10
Таблица 10.1
Концентрации тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы в окружающей среде
Элемент Почва1) Пресная вода2), МГ-Л"1 Морская вода»), мг л-1
As 6 мг-л-1 4-Ю-4 2,6-10-3
Cd 6-Ю-2 мг-г-1 <8 1•10-4
Со 1 —300 мг-г-1, обычно 10—15 мг-г-1 9-10-4 4-Ю-*
Си 5—5000 мг-г-1, в почвах США 6— 67 мг-г-1 1•10-2 3-10-3
Fe 200 мг-г-1—100 г-кг-1, в почвах США 2,3—112 г-кг—1 0,67 3-10-3
Hg 0,03—0,8 мг-г-1 8-10-5 2-10-4
Мп От следов до 150 г-кг-1 1,2-10-2 2-Ю-3
Ni 40 мг-г-1 1 -10-2 7-Ю-3
Pb 10 мг-г-1 5-Ю-3 3-10-5
Sb 2—10 мг-л-1 (0,27—4,9)-10-3 3-10-4
и 1 мг-г-1 1•10-3 3- ю-3
V 100 мг-г-1 1•10-3 2-Ю-3
Zn 2—50 мг-г-1 1 -10-2 1 -10-2
*) Данные для As, Cd, Hg, Ni, Pb, Sb, U и V взяты из работы Bowen (1966), а для Со,
Си, Fe, Мп и Zn — из работы SaucheJJi (1969).
2) Данные для всех элементов, кроме Sb, взяты из работы Anonymous (1971), а для Sb —
ИЗ работы Kharkar et. al. (1968).
s) Данные Для всех элементов взяты из работы Anonymous (1971).
лов (Jerneloev, Martin, 1975). На степень токсичности соедине-
ний тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы влияет также при-
сутствие конкурирующих катионов или анионов, независимо от
того, токсичны они или нет (Adiga et al., 1962; Bowen, 1966;
Da Costa, 1972; De Turk, Bernheim, 1960; Gonye, Jones, 1973;
Jones, 1973; Laborey, Lavollay, 1967; Sadler, Trudinger, 1967;
Sastry et al., 1962). Недиссоциированные соли и ионы, входящие
в состав комплексов, обычно менее токсичны, чем свободные
ионы в тех же концентрациях (моль на моль) (Temple, 1964;
Temple, LeRoux, 1964).
Источники тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы в природе
можно разделить на две основные категории: естественные и
искусственные. Искусственные источники связаны обычно с за-
грязнением среды человеком. Первичными естественными источ-
никами служат магнитная и гидротермальная активности, а такь
же вулканические горные породы. Донные отложения, метамор-
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
443
Таблица 10.2
Концентрации некоторых тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы,
токсичные для микроорганизмов
Эле- мент Изученное соединение Токсичная концентрация Исследуемый организм Источник данных
As Na2HAsO4 1•IO~4 M Azotobacter Den Dooren De Jong, Ro- man, 1971
Арсеиат 2-IO-2 M Дрожжи Мосин и др., 1974 Авакян, 1967
Ag AgNO32) 6 МГ-Л"! Rhodotorula, Torula,Ha- nsenula, Serratia, Azoto- bacter, Pseudomonas, Es- cherichia coli
Cd CdCl2 l-Ю"4 M Bacterium communis Winslow, Hotchkiss, 1921/22
CdCl2i) 74—83 мг-л-1 4-10"« M Azotobacter, Pseudomonas Tetrahymena Авакян, 1967 Yamaguchi et al., 1973
Со СоС1»-6Н2О') 23—26 мг-л-1 Torula, Serratia, Azoto- bacter, Pseudomonas, Es- cherichia coli Авакян, 1967
СоС12-6Н2О 1,2 мг-л-1 Aspergillus niger Adiga et al., 1961 Den Dooren De Jong, Ro- man, 1971
СоС12-6Н2О IO-4 M Azotobacter
СоС12 0,7 мг-л-1 Aspergillus niger Nowosielski et al., 1971 Sadler, Trudinger, 1967
Си CuS04 IO’2—10’4 M Pseudomonas C-l
CuSO4-5H2O 10"4 M Azotobacter Den Dooren De Jong, Ro- man, 1971 Winslow, Hotchkiss, 1921/22
ге FeCls 10~s M Bacterium communis
Hg HgCl2 10"5 M Bacterium communis Winslow, Hotchkiss, 1921/22
HgCl22) 7,4 мг-л-1 7,6-10-e M Rhodotorula, Torula, Hansenula, Serratia, Azo- tobacter , Pseudomonas, Escherichia coli Tetrahymena Авакян, 1967 Yamaguchi et al., 1973 Nowosielski et al., 1971
Hg метал- лическая 0,1 мг-мл-1 Aspergillus niger
Мп MnCl2 З Ю-2 M Bacterium communis Winslow, Hotchkiss, 1921/22
MnSO4-H2O >0,05% Sphaerotilus discophorus Ali, Stokes, 1971
MnSO4-4H2O 0,1% Corynebacterium и Chro- mobacterium (смешанная культура) Rhodotorula, Hansenula, Pseudomonas, Escherichia coli Bromfield, 1956
Mi NiCl,-6H2O') 23—27 мг-л"1 Авакян, 1967
NiSO4-6H2O 0,4 мгХ ХЮмд-i Aspergillus niger Adiga et al. , 1961
Ni(NO3)2x X6H2O 10-4 M Azotobacter Den Dooren De Jong, Ro- man, 1971
Pb NiCl2 0,9мг-мл-1 Aspergillus niger Nowosielski et al., 1971
Pb(NOs)22) 0,1 г-л”1 Pseudomonas pyocyanea штаммы 8 и 10 Авакян, 1967
444
Глава 10
Продолжение
Эле- мент Излученное соединение Токсичная концентрация Исследованный организм Источник данных
РЬС12 67 мг-мл-1 Aspergillus niger Nowosielski es al., 1971
Pb(NOs)2 0,007 M Aspergillus niger Злочевская, Работнова, 1966 Malanchuk, Gruendling, 1973
Pb(NO3)2 5 мг-л-1 Cosmarium
Pb(NOs)2 15—18 мг-л-1 Anaboena, Navicula, Chla- mydomonas Malanchuk, Gruendling, 1973
Sb SbjjOsSbOCl 10"4 М Azotobacter Den Dooren De Jong, Roman, 1971
и UO2(NO3)2x хбн2о 10-4 М Azotobacter Den Dooren De Jong, Ro- man, 1971
V VO(SOJ 10-4 М Azotobacter Den Dooren De Jong, Ro- man, 1971
Zn ZnSO4-7H2O 1 мг-л-1 Aspergillus niger Adiga et al., 1961
’) Полярографическим методом определена истинная концентрация в среде.
*) Количество добавленной к среде солн.
фические и осадочные горные породы представляют собой вто-
ричные источники. Вследствие эрозии горных пород тяжелые
металлы, мышьяк и сурьма могут переходить в раствор и таким
образом транспортироваться в другие районы, где они вновь
осаждаются или адсорбируются. Иногда высокие концентрации
соединений тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы присутствуют
в материнской породе. Такая порода называется рудой.
Рассеиванию некоторых тяжелых металлов, сурьмы и мышья-
ка в окружающей среде способствует деятельность человека,
приводящая к тому, что рудные тела вступают в контакт с возду-
хом и влагой. В результате руда подвергается интенсивной эро-
зии. Избавляясь от различных твердых, жидких и газообразных
отходов, человек также привносит в среду тяжелые металлы,
мышьяк и сурьму. Все эти элементы антропогенного происхож-
дения могут достигать высоких локальных концентраций, в неко-
торых случаях вплоть до токсичных, или рассеиваться по обшир-
ным пространствам водными или воздушными течениями.
Микробы вносят свой вклад в солюбилизацию нерастворимых
соединений металлов, мышьяка и сурьмы путем окисления суль-
фидов этих элементов (Ehrlich, 1976; Silverman, Ehrlich, 1964);
восстановления оксидов, как в случае оксидов железа и марган-
ца (Ehrlich, 1976; Silverman, Ehrlich, 1964; Ottow, 1968); в ре-
зультате действия неорганических или органических кислот,
которые образуются микроорганизмами, например, при выветри-
вании гранитов (Silverman, Munoz, 1970), или, наконец, благо-
даря образованию хелатирующих агентов (Кее, Bloomfield,
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
445
1961). Обнаружен организм — Stibiobacter, окисляющий нераст-
воримый оксид сурьмы (III), SbzOs, до растворимого оксида
сурьмы (V), SbsOs (Ляликова, 1972; Ляликова и др., 1974).
til. РЕАКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ
НА ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, МЫШЬЯК
И СУРЬМУ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Микроорганизмы по-разному реагируют на тяжелые метал-
лы в зависимости от вида микроорганизма и концентрации тя-
желых металлов в среде. Это справедливо также для мышьяка
и сурьмы. Всем микробам в качестве компонентов питания необ-
ходимы те или иные тяжелые металлы, такие, как Со, Си, Fe,
Мп и Zn (Brock, 1974; Enoch, Lester, 1972). Некоторые микроор-
ганизмы нуждаются также в Mo, V и Ni (Bartha, Ordal, 1965;
Bertrand, 1974; Bertrand, De Wolff, 1973; Ehrlich, 1976; Esposito,
Wilson, 1956). Все эти металлы участвуют в основном в фермен-
тативном катализе и должны присутствовать в питательной сре-
де лишь в очень низких концентрациях, обычно порядка несколь-
ких микрограммов на один литр. Ряд микроорганизмов спосо-
бен осуществлять активный транспорт некоторых из этих эле-
ментов внутрь клетки (Bhattacharyya, 1970; Eisenstadt et al.,
1973; Ховричев, 1973; Silver et al., 1970; Silver, Kralovic, 1969;
Wang, Newton, 1969). Существуют бактерии и грибы, которые
вырабатывают специальные хелатобразующие вещества, облег-
чающие проникновение железа в клетку при нейтральных значе-
ниях pH (Arceneaux et al., 1973; Corbin, Bulin, 1969; Cox et al.,
1970; Davis, Byers, 1971; Emery, 1971; Haydon et al., 1973; Luckey
et al., 1972). Это проникновение происходит в результате актив-
ного транспорта хелатного железа и распада хелата после его
переноса через плазматическую мембрану. Даже токсичный ион
арсената может проникнуть в клетку путем активного транспор-
та, как в случае Saccharomyces cerevisiae (Cerbon, 1969).
Любой из металлов, а также мышьяк или сурьма в доста-
точно высоких концентрациях становятся токсичными для мик-
роорганизмов (табл. 10.2). Проявления этой токсичности могут
быть различными, например изменение морфологии клеток (Bu-
bela, 1970; Cobet et aL, 1970; Cobet et aL, 1971; O’Callaghan
et aL, 1973; Renshaw et aL, 1966; Sadler, Trudinger, 1967; Weed,
Longfellow, 1954) или клеточного метаболизма (Albright, Wilson,
1974; De Turk, Bernheim, 1960; Leahy, 1969; Ou, Anderson, 1972;
Sadler, Trudinger, 1967; Tandon, Mishra, 1969; Weinberg, 1970),
бактериостаз (Oster, Golden, 1954; Sadler, Trudinger, 1967) или
гибель клеток (Romans, 1954; Sadler, Trudinger, 1967). В неко-
торых случаях возникают более толерантные к тяжелому метал-
лу, мышьяку или сурьме резистентные штаммы, т. е. такие, для
446
Глава 10
воздействия на которые необходима более высокая концентра-
ция токсичного вещества, чем для воздействия на родительские
штаммы. Обычно эта резистентность обусловлена генетическими
модификациями, часто связанными с плазмидами (Hedges,
Baumberg, 1973; Kondo et al., 1974; Novick, Roth, 1968; Smith,
1967; Summers, Silver, 1972), а иногда —с половым фактором
(Loutit, 1970) или с хромосомами (Dyke et aL, 1970). Причиной
повышенной резистентности может быть уменьшение проницае-
мости клетки для токсичного вещества или его биохимическое
обезвреживание. Показано, что исключительная резистентность
Scytalidium к меди (выдерживает концентрацию CuSO4 до 1 М)
обусловлена кислой реакцией среды (pH от 2,0 до 0,3) и неспо-
собностью ионов меди проникать в клетки при таких значениях
pH, поскольку при реакции среды, близкой к нейтральной, гриб
становится чувствительным к 4* 10-5 М CuSO4 (Starkey, 1973).
Одни микробы обезвреживают тяжелые металлы, мышьяк или
сурьму, вырабатывая вещества, реагирующие с указанными эле-
ментами внутри клетки (например, при метилировании ртути
или мышьяка; Wood, 1974) или вне ее, т. е. делают их недоступ-
ными для ассимиляции микробом (например, осаждение арсена-
та или арсенита ионами железа в процессе окисления арсенопи-
рита при участии Thiobacillus ferrooxidans; Ehrlich, 1964). Другие
микроорганизмы нейтрализуют токсичные соединения, превра-
щая их ферментативным путем в менее вредные (примером мо-
жет служить восстановление HgCh до HgO; Komura et al., 1970).
Хотя это окончательно и не доказано, можно предполагать, что
физиологическое состояние организма также определяет его
чувствительность к интоксикации тяжелыми металлами, мышья-
ком или сурьмой (Sherman, Albus, 1923).
Механизм токсического действия тяжелых металлов, мышья-
ка и сурьмы зависит от природы соединения и рассматриваемого
организма. Одни элементы, такие, как Си, связываются в основ-
ном с клеточной поверхностью, где и локализуются вызываемые
ими повреждения (Sadler, Trudinger, 1967; Yang, 1974). Другие
элементы, например Hg, проникают внутрь клетки, где связыва-
ются с определенными функциональными группами, в частности
с SH-группами, инактивируя таким образом жизненно необхо-
димые молекулы, такие, как молекулы ферментов, или отклады-
ваются в металлической форме (Brunker, Bott, 1974). Существу-
ют также дополнительные механизмы токсического действия
тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы (Bowen, 1966), обуслов-
ленные тем, что последние могут 1) играть роль антиметаболи-
тов; 2) образовывать стабильные осадки ^или хелаты) с важ-
ными метаболитами или катализировать распад таких метабо-
литов, в результате чего они становятся недоступными для клет-
ки; 3) замещать структурно или электрохимически важные эле-
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
447
менты, что приводит к нарушению ферментативной или клеточ-
ной функции.
Одни микробы окисляют восстановленные формы тяжелых
металлов и соединений мышьяка или сурьмы, в то время как
другие восстанавливают окисленные формы этих элементов в
больших масштабах (Ehrlich, 1976; Silverman, Ehrlich, 1964).
При окислении восстановленных соединений металлов по край-
ней мере некоторые микроорганизмы могут извлекать полезную
энергию и восстанавливающую способность. При восстановлении
окисленных соединений металлов ряд микробов осуществляет
процесс, который является, по-видимому, своеобразной формой
дыхания, характеризующейся тем, что окисленные соединения
металлов, мышьяка или сурьмы служат частично или исключи-
тельно в качестве конечных акцепторов электронов. Такие реак-
ции окисления и восстановления могут иметь фундаментальное
значение в перераспределении этих элементов в среде. В табл. 10.3
Таблица 10.3
Некоторые природные минералы, содержащие металлы и подвергающиеся
воздействию микроорганизмов
Минерал Формула Микроорганизм Источник данных1)
Арсенопирит FeS2-FeAs2 T. ferrooxidans Ehrlich, 1964
Бирнессит МпО2 Bacillus 29 (и другие Ehrlich, 1963с
морские формы)
Борнит Cu5FeS4 Т. ferrooxidans Bryner et al., 1954
Халькозин Cu2S Т. ferrooxidans Bryner et al., 1954
Халькопирит CuFeS, Т. ferrooxidans Bryner et al., 1954
Ковеллин CuS Т. ferrooxidans Bryner et al., 1954
Энаргит 3Cu,S-As,SR Т. ferrooxidans Ehrlich, 1964
Галенит PbS Т. ferrooxidans Torma, Subratnanian, 1974
Гетит Fe,0,-2H,0 Bacillus 29 De Castro, Ehrlich, 1970
Гематит Fe2O3 Bacillus 29 De Castro, Ehrlich, 1970
Лимонит Fe20a-nH,0 Bacillus 29 De Castro, Ehrlich, 1970
Миллерит NiS T. ferrooxidans Razzell, Trussell, 1963
Молибденит MoS2 Sulfolobus sp. Brier’ey, Murr, 1973
Аурипигмент AsS2 T. ferrooxidans Ehrlich, 1963b
Пирит, марка- FeS2 T. ferrooxidans Leathen et al., 1953; Те-
зит tuple, Delchamps, 1953
Пиролюзит MnO2 Bacillus 29 (и другие Ehrlich, 19662)
морские формы)
Сфалерит ZnS Т. ferrooxidans Malouf, Prater, 1961
Иванов и др., 1961
Тодорокит Mn2Mn6O12 x Bacillus 29 (и другие Ehrlich, 1963c
X2H2Os) морские формы)
Ч Первые сообщения.
г) Имеются более ранине сообщения, но минерал не был определен.
3) Двухвалентный Мп в тодораките может замещаться на Mg, Са, Na, К, В, Zn и Ag.
448
Глава 10
перечислены минералы, многие из которых ассоциированы с ру-
дами, подвергающиеся воздействию микроорганизмов.
Микробы способны концентрировать тяжелые металлы внут-
ри клеток или на их поверхности. Так, например, в одной из ра-
бот (Bowen, 1966) приводятся следующие соотношения концент-
раций различных металлов, содержащихся в морской воде и
планктоне: кадмий—1:910, кобальт— 1:4600, медь— 1:7000,
железо— 1 : 87 000, свинец— 1:41 000, марганец— 1:9400, ти-
тан— 1:20 000 и цинк— 1:65 000. За исключением кадмия,
меди, марганца и цинка, эти металлы могут в определенном ко-
личестве присутствовать в морской воде в виде частиц. При изу-
чении накопления металлов бактериями, использующими топ-
ливо, было установлено (Engel, Owen, 1970), что они аккумули-
руют более 50% добавленных циркония, титана и цинка из сре-
ды, содержащей по 10 ч. на млн. каждого металла в объеме от
50 мл до 2 л. Было показано (Friedman, Dugan, 1968), что из
51 мл среды, в которую добавлено 500 ч. на млн. Со2+, 800 ч.
на млн. Си2+, 350 ч. на млн. Fe3+ и 500 ч. на млн. Ni2+, бактерии,
образующие зооглею (штамм 115), в течение 18 ч поглощают
(в расчете на 0,1 г сухой биомассы) 99,3% Со2+, 84,9% Си2+,
98,8% Fe3+ и 50% Ni2+. Поглощенные металлы, вероятно, связы-
вались, по крайней мере частично, со слизью зооглеи. Было
обнаружено, что два штамма Penicillium, выделенные из сточных
вод и резистентные к урану, стронцию, титану, серебру и плати-
не, поглощали до 70% урана из 100 мл среды, содержащей 100 ч.
на млн. UO2SO4 (Zajic, Chiu, 1972). В общем конечная концент-
рация металла внутри клетки может быть на несколько порядков
выше его концентрации в окружающей среде. В одних случаях
накопление соответствующих соединений оказывается леталь-
ным, а в других — нет. На поглощение ионов металлов могут
оказывать влияние физиологическое состояние клеток и условия
окружающей среды (см., например, Fisher et al., 1973).
(V. БАКТЕРИОЛОГИЯ КИСЛЫХ СТОЧНЫХ ВОД,
ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ШАХТАХ
Кислые сточные воды шахт представляют собой пример усло-
вий окружающей среды с исключительно высокими концентра-
циями тяжелых металлов, а также, возможно, мышьяка и сурь-
мы, токсичными для многих микроорганизмов. Тем не менее в
этих сточных водах была обнаружена смешанная микрофлора,
состоящая из водорослей, грибов, простейших и бактерий, кото-
рая, по-видимому, специфически адаптировалась к таким усло-
виям (Lackey, 1938; Ehrlich, 1963а; Marchlewitz, Schwartz, 1961;
Tuttle et al., 1968). Кислые сточные воды имеют двоякое проис-
хождение: они образуются, во-первых, при окислении пирита в
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
449
битуминозных угольных пластах и, во-вторых, при окислении
отложений сульфидов металлов (например, сульфидов меди и
железа) в рудных телах и выщелачиваемых отвалах. Значения
pH этих сточных вод колеблются от 1,4 до 5,5 (Colmer, Hinkle,.
1947; Corbett, Gorwitz, 1967; Lundgren et al., 1972); концентра-
ции железа —от 0,5 до 10 г-л-1, меди —от следов до более
10 г-л-1, алюминия — от 0 до 2 г-л-1 (Lundgren et al., 1972).
В число организмов, участвующих в образовании этих сточных
вод, входят организм, сходный с представителями рода Metallo-
genium (Walsh, Mitchell, 1972); Thiobacillus ferrooxidans (Colmer
et aL, 1950); T. thiooxidans (Colmer, Hinkle, 1947) и, возможно,
Sulfolobus (Brierley, Brierley, 1973). Из них только T. ferrooxidans
и Т. thiooxidans интенсивно исследовались с точки зрения их
участия в образовании кислых сточных вод.
В угольных шахтах кислые сточные воды образуются тогда,,
когда FeS2 (пирит, марказит, включения пирита в угле), содер-
жащийся в угольных пластах, оказывается доступным для воз-
духа и влаги. Первоначально FeS2 окисляется в следующей
реакции:
FeS2 + 3 -1- О2 + Н2О FeSO4 + H2SO4. (1 >
Хотя эта реакция может происходить и в стерильных условиях,
она ускоряется в результате прямого катализа, осуществляемого
Т. ferrooxidans на поверхности минерала (Beck, Brown, 1968;
Silverman, 1967). Окисление пирита ускоряется также благодаря
взаимодействию с ионами трехвалентного железа (Lundgren
et al., 1972) по следующей схеме:
FeS2 + 14Fe3+ + 8Н2О 15Fe2+ + 2SO2r + 16Н+. (2>
Трехвалентное железо, необходимое для этой реакции, образу-
ется при окислении двухвалентного, катализируемом, возможно,
Metallogenium до тех пор, пока pH не падает до 3,5, а концентра-
ция ионов двухвалентного железа не достигает 0,1 г-л-1 (Walsh.
Mitchell, 1972). При pH ниже 4 реакция катализируется Т. ferro-
oxidans (Temple, Colmer, 1951; Silverman, Lundgren, 1959a).
Уравнение реакции можно записать следующим образом:
2Fe2+ + -L О2 + 2Н+ -+ 2Fe3+ + Н2О. (3>
Источником двухвалентного железа для этой реакции служит
первоначально реакция (1), а затем также-и реакция (2). Хотя
реакция (3) может идти и без помощи бактерий, ее скорость при
pH меньше 4 исключительно низка (Silverman, Lundgren, 1959b).
Скорость реакции (3) определяет скорость окисления FeS2 в це-
450
Глава 10
лом, и именно на этом этапе бактерии вносят свой вклад в регу-
ляцию скорости окисления FeS2 (Singer, Stumm, 1970). Кислота
в сточных водах появляется при гидролизе значительной части
трехвалентного железа, возникающего вследствие окисления
двухвалентного железа в реакции (3):
Fe3+ + ЗН2О Fe(OH)3 + ЗН+. (4)
Образующийся гидроксид железа взаимодействует далее с сер-
ной кислотой, содержащейся в сточных водах, в результате чего
получается нерастворимый сульфат железа:
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 -> Fe2(SO4)3 + 6Н2О. (5)
Суммируя реакции (1) — (5), можно показать, что на каждые
два моля FeS2, превращающегося в Fe2(804)3, образуется 1 моль
серной кислоты. В действительности обычно образуется несколь-
ко больше серной кислоты, так как трехвалентное железо, воз-
никающее из двухвалентного в реакции (3), чаще превращается
в основной сульфат железа Fe(OH)SO4 или в ярозит
(AFe3(SO4)2(OH)6), где А обозначает К или NH4 (Duncan, Wal-
den, 1972). Алюминий, встречающийся в кислых сточных водах,
появляется в основном в результате коррозирующего действия
H2SO4 на алюмосиликатные минералы, входящие в состав скаль-
ных и осадочных пород, а также песка, с которыми сточные воды
вступают в контакт.
Кислые сточные воды из сульфидных месторождений медной
руды образуются частично благодаря реакциям, аналогичным
тем, которые обусловливают появление таких же сточных вод в
битуминозных угольных шахтах (Beck, 1967; Кузнецов и др.,
1963; Silverman, Ehrlich, 1964; Zajic, 1969). Пирит (FeS2), кото-
рый обычно сопутствует сульфидам меди, таким, как халькопи-
рит (CuFeS4), халькозин (Cu2S), ковеллин (CuS), борнит
(CugFeS4) и др., окисляется в процессе реакций, рассмотренных
выше [(1) — (5)], и может быть основным источником железа и
кислоты в сточных водах. Кроме того, кристаллы халькопирита
при контакте с воздухом и водой окисляются в реакции, одним
из продуктов которой является Fe(OH)SO4:
2CuFeS2 + Н2О + 8 -j- О2 2Cu2+ + 2Fe(OH)SO4 + 2SO4~. (6)
•Скорость окисления халькопирита существенно возрастает в
присутствии Т. ferrooxidans, в то время как в стерильных усло-
виях он, как и все минералы, относительно стабилен (Ruzzel,
Trussel, 1963). Действие бактерий усиливается в присутствии
поверхностно-активных веществ (Duncan et al., 1964). Кислый
сульфат трехвалентного железа служит эффективным окислите-
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
451
лем халькопирита лишь при низкой концентрации ионов трех-
валентного железа (ниже 1 г-л-1; Ehrlich, неопубликованные
данные).
Кристаллы халькозина (Cu2S) в составе руды могут окис-
ляться при контакте с воздухом и водой в следующей серии ре-
акций:
Cu2S + -±- О2 + 2Н+ -> Cu2+ + CuS + Н2О. (7>
В качестве промежуточного продукта в реакции (7) образуется,
по-видимому, дигенит C119S5 (Nielsen, Beck, 1972). CuS затем
окисляется до CUSO4 согласно уравнениям:
CuS +-у О2 + 2Н+-> Cu2++ S0 + НаО, (8)
s° + -1~ о2 + Н2О -> H2SO4. (9)
Эти реакции катализируются Т. ferrooxidans, хотя с низкой ско-
ростью они идут и в отсутствие этого организма (Fox, 1967; Niel-
sen, Beck, 1972). Реакцию (9) кроме Т. ferrooxidans способен ка-
тализировать также Т. thiooxidans. Показано, что Т. ferrooxidans
может использовать энергию реакции (7) для ассимиляции СО2
(Nielsen, Beck, 1972). Безусловно, этот организм может также
извлекать дополнительную энергию из реакций (8) и (9). Окис-
ление Cu2S удалось воспроизвести при помощи бесклеточного
экстракта из Т. ferrooxidans (Imai et al., 1973).
Содержащиеся в руде кристаллы ковеллина при контакте с
воздухом и влагой окисляются в соответствии с уравнениями ре-
акций (8) и (9) (Fox, 1967). Хотя этот процесс медленно проис-
ходит и в стерильных условиях, он, как и окисление халькозина,
существенно ускоряется в присутствии Т. ferrooxidans. Следует
отметить, что если окисление ковеллина в конечном счете не со-
провождается потреблением кислоты [реакции (8) и (9)], то при
окислении халькозина [реакции (7) — (9)] расходуется два мо-
ля Н+ на один моль халькозина. В природных условиях необхо-
димая для этого кислота может поставляться в результате окис-
ления пирита [реакции (1) — (5)].
Халькозин и ковеллин в кислом растворе могут окисляться
вместо кислорода трехвалентным железом. Показано, что в этих
условиях халькозин реагирует следующим образом (Sullivan,
1930):
Cu2S + 2Fe3+ -> Cu2+ + CuS + 2Fe2+, (10)
CuS + 2Fe3+ -> Cu2+ + S° + 2Fe2+. (11)
452
Глава 10
В той же работе выяснено, что ковеллин окисляется в соответст-
вии с уравнением реакции (11). Хотя бактерии и не катализи-
руют прямо реакций (10) и (11), в природных условиях они уча-
ствуют в регенерации окислителя Fe3+ и образовании Fe2+.
Сообщалось, что при окислении сульфидов меди в рудных
телах и выщелачиваемых отвалах генерируется значительное ко-
личество тепла, в результате чего температура в них может по-
выситься до 80°С (Beck, 1967). Эта температура слишком высо-
ка для Т. ferrooxidans, так как температурный оптимум роста
этого микроорганизма лежит между 25 и 45°С. Однако недавно
из горячих источников был выделен термофильный и ацидофиль-
ный микроорганизм Sulfolobus, способный окислять железо при
70°С (Brierley, Brierley, 1973). Он ускоряет также выщелачива-
ние молибденита (MoS2) и халькопирита при 60°С (Brierley,
Murr, 1973). Хотя пока нет сообщений о выделении Sulfolobus из
рудных тел и выщелачиваемых отвалов, можно предполагать, что
именно этот организм играет основную роль в бактериальном
окислении внутри этих образований.
Если учесть физиологические потребности Т. ferrooxidans и
Т. thiooxidans, нет ничего удивительного в том, что эти бактерии
обнаруживаются в ассоциации с пиритом и в кислых сточных
водах битуминозных угольных шахт. Не удивительно также, что
эти организмы ассоциированы с содержащими сульфид меди
рудными телами и образующимися из них кислыми сточными
водами. Т. ferrooxidans существует за счет окисления железа (II)
в кислых сточных водах. Т. thiooxidans получает энергию путем
окисления любых соединений серы промежуточной степени окис-
ленности, образующихся при окислении сульфидов металлов.
Во всех случаях минеральные вещества, подвергающиеся окис-
лению, служат источниками энергии для автотрофных организмов,
специфически адаптировавшихся к росту в сильно кислой среде
и в присутствии высоких концентраций металлов (порядка не-
скольких граммов на один литр для Си, Ni и Zn; Bryner et al.,
1954; Tuovinen et al, 1971). Сообщалось, что T. ferrooxidans спо-
собен окислять сульфид кобальта (Топпа, 1971); сульфид никеля
(Torma, 1971; Silver, Torma, 1974); галенит (PbS; Silver, Torma,
1974); сульфид.цинка (Иванов и др., 1961; Иванов, 1962; Malouf,
Prater, 1961; Torma, 1971); минералы, содержащие мышьяк, та-
кие, как арсенопирит (Fe2As2S2), энаргит (3Cu2S-As2Ss) и аури-
пигмент (As2S3; Ehrlich, 1963b, 1964), сурьмяный блеск, или ан-
тимонит (Sb2S3; Ляликова, 1961; Silver, Torma, 1974) Все эти
минералы атакуются микроорганизмами в нерастворимой форме.
Удалось показать, что Т. ferrooxidans поглощает СО2 за счет
энергии окисления сульфидов свинца и сурьмы, но не сульфида
никеля (Silver, Torma, 1974). Выяснилось также, что Т. ferrooxi-
dans растет и, следовательно, фиксирует СО2 на арсенопирите,
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
453
энаргите и аурипигменте (Ehrlich, 1963b, 1964). При окислении
арсенопирита образуются арсенит и арсенат, которые осаждают
из раствора значительную часть железа.
Сообщение о том, что молибденит (M0S2) окисляется под воз-
действием Т. ferrooxidans (Bryner, Anderson, 1957), было под-
вергнуто сомнению, так как более поздние исследования показа-
ли, что молибдат, образующийся при окислении, чрезвычайно
токсичен для бактерий (летальная доза составляла 5 мг Мо в
форме молибдата; Tuovinen et al., 1971). Возможно, однако, что
в ранних экспериментах молибдат обезвреживался в результате
реакции с ионами железа, образующимися при сопутствующем
окислении пирита, и входил в состав нерастворимых железо-
молибдатных соединений.
V. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МИКРОБОВ
С СОЕДИНЕНИЯМИ МАРГАНЦА И ЖЕЛЕЗА
В природных условиях при нейтральной реакции среды Мп
и Fe, насколько известно, не встречаются в концентрациях, ток-
сичных для микроорганизмов (табл. 10.1 и 10.2). Однако соответ-
ствующие соединения этих элементов при таком pH могут под-
вергаться микробиологическому окислению или восстановлению
в зависимости от их валентности. Об окислении марганца бак-
териями и грибами сообщали многие исследователи, начиная с
Бейеринка (Silverman, Ehrlich, 1964; Ehrlich, 1976; Schweisfurth,
1968, 1971). За исключением работы, касающейся ферментатив-
ного окисления марганца некоторыми почвенными бактериями
(Bromfield, 1956), механизм микробиологического окисления
марганца в почве различными микроорганизмами подробно не
изучался. В одних случаях этот процесс может быть фермента-
тивным, в других же связан с защелачиванием микросреды из-за
того, что в ходе метаболизма микробов образуется, например,
аммиак, который ускоряет самоокисление Мп (II). Пресноводный
микроорганизм Sphaerotilus discophorus, по-видимому, способен
окислять Мп (II), извлекая из этого процесса полезную энергию,
о чем свидетельствует то, что данный микроорганизм может рас-
ти квазиавтотрофно, используя Мп (II) в качестве единственного
источника энергии и СО2 в качестве единственного источника
углерода, если не считать, что он нуждается в следовых количе-
ствах цианкобаламина, тиамина и биотина (Ali, Stokes, 1971).
Sphaerotilus discophorus может расти также в миксотрофных
условиях на среде, содержащей гидролизат казеина и 0,05%
МпБС^-НгО (Ali, Stokes, 1971).
Сообщается, что некоторые представители Hyphomicrobium
окисляют Мп(П), присутствующий в пресной воде (Tyler, 1970),
тогда как микроорганизмы, относящиеся к роду Metallogenium,
454
Глава 10
осуществляют эту реакцию в пресной воде и в почве (Перфильев,
Габе, 1965; Заварзин, 1961). Точно не установлено, является ли
механизм окисления марганца этими микроорганизмами-фермен-
тативным. Можно предположить (Косая, 1967), что в последнем
случае окисления Мп(II) обусловлено частично действием термо-
стабильной оксидазы, а частично самоокислением. Бактерии ро-
да Metallogenium участвуют в образовании отложений марганца
в озере Пуннус-Ярви в Карелии (Соколова-Дубинина, Дерюги-
на, 1967, 1968).
Обнаружено, что многие морские бактерии окисляют Мп (II)
при образовании железомарганцевых конкреций, известных так-
же как марганцевые друзы (Ehrlich, 1963с; Ehrlich et al., 1972).
Эти конкреции представляют собой потенциально важное ми-
неральное сырье, главным образом потому, что содержащиеся в
них Си (в среднем 0,53%), Ni (в среднем 0,99%) и Со (в сред-
нем 0,35%) в не столь далеком будущем могут быть использова-
ны в промышленных масштабах. Во всех исследованных случаях
было показано, что бактериальное окисление Мп (II) при форми-
ровании конкреций является ферментативным (Ehrlich, 1968;
Ehrlich et al., 1972). По крайней мере некоторые из этих организ-
мов способны использовать энергию окисления Мп (II) (Ehrlich,
1976, и неопубликованные данные). Имеются и другие сообще-
ния об обнаружении в морской воде бактерий и грибов, окисляю-
щих марганец (Krumbein, 1971; Thiel, 1925).
Восстановление Мп(IV), например в таком соединении, как
МпО2, при участи бактерий и грибов наблюдалось в почве
(Mann, Quastel, 1946), а также в пресноводных (Трошанов, 1968;
Schweisfurth, 1968; Tortoriello, 1971) и морских биотопах
(Ehrlich, 1963с; Ehrlich et aL, 1972). Это восстановление бывает
ферментативным и неферментативным. В последнем случае мик-
робы синтезируют метаболиты, способные химически восстанав-
ливать Мп(IV) до Мп(П) (Tortoriello, 1971). Примерами таких
веществ могут служить формиат и оксалат. Следует отметить,
что все выделенные к настоящему времени морские бактерии,
способные восстанавливать МпО2, осуществляют этот процесс
ферментативным путем (Ehrlich et al., 1972). Хотя есть данные о
том, что пониженное давление кислорода способствует восста-
новлению MnO2 (Alexander, 1961; Трошанов, 1969), были отме-
чены особые случаи, когда анаэробиоз существенно не стимули-
ровал этот процесс (Trimble, Ehrlich, 1968; Трошанов, 1969).
Первичное влияние окисления Мп(II) на состав среды со-
стоит в удалении его из раствора, так как образующиеся при
этом продукты, например оксиды Мп (IV), обычно нерастворимы.
Вторичный эффект заключается в удалении из раствора других
катионов, в особенности тяжелых металлов, путем адсорбции или
ионного обмена с гидроксидами Мп (IV) (Ehrlich et al., 1973;
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
455
Jenne, 1968; McKenzie, 1967). Воздействие, которое оказывает на
состав среды восстановление Мп (IV), противоположно тому, что
наблюдается при окислении Мп(II): оно состоит в переходе мар-
ганца вместе с примесями катионов многих тяжелых металлов в
раствор (Ehrlich et al., 1973). В результате окисления марганца
его концентрация в среде может стать лимитирующей, в то вре-
мя как восстановление может привести к повышению концентра-
ции марганца до уровня, являющегося токсичным по крайней
мере для высших растений (Sauchelli, 1969).
Возможность ферментативного окисления железа микробами
при нейтральной реакции среды проблематична. Поскольку же-
лезо весьма чувствительно к самоокислению при значениях pH
выше 4, продемонстрировать окисление, катализируемое фермен-
тами, чрезвычайно сложно. Хотя в прежних работах утверждает-
ся, что такие организмы, как Leptothrix ochracea и Gallionella
ferruginea, окисляют закисное железо (Hanert, 1968; Kucera,
Wolfe, 1957; Lieske, 1911, 1919; Praeve, 1957; Sartory, Meyer,
1947; Виноградский, 1888), некоторые исследователи подвергли
это утверждение сомнению. Если указанные организмы действи-
тельно окисляют железо (II) ферментативным путем, то они,
вероятно, используют карбонат или сульфид двухвалентного же-
леза при пониженном давлении кислорода (Аристовская, Завар-
зин, 1971).
Во многих случаях так называемое окисление железа на са-
мом деле представляет собой разложение органического компо-
нента растворимых органических комплексов железа (закисного
или окисного), приводящее к тому, что ионы железа освобожда-
ются и затем осаждаются в виде гидроксидов или оксидов. Та-
ким образом, окисление освобождающихся ионов железа (II) в
аэробных условиях при нейтральных значениях pH может осу-
ществляться неферментативным путем. Ионы железа (III), осво-
бождающиеся при распаде комплексных соединений, с большой"
вероятностью выпадают в осадок в результате гидролиза с обра-
зованием гидроксида железа (III). И все же Аристовская и За-
варзин (1971) считают, что организмы, разлагающие комплексы
железа, могут катализировать также и окисление железа (II),
освобождаемого ими из таких комплексов. Необходимо, однако,
экспериментальное доказательство этого утверждения.
Восстановление оксидов железа бактериями изучалось рядом
исследователей (Silverman, Ehrlich, 1964), но особенно большое
внимание ему было уделено в работах Оттоу (Ottow, 1968—
1971). Автор показал, что so всех рассматриваемых им случаях
этот процесс является ферментативным. В нем могут принимать
участие одна или две предполагаемые ферментные системы:
нитратредуктаза и пока что неидентифицированная окислитель-
но-восстановительная система. Оттоу проводил свои исследова-
456
Глава 10
ния с почвенными бактериями. В другой работе (De Castro,
Ehrlich, 1970) было показано, что морские бактерии рода Bacil-
lus восстанавливают железо в лимоните (Fe2O3-nH2O), гетите
(Fe2O3-H2O) и гематите (Ее20з); однако в составе железомар-
ганцевых конкреций существенного бактериального восстановле-
ния железа (III) выявлено не было (De Castro, 1969; Ehrlich
et al., 1973). С другой стороны, Трошанов (1968) обнаружил в
составе руд в некоторых озерах Карельского перешейка бакте-
рии, способные восстанавливать одновременно оксиды железа
и марганца. Как и в случае марганца, окисление железа приво-
дит к его удалению из раствора, а восстановление—к его раст-
ворению.
VI. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МИКРОБОВ С РТУТЬЮ
В природе ртуть распространена, по-видимому, повсеместно,
хотя ее содержание в большинстве случаев невелико. Обычно ее
концентрации в воздухе варьируют от 1 до 50 нг м~3, в почве —
от 0,02 до 0,92 мкг-г"1 (в среднем 0,07 мкг-г-1), в пресной во-
де— от 0,02 до 0,07 иг-мл-1 и в осадках из пресной воды — от
менее 0,01 до 0,15 мкг-г-1 (Klein, 1972; Konrad, 1972). Столь
широкое распространение ртути можно частично объяснить хи-
мическими и физическими свойствами этого металла и его соеди-
нений. Металлическая ртуть при комнатной температуре пред-
ставляет собой жидкость, обладающую небольшой летучестью,
что облегчает ее рассеивание. Хлорид, сульфат и нитрат двух-
валентной ртути очень хорошо растворимы, равно как и многие
из ее органических солей и других производных, что также спо-
собствует распространению ртути. Диметилртуть — летучая жид-
кость, вследствие чего она легко попадает в атмосферу (Bratt,
1967). Гуминовые и фульвеновые кислоты также вносят вклад в
распространение ртути благодаря своей способности давать
комплексы с ионами ртути (Ramamoorthy, Kushner, 1975b). При-
родными центрами распространения ртути обычно считают мес-
торождения ртутной руды, главным образом в форме киновари
(HgS) и месторождения других руд (свинца, мышьяка, сурьмы),
имеющие вулканическое происхождение и содержащие следы
ртути (Anonymous, 1965). Моисеев (1971) полагает, что значи-
тельные количества ртути попадают в окружающую среду из
осадочных пород под действием вулканического тепла и поверх-
ностных гидротермальных растворов. Естественная эрозия ртуть-
содержащих месторождений и эксплуатация их человеком счи-
таются главным источником рассеивающейся по всей планете
ртути. В промышленной деятельности человека распространению
ртути в окружающей среде способствуют производство хлора и
каустической соды, бумажное производство, дубление, изготов-
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма 457
ление ртутных батарей и измерительных инструментов, произ-
водство и применение фунгицидов, использование ртутных пре-
паратов в медицине, а также рудное дело (D’Itri, 1972).
Клетки, в особенности клеточные белки, имеют тенденцию
связывать ионы двухвалентной ртути, входящие в состав солей.
Наиболее эффективны в этом отношении сульфгидрильные груп-
пы, вследствие чего соли ртути являются мощными ингибитора-
ми ферментов. Ион метилртути также чрезвычайно ядовит.
У позвоночных он, по-видимому, сильнее всего действует на нерв-
ную систему и, в частности, на головной мозг благодаря своей
растворимости в липидах. Показано также, что метилртуть пред-
ставляет собой сильный ингибитор аденилциклазы, присутствую-
щей в плазматической мембране клеток печени крысы (Storm,
Gunsalus, 1974). Механизм ее воздействия на микробы до сих
пор неясен.
Многие микроорганизмы, в том числе бактерии (Jensen, Jer-
neloev, 1969; Wood, 1974; Yamada, Tonomura, 1972a, b) и грибы
(Landner, 1971; Vonk, Sijpestijn, 1973) способны биохимически
модифицировать соединения ртути. Современные данные по это-
му вопросу суммированы в недавно опубликованном обзоре
(Jerneloev, Martin, 1975). Бактерии, осуществляющие этот про-
цесс, превращают соли ртути, не входящие в состав комплексов,
в метил- и диметилртуть, используя в качестве донора метильных
групп метилкобаламин (CH3Bi2) в следующей последователь-
ности реакций (Wood et aL, 1968):
‘CH3BU CHjBjj
Hg2+-----> CH3Hg+-----> (CH3)2Hg. - (12)
С другой стороны, гриб Neurospora crassa метилирует соли рту-
ти только после образования комплекса ионов ртути с гомоци-
стеином или цистеином (Landner, 1971):
s-Hg+ SH
1 сн2 сн2
| Донор метильных групп сн2 + CH3Hg+
С112 >
| Траисметилаза
chnh2 chnh2
соон соон
(13)
По имеющимся данным (Wood, 1974) бактериальное метилиро-
вание метилртути идет приблизительно в 6000 раз медленнее,
чем метилирование Hg2+. Метилирование неорганической ртути
у бактерий при участии метилкобаламина (СН3В(2) протекает,
по-видимому, в отсутствие каких-либо ферментов (Bertilsson,
458
Глава 10
Neujahr, 1971; Imura et al., 1971; Schrauzer et al., 1971). Напро-
тив, метилирование ртути в комплексе с гомоцистеином или
цистеином у такого гриба, как N. crassa, требует в качестве до-
нора метильных групп холина или бетаина (но не CH3Bi2) и
фермента трансметилазы (Landner, 1971). Образование диметил-
ртути можно рассматривать как естественный механизм удале-
ния токсичного элемента из воды и почвы, так как это соедине-
ние является летучим. Однако, попадая в воздух, оно разлагает-
ся под действием ультрафиолетовых лучей солнечного света на
элементарную ртуть, метан и этан (Wood, 1974).
Метилртуть может образоваться и небиологическим путем из
хлористой ртути и уксусной кислоты, например в результате
трансалкилирования с метилпроизводными олова (Jerneloev,
Martin, 1975) или фотохимически—-под воздействием УФ облу-
чения или видимого света (Akagi, Sakagami, 1972; Akagi et al.,
1972). В связи с этим возникает вопрос о том, каков относитель-
ный вклад микробов и абиогенных химических процессов в об-
разование метилртути в природе.
Фенил- и метилпроизводные ртути подвергаются также мик-
робиологическому разложению с образованием летучей Hg° и
соответственно бензола или метана. Такая активность была об-
наружена в донных отложениях озер и эстуариев, а также в
почве (Nelson et al., 1973; Spangler et al., 1973a; Tonomura et aL,
1968). Организмы, осуществляющие этот процесс, относятся к
роду Pseudomonas. Обычно это устойчивые к ртути штаммы
(см., например, Furukawa et al., 1969; Nelson et al., 1973). Неко-
торое количество ацетата фенилртути превращается микробио-
логическим путем в дифенилртуть (Matsumura et aL, 1971).
Ион ртути может восстанавливаться до металлической ртути
(Hg°) при участии Pseudomonas, энтеробактерий, Staphylococcus
aureus и Cryptococcus (Brunker, Bott, 1974; Kornura et aL, 1970;
Nelson et aL, 1973; Summers, Lewis, 1973). Образование Hg° про-
исходит обычно в аэробных условиях (см., например, Nelson
et aL, 1973; Spangler et aL, 1973a, b). Хотя в лаборатории
CH3Hg+ обычно получают в анаэробных условиях (Wood et aL,
1968), в природе его возникновению способствуют, по крайней
мере частично, аэробные условия в связи с тем, что H2S, обра-
зующийся в природе в отсутствие кислорода, реагирует с Hg2+ и
превращает его в HgS (Fagerstroem, Jerneloev, 1971). CH3Hg+
образуется только после предварительного перехода HgS в раст-
воримую соль или в HgO (Yamada, Tonomura, 1972с). Энзимоло-
гия образования HgO из ацетата фенилртути резистентными к
ртути бактериями из рода Pseudomonas изучена японскими ис-
следователями (Furukawa, Tonomura, 1971, 1972а, b), которые по-
казали, что в этом процессе принимают участие система, гене-
рирующая NADPH, глюкозо- или арабинозодегидрогеназа, ци-
тохром Ci и фермент, освобождающий металлическую ртуть.
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
459
Этот фермент содержит в качестве простетической группы фла-
винадениндинуклеотид (FAD) и является индуцибельным.
Имеются сообщения об образовании метилртути в донных от-
ложениях (Jerneloev, 1970; Fagerstroem, Jerneloev, 1971) и в поч-
ве (Beckert et al., 1974), а также о разложении метилртути в дон-
ных отложениях (Spangler et al., 1973а, b). Последняя реакция,
по-видимому, предотвращает накопление метилртути в различ-
ных условиях.
VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изложенное выше показывает, что у некоторых микроорга-
низмов выработались специфические механизмы взаимодействия
с тяжелыми металлами, мышьяком и сурьмой, присутствующи-
ми в окружающей среде, иногда в концентрациях, которые ток-
сичны для многих других микробов и высших форм жизни. Мик-
роорганизмы могут использовать эти вещества в качестве
источников энергии или акцепторов электронов в процессе ды-
хания. В ряде случаев у микробов выработались способы удале-
ния этих веществ из среды путем их осаждения, адсорбции или
улетучивания. Эти реакции вносят вклад в детоксикацию среды,
которая становится оолее пригодной ие только для микробов,
катализирующих такие реакции, но и для других организмов, не-
способных развиваться без подобной «помощи».
ДОПОЛНЕНИЕ
В последних работах Ляликовой и др. (1974, 1976) получены
дополнительные данные о Stibiobacter senarmontii. Опубликова-
но сообщение о восстановлении цитохрома ионами одновалент-
ной меди у Thiobacillus ferrooxidans (Lewis, Miller, 1977). Это
является важным аргументом в пользу того, что одновалентная
медь может служить источником энергии для данного организма.
На основании новых экспериментальных данных (Hajj, Makem-
son, 1976) подвергается сомнению возможность роста Sphaero-
tilus discophorus в миксотрофных условиях. Продемонстрировано
токсическое действие ионов меди, никеля, кобальта и марганца
на культуры некоторых морских бактерий, растущие при атмос-
ферном давлении, и влияние гидростатического давления на
взаимодействие этих культур с теми же ионами (Yang, Ehrlich,
1976; Arcuri, Ehrlich, 1977).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Авакян Ж. А. (1967). Сравнительная токсичность тяжелых металллов для не-
которых микроорганизмов, Микробиология, 36, 446—450.
Adiga Р. R., Sastry К.. S., Venkatasubramanyam V., Sarma Р. S. (1961). In-
460
Глава 10
terrelationships in trace-element metabolism in Aspergillus niger, Biochem
J., 81, 545—550.
Adiga P. R., Sastry K. S„ Sarma P. S. (1962). The influence of iron and mag-
nesium on the uptake of heavy metals m metal toxicities in Aspergillus
niger, Biochim. Biophys. Acta, 64, 546—548.
Akagi H., Sakagami Y. (1972). Studies on protochemical alkylation of inorganic
mercury. II. Alkylation of inorganic mercury in water by irradiation with
sunlight or blacklight, J. Hyg. Chem., 18, 358—362.
Akagi H., Fujita M., Sakagami Y. (1972). Studies on photochemical alkylation of
inorganic mercury. I. Alkylation of inorganic mercurial in water by ultra-
violet irradiation, J. Hyg. Chem., 18, 309—314.
Albright L. J., Wilson E. M. (1974). Sublethal effects of several metallic salts-
organic compound combinations upon the heterotrophic microflora of a
natural water, Water Res., 8, 101—105.
Alexander M. (1961). Introduction to Soil Microbiology, Wiley, New York and
London.
Ali S. H., Stokes J. L. (1971). Stimulation of heterotrophic and autotrophic
growth of Sphaerotilus discophorus by manganous ions, Antonie van
Leeuwenhoek, 37, 519—528.
Andreesen J. R., Ljungdahl L. G. (1973). Formate dehydrogenase of Clostridium
thermoaceticum: Incorporation of selenium-75, and the effects of selenite,
molybdate, and tungstate on the enzyme, J. Bacteriol., 116, 867—873.
Andreesen J. R., El Chazzawi E., Gottschalk G. (1974). The effect of ferrous ions,
tungstate and selenite on the level of formate dehydrogenase in Clostri-
dium formicoaceticum and formate synthesis from CO2 during pyruvate
fermentation, Arch. Mikrobiol., 96, 103—118.
Anonymous (1965). Mineral Facts and Problems (1965 ed.). Bulletin 630, Bur.
Mines. U. S. Dept. Interior, Washington, D. C.
Anonymous (1971). Marine Chemistry. A Report of the Marine Chemistry Panel
of the Committee on Oceanography, Nat. Acad. Sci., Washington, D. C.
Arceneaux J. E. L., Davis W. B., Downer D. N., Haydon A. H., Byers B. R.
(1973). Fate of labeled hydroxamates during the iron transport from
hydroxamate-iron chelates, J. Bacteriol., 115, 919—927.
Arcuri E. Ehrlich H. L. (1977). Influence of hydrostatic pressure on the
effects of the heavy metal cations of manganese, copper, cobalt and nickel
on the growth of three deep-sea bacterial isolates, Appl. Environ. Micro-
biol., 33, 282—288.
Аристовская 7. В., Заварзин Г. А. (1971). Biochemistry of iron in soil. In: Soil
Biochemistry, Vol. 2 (Eds. A. D. McLaren and J. Skujins), pp. 385—408,
Marcel Dekker, Inc., New York.
Bartha R., Ordal E. J. (1965). Nickel-dependent chemolithotropic growth oi two
Hydrogenomous strains, J. Bacteriol., 89, 1015—1019.
Beck !. V. (1967) The role of bacteria in copper mining operations, Biotech.
Bioeng., 9, 487—497.
Beck J. V., Brown D. G. (1968). Direct sulfide oxidation in the solubilization of
sulfide ores by Thiobacillus ferrooxidans, J. Bacteriol., 96, 1433—1434.
Beckert W. F., Hoghissi A. A., Au F. H. F., Bretthauer E. W„ McFarlane J. C.
(1974). Formation of methyl mercury in a terrestrial environment, Nature,
Lond., 249, 674—675. ,
Bertilsson L., Neujahr H. Y. (1971). Methylation of mercury compounds by
methylcobalamin, Biochemistry, 10, 2805—2808.
Bertrand D. (1974). Nickel, an active trace element for nitrogen-fixing micro-
organisms, C. R. Acad. Sci., Ser. D., 278, 2231—2235.
Bertrand D., De Wolff A. (1973). Importance of nickel as trace element for
Rhizobium of nodules of legumes, C. R. Acad. Sci., Ser. D., 276, 1855—
1858. . . , * .
Bhattacharyya P. (1970). Active transport of manganese in isolated membranes
of Escherichia coli, J. Bacteriol., 104, 1307—1311.
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
461
Bowen Н. J. М. (1966). Trace Elements in Biochemistry, Academic Press, London
and New York.
Bratt J. (1967). Mercury compounds. In: Encyclopedia of Chemical Technology
(Vol. 13, 2nd revised ed.) (Eds. H. F. Mark, J. J. McKetta and D. F. Oth-
mer), pp. 235—248, Wiley-Interscience., New York, London and Sydney.
Brewer P. G., Spencer D. W. (1969). A note on the chemical composition of the
Red. Sea Brines. In: Hot Brines and Recent Heavy Metal Deposits in the
Red Sea (Eds. E. T. Degens and D. A. Ross), pp. 174—179, Springer
Verlag, New York
Brierley C. L., Brierley J. A. (1973). A chemoautotrophic and thermophilic micro-
organism isolated from an acid hot spring, Can. J. Microbiol., 19, 183—188.
Brierley C. L., Murr L. E. (1973). Leaching: Use of a thermophilic and chemo-
automorphic microbe, Science, 179,-488—490.
Brock T. D. (1974). Biology of Microorganisms, 183 pp., Prentice-Hall, Inc.
Englewood Cliffs, New Jersey.
Bromfield S. M. (1956). Oxidation of manganese by soil microorganisms, Aust.
J. Biol. Sci., 9, 238—252.
Brunker R. L., Bott T. L. (1974). Reduction of mercury to the elemental state
by a yeast, Appl. Microbiol., 27, 870—873.
Bryner L. C„ Anderson R. (1957). Microorganisms in Leaching sulfide minerals,
Ind. Eng. Chem., 49, 1721—1724.
Bryner L. C., Beck J. V, Davis D. B. Wilson D. G. (1954). Microorganisms in
leaching sulfide minerals, Ind. Eng. Chem., 46, 2587—2592.
Bubela B. (1970). Chemical and morphological changes in Bacillus stearothermo-
philus induced by cooper, Chem. Biol. Interact., 2, 107—116.
Cerbon J. (1969). Arsenic-lipid complex formation during active transport of
arsenate in yeast, J. Bacteriol., 97, 658—662.
Cobet A. B., Wirsen C., Jones G. E. (1970). The effect of nickel on a marine
bacterium, Arthrobacter marinus sp. nov., J. Cen. Microbiol., 62, 159—169.
Cobet A. B., Jones G. E., Albright J., Simon H., Wirsen C. (1971). The effect
of nickel on a marine bacterium: Fine structure of Arthrobacter marinus,
J. Gen. Microbiol., 66, 185—196.
Colmer A. R., Hinkle M. E. (1947). The role of microorganisms in acid mine
drainage: a preliminary report, Science, 106, 253—256.
Colmer A R., Temple K. L., Hinklle M. E. (1950); An iron-oxidizing bacterium
from the acid drainage of some bituminous coal mines, J. Bacteriol., 59,
317—328.
Corbett R. G., Gorwitz D. J. (1967). Composition of water discharged from
bituminous coal mines in northern West Virginia, Econ. Geol., 62, 848—851,
Corbin J. L., Bulen W. A. (1969). The isolation and identification of 2,3-dihydro-
xybenzoic acid and 2-N, 6-N-di(2,3-dihydroxybenzoyl)-L-lysine formed
by iron deficient Azotobacter vinelandii, Biochemistry, 8, 757—762.
Cox G. B., Gibson F., Luke R. К J., Newton N. A., O’Brien I. G., Rosenberg H.
(1970). Mutations affecting iron transport in Escherichia coli, J. Bacte-
rio!., 104, 219—226.
Da Costa E. W. B. (1972). Variation in the toxicity of arsenic compounds to
microorganisms and the suppression of the inhibitory effects of phosphate,
Appl. Microbiol., 23, 45—53.
Davis W. B., Byers B. R. (1971). Active transport of iron in Bacillus megaterium.
Role of secondary hydroxamic acids, J. Bacteriol., 107, 491—498.
De Castro A. F. (1969). Bacterial reduction of iron oxides, Ph D. Thesis,
Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York.
De Castro A. F., Ehrlich H. L. (1970). Reduction of iron oxide minerals by a
marine Bacillus, Antonie van Leeuwenhoek, 36, 317-—327.
Degens E. T., Ross D. A., Eds. (1969). Hot Brines and Recent Heavy Metal
Deposits in the Red Sea, Springer Verlag, New York.
De Grys A. (1964). Copper distribution patterns in soils and drainage in Cent-
ral Chile, Econ. Geol., 59, 636—646.
462
Глава 10
Den Dooren De Jong L. E., Roman W. B. (1971). Tolerance of Azotobacter for
metallic and non-metallic ions, Antonie van Leeuwenhoek, 37, 119—124.
De Turk W. E„ Bernheim F. (1960). The inhibition of enzyme induction and
ammonia assimilation in Pseudomonas aeruginosa by sulfhydryl
compounds and by cobalt, and its reversal by iron, Arch. Biochem.
Biophys., 90, 218—223.
D’Itri F. M. (1972). Sources of mercury in the environment. In: Environmental
Mercury Contamination (Eds. R. Hartung and B. D. Dinman), pp. 5—25,
Ann Arbor Science Publishers Inc., Ann Arbor, Michigan.
Duncan D. W., Walden С. C. (1972). Microbiological leaching in the presence of
ferric iron, Dev. Ind. Microbiol., 13, 66—75.
Duncan D. W., Trussell P. C., Walden С. C. (1964). Leaching chalcopyrite with
Thiobacillus ferrooxidans: Effects of surfactants and shaking, Appl. Micro-
biol., 12, 122—126.
Dyke K. G. H., Parker M. T., Richmond M. H. (1970). Penicillinase production
and metal-ion resistance in Staphylococcus cultures isolated from hospital
patients, J. Med. Microbiol., 3, 125—136.
Ehrlich H. L. (1963a). Microorganisms in acid drainage from a copper mine,
J. Bacteriol., 86, 350—352.
Ehrlich H. L. (1963b). Bacterial action on orpiment, Econ. Geol., 58, 991—994.
Ehrlich H. L. (1963c). Bacteriology of manganese nodules. I. Bacterial action
on manganese in nodule enrichments, Appl. Microbiol., 11, 15—19.
Ehrlich H. L. (1964). Bacterial oxidation of arsenopyrite and enargite, Econ.
Geol., 59, 1306—1312.
Ehrlich H. L. (1966). Reactions with manganese by bacteria from marine fer-
romanganese nodules, Dev. Ind. Microbiol., 7, 279—286.
Ehrlich H. L. (1968a). Bacteriology of manganese nodules. II. Manganese
oxidation by cell-free extract from a manganese nodule bacterium, Appl.
Microbiol., 16, 197—202.
Ehrlich H. L. (1968b). Biogeochemistry of the minor elements. In: Soil Bioche-
mistry, Vol. 2 (Eds. A. D. McLaren and J. Skujins), pp. 361—384, Marcel
Dekker Inc., New York.
Ehrlich H. L. (1976). Manganese as an energy source for bacteria. In: Environ-
mental Biogeochemistry, Vol. 2, Metals Transfer and Ecological Mass
Balances (Ed. J. O. Nriagu), Vol. 2, pp. 633—644, Ann Arbor Science
Publishers Inc., Ann Arbor, Michigan.
Ehrlich H. L„ Ghiorse W. C., Johnson G. L. II (1972). Distribution of microbes
in manganese nodules from the Atlantic and Pacific Oceans, Dev. Ind.
Microbiol., 13, 57—65.
Ehrlich H. L„ Yang S. H., Mainwartng J. D. Jr. (1973). Bacteriology of manga-
nese nodules. VI. Fate of copper, nickel, cobalt and iron during bacterial
and chemical reduction of the manganese (IV). Z. Allg. Mikrobiol, 13,
39—48.
Eisenstadt E„ Fisher S., Der Chi-Lui, Silver S. (1973). Manganese transport in
Bacillus subtilis W23 during growth and sporulation, J. Bacteriol., 113,
1363—1372.
Emery T. F. (1971). Role of ferrichrome as a ferric ionophore in Ustilago
sphaerogena, Biochemistry, 10, 1483—1488.
Engel W. B., Owen R. M. (1970). Metal-accumulating properties of fuel-utilizing
bacteria, Dev. Ind. Microbiol., 11, 196—209.
Enoch H. G., Lester R. L. (1972). Effects of molybdate, tungstate, and selenium
compounds on formate dehydrogenase and other enzyme systems in
Escherichia coli, J. Bacteriol., 100, 1032—1040.
Esposito R. G., Wilson P. W. (1956). Trace metal requirement of Azotobacter,
Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 93, 546—567.
Fagerstroem T., Jerneloev A. (1971). Formation of methyl mercury from pure
mercuric sulphide in aerobic organic sediment, Water Res., 5, 121—122.
Fisher S., Buxbaum L„ Toth K„ Eisenstadt E„ Silver S. (1973). Regulation of
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
463
manganese accumulation and exchange in Bacillus subtilis W23, J. Bacte-
riol., 113, 1373—1380.
Fox S. I. (1967). Bacterial oxidation of simple copper sulfides, Ph. D. Thesis,
Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, New York.
Friedman B. A., Dugan P. R. (1968). Concentration and accumulation of me-
tallic ions by the bacterium Zooloea, Dev. Ind. Microbiol., 9, 381—388.
Furukawa K-, Tonomura K. (1971). Enzyme system involved in the decomposi-
tion of phenyl mercuric acetate by mercury-resistant Pseudomonas, Agr.
Biol. Chem., 35, 604—610.
Furukawa K-, Tonomura K. (1972a). Metallic mercury-releasing enzyme in mer-
cury-resistant Pseudomonas, Agric. Biol. Chem., 36, 217—226.
Furukawa K„ Tonomura K. (1972b). Induction of metallic mercury-releasing
enzyme in mercury-resistant Pseudomonas, Agric. Biol. Chem., 36, Suppl.
13, 2441—2448.
Furukawa K., Suzuki T., Tonomura K. (1969). Decomposition of organic
mercurial compounds by mercury-resistant bacteria, Rep. Ferment. Res.
Inst. (Chiba), 37, 39—47.
Gleeson C. F„ Coope J. A. (1967). The distribution of metals in swamps in
eastern Canada, Can. Dep. Energy Mines. Res., Geol. Surv. Canada,
66—54, 145—166.
Gonye E. R. Jr., Jones G. E. (1973). An ecological survey of open ocean and
estuarine microbial populations. II. The oligodynamic effect of nickel on
marine bacteria. In: Estuarine Microbial Ecology (Eds. L. H. Stevenson
and R. R. Colwell), pp. 243—257, University of South Carolina Press,
Columbia.
Hajj H., Makemson J. (1976). Determination of growth of Sphaerotilus disco-
phorus in the presence of manganese, Appl. Environ. Microbiol., 32, 699—
702.
Hanert H. (1968). Investigations on isolation, physiology and morphology of
Gallionella ferruginea Ehrenberg, Arch. Mikrobiol., 60, 348—376.
Haydon A. M„ Davis W. B„ Arceneaux J. E. L., Byers B. R. (1973). Hydroxamate
recognition during iron transport from hydroxamate-iron chelates, J. Bac-
teriol., 115, 912—918.
Hedges R. W., Baumberg S. (1973). Resistance to arsenic compounds conferred
by a plasmid transmissible between strains of Escherichia coli, J. Bacte-
riol , 115, 459—460.
Ховричев M. П. (1973). Абсорбция ионов меди клетками Candida utilis Мик-
робиология, 42, 839—844.
Imai К., Sakaguchi H„ Sugio T., Tano Т. (1973). On the mechanism of chalcoci-
te oxidation by Thiobacillus ferrooxidans, J. Ferment. Technol., 51, 865—
870.
Imura N., Sukegawa E„ Pan S.-К., Nagao K., Kim J.-Y., Kwan T., Ukita T.
(1971). Chemical methylation of inorganic mercury with methyl-cobala-
min, a vitamin BI2 analog, Science, 172, 1248—1249.,
Иванов В. И. (1962). Влияние некоторых факторов на окисление железа куль-
турами Thiobacillus ferrooxidans, Микробиология, 31, 795—799.
Иванов В. И., Нагирняк Ф. И., Степанов Б. А. (1961). Бактериальное окисле-
ние сульфидных руд. I. Роль Thiobacillas ferrooxidans в окислении халь-
копирита и сфалерита, Микробиология, 30, 688—692.
Jenne Е. А. (1968). Controls on Мп, Fe, Со, Ni, Си and Zn concentrations in
soils and water: the significant role of hydrous Mn and Fe oxides. In:
Trace Inorganics in Water (Ed. R. F. Gould), pp. 337—387. American
Chemical Society, Washington, D. C.
Jensen S., Jerneloev A. (1969). Biological methylation of mercury in aquatic
organisms, Nature, Lond., 223, 753—754.
Jerneloev A. (1970). Release of methyl mercury from sediments with layers con-
taining inorganic mercury at different depths, Limnol. Oceanogr., 15,
958-960.
464
Глава 10
Jerneloev A., Martin A.-L. (1975). Ecological implications of metal metabolism
by microorganisms, Ann. Rev. Microbiol., 29, 61—77.
Jones С. E. (1973). An ecological survey of open ocean and estuarine microbial
populations. I. The importance of trace metal ions to microorganisms in
the sea. In: Estuarine Microbial Ecology (Eds. L. H. Stevenson and
R. R. Colwell), pp. 233—241, University of South Carolina Press, Co-
lumbia.
Komura I., Izaki K., Takahashi H. (1970). Vaporization of inorganic mercury
by cell-free extracts of drug-resistant Escherichia coli, Agric Biol. Chem.,
34, 480—482.
Kee N. S„ Bloomfield C. (1961). The solution of some minor element oxides by
decomposing plant materials, Geochim. Cosmochim. Acta, 24, 206—225.
Kendrick W. B. (1962). Soil fungi of a copper swamp, Can. J. Microbiol., 8,
639—547.
Kharkar D. P., Turekian K- K„ Bertine К. K. (1968). Stream supply of dissolved
silver, molibdenum, antimony, selenium chromium, cobalt, rubidium, and
cesium to the oceans, Geochim. Cosmochim. Acta, 32, 285—298.
Klein D. H. (1972). Some estimates of natural levels of mercury in the environ-
ment. In: Inviionmental Mercury Contamination (Eds. R. Hartung and
B. D. Dinman), pp. 25—29, Ann Arbor Science Publishers Inc. Ann Arbor,
Michigan.
Kotnura I., Izaki K-, Takahashi H. (1970). Vaporization of inorganic mercury by
cell-free extracts of drug resistant Escherichia coli, Agric. Biol. Chem,
34, 480—482.
Косая T. A. (1967). Состав окислов марганца в культурах Metallogenium и
Leptothrix, Микробиология, 26, 1024—1029.
Kondo I., Ishikawa Т„ Nakahara И. (1974). Mercury and cadmium resistances
mediated by the penicillinase plasmid in Staphylococcus aureus, J. Bacte-
riol., 117, 1—7.
Konrad J. G. (1972). Mercury contents of bottom sediments from Wisconsin
rivers and lakes. In: Environmental Mercury Contamination (Eds. R. Har-
tung and B. D. Dinman), pp. 52—58, Ann Arbor Science Publishers Inc.,
Ann Arbor, Michigan.
Ковальский В. В., Летунова С. В. (1974). Геохимическая экология микроор-
ганизмов, Труды Биогеохим. лаб. АН СССР, 13, 3—56.
Krumbein Й7. Е. (1971). Manganese oxidizing fungi and bacteria in recent shelf
sediments of the Bay of Biscay and the North Sea, Naturwissenschaften,
58, 56—57.
Kucera S., Wolfe R. S. (1957). A selective enrichment method for Gallionella
ferruginea, J. Bacteriol. 74, 344—349.
Кузнецов С. И., Иванов M. В, Ляликова И. H. (1963). In: Introduction to
Geological Microbiology, McGraw-Hill Book Co. Inc., New York.
Laborey F., Lavollay J. (1967). Toxicity of Zn+2 and Cd+2 during Aspergillus
niger growth antagonisms of these ions, and Mg2+, 3n2+ and Cd2+ in-
teraction, C. R. Acad. Sci., Ser. D, 264, 2937—2940.
Lackey J. B. (1938). The flora and fauna of surface waters polluted by acid
mine drainage, Public Health Rep., 53, 1499—1507.
Landner L. (1971). Biochemical model for the biological methylation of mercury
suggested from methylation studies in vivo with Neurospora crassa, Na-
ture, Lond., 230, 452—454.
Leahy J. J. (1969). Cobaltous ion effect on diauxie, J. Bacteriol., 100, 1194—
1197.
Leathen W. W., Braley S. A. Sr., McIntyre L. D. (1953). The role of bacteria
in the formation of acid from certain sulfurjtic constituents associated
with bituminous coal. II. Ferrous iron oxidizing bacteria, Appl. Microbiol.,
1, 65—68.
Lewis A. J., Miller J. D. A. (1977). Stannous and cuprous ion oxidation by
Thiobacillus ferrooxidans. Can. J. Microbiol., 23, 319—324.
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
465
Lieske R. (1911). Beitraege zur Kenntniss der Physiologic von Spiro-phyllum
ferrugineum Ellis, einem typischen Eisenbakterium, Jahrb. Wiss. Bot., 49,
91—127.
Lieske R. (1919). Zur Ernaehrungsphysiologie der Eisenbakterien, Z. Bakt.
Parasitk. Infektionskr. Hqg. Abt. Il, 49, 413—425.
Loutit J. S. (1970). Mating system of Pseudomonas aeruginosa strain I. VI.
Mercury resistance associated with the sex factor (FP), Gener. Res., 16,
179—184.
Luckey M., Pollack J. R., Wayne R., Ames B. N., Neilands J. B. (1972). Iron
uptake in Salmonella typhimurium: Utilization of exogenous siderochromes
as iron carriers, J. Bacteriol., Ill, 731—738.
Lundgren D. G., Vestal J. R., Tabita F. R. (1972). The microbiology of mine
drainage pollution. In: Water Pollution Microbiology (Ed. R. Mitchell),
pp. 69—88. Wiley-Intei science, New York.
Ляликова H. H. (1961). Tp. Ин-та микробиол. АН СССР, 9.
Ляликова И. FL (1972). Окисление трехвалентной сурьмы до высших окислов
как источник энергии для развития нового автотрофного организма
Stibiobacter gen. п., ДАН СССР, Сер. биол., 205, 1228—1229.
Ляликова И. Н. (1974). Stibiobacter senarmontii — новый микроорганизм, окис-
ляющий сурьму, Микробиология, 43, 941—948.
Ляликова И. FL, Шлайн Л. Б., Трофимов В. Г. (1974). Образование минералов
сурьмы (V) под действием бактерий, Изв. АН СССР, Сер. биол., 3,
440—444.
Ляликова Н. И., Веденина И. Я., Романова А. К- (1976). Ассимиляция дву-
окиси углерода культурой Stibiobacter senarmontii, Микробиология, 45,
552—554.
Malanchuk J. L., Gruendling G. K. (1973). Toxicity of lead nitrate to algae,
Water, Air, Soil Pollut., 2, 181—190.
Malouf E. E., Prater J. D. (1961). Role of bacteria in the alteration of sulfide
minerals, J. Metals, 13, 353—356.
Mann P. J. G., Quastel J. H. (1946). Manganese metabolism in soils, Nature,
Lond., 158, 154—156.
Marchlewitz B„ Schwartz W. (1961). Untersuchungen ueber die Mikroben-As-
soziation saurer Grubenwaesser, Z. Allg. Mikrobiol., 1, 100—114.
Matsumara F„ Gotoh Y., Boush G. M. (1971). Phenyl mercuric acetate: Metabo-
lic conversion by microorganisms, Science, 173, 49—51.
McKenzie R. M. (1967). The sorption of cobalt by manganese minerals in soils,
Aust. J. Soil. Res., 5, 235—246.
Моисеев A. FL (1971). A поп-magmatic source for mercury ore deposits, Econ.
Geol., 66, 581—601.
Мосин А Ф., Петрова К. M., Харчук А. И., Абатуров Ю. Д. (1974). Токсиче-
ское действие арсената на дрожжи, Микробиология, 43, 94—98.
Nelson J. D„ Blair W., Brinckman F. E., Colwell R. R., Iberson W. P. (1973).
Biodegradation of phenylmercuric acetate by mercury-resistant bacteria,
Appl. Microbiol., 26, 321—326.
Nielsen A. M., Beck J. V. (1972). Chalcolite oxidation and coupled carbon
dioxide fixation by Thiobacillus ferrooxidans, Science, 175, 1124—1126.
Novick R. P., Roth C. (1968). Plasmid-linked resistance to inorganic salts in
Staphylococcus aureus, J. Bacteriol., 95, 1335—1342.
Nowosielski O., Knezek B. D., Ellis B. G. (1971). Evaluation of toxicity of
metals, NTA and EDTA by Aspergillus niger bioassay, Am. Chem. Soc.,
Div. Water Air Waste Chem. Gen. Papers, 11, 32—38.
O'Callaghan R. J., Bundy L., Bradley R., Paranchych W. (1973). Unusual
arsenate poisoning of the F pili of Escherichia coli, J. Bacteriol., 115,
76—81.
Oster K. A., Golden M. J. (1954). Fungistatic and fungicidal compounds. In:
Antiseptics, Disinfectants, Fungicides, and Chemical and Physical Sterili-
zation (Ed. G. F. Reddish), pp. 548—565, Lea and Febiger, Philadelphia.
466
Глава 10
Ottow J. C. G (1968) Evaluation of iron-reducing bacteria in soil and the
physiological mechanism of iron reduction in Aerobacter aerogenes
(Enterobacter aerogenes), Z. Allg Mikrobiol, 8, 441—443
Ottow J C. G. (1969). Influence of nitrate, chlorate sulfate, form of iron oxide
and growth conditions of the extent of bacteriological reduction of iron,
Z Pfl-Ernahr Bodenk, 124, 238—253.
Ottow ICG (1970) Selection, characterization and iron-reducing capacity
of nitrate reductaseless (nit-) mutants of iron-reducing bacteria, Z. Allg.
Microbiol., 10, 55—62
Ottow J C G. (1971) Iron reduction and gley formation by nitrogen-fixing
Clostridia, Oecologia, 6, 164—175
Ou J T, Anderson T Г (1972) Effect of Zn2+ on bacterial conjugation’
Inhibition of mating pair formation, J Bacteriol, 111, 177—185
Перфильев Б В, Габе Д. Р (1965) The use of the microbial-landscape method
to investigate bacteria which concentrate manganese and iron in bottom
deposits In: Applied Capillary Microscopy. The Role of Microorganisms
in the Formation of Iron-Manganese Deposits (Eds. Б. В. Перфильев,
Д P Габе, A M. Гальперина, В А Рабинович, А А. Сапотиицкий,
E E Шерман, E П. Трошаиов), p. 9—54, Consultants Bureau, New York.
Praeve P (1957). Untersuchungen ueber die Stoffwechselphysiologie des Eisen-
bakteriums Leptothrix ochrae Kuetzing, Arch. Mikrobiol., 27, 33—62.
Ramamoorthy S, Kushner D J (1975a) Binding of mercuric and other heavy
metal ions by microbial growth media, Microb Ecol, 2, 162—176
Ramamoorthy S, Kushner D J. (1975b). Heavy metal binding components of
river water, J. Fish. Res. Board Canada, 32, 1755—1766,
Razzell W E, Trussell P. C (1963) Microbiological leaching of metallic sulfi-
des, Appl Microbiol, 11, 105—110
Renshaw E C, Rosenberg B, Van Camp L. (1966). Platinum-induced growth
in Escherichia coll, Bacteriol Proc, p 74
Romans I. В (1954). Oligodynamic metals In Antiseptics, Disinfectants,
Fungicides, and Chemical and Physical Sterilization (Ed G F Reddish),
pp 388—428, Lea and Febiger, Philadelphia
Ross D A (1972) Red sea hot brine area- revisited, Science, 175, 1455—1457
Sadler W R, Trudtnger P. A (1967). The inhibition of microorganisms by heavy
metals, Min. Dep , 2, 158—168
Sartory A, Meyer J (1947) Contribution a 1’etude du metabohsme hydrocarbo-
ne des bacteries ferrugenieuses, C R. Acad Sci, 225, 541—542.
Sastry K. S., Adiga P. R, Venkatasubramanyam V., Sarma P. S. (1962). Inter-
relation in trace-element metabolism in metal toxicities in Neurospora
crassa, Biochem J, 85, 486—491
Sauchelli V (1969) Trace Elements in Agriculture Van Nostrand Reinhold
Co, New York, Cincinnati, Toronto, London and Melbourne
Schrauzer G N, Weber J H, Beckham T. M, Ho R. К. Y. (1971). Alkyl group
transfer from cobalt to mercury reaction of alkyl cobalamins, alkyl-
cobaloxunes, and of related compounds with mercuric acetate, Tetrahedron
Lett, 3, 275—277
Schweisfurth R (1968) Untersuchungen ueber manganoxydierende und-reduzie-
rende Mikroorganismen, Mitt Internal Verein Kimnol, 14, 179—186
Schweisfurth R (1971) Manganoxydierende Pilze I Vorkommen, Isoherung
und mikroskopische Untersuchungen, Z. Allg. Mikrobiol, 11, 415—430.
Sherman J M, Albus W R (1923) Physiological youth in bacteria, J. Bacteriol,
8, 127—139
Silver S, Kralovic M L. (1969). Manganese accumulation by Escherichia coli:
evidence for a specific transport system, Biochem Biophys Res Commun,
34, 640—645
Silver M, Torma A E (1974) Oxidation of metal sulfides by Thiobacillus fer-
rooxidans grown in different substrates, Can. J. Microbiol, 20, 141—147.
Тяжелые металлы, мышьяк и сурьма
467
Silver S, Johnsente Р, King К. (1970). Manganese active transport in Escheri-
chia colt, J Bacteriol, 104, 1299—1306
Silverman M P (1967) Mechanism of bacterial pyrite oxidation, J. Bacteriol,
94, 1046—1051
Silverman M P, Ehrlich H L. (1964) Microbial formation and degradation of
minerals, Adv Appl. Microbiol, 6, 153—206
Silverman M P, Lundgren D. G. (1959a) Studies on the chemoautotrophic iron
bacterium Ferrobacillus ferrooxidans I. An improved medium and a
harvesting procedure for securing high cell yields, J. Bacteriol, 77,
642—647
Silverman M P, Lundgren D G. (1959b). Studies on the chemoautotrophic iron
bacteuum ferrobacillus ferrooxidans, J Bacteriol, 78, 326—331.
Silverman M P, Munoz E F. (1970). Fyngal attack on rock Solubilization and
altered infrared spectra, Science, 169, 985—987.
Singer P C, Stumm W (1970) Acidic mine drainage: the rate-determining
step, Science, 167, 1121—1123
Smith D H (1967) R factors mediate resistance to mercury, nickel, and cobalt,
Science, 156, 1114—1116
Соколова-Дубинина Г. А., Дерюгина 3 П (1967). Процесс образования желе-
зомарганцевых конкреций в озере Пуниус-Ярви, Микробиология, 36,
1066—1076
Соколова-Дубинина Г. А, Дерюгина 3 П (1968) Влияние условий среды в
озерах на микробиологическое образование марганцевых руд, Микро-
биология, 37, 147—153.
Spangler W J, Spigarelli J. L, Rose J M, Miller H M (1973a). Methyl mer-
cury bacterial degradation in lake sediments, Science, 180, 192—193
Spangler W J, Spigarelli J. L, Pose J. M, Fillipin R S, Miller H. H. (1973b).
Degradation of methylmercury by bacteria isolated from environmental
samples, Appl Microbiol, 25, 488—493
Starkey R L (1973). Effect of pH on toxicity of copper to Scytalidium sp, a
copper-tolerant fungus, and some other fungi, J Gen. Microbiol, 78,
217—225
Storm D R, Gunsalus R P (1974) Methylmercurv is a potent inhibitor of
membrane adenyl cyclase, Nature, Lond, 250, 778—779
Sullivan J D (1930) Chemistry of Leaching Chalcocite, Technical Paper, 473,
U S Bureau of Mines
Summers A О, Lewis E (1973) Volatilization of mercuric chloride by mercury-
resistant plasmid bearing strains of Escherichia coli, Staphylococcus
auieus, and Pseudomonas aeruginosa, J Bacteriol, 113, 1070—1072
Summers A О, Silver S (1972) Mercury resistance in a plasmid bearing strain
of Escherichia coli, J Bacteriol, 112, 1228—1236
Tandon S P, Mishra M M (1969) Efiect of sodium, manganese and zinc on
the activity of Nitrobacrer agihs, Zentrlbl Bacteriol, Parasitenk, Infek-
tionskr, Hyg Ant 2, 123, 399—402
Temple К L (1964) Syngenesis of sulfide ores An evaluation of biochemical
aspects, Econ Geol, 59, 1473—1491
Temple К L, Colmer A R (1951) The autotrophic oxidation of iron by a new
bacterium Thiobacillus ferrooxidans, J Bacteriol, 62, 605—611
Temple К L, Delchamps E W (1953) Autotrophic bacteria and the formation
of acid in bituminous coal mines, Appl Microbiol, 1, 255—258
Temple К L, Le Roux N W (1964) Syngenesis of sulfide ores Desorption of
absorbed metal ions and their precipitation as sulfides, Econ Geol, 59,
647—655
Thiel G A (1925) Manganese precipitated by microorganisms, Ecom Geol,
20, 301—310
Tonamura K, Makagami T, Futai F, Maeda D (1968) Studies on the action
of mercury-resistant microorganisms on mercurials I The isolation of a
468
Глава 10
mercury-resistant bacterium and the binding of mercurials to the cells,
J. Ferment. Technol., 46, 506—512.
Torma A. E. (1971). Microbiological oxidation of synthetic cobalt, nickel and
zinc sulfides by Thiobactllus ferrooxidans, Rev. Can. Biol., 30, 209—216.
Torma A. E., Subramanian K. N. (1974). Selective bacterial leaching of lead
sulfide concentrate, Int. J. Min. Process., 1, 125—134.
Tortoriello R. C. (1971). Manganese Dioxide-Reduction by Microorganisms from
Fresh Water Environments, Ph. D. Thesis, Rensselaer Polytechnic Insti-
tute, Troy.
Trimble ft. B., Ehrlich H. L. (1968). Bacteriology of manganese nodules. III. Re-
duction of МпОг by two strains of nodule bacteria, Appl. Microbiol., 16,
695—702.
Трошанов E. П. (1968). Микроорганизмы, восстанавливающие железо и мар-
ганец, в рудоносных озерах Карельского перешейка, Микробиология,
37, 934—940.
Трошанов Е. П. (1969). Условия, влияющие на способность бактерий восста-
навливать железо и марганец в рудоносных озерах Карельского пере-
шейка, Микробиология, 37, 634—643.
Tuovinen О. И., Niemelae S. /., Gullenberg И. G. (1971). Tolerance of Thiobacil-
lus ferrooxidans to some metals, Antonie van Leeuwenhoek, 37, 489—496.
Tuttle J. H„ Randles С. I., Dugan P. R. (1968). Activity of microorganisms in
acid mine water. I. Influence of acid water on aerobic heterotrophs of
normal stream, J. Bacteriol., 95, 1495—1503.
Tyler P. A. (1970). Hyphomjcrobia and the oxidation of manganese in aquatic
ecosystems, Antonie van Leeuwenhoek, 36, 567—578.
Vonk J. W., Sijpesteijn A. K. (1973). Methylation of mercuric chloride by pure
cultures of bacteria and fungi, Antonie van Leeuwenhoek, 39, 505—513.
Walsh F., Mitchell R. (1972). An acid-tolerant iron-oxidizing Metallogenium,
J. Gen. Microbiol., 72, 369—376.
Watson S. W., Waterbury J. G. (1969). Sterile hot brines of the Res Sea. In:
Hot Brines and Recent Heavy Metal Deposits in the Red Sea (Eds.
E. T. Degens and D. A. Ross), pp. 272—281, Springer Verlag, New York.
Wang C. C., Newton A. (1969). Iron transport in Escherichia coli: Roles of
energy-dependent uptake and 2,3-dihydroxybenzoylserine, J. Bacteriol.,
98, 1142—1150.
Weed L. L., Longfellow D. (1954). Morphological and biochemical changes
induced by copper in a population of Escherichia coli, J. Bacteriol., 67,
27—33.
Weinberg E. D. (1970). Biosynthesis of secondary metabolites: Roles of trace
metals, Adv. Microbial Physiol., 4, 1—44.
Winogradsky S. (1888). Ueber Eisenbakterien, Bot. Z., 46, 261—270.
Winslow D.-E. A., Hotchkiss M. (1921/22). Studies on salt action. V. The influen-
ce of various salts upon bacterial growth, Proc. Soc. Exp. Biol. Med., 19,
314—315.
Wood J. M., (1974). Biological cycles for toxic elements in the environment,
Science, 183, 1049—1052.
IFood J. M., Kennedy F. S., Rosen C. G. (1968). Synthesis of methyl-mercury
compounds by extracts of a methanogenic bacterium, Nature, Lond., 220,
173—174.
Yamada M„ Tonomura K. (1972a). Formation of methylmercury compounds
from inorganic mercury by Clostridium cochlearium, J. Ferment. Technol.,
50, 159—166.
Yamada M., Tonomura K. (1972b). Further study of formation of methylmercury
from inorganic mercury by Clostridium cochlearium T-2, J. Ferment.
Technol., 50, 893—900.
Yamada M„ Tonomura K. (1972c). Microbial methylation of mercury in hydrogen
sulfide-evolving environments, J. Ferment. Technol., 50, 901—909.
Yamaguchi N., Wada 0., Ono T„ Yazaki K., Toyakawa K. (1973). Detection of
Тяжелые металлы,-мышьяк и сурьма
469
heavy metal toxicity by Tetrahymena pyriformis culture method, Ind.
Health, 11, 27—31.
Yang S. H. (1974). Effect of manganese, nickel, copper and cobalt ions on some
bacteria from the deep sea, Ph. D. Thesis, Rensselaer Polytechnic Institu-
te, Troy, New York.
Yang S. H„ Ehrlich H. L. (1976). Effect on four heavy metals (Mn, Ni, Cu and
Co) on some bacteria from the deep sea. In: Proceedings of the Third
International Biodegradation Symposium (Eds. J. M. Sharpley and
A. M. Kaplan), pp. 867—873, Applied Science Publishers, London.
Zajic J. E. (1969). Microbial Biogeochemistry, Academic Press, New York and
London.
Zajic J. E., Chiu Y. S. (1972). Recovery of heavy metals by microbes, Dev. Ind.
Microbiol., 13, 91—100.
Заварзин Г. A. (1961). Симбиотическая культура нового окисляющего марга-
нец микроорганизма, Микробиология, 30, 393—395.
Злочевская И. В., Работнова И. Л. (1966). Токсичность свинца для Aspergillus
niger. Микробиология, 35, 1044—2052.
* *
*
Ряд других аспектов взаимодействия микроорганизмов с металлами и ми-
нералами освещен в монографиях Каравайко Г. И. и др. Роль микроорганиз-
мов в выщелачивании металлов из руд. — М.: Наука, 1972; Горленко В. М.
и др. Экология водных микроорганизмов. — М.; Наука, 1977; Аристов-
ская Т. В. Микробиология процессов подзолообразования. — Л.: Наука, 1980 и
обзоре Kelly D. Р. et al., Symp. Soc. Gen. Microbiol., 29, 263 (1979). — Прим,
ped. перевода.
ГЛАВА 11
ЖИЗНЬ В УСЛОВИЯХ
ИНТЕНСИВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ
А. Назим, А. Джеймс
(A. Nasim, А. Р. James, National Research Council of Canada)
J. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известно, что излучения разных типов обладают по-
тенциальной способностью оказывать на живые организмы раз-
рушительное воздействие (Lea, 1955). Однако, если не говорить
о высоких дозах, излучения во внешней среде носят такой харак-
тер, что для любой клетки существует определенная вероятность
избежать повреждения. Исходя из этого, можно было бы пред-
положить, что одноклеточным организмам удается выйти из
опасного положения благодаря тому, что они очень быстро раз-
множаются. Тем не менее это, по-видимому, не так, поскольку у
них выработались дополнительные средства защиты от леталь-
ного или повреждающего воздействия облучения. Одноклеточные
организмы располагают множеством защитных механизмов, при-
чем многие виды используют не один, а большее число способов
борьбы с радиационными повреждениями.
Парадоксально, но одно из последствий облучения — возник-
новение мутаций — может дать организму преимущество при от-
боре. Поэтому есть основания предполагать, что с эволюционной
точки зрения для организма выгодно установление некоторого
равновесия между резистентностью и чувствительностью к ра-
диации; возможно, именно по этой причине защита никогда или
почти никогда не бывает полной. Следует ожидать, что соотно-
шение между чувствительностью и резистентностью к облучению
неодинаково у разных организмов; и действительно, среди раз-
личных видов наблюдается исключительное разнообразие по
степени их резистентности к летальному и мутагенному действию
облучения. Такое разнообразие создает большие возможности
для исследования явлений резистентности и чувствительности ор-
ганизмов к радиации.
Клеточные механизмы, обеспечивающие радиорезистентность,
можно разделить на две большие группы. К первой относятся
системы, предотвращающие возникновение повреждений в клет-
ке. Вторая включает механизмы, которые восстанавливают (репа-
рируют) повреждения в ДНК, индуцируемые облучением.
В настоящем обзоре будут рассмотрены оба аспекта радиоре-
Интенсивное облучение
471
зистентности, но второму из них — репарации — в настоящее вре-
мя уделяется значительно больше внимания и соответственно он
будет обсуждаться здесь более детально. Исследования в этой
области были стимулированы одним удивительным открытием:
выяснилось, что по крайней мере некоторые из путей репарации
более или менее независимы от основных процессов клеточного
метаболизма. Поэтому оказалось возможным выделить дефект-
ные штаммы, у которых нарушена система репарации индуцируе-
мых облучением повреждений, но которые тем не менее остают-
ся жизнеспособными. Такие мутанты чувствительны к облучению
и в качестве генетических инструментов оказываются исключи-
тельно полезными в исследовании клеточных механизмов репара-
ции. Работы в этой области существенно углубили понимание
природы радиорезистентности.
Диапазон доз облучения, которому микроорганизмы могут
подвергаться эпизодически или постоянно, значительно расши-
рился в последние годы в связи с созданием искусственных ис-
точников радиации. В результате этого микроорганизмы стали
испытывать воздействие повышенного уровня радиации в окру-
жающей среде. Реакция на такое воздействие представляет как
практический, так и научный интерес. Например, при использо-
вании высоких доз облучения для стерилизации пищи возникает
проблема, связанная с возможностью индукции или селекции
радиорезистентных микроорганизмов, что может иметь неблаго-
приятные последствия.
Настоящий обзор посвящен разным видам и уровням биоло-
гически опасного излучения, воздействию которого подвергаются
микроорганизмы, природе возникающих повреждений и способам
защиты от радиации. Эти вопросы рассматриваются также в
других обзорах (de Serres, 1961; Thornley, 1963; Kushner, 1964).
Следует отметить, что интерес к данным проблемам в значитель-
ной мере обусловлен стремлением оценить опасность, которую
представляют для человечества как высокие, так и низкие уровни
ионизирующего излучения. В этом отношении работа была ус-
пешной, как свидетельствуют недавние исследования природы
рака кожи, вызываемого ультрафиолетовым излучением (Eps-
tein, 1970).
II. ИЗЛУЧЕНИЕ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Излучение в окружающей среде подразделяется на ионизи-
рующее и неионизирующее. Оба вида опасны для микроорганиз-
мов, но из всех естественных излучений неионизирующая солнеч-
ная радиация обладает наибольшим потенциалом биологически
вредного воздействия.
472
Глава 11
А. НЕИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Подсчитано, что только 0,00028% всей солнечной радиации
оказывают летальное воздействие на бактерии (Pollard, 1974).
И тем не менее потенциальное разрушительное действие солнеч-
ной радиации на биологические объекты весьма значительно.
Существенная опасность солнечного излучения проявляется в
поведении мутантных организмов, дефектных в отношении их спо-
собности осуществлять репаративные процессы. Например, бо-
лее 99,9% клеток штамма Escherichia coli, у которого нарушены
репаративные механизмы, погибает при облучении солнечным
светом в течение трех минут (Harm, 1969; Billen, Fletcher, 1974).
Подобным же образом влияют солнечные лучи и на мутантные
штаммы дрожжей (Resnick, 1970). Весь спектр солнечного излу-
чения с длинами волн вплоть до 700 нм оказывает на микроорга-
низмы летальное действие, но наиболее опасные длины волн ле-
жат в ультрафиолетовой области спектра (менее 400 нм). Хотя
эти лучи имеют низкую проникающую способность, они вызыва-
ют у одноклеточных организмов фотохимические реакции. К наи-
более важной из них относится образование пиримидиновых ди-
меров в ДНК, но, кроме того, индуцируются н другие вредные
реакции (Setlow, 1966).
Дозы ультрафиолетового облучения, которому подвергаются
организмы, были исчерпывающе рассмотрены в сравнительно не-
давно опубликованном обзоре (Caldwell, 1971). Нижний предел
длин волн, падающих на земную поверхность, составляет приб-
лизительно 290 нм (Koller, 1965). Интенсивность глобального об-
лучения возрастает экспоненциально с увеличением длины вол-
ны. Рассчитано, что при длине волны 307,5 нм среднегодовая
радиация на экваторе составляет приблизительно 56,4 Вт-сХ
Хсм-2 (Schulze, Grate, 1969). Интенсивность облучения варьиру-
ет в зависимости от высоты солнца над горизонтом; на нее так-
же влияют такие факторы, как концентрация озона, прозрач-
ность атмосферы, загрязненность воздуха и облачный покров.
Особое значение имеет концентрация озона, который действует
как фильтр, задерживающий ультрафиолетовые лучи солнечного
света. Предполагается что уменьшение концентрации озона на 1%
привело бы к увеличению уровня «вызывающего загар» ультра-
фиолетового излучения на 1—2,5% (Robertson, 1972). Вопрос о
концентрации озона в связи с ультрафиолетовым солнечным из-
лучением подробно обсуждается в другой работе (Cutchis, 1974).
Б. ИОНИЗИРУЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Различные источники ионизирующего излучения и расчетные
величины доз, которые получают в настоящее время или будут
получать в дальнейшем живые организмы, детально рассмотре-
Интенсивное облучение
473
ны Научным Комитетом ООН по действию атомной радиации
(UNSCEAR report, 1972) и Комитетом по изучению биологиче-
ских эффектов, вызываемых ионизирующим излучением (BEIR
Committee report, 1972). Здесь будет только коротко суммирова-
на эта информация.
Существуют природные источники ионизирующего излучения
двух типов: внеземные и земные. Первые возникают в космиче-
ском пространстве как первичные космические лучи. Они дают
начало вторичным космическим лучам, воздействию которых и
подвергаются живые организмы. На уровне моря доза излучения
составляет приблизительно 30 мрад в год. Дозы различаются в
зависимости от географической широты и особенно от высоты
над уровнем моря: они приблизительно удваиваются каждые
1500 м вплоть до высоты в несколько километров над уровнем
моря. Земным источником излучения являются радиоактивные
изотопы в скальных породах, почве, гидросфере и атмосфере. Не-
которые из них поглощаются живыми организмами, и, следова-
тельно, облучение может быть не только внешним, но и внутрен-
ним. Согласно недавним расчетам, средняя доза внешнего облу-
чения от земных источников составляет 50 мрад в год, внутрен-
него — 20 мрад в год (UNSCEAR,1972).
1. Искусственная радиация
Искусственное ионизирующее излучение возникает в результа-
те испытаний ядерного оружия, работы атомных электростанций,
применения радиоактивных изотопов в медицинских целях, а
также от бесчисленного множества других разнообразных источ-
ников. Как правило, эти источники строго локализованы. Чело-
век и другие высшие организмы только случайно получают высо-
кие дозы облучения; согласно расчетам, генетически значимая
доза от искусственных источников излучения составляет лишь
около 1% таковой от естественных источников (UNSCEAR,
1972). Очевидно, однако, что микроорганизмы, не будучи экра-
нированы, могут при известных обстоятельствах периодически
или постоянно получать высокие дозы облучения. Таким обра-
зом, цифры, характеризующие уровень искусственной радиации
в окружающей среде, нельзя безоговорочно применять к микро-
организмам.
III. РАЗЛИЧИЯ
В РАДИАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Чувствительность живых организмов к облучению варьирует
в необычайно широких пределах. Диапазон этих вариаций на-
много превышает тот, который можно было бы ожидать на ос-
474
Глава 11
Рис. 11.1
новании различий средних уровней излучения, получаемого жи-
выми организмами. Более того, корреляция между уровнями из-
лучения в среде и резистентностью организмов практически от-
сутствует. Причины столь значительных вариаций радиационной
чувствительности неясны, но кажется вероятным, что высокая
резистентность должна быть следствием каких-то иных свойств
организма.
Довольно трудно провести надежные сравнения радиацион-
ной резистентности различных организмов, исходя из опублико-
ванных данных, так как расчеты часто основаны на разных дозах,
интенсивностях и типах излучения. Кроме того, на выживае-
мость влияют такие факторы, как стадия клеточного цикла и ус-
ловия роста; эти параметры также варьируют от публикации к
публикации. Что касается использования разных типов излуче-
ния, то возникающие в связи с этим трудности в какой-то мере
облегчаются тем, что обычно наблюдается корреляция между ре-
акциями организмов на ионизирующее и неионизирующее излу-
чения (рис. 11.1 и 11.2) ; ниже это обстоятельство обсуждается
подробнее. Различия в радиационной чувствительности разных
организмов показаны на рис. 11.1 и 11.2; значения LD37 для не-
скольких организмов приведены в табл. 11.1.
Интенсивное облучение
475
Таблица 11.1
Сравнение относительной чувствительности к радиации
различных организмов
Организм Доза облучения, при ко- торой выживает около 37% клеток (LD>?) Источник данных
ультрафиоле- товое излуче- ние, эрг мм“2 ионизирующее излучение, кР
Escherichia coli 500 21) Setlow, 1967
Micrococcus radiodurans 6000 150 Moseley, Laser, 1965
Amoeba — 120 Bacq, Alexander, 1961
Paramecium — 350 Bacq, Alexander, 1961
Bodo marina 50,000 — Лозина-Лозинский, 1973
Saccharomices cerevisiae 800 3 Patrick et al., 1964
Schizosaccharom yces 1350 80 Nasim, Smith, 1974
pombe
Ustilago maydis 1300 — Moore, 1975
’) Gunther, Kohn, 1956.
Измерения резистентности организма к ультрафиолетовому
излучению обычно проводятся с использованием источника, ис-
пускающего преимущественно лучи с длиной волны 254 нм. При
обсуждении вопроса о резистентности живых организмов к сол-
нечной радиации следует учитывать, что эта длина волны почти
полностью отсутствует в составе солнечного излучения, падаю-
щего на земную поверхность. Имеются, однако, немногочислен-
ные данные, свидетельствующие о том, что резистентность орга-
низма к солнечной радиации соответствует, как правило, его ре-
зистентности к неионизирующему излучению от искусственных
источников (Koller, 1965).
Одним из наиболее резистентных к ультрафиолетовому излу-
чению микроорганизмов является Bodo marina, относящийся к
морским жгутиковым. По данным Камшилова, цитируемым Ло-
зина-Лозинским (1973), для инактивации 90% клеток этого ор-
ганизма требуется доза 112 000 эрг-мм~2. Тот же автор отмечает,
что простейшие вообще более резистентны к облучению, чем бак-
терии (дозы, инактивирующие 90% клеток, колеблются от 5000
до 12 000 эрг-мм-2 для простейших и от 4 до 250 эрг-мм-2 для
бактерий). Резистентность разных видов бактерий сравнивалась
более детально. Она варьирует в широких пределах, и примеры
такой вариабельности графически представлены в виде кривых
доза — выживание на рис. 11.3.
В отношении резистентности организмов к ионизирующему
излучению наблюдается сходная картина. Так, дозы, убивающие
476
Глава It
Доля выживших клеток,
Рис. 11.2
Интенсивное облучение
477
Рис. 11.3
50% клеток в культурах Е. coli, дрожжей, амебы, В. mesenteri-
cus и инфузорий возрастают от 5600 до 350 000 Р (Bacq, Alexan-
der, 1961).
Значительные различия в радиорезистентности обнаружены
также внутри более мелких таксонов. Так, среди представителей
Dematiacae резистентность к у-лучам может различаться в
100 раз (Василевская, Жданова, 1972), а внутри одного вида
Rodoiorula наблюдаются 30-кратные различия в чувствитель-
ности к ультрафиолетовому облучению (Солнцева, цит. по Лози-
на-Лозинскому, 1973). Показано, что резистентность разных
штаммов Achromobacter alcaligenes сильно варьирует (Thornley,
1963), а изучение выживания спор Bacillus subtilis, подвергну-
тых рентгеновскому облучению, выявило 200-кратные различия
в их резистентности (Zamenhof et al., 1965).
Представление об отсутствии корреляции между резистент-
ностью организма и уровнем радиации в среде его обитания не
всегда оказывается верным. Так, показано, что микроорганизмы,
выделенные из радиоактивных минеральных источников, в 3—
10 раз более резистентны к радиации, чем организмы тех же ви-
дов, выделенные из нерадиоактивной воды (Киселев и др., 1961).
478
Глава 11
Обнаружен вид Pseudomonas, обитающий в ядерных реакторах,
где средняя доза излучения, по-видимому, превышает 106 ФЭР
(физический эквивалент рентгена) (Fowler et aL, 1960).
В связи с такими случаями явной адаптации микроорганиз-
мов к радиоактивному излучению был поднят вопрос о том, на-
сколько вероятно появление радиорезистентных организмов при
использовании облучения для стерилизации. Действительно,
Micrococcus radiodurans, обладающий наиболее высокой радио-
резистентностью из всех изученных бактерий, был первоначаль-
но обнаружен в консервированном мясе, которое подвергалось
у-облучению в дозе несколько мрад (Anderson et aL, 1956). Этот
организм может переносить дозы облучения до 500 крад без ка-
кой-либо заметной инактивации; он был предметом значитель-
ного числа исследований, многие из которых будут обсуждаться
в настоящем обзоре.
Возможность возникновения радиорезистентных штаммов в
процессе стерилизации пищи послужила поводом для проведе-
ния серии экспериментов в ряде лабораторий. Одни из этих
экспериментов действительно привели к получению резистент-
ных штаммов, тогда как другие не дали положительных резуль-
татов. В таких экспериментах обычно проводилось облучение
микроорганизмов последовательно увеличивающимися дозами,
в результате чего происходило ступенчатое возрастание рези-
стентности. Подобным методом были получены штаммы Е. coli,
в несколько (до 10) раз более резистентные, чем штамм дикого
типа (Gaden, Henley, 1953; Erdman et aL, 1961; Idziak, Thatcher,
1964; Wright, Hill, 1968). Были выделены также радиорезистент-
ные штаммы Salmonella (Licciardello et aL, 1969; Davies et aL,
1973), бактерий группы Achromobacter (Thornley, 1963) и дрож-
жей (Moustacchi, 1965). Те же методы были использованы для
получения резистентных штаммов Е. coli (Luckiesh, Knowles,
1948), Bacillus subtilis (Zamenhof et aL, 1965) и Haemophilus
(Barnhart, Cox, 1968).
В таких опытах облучение может действовать либо как инду-
цирующий, либо как селективный агент, поэтому из них трудно
извлечь информацию о том, индуцировано ли возникновение ре-
зистентного штамма примененным воздействием или он получен
в результате отбора среди спонтанных мутантов, присутствовав-
ших в культуре до обработки. Вопрос о происхождении рези-
стентных мутантов может показаться чисто формальным, так
как, несомненно, определенная часть спонтанных мутаций инду-
цирована естественной радиацией. Однако не исключено, что ин-
тенсивная искусственная радиация оказывает мутагенное дей-
ствие на микроорганизмы, в то время как естественная радиа-
ция, имеющая низкую интенсивность, неэффективна в этом отно-
шении. Такая ситуация должна наблюдаться в случае, если для
Интенсивное облучение
479
возникновения резистентного штамма необходимо, чтобы одно-
временно произошли два или более мутационных события в од-
ной клетке.
В настоящее время интенсивно исследуются изменения резис-
тентности, связанные с присутствием в геноме лишь одного му-
тантного гена. Индивидуальный ген, обеспечивающий радиаци-
онную резистентность, был впервые обнаружен в опытах, в ко-
торых радиация была использована для получения штамма
Е. coli (В/r), резистентного как к рентгеновскому, так и к ульт-
рафиолетовому излучению (Witkin, 1946). Радиационно-чувстви-
тельный мутант Е. coli (Bs-i) был впервые выделен в другой ра-
боте (Hill, 1958). На рис. 11.1 и 11.2 кривые доза — эффект для
данных мутантов сравниваются с кривыми для нормальных
штаммов. Эти и полученные позже мутанты широко использова-
лись для изучения молекулярных основ резистентности.
IV. ЗАЩИТНЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Ранние исследования радиационной резистентности были на-
правлены в первую очередь на поиски внутриклеточных веществ,
защищающих организм от повреждений. В настоящее время вни-
мание исследователей концентрируется в основном на механиз-
мах, тем или иным способом исправляющих повреждения в
ДНК, индуцируемые облучением. Не может быть никакого сом-
нения в том, что эти механизмы имеют важное значение. Тем
не менее представляется вероятным, что определенную вспомога-
тельную роль играют и защитные механизмы.
Отмечалось, что для радиорезистентных организмов обычно
характерна усиленная пигментация (Anderson et al., 1956; Davis
-et aL, 1963), поэтому в ряде работ повышенное содержание пиг-
ментов обсуждалось как возможная причина резистентности
(Kilburn et aL, 1958; Krabbenhoft et al„ 1967). Предполагается,
что пигменты действуют как «энергетические ловушки», препят-
ствующие радиации или ее продуктам достигать ДНК или лю-
бых других жизненно важных мишеней.
До сих пор получено мало экспериментальных данных, под-
тверждающих такую точку зрения. Например, резистентность
мутантов М. radiodurans и Sarcina lutea, у которых нет кара-
тиноидных пигментов, сравнивалась с резистентностью штаммов
дикого типа. Результаты свидетельствуют, что эти пигменты не
являются эффективным защитным средством против ионизирую-
щего или ультрафиолетового излучений (Moseley, 1963; Mathews,
Krinsky, 1965). В сходном исследовании было показано, что уве-
личение концентрации пигмента, вызванное изменением условий
культивирования, не оказывает существенного влияния на ра-
480
Глава 11
диорезистентность (Lewis et aL, 1973). Отрицательные результа-
ты были получены также и на грибах (Mirchink et al„ 1971). Сле-
дует, однако, отметить, что такие пигменты обеспечивают защиту
от повреждающего действия видимого света (Mathews, Sistrom,
1960; Mathews, Krinsky, 1965).
Предполагалось, что резистентность может быть обусловле-
на присутствием определенных продуктов метаболизма (Ander-
son et aL, 1959; Raj et al., 1960; Duryee et aL, 1961). Имея в виду
эту возможность, Брюс (Bruce, 1964) предпринял попытку выде-
лить гипотетический внутриклеточный радиопротектор и устано-
вить корреляцию между его концентрацией и радиорезистент-
ностью. Было показано, что Е. coli действительно более ре-
зистентна при облучении в присутствии экстрактов из М. radio-
durans, чем при облучении в буферном растворе. Однако экс-
тракты из S. lutea дали противоположный эффект. Было высказа-
но предположение, что защитное действие экстрактов из М. га-
diodutans связано либо с удалением из среды кислорода с по-
мощью ферментов или другим путем (Stapleton et aL, 1953,
1955), либо с уменьшением выхода радикалов при участии меха-
низма, аналогичного тому, который действует в отношении из-
вестных химических веществ-протекторов. Брюс счел последнюю
возможность более вероятной, так как своеобразный метаболизм
серусодержащих аминокислот у М. radiodurans позволяет ду-
мать, что эти аминокислоты выполняют роль сульфгидрильных
веществ-протекторов. Зависимость радиорезистентности от кон-
центрации экстракта имеет двухкомпонентный характер: в низ-
ких концентрациях он оказывает на тест-организм сенсибилизи-
рующее действие, а в высоких концентрациях — защитное. Тем
не менее был сделан вывод, что такой механизм недостаточен
для объяснения исключительной радиорезистентности М. radio-
durans.
Привлекательной казалась идея о том, что радиорезистент-
ность может определяться уровнем каталазной активности в
клетке. Было показано, что для некоторых бактерий с повышен-
ной радиорезистентностью характерно высокое содержание ка-
талазы. Однако такая связь между этими двумя характеристика-
ми, возможно, объясняется простым совпадением, а не действи-
тельной корреляцией. Хотя есть указания на то, что в некоторых
случаях уровень каталазной активности имеет определенное зна-
чение для радиорезистентности микроорганизмов, основная
часть данных не подтверждает это предположение, а чет-
ких экспериментов по его проверке поставлено не было (Clarke,
1952; Ogg et aL, 1956; Clayton et al., 1958; Kushner, 1964).
Исследовались также изменения физиологических характе-
ристик у резистентных штаммов Е. coli (Idziak, Thatcher, 1964).
Было замечено, что изменения резистентности могут сопровож-
Интенсивное облучение
481
даться значительными изменениями скорости деления клеток и
путей использования определенных углеводов. Изучались и дру-
гие свойства радиорезистентных штаммов, в том числе потреб-
ность в питательных веществах (Robern, Thatcher, 1968), синтез
ферментов и его репрессия (Robern, Thatcher, 1969), действие
л-фторфенилаланииа (Dickie et aL, 1968) и структура мезосом
(Pontefrach, Thatcher, 1970). По-видимому, ни одно из этих
свойств не играет важной роли в определении резистентности
клеток.
Проводилось также цитологическое исследование резистент-
ных штаммов Е. coli, полученных в процессе многократного об-
лучения (Pontefract, Thatcher, 1964). Было обнаружено, что с
возрастанием радиорезистентности увеличивалась длина клеток:
значительная часть клеток наиболее резистентных штаммов бы-
ла в 30—40 раз длиннее нормальных. У клеток этих штаммов
наблюдалось также своеобразное явление почкования. Удлине-
ние клеток в результате облучения было замечено уже много
лет назад (Gates, 1933). Обычно такое удлинение было времен-
ным, и его связывали с индуцируемым радиацией ингибировани-
ем клеточного деления (Lea et al., 1937). Однако у резистентных
штаммов, упомянутых выше, удлинение клеток было устойчивым
признаком, наблюдавшимся в течение трех лет.
К важным факторам, от которых зависит реакция той или
иной клеточной системы на любой физический или химический
агент, относится состав клеточной стенки. В случае химических
мутагенов структура клеточной стенки может определять ее про-
ницаемость, влияя, таким образом, на чувствительность клетки к
данному агенту. Хотя структура клеточной стенки не оказывает
влияния на проникающую способность ионизирующего излуче-
ния, она тем не менее может иметь значение для радиорезистент-
ности микроба. Например, вполне вероятно, что какой-либо свя-
занный с мембраной ферментный комплекс, освобождающийся
или активируемый под действием радиации, играет определен-
ную роль в системе (системах) репарации или обусловливает ко-
нечную инактивацию клетки. Недавно было показано (Gentner,
Mitchell, 1975), что ионизирующее излучение вызывает освобож-
дение связанной с клеточной поверхностью экзонуклеазы у
М. radiodurans. При облучении в дозе 400 крад, сублетальной для
этого организма, в клетках остается только 10% фермента, при-
чем степень освобождения фермента зависит от дозы облучения.
Часто высказывалась мысль о том, что увеличение содержа-
ния ДНК в клетке служит одним из факторов ее радиорезистент-
ности. Это может быть обусловлено либо увеличением числа
нуклеоидов в клетке, либо ее полиплоидностью. Нитевидная
форма резистентных клеток Е. coli позволяет предполагать, что в
них реализуется первый механизм. Однако было показано, что
482
Глава 11
содержание ДНК в клетках этих штаммов практически не отли-
чается от такового в клетках дикого типа (Idziak, Thatcher,
1964).
Определение содержания GC-nap в ДНК восьми видов бакте-
рий показало, что существует обратная зависимость между GC-
содержанием и резистентностью клеток к рентгеновским лучам.
В то же время между GC-содержанием и резистентностью к УФ-
облучению наблюдается прямая зависимость. Такая корреляция
утрачивает какой бы то ни было смысл в случае М. radiodurans,
резистентного к обоим типам излучения; однако она может
иметь некоторое значение при отсутствии у бактерий эффектив-
ных систем репарации. Действительно, ДНК М. radiodurans ха-
рактеризуется тем же Нуклеотидным составом, что и ДНК штам-
мов Pseudomonas, исключительно чувствительных к ионизирую-
щей радиации (Kaplan, Zavarine, 1962).
V. ПРИРОДА РАДИАЦИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ
Идентификация жизненно важной мишени (мишеней), пора-
жение которой приводит к инактивации клеток, имеет первосте-
пенное значение для понимания природы резистентности. Хотя,
по некоторым данным (Kimball, 1957; Gentner, Mitchell, 1975),
негенстические мишени играют определенную роль при облуче-
нии клеток в высоких дозах, основная часть имеющейся инфор-
мации свидетельствует о том, что при облучении в более низких
дозах жизненно важной мишенью является ДНК. Толчок иссле-
дованиям в этой области дали представления о механизме ра-
диационного поражения, развитые в теории мишеней (Lea, 1955;
Timofeeff-Ressovsky, Zimmer, 1947; Hutchinson, Pollard, 1961;
Zimmer, 1961). Согласно этой теории, диссипация энергии проис-
ходит таким образом, что основная часть непосредственных по-
вреждений концентрируется вблизи места элементарного акта,
т. е. в объеме мишени. Прохождение одной частицы или фотона
через этот чувствительный объем, или мишень, должно привести
к инактивации клетки.
Хотя эта теория подвергалась различным модификациям, осо-
бенно в том, что касается представления о непосредственной свя-
зи гибели клетки с первоначальным актом поглощения энергии,
она остается мощным стимулом для развития представлений о
жизненно важной мишени, поражаемой при облучении клеток.
Данные, свидетельствующие о том, что повреждение ДНК, вы-
званное ультрафиолетовым облучением клеток, служит основной
причиной их инактивации, чрезвычайно убедительны. Так, дли-
ны волн, характеризующиеся наиболее эффективным летальным
и мутагенным действием, соответствуют спектру поглощения ну-
Интенсивное облучение
483
клеиновых кислот (Hollaender, Emmons, 1941). Кроме того, о
локализации повреждений, индуцированных ультрафиолетовым
облучением, в ДНК говорят результаты экспериментов, в кото-
рых было установлено, что гибель облученных клеток в основном
обусловлена образованием в ДНК пиримидиновых димеров (Set-
low, Setlow, 1963).
Доказательства того, что ионизирующая радиация также вы-
зывает повреждение ДНК, носят более косвенный характер. Тем
не менее есть несколько наблюдений, указывающих на то, что
и при облучении рентгеновскими лучами жизненно важной ми-
шенью является ДНК:
1. Результаты исследования сенсибилизирующего действия
включившихся в ДНК аналогов оснований, таких, как 5-бром-
урацил, проведенного на многих биологических системах, пока-
зали, что увеличению чувствительности клеток к рентгеновским
лучам под действием 5-бромурацила строго соответствует уве-
личение чувствительности к ним трансформирующей ДНК, вы-
деленной из той же культуры (Szybalski, Lokiewicz, 1962). Пред-
положение о том, что мишенью может быть РНК, было отвергну-
то, так как клетки Е. coli, выращенные в присутствии 5-фторура-
цила, включающегося в РНК, но не в ДНК, не обнаруживали
сенсибилизации (Kaplan et aL, 1962).
2. 'Чувствительность организмов к рентгеновским лучам кор-
релирует с общим содержанием в них ДНК (Kaplan, Moses,
1964).
3. Радиационная чувствительность бактерий зависит от нук-
леотидного состава их ДНК (Haynes, 1964; Kaplan, Zavarine,
1962).
4. Плоидность дрожжей влияет на их чувствительность к
рентгеновским лучам (Mortimer, 1961). Доказательства того, что
ДНК служит жизненно важной мишенью, поражение которой
приводит к инактивации клеток, подробно разбираются в работе
Хачинсона (Hutchinson, 1966).
После того как было показано, что в замороженных раство-
рах тимина под действием УФ-облучения возникают ковалентно
связаные димеры (Beukers, Berends, 1961), стало ясно, что об-
разование димеров представляет собой наиболее очевидное по-
следствие УФ-облучения живых клеток. В состав димеров могут
входить два соседних тиминовых или цитозиновых остатка либо
один тиминовый и один цитозиновый остатки. Относительное со-
держание этих димеров зависит от соотношения между цитози-
ном и тимином в ДНК, а также от частот их ближайшего сосед-
ствования (Setlow, Carrier, 1966).
Получено много данных, подтверждающих вывод о том, что
образование димеров в ДНК служит основной причиной леталь-
ного и мутагенного действия УФ-облучения на биологические
484
Глава 11
системы (Setlow, 1966). Так, например, показано, что УФ-чувст-
вительные мутанты не способны удалять димеры из ДНК (Set-
low, Carrier, 1964; Воусе, Howard-Flanders, 1964). Кроме того,
многие организмы содержат фермент, катализирующий мономе-
ризацию димеров при освещении клеток видимым светом. Зна-
чительная часть клеток таких организмов может быть реактиви-
рована, если после УФ-облучения их освещают видимым светом
(Setlow et а!., 1965). Предполагается, что повреждающее дей-
ствие образования димеров на клетки основано на ингибирова-
нии синтеза ДНК (Setlow, 1964).
Образование димеров, однако, не единственная причина инак-
тивации клеток при УФ-облучении. Так, например, среди фото-
продуктов, образующихся при облучении бактериальных спор,
димеры отсутствуют (Donnelan, Setlow, 1965). Другие типы по-
вреждений включают гидроксилирование цитозина и урацила,
образование цитозин — тиминовых аддуктов, сшивание ДНК с
белком, формирование поперечных сшивок в ДНК, а также раз-
рывы цепей и денатурацию ДНК- Несомненно, значение таких
повреждений возрастает при повышении интенсивности облуче-
ния. Опубликованы детальные обзоры, посвященные действию
УФ-излучения на ДНК (Rahn, 1972, 1973).
Солнечная радиация, достигающая земной поверхности, со-
держит мало ультрафиолетовых лучей с длиной волны, соответ-
ствующей максимуму поглощения ДНК. Поэтому некоторые ис-
следования были направлены на идентификацию повреждений,
ответственных за инактивацию биологических систем под дей-
ствием солнечной энергии. Результаты экспериментов с Е. coli
(Harm, 1966) свидетельствуют о том, что и в этом случае инак-
тивация в основном обусловлена индуцированным образованием
пиримидиновых димеров. Однако эффективность индукции под
действием солнечной радиации ниже, чем при 254 нм. Экспери-
менты с дрожжами показали, что повреждения, вызываемые сол-
нечным светом, подвержены фотореактивации, что наводит на
мысль об образовании пиримидиновых димеров (Resnick, 1970).
Недавно было установлено, что пиримидиновые димеры образу-
ются при облучении ДНК светом с длиной волны 365 нм (Tyrrel,
1973). Эти эксперименты были проведены, однако, с использо-
ванием очень высоких доз излучения (порядка 105 эрг-мм-2), и
поэтому их можно интерпретировать и по-другому.
Повреждения ДНК, вызываемые ионизирующим излучением,
подразделяются на две категории: непосредственные и опосредо-
ванные. Непосредственные повреждения представляют собой од-
ноцепочечные или двухцепочечные разрывы в ДНК; они относи-
тельно редки. Опосредованные повреждения возникают в связи
с образованием свободных радикалов, которые также вызывают
одноцепочечные и двухцепочечные разрывы. Эта реакция подав-
Интенсивное облучение
485
ляется гистидином или SH-содержащими соединениями (Strauss,
1968). Опосредованные повреждения возникают также под дей-
ствием другого класса свободных радикалов, которые химически
модифицируют пиримидиновые основания (Cerutti, 1974).
Есть данные в пользу того, что повреждение оснований вле-
чет за собой инактивацию Е. coli (Paterson, Setlow, 1972) и
М. radiodurans (Hariharan, Cerutti, 1972). В то же время один из
основных механизмов инактивации зрелых вирусов ионизирую-
щим излучением связан, как предполагают, с возникновением в
ДНК двухцепочечных разрывов, так как большинство одноцепо-
чечных разрывов репарируется. Работа, в которой образование
разрывов в ДНК фага Т7 исследовалось с помощью метода, по-
зволяющего отличить одно- и двухцепочечные разрывы по их
влиянию на константы седиментации нативной и денатурирован-
ной ДНК (Freifelder, 1966), показала, чт<? число инактивирован-
ных фаговых частиц было равно числу образовавшихся двухце-
почечных разрывов. Напротив, число одноцепочечных разрывов,
определенное по уменьшению молекулярного веса ДНК, денату-
рированной щелочью, не соответствовало числу летальных со-
бытий.
VI. МЕХАНИЗМЫ РЕПАРАЦИИ ДНК
В настоящее время считают, что в основе радиорезистент-
ности организмов лежат разнообразные внутриклеточные про-
цессы, участвующие в репарации поврежденной ДНК. Большую
ценность для исследования этих процессов представляет наличие
хорошо охарактеризованных мутантных штаммов, радиационная
чувствительность которых варьирует в чрезвычайно широких
пределах.
Со времени выделения радиационно-чувствительного мутан-
та Е. coli (Hill, 1958; Hill, Simson, 1961) было получено и оха-
рактеризовано множество таких же мутантов бактерий, дрож-
жей и других грибов, в том числе мутанты Neurospora crassa
(Chang, Tuveson, 1968), Aspergillus nidulans (Wright, Pateman,
1970), Saccharomyces cerevisiae (Cox, Parry, 1968; Snow, 1967),
Schizosaccharomyces pombe (Haefner, Howerey, 1967; Schiipbach,
1971; Nasim. Smith, 1975) и Coprinus lagopus (Rahman, Cowan,
1974). Кроме того, был получен новый класс мутантов Е. coli
(Kato, Kondo, 1979) и дрожжей (Nasim, Smith, 1975), чувстви-
тельных к ионизирующему излучению, но обладающих нормаль-
ной резистентностью к УФ-лучам.
При помощи генетических скрещиваний были получены двой-
ные и тройные мутанты дрожжей, у которых репаративная ак-
тивность полностью отсутствует (Fabre, 1971; Khan et al., 1970;
Nasim, Smith, 1974). Сравнительное исследование штамма дико-
486
Глава 11
го типа и сверхчувствительных двойных и тройных мутантов S. се-
revisiae показало, что если нормальный штамм довольно легко
переносит образование в ДНК почти 16 000 димеров (37% выжи-
вания), то двойные и тройные мутанты остаются резистентными
в присутствии не более 50 и 1 димера соответственно (Сох, Gaine,
1974). Пониженная резистентность таких двойных и тройных му-
тантов служит убедительным свидетельством в пользу существо-
вания различных путей репарации радиационных повреждений.
Репаративные процессы у самых различных организмов, от
вирусов до линий клеток человека, детально рассматриваются в
опубликованных в последнее время обзорных статьях (Alder,
1966; Bridges, Munson, 1968; Cleaver, 1974; Grossman, 1974; Ha-
nawalt, 1968; Hanawalt, Haynes, 1967; Haynes, 1966; Haynes et
al., 1968; Howard-Flanders, 1964, 1968a, b, Howard-Flanders, Boy-
ce, 1966; Rupert, Harm, 1966; Setlow, 1966; Setlow, 1966, 1967;
Setlow, Setlow, 1972; Smith, 1971; Strauss, 1968). Здесь будет да-
но лишь краткое их описание.
В зависимости от того, участвует ли видимый свет в модифи-
кации повреждений ДНК, репарацию можно подразделить на
световую и темновую. Конкретно под световой репарацией пони-
мается феномен фотореактивации, впервые описанный у актино-
мицетов (Kelner, 1951). Механизм фотореактивации действует,
очевидно, только на пиримидиновые димеры. В этом процессе
участвует впервые выделенный и очищенный из пекарских дрож-
жей фермент (Muhammed, 1966), который связывается с димера-
ми. Образующийся фермент-субстратный комплекс активируется
видимым светом, что приводит к мономеризации димеров in situ.
Таким образом, летальный эффект УФ-облучения существенно
снижается, если облученные клетки подвергаются затем воздей-
ствию видимого света с длинами волн от 360 до 420 нм. Фермент
фотореактивации к настоящему времени выделен из самых раз-
нообразных организмов. Значение его широкого распростране-
ния обсуждается в одном из обзоров (Cook, 1970). У микроорга-
низмов не наблюдается четкой корреляции между общей радио-
резистентностью и их способностью (или неспособностью) к фо-
тореактивации. Высказывалось предположение, что у организ-
мов с высокоэффективной системой темновой репарации, та-
ких, как М. radiodurans, система фотореактивации отсутствует
(Smith, Hanawalt, 1969). Возможно, однако, такая корреляция
представляет собой скорее исключение, чем правило.
Фотореактивация схематически изображена на рис. 11.4. Она
служит мощным инструментом исследования летальных и мута-
ционных повреждений, так как их репарация под влиянием света
может быть использована в качестве критерия для решения во-
проса о том, обусловлена ли инактивация ДНК образованием
пиримидиновых димеров.
Фермент фотореактивации+
Ч-видимый свет
ДПШШШП1
Рис 11.4
488
Глава 11
К другому типу реактивации клеток видимым светом относит-
ся его защитное действие. В этом случае увеличение выживае-
мости клеток наблюдается при освещении их видимым светом пе-
ред УФ-облучением. Этот феномен объясняют тем, что видимый
свет индуцирует задержку клеточного деления (Jagger, 1958).
В результате такой задержки остается больше времени для ре-
парации повреждений, вызываемых УФ-облучением.
А. СИСТЕМЫ ТЕМНОВОЙ РЕПАРАЦИИ
Под «темновой репарацией» понимают репарацию без учас-
тия света. В настоящее время известны две системы такого типа:
эксцизионная репарация и менее изученная пострепликативная
рекомбинационная репарация. Репарация первого типа требует
присутствия ферментов, которые узнают нарушения структуры
ДНК, удаляют затронутые участки, замещая их нормальными
нуклеотидными последовательностями, и, наконец, восстанавли-
вают первоначальную структуру ДНК, замыкая полинуклеотид-
ную цепь. Действие разнообразных инактивирующих агентов на
клетки может приводить к возникновению в ДНК целого ряда
различных повреждений. Детальное изучение системы эксцизи-
онной репарации стало возможным благодаря наличию радиаци-
онно-чувствительных мутантов, с помощью которых удалось вы-
делить и охарактеризовать специфические ферменты, принимаю-
щие участие в разных стадиях этого процесса (Grossman, 1974).
Последовательные этапы эксцизионной репарации показаны на
рис. 11.5. У Е. coli имеется по крайней мере четыре таких этапа.
На первом этапе происходит разрыв цепи ДНК вблизи повреж-
дения под действием эндонуклеазы, узнающей нарушения струк-
туры ДНК. Такая УФ-специфическая эндонуклеаза была выде-
лена из Micrococcus luteus и Е. coli (Grossman, 1974; Braun,
Grossman, 1974). За разрывом цепи ДНК следует удаление пи-
римидиновых димеров, осуществляемое экзонуклеазой. Удаление
димеров сопровождается дополнительной деградацией ДНК с
образованием брешей, размеры которых варьируют от 20 до
400 нуклеотидов. Затем бреши заполняются с помощью ДНК-по-
лимеразы, использующей в качестве матрицы интактную компле-
ментарную цепь ДНК. Заключительный шаг в этой последова-
тельности событии состоит в восстановлении целостности поли-
нуклеотиднои цепи в результате сшивания разрыва лигазой. Бо-
лее подробное рассмотрение эксцизионной репарации можно
найти в недавно опубликованных обзорах (Grossman, 1974; Set-
lov, Setlov, 1972).
Второй тип темновой репарации — пострепликативная ре-
комбинационная репарация — был впервые описан Товард-Флен-
дерсом (Howard-Flanders, 1968а). Как указывает само название,
Интенсивное облучение
489
Разрыв-
— Модифи-
кация
цепи
Рис. 11.5
эта репаративная система устраняет повреждения в ДНК после
того, как произошла ее репликация. Сообщалось (Howard-Elan-
ders, 1968а), что клеточная система репликации способна «обхо-
дить» некоторые из димеров в матричной цепи ДНК, оставляя
в растущей цепи бреши, расположенные напротив каждого из
них. Было экспериментально показано, что число брешей, воз-
никающих таким путем, примерно соответствует числу димеров в
ДНК (Rupp, Howard-Flanders, 1968). В результате процесса,
сходного с рекомбинацией и включающего обмен между сест-
ринскими нитями, образуется ДНК с двумя интактными цепями.
В более позднем исследовании (Ganesan, 1974) было обнаруже-
но, что при заполнении брешей происходит обмен между облу-
ченной родительской цепью ДНК и необлученной дочерней
цепью. Кроме того, в этой работе было установлено, что для об-
разования интактных, не содержащих димеры молекул ДНК, за-
полнение брешей не обязательно, вместо этого концентрация ди-
меров может просто постепенно снижаться в ходе последователь-
ных циклов репликации ДНК после облучения.
Получены мутанты бактерий и дрожжей, чувствительные к
летальному действию ионизирующего излучения, но не чувстви-
тельные к ультрафиолетовым лучам. Их существование рассмат-
ривается как свидетельство того, что какие-то промежуточные
490
Глава 11
этапы репарации повреждений, вызываемых каждым из этих ви-
дов излучения, различаются между собой. Показано, что мутан-
ты бактерий, чувствительные к рентгеновскому излучению, не
способны репарировать одноцепочечные разрывы в ДНК (Карр,
Smith, 1970; McGiath, Williams, 1966). О механизме (механиз-
мах) репарации повреждений, вызываемых ионизирующим излу-
чением, известно меньше, чем о репаративных механизмах, дей-
ствующих при ультрафиолетовом облучении.
Сравнение репаративных систем прокариот и эукариот пока-
зывает, что у эукариот эти механизмы значительно более слож-
ны. Это усложнение заметно даже у таких примитивных эука-
риотических организмов, как дрожжи. Известно, что у S. cerevi-
siae на радиационную чувствительность влияет 32 генетических
локуса (Сох, Раггу, 1968; Game, Сох, 1972), а у делящихся дрож-
жей Schizosaccharomyces pombe радиационная чувствительность
находится под воздействием 22 независимых локусов (Nasim,
Smith, 1975).
О факторах, определяющих эффективность систем темновой
репарации у разных организмов, известно мало. Представляется
вероятным, что она зависит от числа молекул различных фермен-
тов репарации, приходящихся на одну клетку. Среди других фак-
торов можно назвать эффективность действия этих ферментов и
степень деградации ДНК в точках повреждений.
VII, Micrococcus radiodurans
Наши представления о системах репарации ДНК основаны
главным образом на исследованиях радиочувствительных мутан-
тов различных организмов. Эти представления применимы и к
встречающимся в природе видам микроорганизмов с высокой
резистентностью. Экспериментальные данные свидетельствуют о
существовании положительной корреляции между радиорезис-
тентностью и эффективностью репаративных систем.
В настоящем обзоре мы сконцентрируем внимание на М. radio-
durans как примере организма с высокой резистентностью и эф-
фективными репаративными системами. Доза Уф-излучения, не-
обходимая для инактивации 90% клеток УФ-резистентного штам-
ма Е. coli [К 12 АВ 1157], составляет около 1000 эрг-мм-2 (Воусе,
Howard-Flanders, 1964), в то время как для достижения такого
же эффекта у М. radiodurans требуется доза 10 000 —
15 000 эрг-мм-2. Сходный результат получен и для ионизирующе-
го излучения: гибели клеток не наблюдается при их облучении в
такой высокой дозе, как 5-105 рад (Moseley, Laser, 1965).
В настоящее время выделены по крайней мере три других ра-
диорезистентных вида из рода Micrococcus. Один из них был по-
лучен из облученного филе пикши (Davis et al., 1963). Существу-
Интенсивное облучение
491
ют гладкие и шероховатые штаммы этого кокка, а также штаммы
со значительно сниженным содержанием пигмента. Гладкий
штамм более резистентен к у-излучению, чем шероховатый, и при
высоких дозах радиации его резистентность сравнима с резис-
тентностью М. radiodurans. Еще один вид был обнаружен в воз-
духе (Levis, 1971). Исключительно радиорезистентный окрашен-
ный в оранжево-красный цвет представитель Micrococcus был
выделен из облученного индоокеанского бомбили (Harpodon
nehereus). Этот штамм был обозначен как Micrococcus radiophi-
lus (Levis, 1973); он более резистентен к у-излучению, чем М. ra-
diodurans (Lewis, 1971).
Исключительная резистентность М. radiophilus вызывает осо-
бый интерес, исследование кривых выживания выявило очень
длинное плечо, выходящее за пределы 1,5 мрад. Этот организм
обладает наивысшей резистентностью к у-излучению по срав-
нению со всеми изученными до сих пор микроорганизмами. Для
него характерна также необычайная резистентность к УФ-излуче-
нию, превышающая резистентность всех исследованных в этом
отношении бактерий. Кривая выживания при УФ-облучении сос-
тоит из трех компонентов (Lewis, Kumta, 1972): очень длинного
плеча, доходящего до 9000 эрг-мм-2, экспоненциальной части и
выраженного «хвоста», который начинается при 25 000 эрг-мм-2 и
тянется значительно дальше 50 000 эрг-мм-2. Наличие большого
плеча указывает на существование исключительно эффективной
клеточной системы репарации. Хотя потенциально этот новый
штамм представляет огромный интерес, с ним до сих пор не про-
водились биохимические исследования репарации.
За последнее десятилетие репаративная система М. radiodu-
rans была детально изучена. Обсуждались различные возмож-
ные причины его резистентности к УФ-облучению (Setlow, Dug-
gan, 1964). В качестве таковых рассматривались экранирование
ДНК другими поглощающими соединениями; резистентность, при-
сущая самой ДНК в силу особенностей ее структуры; высокая
эффективность репаративных механизмов, а также высокая сте-
пень плоидности. Для того чтобы сделать выбор между этими
возможностями, исследовались кривые выживания, образование
тиминовых димеров как функция дозы УФ-излучения, нуклеотид-
ный состав ДНК и кинетика синтеза ДНК после облучения.
Экспериментально показано, что в ДНК М. radiodurans при УФ-
облучении индуцируется приблизительно втрое меньше тимино-
вых димеров, чем в ДНК Е. coli. Частично эта разница в димери-
зации обусловлена различиями в нуклеотидном составе ДНК
этих микроорганизмов: у М. radiodurans отношение G + C/A-i-T в
1,6 раза больше, чем у Е. coli (Белозерский, Спирин, 1960). Воз-
можно, имеет значение также разница в поглощении УФ-излуче-
ния в расчете на одну клетку. Показано, что эта величина не-
492
Глава 11
сколько меньше для М. radiodurans, чем для Е. coli. Неизвестно,
полностью ли трехкратная разница в димеризации тимина обус-
ловлена различиями в нуклеотидном составе ДНК и поглощении
УФ-излучения в расчете на одну клетку. Во всяком случае сам
факт уменьшения числа образующихся димеров совершенно не-
достаточен для объяснения более высокой радиорезистентности
М. radiodurans.
При сравнении влияния УФ-облучения на последующий
синтез ДНК в клетках М. radiodurans и Е. coli выясни-
лось, что одинаковая по продолжительности задержка реплика-
ции ДНК возникает у них тогда, когда клетки М. radiodurans
облучают в дозе, величина которой в 20 раз превышает соответ-
ствующую величину для Е. coli (Setlow, Duggan, 1964). Было
высказано предположение, что это различие обусловлено
очень высокой эффективностью удаления димеров тимина
у М. radiodurans. Биохимическое исследование репарации
повреждений ДНК, вызываемых УФ-излучением, показало, что
димеры тимина вырезаются из клеточной ДНК до возобновления
ее репликации (Bolling, Setlow, 1966). Был сделан следующий
вывод: механизм вырезания пиримидиновых димеров у этой бак-
терии настолько эффективен, что гибель клеток происходит по
каким-то другим причинам, к числу которых может относиться,
например, модификация дезоксицитидина и белков.
Были выделены два мутанта М. radiodurans с высокой чувст-
вительностью к УФ-излучению (Moseley, 1967). Показано, что они
чувствительны также к ионизирующему излучению и химическо-
му мутагену нитрозогуанидину. Установлено, что вырезание ди-
меров и репарация одноцепочных разрывов у этих мутантов осу-
ществляется менее эффективно (Moseley, 1969; Moseley, Mattin-
gly, 1971; Bonura, Bruce, 1974).
Мутирование M. radiodurans подробно не изучалось. Повы-
шенная резистентность этого организма к летальному действию
облучения явно сопровождается его повышенной резистентностью
к индуцированному мутагенезу. Для некоторых радиационно-чув-
ствительных мутантов Е. coli было показано, что характерная для
них высокая мутабильность сопутствует их повышенной чувстви-
тельности к летальному действию облучения (Witkin, 1966). Воз-
можности для подобных исследований М. radiodurans были лими-
тированы недостатком хорошо охарактеризованных систем
мутаций и отсутствием систем для генетического анализа. Тем не
менее индуцирование мутаций у М. radiodurans изучалось с ис-
пользованием прямых мутаций дикого типа, обусловливающих
резистентность бактерий к триметоприму, а также реверсий тем-
пературно-чувствительных мутаций (Sweet, Moseley, 1974). Ни
штамм дикого типа, ни температурно-чувствительный мутант не
дают мутаций при УФ-облучении в такой высокой дозе, как
Интенсивное облучение
493
15 000 эрг. Напротив, у Е. coli В/г индуцирование мутаций наблю-
дается при облучении в дозе 100 эрг (Witkin, 1969).
В другой работе исследовались мутации, сообщающие микро-
организмам резистентность к стрептомицину (Kerszman, 1975).
На уровне точности эксперимента возникновения мутаций под дей-
ствием ультрафиолетового или ионизирующего излучений заре-
гистрировано не было. Полученные результаты свидетельствуют
о том, что процесс репарации радиационных повреждений у
М. radiodurans исключительно точен и не допускает ошибок; этот
факт, по-видимому, заслуживает особого внимания и может иметь
значение для эволюции организмов.
Репарация повреждений ДНК, возникающих у М. radiodurans
под влиянием ионизирующего излучения, также изучена доста-
точно детально. При облучении в дозе 110 крад, вызывающей
значительные физико-химические изменения в ДНК Е. coli В/г,
выживание М. radiodurans составляет 100% (Alexander et al.,
1964).
Хотя большинство микроорганизмов не способно репариро-
вать двухцепочные разрывы ДНК (Kaplan, 1966), М. radiodurans,
возможно, обладает способностью к репарации таких разрывов,
индуцируемых у-лучами, чем и объясняется его высокая резис-
тентность к ионизирующему излучению. Ряд исследователей, при-
менив различные экспериментальные подходы, получили к на-
стоящему времени доказательства способности этой бактерии ре-
парировать двухцепочные разрывы в ДНК (Burrel et aL, 1971;
Dean et aL, 1966; Kitayama, Matsuyama, 1968). Правда, с коли-
чественной стороны в этих данных имеются некоторые неясности,
связанные с тем, что для определения молекулярного веса натив-
ной ДНК, выделенной из клеток, облученных рентгеновскими
лучами, используются методы, в которых ДНК подвергается воз-
действию гидродинамических сил, в результате чего некоторые
двухцепочечные разрывы могут образоваться из одноцепочечных;
однако в целом аргументы в пользу репарации двухцепочечных
разрывов весьма убедительны.
Изучение энзимологии репарации радиационных поврежде-
ний у этой бактерии только начинается. Представлены данные,
свидетельствующие о том, что радиационно-чувствительный му-
тант UV17 дефектен в отношении ДНК-полимеразной активности,
которая составляет у него 1—2% активности дикого типа. Радиа-
ционно-резистентные мутантные штаммы, полученные из штамма
UV17 при обработке его нитрозогуанидином, имели нормальный
уровень активности этого фермента (Gentner, 1973 и личное со-
общение). Ионизирующее излучение индуцирует у М. radiodurans
освобождение связанной с клеточной поверхностью экзонуклеазы
(Gentner, Michel, 1975). Хотя данная экзонуклеаза и не участвует
в пострадиационной деградации ДНК, это явление можно рас-
494
Глава 11
сматривать как модель освобождения связанных с мембранами
репаративных ферментов после облучения. Более подробное
исследование энзимологии репарации ДНК у М. radiodurans бы-
ло бы полезным для углубления нашего понимания молекуляр-
ных основ радиорезистентности.
VIII. РАДИАЦИОННО-РЕЗИСТЕНТНЫЕ ШТАММЫ
При изучении радиорезистентности использовались и другие
виды бактерий. Результаты исследований весьма сходны с полу-
ченными для М. radiodurans. Опыты с использованием штамма
Salmonella typhimurium, который по резистентности к у-излуче-
нию в 20 раз превосходит штамм дикого типа (Davis et al., 1973),
показали, что за 4 ч инкубации, проведенной после облучения
клеток в дозах 20—50 крад, у штамма дикого типа деградации
подвергалось 30—50% ДНК, а у радиорезистентного штамма ме-
нее 15%. Пострадиационный синтез ДНК в клетках штамма ди-
кого типа снижался при дозе облучения 20 крад и полностью
подавлялся при дозе 200 крад; при облучении клеток радиорезис-
тентного штамма в дозе 200 крад наблюдалась лишь задержка,
но не полное ингибирование синтеза ДНК. При равных дозах
ионизирующей радиации в ДНК нормального и резистентного
штаммов первоначально возникало равное количество одноцепо-
чечных разрывов. Однако у резистентного штамма разрывы ре-
парировались намного более эффективно. Таким образом, эти
данные соответствуют представлению о том, что радиорезистент-
ность организма в основном определяется эффективностью репа-
рации. Вместе с тем следует отметить сходное исследование с
использованием Salmonella thompson (Allwood, Jordan, 1970),
которое показало, что резистентность мутантного штамма не свя-
зана прямо с его способностью репарировать разрывы. Интерес-
но, что для этого штамма, обозначенного Salmonella thompson/r,
характерны те же морфологические аномалии, что и для резис-
тентных к у-излучению штаммов Е. coli. Причина повышенной
резистентности этого штамма Salmonella thompson неясна.
Большая работа была проведена с мутантами Е. coli, уже упо-
минавшимися в разделе, посвященном вариациям радиационной
чувствительности. В экспериментах по оценке эффективности ре-
парации у трех таких штаммов определялась скорость синтеза
ДНК после облучения. При облучении в низких дозах (10—
30 крад) у штамма Е. coli дикого типа (D37=4 крад) и штам-
ма 1 у (D37=20 крад) наблюдалось постоянное снижение ско-
рости синтеза ДНК на 70—90%. У Е. coli 12у (D37=35 крад) было
отмечено временное ингибирование синтеза ДНК, а у наиболее
резистентного штамма Е. coli бу (D37 = 50 крад) —20%-ная сти-
муляция. В сходном исследовании были обнаружены значитель-
Интенсивное облучение
495
ные различия в скорости и степени деградации ДНК у этих
штаммов (Stavric et al., 1968). Очевидно, что синтез и деграда-
ция ДНК имеют непосредственное отношение к радиорезистент-
ности. Для Е. coli было показано, что у резистентного штамма
деградирует меньше ДНК, чем у чувствительного (Shaffer,
McGrath, 1965).
У двух штаммов Е. coli исследовалось образование и репара-
ция разрывов цепей ДНК (Stavric et al., 1971). Штамм дикого
типа и радиорезистентный мутант облучали возрастающими до-
зами у-лучей и прослеживали постепенное уменьшение скорости
седиментации ДНК, указывающее на возникновение одноцепочеч-
ных разрывов. Скорость седиментации ДНК из облученных кле-
ток радиорезистентного мутанта восстанавливалась до ее перво-
начального значения в течение определенного периода роста пос-
ле облучения. Этого не наблюдалось с облученными клетками
исходного штамма, что свидетельствует о его неспособности репа-
рировать большинство разрывов цепей.
Значимость таких исследований ограничена в связи с тем, что
резистентные штаммы неполно охарактеризованы генетически.
Это ограничение затрудняет интерпретацию полученных данных
с точки зрения радиорезистентности. Однако, поскольку выводы
из экспериментов с искусственно полученными штаммами в ос-
новном совпадают с тем, что известно о встречающемся в природе
М. radiodurans, они могут расцениваться как дополнительное до-
казательство существования положительной корреляции между
эффективностью репарации и радиорезистентностью.
IX. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ
Стимулом для исследования реакции микроорганизмов на об-
лучение послужило стремление решить проблемы, связанные с
опасностью радиации для человечества. Можно было надеяться,
что подобные исследования внесут свой вклад в понимание фун-
даментальных механизмов инактивации клеток и репарации по-
вреждений, индуцируемых излучением. В этом смысле работы
такого рода оказались весьма успешными.
Клеточные механизмы защиты от повреждающего действия
радиации настолько широко распространены у микроорганизмов,
что трудно оценить опасность, которую представляет для них этот
фактор среды. Только тогда, когда защитные механизмы почему-
либо не действуют, становятся очевидными реальные размеры
опасности, исходящей в основном от коротковолновой части сол-
нечного спектра. Не удивительно поэтому, что начало выяснению
природы радиорезистентности было в значительной мере поло-
жено обнаружением радиационно-чувствительных мутантов. Та-
кие мутанты не только позволили выявить опасность радиации,
496
Г лава 11
но и послужили средствами для исследования механизмов, сдер-
живающих эту опасность.
Накопленная в настоящее время информация свидетельствует
о том, что инактивация клеток, вызываемая облучением в отно-
сительно низких дозах, обусловлена главным образом поврежде-
нием ДНК- Это заключение подтверждается тем, что у прокариот
большинство изученных радиационно-чувствительных мутантов
дефектны по функциям, имеющим отношение к ДНК. Кроме того,
исследование таких мутантов показало, что резистентность обыч-
но достигается не в результате защиты ДНК от индукции пов-
реждений, а скорее благодаря действию механизмов, репарирую-
щих ДНК после того, как повреждения возникли. По существу
в настоящее время представляется вероятным, что чисто защит-
ные механизмы имеют ограниченное значение, так как попытки
связать радиорезистентность с такими факторами, как пигмента-
ция, уровень каталазной активности и другие метаболические
характеристики клеток, показали, что вклад этих факторов не-
велик.
Внимание исследователей было сосредоточено на механизмах,
участвующих в исправлении повреждений, вызываемых облуче-
нием. Известны три независимые системы репарации поврежде-
ний ДНК, индуцируемых облучением. Одна из них представляет
собой обратную фотохимическую реакцию, происходящую под
действием видимого света и фотореактивирующего фермента;
вторая — вырезание и замещение поврежденного участка ДНК
до ее репликации, а третья — пострепликативную репарацию.
Первый из упомянутых механизмов действует только на пирими-
диновые димеры, индуцируемые ионизирующим излучением. Мно-
гие организмы для защиты от неблагоприятного воздействия ра-
диации используют все три системы.
У низших эукариот связь между радиационной чувствительно-
стью и неспособностью репарировать ДНК менее очевидна; хотя
чувствительных мутантов выявлено гораздо больше, лишь немно-
гие из них исследованы подробно. Тем не менее основная часть
данных свидетельствует о том, что и у этих организмов репара-
ция ДНК служит основным механизмом, обеспечивающим рези-
стентность. Можно предположить, что наличие большего числа
различных мутантов у эукариот — следствие повышенной слож-
ности регуляторных систем, характерной для данных организмов.
Безусловно, в этой области исследований можно ожидать значи-
тельного прогресса.
Несмотря на то что репаративные механизмы имеются у всех
исследованных в этом отношении микроорганизмов, последние
различаются по своей способности переносить облучение. Самый
яркий пример такой вариабельности — исключительно высокая
резистентность М. radiodurans и родственных ему видов. Явное
Интенсивное облучение
497
отсутствие корреляции между степенью резистентности и дозами
излучения, которые организм получает в обычных условиях, дает
основание предполагать, что репаративные системы важны для
клеточных функций, не имеющих прямого отношения к радиации.
Это предположение не снижает, конечно, ценности такого орга-
низма, как М. radiodurans, в качестве объекта для исследования
резистентности. Действительно, изучение этой бактерии укрепило
представление о том, что резистентность коррелирует со способ-
ностью к репарации.
Особый интерес представляют мутанты, обладающие еще
большей резистентностью к облучению, чем встречающиеся в при-
роде штаммы, из которых они получены. Эти мутанты изучены не
столь систематически, как чувствительные. Детальный анализ
таких штаммов, несомненно, позволит еще глубже понять приро-
ду радиорезистентности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы благодарны мисс Т. Бричси (Т. Brychcy), миссис
Е. Инхейбер (Е. Inhaber) и д-рам П. Даку (Р. Duck), Н. Гептнеру
(N. Gentner), М. Хэннану (М. A. Hannan) и М. Патерсону
(М. С. Paterson) за многочисленные ценные замечания и крити-
ческое прочтение рукописи.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Alder И. I. (1966). The Genetic Control oi Radiation Sensitivity in Microorga-
nisms. In: Advances in Radiation Biology (Eds. L. G. Augenstein, R. Ma-
son and M. Zelle), Vol. 2, pp. 167—191, Academic Press, New York and
London.
Alexander P., Dean C. J., Hamilton L. D. G., Lett J. T., Parkins G. (1964). Cri-
tical structures other than DNA as sites tor primary lesions of cell death
induced by ionizing radiations. In: Proceedings of the Symposium of Fun-
damental Concer Research, Baltimore, p. 241. Williams and Wilkins, Bal-
timore.
Allwood M. C., Jordon D. C. (1970). Apparent absence of relationship between
repair of single strand breaks in DNA and gamma radiation resistance
in Salmonella thompson, Arch. Mikrobiol., 70, 161—166.
Anderson A. W„ Nordan H. C„ Cain R. F., Parrish G„ Duggan D. (1956). Stu-
dies on a radio-resistant Micrococcus. I. Isolation morphology, cultural
characteristics and resistance to gamma radiation, Food Technol., 10. 575—
578.
Anderson A. W., Raj H. D., Wagn С. H„ Duryee F. L., Elliker P. R. (1969).
Carbohydrate catabolism of a radiation-resistant bacterium, Bacteriol.
Proc., 59, 20.
Bacq Z. M., Alexander P. (1961). Fundamentals of Radiobiology, 389 pp, Per-
gamon Press, Oxford.
Barnhart B. J., Cox S. H. (1968). Radiation-sensitive and radiation-resistant mu-
tants of Haemophilus influence, J. Bacteriol., 96, 280—282.
BEIR Report. (1972). The Effects on Populations of Exposure to Low Levels
of Ionizing Radiation: Report of the Advisory Committee on the Biologi-
498
Глава 11
cal Effects of Ionizing Radiations, National Academy of Sciences, Natio-
nal Research Council, Washington, D. C.
Белозерский A. H„ Спирин A. C. (I960). In: The Nucleic Acids (Eds. E. Char-
goff and J. N. Davidson), Vol. 3, 147 pp. Academic Press, London and
New York.
Beukers R., Berends W. (1961). The effects of UV irradiation on nucleic acids
and their components, Biochim. Biophys, Acta, 49, 181—189.
Bitten D., Fletcher M. M. (1974). Inactivation of dark-repair-deficient mutants
of Escherichia coli by sunlight, Int. J. Radiat. Biol., 26, 73—76.
Bolling M. E. Setlow J. K. (1966). The resistance of Micrococcus radiodurans to
ultraviolet radiation, III. A repair mechanism, Biochim. Biophvs. Acta
123,26—33.
Bonura T., Bruce A. K. (1974). The repair of single strand breaks in a radio-
sensitive mutant of Micrococcus radiodurans, Radiat. Res., 57, 260—275.
Boyce R. P., Howard-Flanders P. (1964). Release of ultraviolet light-induced
thymine dimers from DNA in E. coli K-12, Proc. Natl. Acad. Sci., USA»
51, 293—300.
Braun A., Grossman L. (1974). An endonuclease from Escherichia coli that acts
preferentially on UV-irradiated DNA and is absent from the uvr A and
uvr В mutants, Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 71, 1838—1842.
Bridges B. A., Munson R. J. (1968). Genetic radiation damage and its repair in
Escherichia coli. In: Radiation Research (Eds M. Ebert and A. Howard),
Vol. 4, pp. 95—188, Academic Press, London and New York.
Bruce A. K. (1964). Extraction of a radio-resistant factor of Micrococcus radio-
durans, Radiat. Res., 22, 155—164.
Burrell A. D., Feldschreiber P., Dean C. J. (1971). DNA-membrane association
and the repair of double breaks in X-irradiated Micrococcus radiodurans,
Biochim. Biophys. Acta, 247, 28—53.
Caldwell M. M. (1971). Solar UV irradiation and the growth and development
of higher plants. In: Photophysiology (Ed. A. C. Giese), Voy. 6, pp. 131—
177, Academic Press, New York and London.
Cerutti P. A. (1974). Excision repair of DNA base damage, Life Sci., 15, 1567—
1575.
Chang L., Tuveson R. IF. (1968). Ultraviolet-sensitive mutants in Neurospora
crassa, Genetics, 56, 801—810.
Clarke J. B. (1952). Catalase activity in Escherichia coli, J. Bacteriol., 64, 527—
530.
Clayton R. K„ Bryan W. C., Frederick A. C. (1958). Some effects of ultraviolet on
respiration in purple bacteria, Arch. Mikrobiol., 29, 213—226.
Cleaver J. E. (1974). Repair processes for photochemical damage in mammalian
cells. In: Advances in Radiation Biology (Eds. J. T. Lett, H. Adler and
M.'Zelle), Vol. 4, pp. 1—75, Academic Press, New York and London.
Cook J. S. (1970). Photoreactivation in animal cells. In: Photophysiology (Ed.
A. C. Giese), Vol. 5, p. 191—223, Academic press, New York and London.
Cox B. S., Game, J. (1974). Repair systems in Saccharomyces. Mutat. Res., 26,
257—264. . , , ± x
Cox B. S., Parry J. M. (1968). The isolation, genetics and survival characteristics
of ultraviolet light-sensitive mutants in yeast, Mutat. Res., 6, 37—55.
Cutchis P. (1974). Stratospheric ozone depletion and solar ultraviolet radiation
on earth, Science, 184, 13—19.
Davies R„ Sinskey A. J., Botstein D. (1973). Deoxyribonucleic acis repair in a
highly radiation-resistant strain of Salmonella typhimurium, J. Bacteriol.,
114, 357—366. „ x. . , x
Davis N. S., Silverman G. J. .Masurovsky E. B. (1963). Radiation resistant,
pigmented coccus isolated from haddock tissue, J. Bacteriol., 86, 294 298.
Dean C. J., Feldschreiber P„ Lett 1. T. (1966). Repair of X-ray damage to the
deoxyribonucleic acid in Micrococcus 'adtodurans, Nature, Lond., 209,
49—52.
Интенсивное облучение
499
de Serres F. J. (1961). Some aspects of the influence of environment on the
radio sensitivity of microorganisms, Symp. Soc. Gen. Miciobiol., 11, 196—
216.
Dickie N., Dennis D. A., Thatcher F. S. (1968). Effect of P. fluor о phenylalanine
on radiation sensitivity in Escherichia coli, Can. J. Microbiol., 14, 799—803.
Donnellan J. E., Jr., Setlow R. B. (1965). Thymine photoproducts but not thymi-
ne dimers found in ultraviolet-irradiated bacterial spores, Science, 149,
308—310.
Duryee F. L., Raj H. D., Wang С. H., Anderson A. W., Elliker P. R. (1961). Car-
bohydrate metabolism in Micrococcus radiodurans. Can. J.. Microbiol., 7,
799—805.
Epstein I. H. (1970). Ultraviolet carcinogenesis. In: Photophysiology (Ed.
A. C. Giese), Vol. 5, pp. 235—273, Academic Press, New York and London.
Erdman I. E., Thatcher F. S., MacQueen K. F. (1961). Studies on the irradiation
of microorganisms in relation to food preservation. II. Irradiation resi-
stant mutants, Can. J. Microbiol., 7, 207—215.
Fabre F. (1971). A UV supersensitive mutant in the yeast Schizosaccharomyces
pombe: Evidence for two repair pathways, Mol. Gen. Genet., 110, 134—143.
Fowler E. B., Christenson C. W., Jurwey E. T., Schafer W. D. (1960). Bacterial
“infection” of the omega west reactor, Nucleonics, 18, 102—105.
Freifelder D. (1965). Mechanism of inactivation of coliphage T7 by X-rays, Proc.
Natl. Acad. Sci., USA, 54, 128—134.
Freifelder D. (1966). Lethal changes in bacteriophage DNA produced by X-rays,
Radiat. Res. Suppl., 6, 80—96.
Gaden E. L., Henley E. J. (1953). Induced resistance to gamma irradiation in
E. coli, J. Bacteriol., 65, 727—732.
Game J. С., Cox B. S. (1972). Epistatic interactions between four rad loci in
yeast, Mutat. Res., 16, 353—362.
Game J. C., Mortimer R. K- (1974). A genetic study of X-ray sensitive mutants
in yeast, Mutat. Res., 24, 281—292.
Ganesan A. K. (1974). Persistance of pyrimidine dimers during post-replication
repair in ultraviolet light-irradiated Escherichia coli K12, J. Mol. Biol, 87,
103—119.
Gates F. L. (1933). The reaction of individual bacteria to irradiation with ultra-
violet light, Science, 77, 350.
Gentner N. E. (1973). DNA polymerase of Micrococcus radiodurans and its rela-
tion to repair of radiation damage, Fed. Proc., 32, 452.
Gentner N. E., Mitchel R. E. J. (1975). Ionizing radiation induced release of a
cell surface nuclease from Micrococcus radiodurans, Radiat. Res., 61,
204—215.
Grossman L. (1974). Enzymes involved in the repair of DNA, In: Advances in
Radiation Biology (Eds. J. T. Lett., H. Adler and M. Zelle), Vol. 4, pp. 77—
129, Academic Press, New York and London.
Gunter S. E., Kohn H. I. (1965). The effect of X-rays on the survival of bacteria
and yeast, J. Bacteriol., 71, 571—581.
Haefner K-, Howerey L. (1967). Gene controlled uv sensitivity in Schizosaccha-
romyces pombe, Mutat. Res., 4, 219—221.
Hanawalt P. C. (1968). Cellular recovery from photochemical damage. In: Photo-
physiology (Ed. A. C. Giese), Vol. 4, pp. 203—251, Academic Press, London
and New York.
Hanawalt P C., Haynes R. H. (1967). The repair of DNA, Sci. Am., 216, 36—43.
Hariharan P. V., Cerutti P. A. (1972). Formation and repair of X-rays-induced
thymine damage im Micrococcus radiodurans, J. Mol. Biol., 66, 65—81.
Harm W. (1966). Repair effects in phase and bacteria exposed to sunlight, Ra-
diat. Res. Suppl., 6, 215.
Harm IF. (1969). Biological determination of the germicidal activity of sunlight,
Radiat. Res., 40, 63—69.
Haynes R. H. (1964). Molecular localization of radiation damage relevant to
500
Глава 11
bacterial inactivation. In: Physical Processes in Radiation Biology (Eds
L. Augenstein, R. Mason and B. Rosenberg), pp. 51—72, Academic Press,
New York and London.
Haynes R. H. (1966). The interpretation of microbial inactivation and recovery
phenomena, Radiat. Res. Suppl., 6, 1—29.
Haynes R. H„ Baker R. M., Jones G. E. (1968). Genetic implications of DNA
repair. In: Energetics and Mechanisms in Radiation Biology (Ed.
G. O. Philips), pp. 425—465, Academic Press, London and New York.
Hill R. F. (1958). A radiation-sensitive mutant of Escherichia coli, Biochim.
Biophys. Acta., 30, 636—637.
Hill R. F., Simson E. (1961). A study of radiosensitive and radioresistant mu-
tants of Escherichia coli strain B., J. Gen. Microbiol., 24, 1—14.
Hollasnder A., Emmons C. W. (1941). Wavelength dependence of mutation pro-
duction in the ultraviolet with special emphasis on fungi, Cold Spring
Harbor Symp. Quant. Biol., 9, 179—186.
Howard-Flanders P. (1964). Molecular mechanisms in the repair of irradiated
DNA, J. Genet., 40, 256—263.
Howard-Flanders P. (1968a). DNA repair, Ann. Rev. Biochem., 37, 175—200.
Hiward-Flanders P. (1968b). Genes that control DNA repair and genetic recom-
bination in Escherichia coli, Adv. Biol. Med. Phys., 12, 299—317.
Howard Flanders P., Boyce R .P. (1966). DNA repair and genetic recombination:
Studies on mutants of Escherichia coli defective in these processes, Radiat. Res.
Suppl., 6, 156—184.
Hutchinson F. (1966). The molecular basis for radiation effects on cells, Cancer
Res, 26, 2045—2052.
Hutchinson F., Pollard F. C. (1961). Target theory and radiation effects on bio-
logical molecules. In: Mechanisms in Radiobiology (Eds. M. Errera and
A. Forssberg), Vol. 1, pp. 71—92, Academic Press, New York and London.
Idziak E. S., Thatcher F. S. (1964). Some physiological aspects of mutants of
Escherichia coli resistant to gamma irradiation, Can. J. Microbiol, 10,
683—697.
Jagger J. (1958). Photoreactivation, Bacteriol. Rev, 22, 99—142.
Kaplan H. S. (1966). DNA strand scission and loss of viability after X-irradiation
of normal and sensitized bacterial cells, Proc. Natl. Acad. Sci, USA, 55,
1442—1446.
Kaplan H. S., Moses L. E. (1964). Biological complexity and radiosensitivity.
Science, 145, 21—25.
Kaplan H. S., Zavarine R. (1962). Correlation of bacterial radiosensitivity and
DNA base composition, Biochem. Biophys. Res. Common, 8, 432—436.
Kaplan H. S., Smith К. C., Tomlin P. A. (1962). Effect of halogenated pyrimidines
on radiosensitivity of E. coli, Radiat. Res, 16, 98—113.
Kapp D. S„ Smith К .C. (1970). Repair of radiation-induced damage in Esche-
richia coli, J. Bacteriol., 103, 49—54.
Kato T„ Kondo S. (1970). Genetic and molecular characteristics of X-ray-sensi-
tive mutants of Escherichia coli defective in repair synthesis, J. Bacteriol,
104, 871—881.
Kelner A. (1951). Revival by light, Sci. Am, 181, 22—25.
Kerszman Q. (1975). Induction of mutation to Streptomycin resistance in Micro-
coccus radiodurans, Mutat. Res, 28, 9—14.
Khan N. A., Brendel M„ Haynes R. H. (1970). Supersensitive double-mutants in
yeast, Mol. Gen. Genet, 107, 376—378.
Kilburn R. E„ Bellamy W. D., Terni S. A. (1958). Studies on a radiation-resistant
pigmented Sarcina sp, Radiat. Res, 9, 207—215.
Kimball R. F. (1957). Nongenetic effects of radiation on microorganisms, Ann.
Rev. Microbiol, 11, 199—220. «
Киселев П. H„ Кашкин К- П„ Болтакс Ю. Б., Битовская Г. А. (1961). Приоб-
ретение радиорезистентности микробными клетками, обитающими в
Интенсивное облучение
501
среде с повышенным уровнем естественной радиации, Микробиология,
30, 194—198.
Kitayama S., Matsuyama А. (1968). Possibility of the repair of double-strand
scissions in Micrococcus radiodurans DNA caused by gamma-rays, Bio-
chem. Biophys. Res. Commun., 33, 418—422.
Koller L. R. (1965). Ultraviolet Radiation (2nd ed.), 312 pp. Wiley, New York.
Krabbenhojt K. L., Anderson A. W., Elliker P. R. (1967). Influence of culture
media on the radiation resistance of Micrococcus radiodurans, Appl. Micro-
biol., 15, 178—185.
Kushner D. J. (1964). Microbial resistance to harsh and destructive environ-
mental conditions. In: Experimental Chemotherapy (Eds. R. J. Schnitzer
and F. Hawking), Vol. 2, pp. 114—168, Academic Press, New York and
London.
Lea D. E. (1955). Actions of Radiations on Living Cells (2nd ed.), 416 pp.,
Cambridge University Press, London and New York.
Lea D. E., Haines R. B., Coulson C. A. (1937). The action of radiations on bac-
teria. III. y-rays on growing and non-proliferating bacteria, Proc. R. Soc.
London, Ser. B, 123, 1—21.
Lewis N. F. (1971). Studies on a radio-resistant coccus isolated from Bombay
duck (Harpodon nehereus), J. Gen. Microbiol., 66, 29—35.
Lewis N. F. (1973). Radio-resistant Micrococcus radiophilus sp. nov. isolated
from irradiated Bombay duck (Harpodon nehereus), Curr. Sci., 42, 504.
Lewis N. F., Kumta U. S. (1972). Evidence for extreme UV resistance of Micro-
coccus sp. NCTC 10785, Biochem. Biophys. Res. Commun., 47, 1100—1105.
Lewis N. F., Madhavesh D. A., Kumta U. S. (1973). Role of caretenoid pigments
in radio-resistant micrococci, Can. J. Microbiol., 20, 455—459.
Licciardello J. J., Nickerson J. T. K., Goldblith S. A., Shannon C. A., Bishop W. W.
(1969). Development of radiation resistance in Salmonella cultures, Appl.
Microbiol., 18, 24—30.
Lozina-Lozinskiy L. K. (1973). Resistance of unicellular organisms to ultraviolet
radiation in relation to the problem of the existence of extraterrestrial
life, Nasa Tech. Transl. TTF, 719, 378—392.,
Luckiesh M. (1946). Applications of Germicidal Erythmal and Infrared Energy,
Vari Nostrand-Reinhold, Princeton, New Jersey.
Luckiesh M., Knowles T. (1948). Radiosensitivity of Esherichia coli to ultraviolet
energy (X 2537) as affected by irradiation of preceding cultures, J. Bacte-
riol., 55, 369.
Mathews M. M., Krinsky N. I. (1965). The relationship between carotenoid
pigments and resistance to radiation in non-photosynthetic bacteria,
Photochem. Photobiol., 4, 813—817.
Mathews M. M., Sistrom W. R. (1960). The function of the caretenoid pigments
in Sarcina lutea, Arch. Microbiol., 35, 139—146.
McGrath R. A., Williams R. W. (1966). Reconstruction in vivo of irradiated
Escheiichia coli deoxyribonucleic acid; the rejoining of broken pieces,
Nature, Lond., 212, 534—535.
Мирчинк T. Г., Кашкина Г. Б., Абатуров Ю. Д. (1971). Устойчивость грибов с
разными пигментами к облучению, Микробиология, 41, 83—86.
Moore Р. D. (1975). Radiation-sensitive pyrimidine auxotrophs of Ustilago
tnaydis. I. Isolation and characterization of mutants, Mutat. Res., 28,
355—366.
Mortimer R. K. (1961). Factors controlling the radiosensitivity of yeast cells,
Brookhaven Symp. Biol., 14, 62—75.
Moseley В. E. B. (1963). The variation in X-ray resistance of Micrococcus ra-
diodurans and some of its pigmented mutants, Int. J. Radiat. Biol., 6, 489.
Moseley В. E. B. (1967). The isolation and some properties of radiation-sensitive
mutants of Micrococcus radiodurans. J. Gen. Microbiol., 49, 293—300.
Moseley В. E. B. (1969). Repair of ultraviolet radiation damage in sensitive
mutants of Micrococcus radiodurands, J. Bacteriol., 97, 647—652.
502
Глава 11
Moseley В Е В, Laser Н (1965а) Repair of X ray damage in M radiodurans,
Proc R Soc Ser В , 162, 210—222
Moseley В E B, Laser H (1965b) Simihanty of repair of ionizing and ultra-
violet radiation damage in Micrococcus radiodurans, Nature, Lond 206
373—375
Moseley В E B, Mattingly A (1971) Repair of irradiated transforming deoxy-
ribonucleic acid in wild type and a radiation sensitive mutant of Micro-
coccus radiodurans, J Bacteriol, 105, 976—983
Moustacchi E (1965) Induction by physical and chemical agents of mutations
for radioresistance in Saccharomyces ceremsiae, Mutat Res , 2, 403—412
Muhammed A (1966) Studies on the yeast photoreactivating enzyme I A me-
thod for the large scale purification and some properties of the enzyme,
J Biol Chem ,241, 516—523
Nasim A, Smith В P (1974) Dark repair inhibitors and pathways for the
repair of radiation damage in Schizosaccharomyces pombe Mol Genet,
132, 13—22
Nasim A, Smith В P (1975) Genetic control of radiation sensitivity in
Schizosaccharomyces pombe, Genetics, 79, 573—582
Ogg J E, Adler H I, Zelle M R (1956) Protection of Escherichia coli against
UV irradiation by catalase and related enzymes, J Bacteriol, 72 494—496
Paterson M C, Setlow R В (1972) Endonucleolytic activity from Micrococcus
luteus that acts on у ray induced damage m plasmid DNA of Escherichia
coli minicells, Proc Natl Acad Sci USA, 69, 2927—2931
Patrick M H, Haynes R H, Uretz R В (1964) Dark recovery phenomena in
yeast I Comparative effect with various inactivating agents, Radiat Res,
21, 144—164
Pollard E C (1974) Cellular and molecular effects of solar ultraviolet radiation,
Photochem Photobiol, 20, 301—308
Pontefract R D, Thatcher F S (1964) A cytological study of normal and ra-
diation resistant Escherichia coli, Can J Microbiol, 11, 271—278
Pontefract R D, Thatcher F S (1970) An electron microscope study of meso-
somes in irradiation resistant mutants of Escherichia coll, J Ultrastruct
Res, 30, 78—86
Rahman M A , Cowan J IE (1974) Ultraviolet light sensitive mutants of Copn-
nus lagopus, Mutat Res , 23, 29—40
Rahn R О (1972) Ultraviolet irradiation of DNA In Concepts in Radiation
Cell Biology, pp 1—56, Academic Press, New York and London
Rahn R О (1973) Denaturation in ultraviolet irradiated DNA In Photophysiolo-
gy (Ed A C Ciese), Vol 8, pp 231—255, Academic Press, London and
New York
Raj H D , Duryee F L Deeney A M , Wang С H , Anderson A W , Elltker P R
(1960) Utilization of carbohydrates and amino acids by Micrococcus ra-
diodurans, Can J Microbiol, 6, 289—298
Resnick M A (1970) Sunlight induced killing in Saccharomyces ceremsiae,
Nature, Lond , 226, 377—378
Robern H, Thatcher Г S (1968) Nutritional requirements of mutants of Esche-
richia coli resistant to gamma-irradiation, Can J Microbiol, 14, 711—715
Robern H, Thatcher F S (1969) Gamma irradiation resistant mutants of
Escherichia coli modified enzyme synthesis repressible by argime and
uracil, Can J Microbiol, 15, 549—554
Robertson D F (1972) Ph D. thesis, University of Queensland,
Rupert C S, Harm W (1966) Reactivation after photobiological damage In
Advances in Radiation Biology (Eds L G Augenstein, R Mason and
M Zelle), Vol 2, pp 1—81, Academic Press, New York and London
Rupp W D, Howard-Flanders P (1968) Discontinuities in the DNA synthesized
in an excision defective strain of Escheriehia coll following ultraviolet
irradiation J Mol Biol, 31, 291—304
Интенсивное облучение
503
Schulze R, Grafe К (1969) The biologic effects of ultraviolet irradiation (Ed
F Urbach), pp 359, Pergamon New York
Schupbach M (1971) The isolation and genetic classification of UV sensitive
mutants of Schizosaccharomyces pombe, Mutat Res, 11, 361—371
Setlow J К (1966) The molecular basis of biological effects of ultraviolet
radiation and photoreactivation In Current Topics in Radiation Research
(Eds M Ebert and A Howard), Vol 2, pp 195—248 North Holland
Publishing Company, Amsterdam
Setlow J К Duggan D E (1964) The resistance of Micrococcus radiodurans
to ultraviolet radiation I Ultraviolet induced lesions in the cell’s DNA,
Biochim Biophys Acta, 87, 664 -668
Setlow J K, Setlow R В (1963) Nature of the photoreactivable ultraviolet
lesion tn DNA, Nature, Lond, 197, 560—562
Setlow J Л , Bolling M E, Bollum F J (1965) The chemical nature of photo-
reactivable lesions in DNA, Proc Natl Acad Sci, USA, 53, 1430—1436
Setlow R В (1964) Molecular changes responsible for ultraviolet inactivation
of the biological activity of DNA In Mammahan Cytogenetics and Rela-
ted Problems in Radiobiology, pp 291—307, Pergamon Press, Oxford
Setlow R В (1966) The repair of molecular damage to DNA In Radiation
Research, pp 525—537, North Holland Publishing Company, Amsterdam
Setlow R В (1967) Repair of DNA In Regulation of Nucleic Acid and Protein
Biosynthesis, (Eds V V Komngsberger and L Bosch), pp 51—62, Else-
vier Publishing Company, Amsterdam
Setlow R B, Carrier IF L (1964) The disappearance of thymine dimers from
DNA- An error-correcting mechanism, Proc Natl Acad Sci, USA, 51,
226—231
Setlow R B, Carrier IF L (1966) Pyrimidine dimers in ultraviolet irradiated
DNA’s, J Mol Biol, 17, 237—254
Setlow R В Setlow J К (1972) Effects of ladiation on polynucleotides, Ann
Rev Biophys Bioeng, 1,293—346
Shaffer C R, McGrath R A (1965) The effects of X irradiation on the DNA
of Eshenchta colt, Exp Cell Res , 39, 604—606
Smith К C (1971) The roles of generic recombination and DNA polymerase
in the repair of damaged DNA In Photophysiology (Ed A C Giese),
Vol 6, pp 209—278, Academic Press, New York and London
Smith К C, Hanawalt P C (1969) Moleculai Photobiology Inactivation and
Recovery, 230 pp , Academic Press, New York and London
Snow R (1967) Mutants of yeast sensitive to ultraviolet light, J Bacteriol , 94,
571—575
Stapleton G В , Btllen D, Hollaender A (1953) Recovery of X irradiated bacte
ria at suboptimal incubation temperatures, J Cell Comp Physiol, 41,
345—358
Stapleton G E, Sbaira A J, Hollaender A (1955) Some nutritional aspects
of bacterial recovery from ionizing radiations, J Bacteriol , 70, 7—15
Stavric P, Dickie V Thatcher F S (1968) Effects of у irradiation on Esche
richta coli wild type and its radiation-resistant mutants II Post irradia-
tion degradation of DNA, Int J Radiat Biol, 14, 411—416
Stavric S, Dighton M, Dickie N (1971) DNA strand breaks in two strains of
Escherichia coli after exposure to y-rays, Inst .1 Radiat Biol, 20, 101—
110
Strauss В S (1968) DNA repair mechanisms and their relation to mutation and
recombination, Curr Top Microbiol Immunol, 44, 1—85
Sweet D M Moseley В E В (1974) Accurate repair of ultraviolet induced
damage in Micrococcus radiodurans, Mutat Res , 23, 311—318
Szybalskt IF Lorkiewicz Z (1962) On the nature of the principal target of let
hal and mutagenic radiation effects, Abhandl Deutsch Akad Wiss, Berlin,
KI Med , 1, 63—71
504
Глава 11
Thornley М J (1963) Radiation resistance among bacteria, J Appl Bact 26
334—345
Ttmofeeff-Ressovsky N W, Zimmer К G (1947) Das Trefferpnnzip in der Bio-
logie, Hirzel, Leipzig
Tyrrell R M (1973) Induction of pyrimidine dimers in Bacterial DNA by 365 nm
radiation Photochem, Photobiol, 17, 69—73
United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation, loni
zmg Radiation Levels and Effects (1972) Vol 1, United Nations, New
York
Василевская А И, Жданова H H (1972) Резистентность к у-лучам некото-
рых почвенных темновых гифомицетов, Микробиол. Журнал, 34,
444—447
Witkin Е М (1946) Inherited differences in sensibility to radiation in Esche-
richia coli Proc Natl Acad Sci, USA, 32, 59—68
Witkin E M (1966) Radiation induced mutations and their repair, Science, 152,
1345—1353
Witkin E M (1969) The mutability toward ultraviolet light of recombination
deficient strains of Escherichia coli, Mutat Res , 8, 9—14
WrightS J L, Hill F C (1968) The development of radiation resistant cultures
of “growth irradiation” cycles, J Gen, Microbiol, 51, 97—106
Wright P J, Pateman J A (1970) Ultraviolet light sensitive mutants of
Aspergillus mdulans, Mutat Res 9, 579—587
Zamenhof S, Bursztyn H, Reddy T К R, Zamenhof P J (1965) Genetic
factors in radiation resistance of Bacilltus subtilis, J Bacteriol, 90, 108—
115
Zimmer К G (1961) Studies on Quantitative Radiation Biology, 124 pp,
Oliver and Boyd, Edinburgh and London
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Агрегация полимеров 137—140
---действие давления 144, 148, 149, 158—
160
Адаптация к экстремальным условиям су
ществования 193
Адеиилциклаза из клеток печени крысы 457
Аденозиитрифосфат (АТР), образование у
галофилов 402
Аденозинтрифосфатаза 340
— Bacillus stearothermophilus 263
— Streptococcus faecalis 140, 142, 157
— Thiobactllus 338
Алкалофильиые бактерии 328—330, 333,
339—341
— — внутриклеточный pH 336
— водоросли 330
— грибы 330
— простейшие 331
Алкогольдегидрогеназа 277, 279, 290
Аконитаза 290
Активность воды 369, 375
— — влияние на рост клеток 16, 370 412
Активный транспорт у галофильных бак
терий 396
— — — микроорганизмов живущих при
экстремальных значениях pH 355, 356
Актиномицеты 190, 196
— устойчивость к обезвоживанию 431 432
Амебы, действие давления на их выжива
ние 159
— обитание в горячих источниках 221
— чувствительность к радиации 475 477
а Амилаза 263 266 269 276 303
Амниоацил тРНК—синтетазы Е coli 98—
100 386, 387
Аминопептидазы 263 274—277
Антибиотики действие на экстремальные
галофилы 387 398 413
— продуцирование грибами 213 427, 428
Антарктика сухие долины 10 11
Аспартатамннотрансфераза 256
Аспартаткиназа 274
Аспартат транскарбамилаза 112 382 383
392
Атмосфера содержание микроорганизмов
23—27
Ацидофильные бактерии 323—327 332—335
— водоросли 328
— грибы 327 328
— организмы 322
---внутриклеточный pH 336—339
— — роль в эволюции 354, 355
— простейшие 328
Багасса 214
Ьактерии баротолерантные 124, 125, 128,
144—146 150—164
— барофнльные 124—126
— метановые 38
— морские 13 14, 59 60, 64—66, 124, 144,
145, 164, 165, 171—173, 447
— — взаимодействия с соединениями мар-
ганца и железа 453, 454
---сульф атредуцирующие 165
--- требование Na+ для активного транс-
порта 396
— нефотосинтезирующие 195 196
— окисляющие серу 191, 194, 338
— почвенные 45, 47
— пснхрофильные 172
— умеренно галофильные 403—412
— хемолиготрофные 194
— чувствительность к облучению 473, 478
— экстремально галофильные 381—403
Бактерии аммонификаторы 329
Бактернородопсин 401—403
Бактериофаги гибель под действием дав-
ления 147, 160 161
— T4D 111
— чувствительность лизоцима к холоду 113
— экстремально галофильных бактерий 393
Баробиология 124—175
Белки рибосомные галобактерий 387, 414
---умеренных галофилов 388
---Vibrio costicola 388 407
Биологическая порча материалов грибами
201, 210 216
5 бромурацил 483
Бурый уголь микрофлора 165
Верхний температурный предел роста кле-
ток 193
-------фотосинтеза 193
Взаимодействия микробов с ртутью 456
—------соединениями марганца и железа
453—456
Вирусы 160 161 485
506
Предметный указатель
Вода в клетках 366
— влияние анионов на структуру 392
Водный потенциал 426—436
— стресс 412, 427, 428, 432, 435, 436
Водородные ионы, влияние их концентра-
ции иа устойчивость к ионам тяжелых
металлов 332
— — измерение внутриклеточного pH 335
----концентрация в окружающей среде
331, 332
— — концепция ионных насосов 356
— связи, разрыв под действием давления
133
Водоросли, влияние на них водного стрес-
са 430, 432—434
— обитающие в пустыне 433, 434
— растущие при экстремально высоких
температурах 218—220
— сине-зеленые (цианобактерии) 188, 433
Вторичный метаболизм 213
Газы анестезирующие 167, 169, 175
^-Галактозидаза 140, 308
Галобактерий см. Галофилы экстремаль-
ные
Галококки 371, 372, 395
Галофилы умеренные 403—415
— — активность ферментов 405—407
—• — внутриклеточная концентрация ионов
375—379, 410
— — действие солей на рост 369—372, 404
— — рибосомные белки 388
---- синтез белков 411, 412
— ферменты, активирующие аминокислоты
382
— экстремальные 365
— — белкн рибосомные 387
— — — свойства 387—393
—• — — стабилизация гидрофобных взаи-
модействий 391
— — внутриклеточные концентрации ионов
375, 376, 378
— — действие ионов на активность фер-
ментов 382—386, 389—393
— — ДНК- и РНК’Зависимые РНК-полиме-
разы 389, 393
----жгутики 413
---- изоцнтратдегидрогеназа 384
----липиды оболочек 398—401
----мембраны 350, 397—401
----менаднонредуктаза 392
— — метаболизм углеводов 381
----питание 381, 413
— — реакция на соль 372
----синтез белка 386—388, 409
— — сходство с термофильными ацидофи-
лами 353
—• — таксономический статус 414
---- треониндегидратаза 385, 392
----устойчивость к давлению 151
----ферменты 384—387, 409
Гибридизация ДНК/ДНК 393
— ДНК/РНК 393
Гидролазы бактериальные внеклеточные
269
Гидрофобные связи 113
—391 В ^елках экстремальных галофилов
------ — мембранах Thermoplasma acidophi-
lum 352
----действие иа них солей в высоких
концентрациях 397
— — роль в денатурации белков 133
— — —. — нативной конформации белков
132, 392
Гистидин, биосинтез 111
L-гистидииолдегидрогеназа 279
Гликолитические ферменты термофилов 256
Гликопротеиды экстремальных галофилов
398
Глнцеральдегид-З-фосфат—дегидрогеназа
(ГФДГ) из мышц омара 287
— мезофилов и термофилов 256, 257, 261,
254, 268, 271—273, 276, 277, 279—291
— Bacillus coagulans 264 , 271—273, 306
----stearothermophilus 262, 281—291, 310
— Thermus aquaticus 262, 281—289
----thermophilus 262, 281
р-Глюкозидаза 106
Глюкозо-6-фосфат—изомераза 262
Глюкокиназа 262, 277
0-1,3-глюконаза 340
Глютаминсинтетаза 263, 264, 267
Гомосериндегидрогеиаза 274
Горячие стоки ядерных реакторов, обита-
ние в них термофильных и термотоле-
рантных грибов 224
Грамотрицательные аэробы 192
Графики Аррениуса для роста Е. coli 114,
115
Грибковые заболевания растений 427, 428
Грибы, выделенные из кислых угольных
терриконов н кислых источников 327
— рост при высоких температурах 197, 222
— способность переносить водный стресс
428
Давление, действие на агрегацию полиме-
ров 137, 144, 148, 159, 160
-------активный транспорт 157—160
—------амёб 163
----— биологические мембраны 158, 174
----реакции 149
----микроорганизмы в глубинных ме-
сторождениях нефти и серы 126
----морях 124, 164—166
—•--— — озерах 126, 154, 155
----------промышленных установках
127
—----------угольных месторождениях
127, 165
— —--------ферромарганцевых конкреци-
ях 166
-------микротрубочки 137, 138, 148, 159,
160
----— микрофлору бурого угля 165
---- образование жгутиков 139
----процессы биологического равнове-
сия 130
------рибосомы 138
-------рост микроорганизмов 124—126, 136,
137, 150
----— связывание репрессора н операто-
ра 140
----— синтез белка, ДНК и РНК 138,
155-157
---- пенициллиназы 158
-------- — скорости химических реакций 140
------— содержание К+ в Streptococcus fae-
cahs 158
-------споры 163, 174, 175
-------ферменты 140—144
-------частоту реверсий триптофанового
ауксотрофа S. typhimurium 174
Предметный указатель
507
Давление, значение в промышленных про-
цессах 148
— использование его в целях стерилизации
128, 160—164
— обработки пищевых продуктов 163, 164,
173
— отрицательное 152, 173
— чувствительность к нему клеточного де-
ления 155
Деление клеток, влияние на него повышен-
ного давления 155—160
— — у радиорезистентных штаммов Е. coli
480—482
Денатурация биополимеров 132—135, 147,
174
— ДНК 484, 485
— рибосом 95—97
Десатураза жирных кислот 116
Диатомеи 219
Дилатометр 130
ДНК* механизмы репарации 485
— повреждения, вызываемые ионизирую-
щим излучением 484
— роль в радиорезистентности клеток 481
— экстремально галофильных бактерий 393
ДНК-зависимая РНК-полимераза Bacillus
stearothermophilus 251, 263
---Н. cutirubrum 382, 389, 393
---Thermus aquaticus 263
-------thermophilus 263
Донные отложения озер и эстуариев 458
Дрожжи, влияние активности воды на рост
370
---температуры на рост 91
— внутриклеточная концентрация солей
379, 380
— выделенные из отвалов медных рудни-
ков 327
— мезофильные 90
— осмофильные мутанты 375
— психрофильные 90
— токсичный уровень арсената 443
Жгутики, ингибирование их образования
под действием давления 131, 139
— экстремальных галофилов 413
— Thiobacillus 342
— Vibrio alginolyticus 413
Железо, проникновение в клетку 445
Жизнь микроорганизмов в горячих источ-
никах 10, гл. 5 и 7
---------кислых источниках 9, 10, гл. 6
и 7
-------морских глубинах 9, гл. 4
— — — радиоактивных минеральных ис-
точниках 477
-------рудничных стоках 9, гл. 7 н 10
-------соленых озерах 9, гл. 8
------- условиях интенсивного облучения
гл 11
---------повышенного давления гл. 4
--- история изучения 144
---на сухих поверхностях скал 9, гл. 9
--- при высоких температурах гл 5 и 6
-------низких температурах 13, гл. 3
•—-----очень низкой концентрации пита-
тельных веществ 17
------экстремальных значениях pH 322
Загрязнение морской среды 164
Излучение в окружающей среде 471
— защитные механизмы 479
— ионизирующее 472
— неноиизирующее 472
природа вызываемых им повреждений
482—485
— различия в радиационной чувствитель-
ности микроорганизмов 473
— солнечное 472
— устойчивость к нему 478
Изменения объема в химических и биохи-
мических реакциях 130—144
— — при разрыве гидрофобных связей 132
Изоцитратдегидрогеназа 262, 277, 380, 382,
384
Ионы в цитоплазме 375—377, 408—412
— действие на гидрофобные связи 390—393
— связывание с клеточными структурами
375, 400, 401
Источники горячие кислые 326, 327
Калий, влияние давления на его содержа-
ние в клетках 158
— внутриклеточная концентрация у гало-
филов 375—378, 382
Карбамонлфосфатсиитаза 112
Карбоксипептндазы, сравнение с термоли-
зином 300
Каталаза, роль в радиорезистентности 480
— щелочная 340
Кинетика роста микроорганизмов при низ-
кой температуре 89
Кислород, токсичность при высоком давле-
нии 167, 175
Кислые сточные воды шахт, бактериоло-
гия 448—453
Клатрат 132
Клеточные мембраны н поверхности кле-
ток ацидофилов и алкалофилов 341—355
— стенки, значение их структур для ра-
диорезистентности 481
--- тнобацилл 342
— — умеренно галофильных бактерий 378
— — экстремально галофильных бактерий
394—403
---Sulfolobus 326
Компосты 202
Коррозия железа под действием морских
бактерий 165
L-лактатдегидрогеназа 273, 274, 278, 340
Лигнин, расщепление термофильными гри-
бами 205
Лизис 103
Лизоцим 113, 143
Липиды ацидофилов и термоацидофилов
342-355
— психрофилов н мезофилов 114
—• состав н зависимость от него проницае-
мости мембран при низкой температуре
114—117
— умеренных галофилов 407
— фазовые переходы 136
— циклизация 354
— экстремальных галофилов 136, 398—401,
407
— Bacillus acidocaldarius 344
— Thiobacillus 342
— Sulfolobus 346—349, 351
Липополисахарид Thiobacillus и Salmonel-
la 342
Лишайники 220, 429
08
Предметный указатель
Малатдегидрогеназа 105, 255, 263, 337, 340
— декарбоксилирующая 383, 385
Малатсинтетаза 267
Мембраны ацидофилов и термофилов 15,
252—255, 345, 349, 352—354
— проницаемость при низких температу-
рах 114—117
— состав липидов 251, 341—344
— экстремальных галофилов 349, 352, 399,
400
Места обитания галофильных бактерий,
солеварни 367, 415
---микроорганизмов, геотермальные поч-
вы 214
—-----горячие источники 186
— —----кислые почвы 326
— — — краны горячего водоснабжения 217
— — — птичьи гнезда 214
------ реки и потоки 40
------стоки предприятий, работающих на
геотермальных водах 216
---• термофильных грибов, стоки паровых
труб 218
------микроорганизмов 213—218
---------вулканы 186
—--------кучи древесных стружек 210
— — —------морских водорослей 186, 214
-----------опилок 217
— —------нагретые солнцем запасы ямса
213
— — — — сахарный тростник 214
— —----табак н табачные изделия 214
— —------экскременты травоядных жи-
вотных 214
Метанобразующие бактерии 191
Метанокнсляющне бактерии 191
Метилентетрагндрофолат — дегидрогеназа
256
Метилртуть 457
Метмиоглобин 135
Микозы, вызываемые Mucor pusillus 215
Микроорганизмы, содержащие газовые
вакуоли 126, 389
— термофильные, использование их в про-
мышленных масштабах 216
---термоадаптация ферментов 274—281
Микротрубочки 131, 137, 138, 148, 159, 160
Миксобактернн 31
Минимальная температура роста микроор-
ганизмов 89
Миокиназа 259
Митотический аппарат в клетках при высо-
ком давлении 137
Мишени при радиационных повреждениях
482
Многоатомные спирты 380
Морская псевдомонада В-16, 376
Мутанты облигатно осмофильные 375
— психрофильные 109
— радиационно-чувствительные 485—494
—• температурочувствнтельные 374
— термолабильные 110, 111
— холодочувствительные 110, 111
— чувствительные к УФ-облучению 481
— Е. coli, имеющие измененный состав ли-
пидов 114—117
— rod 374
Мутации, индуцируемые облучением 470
Неорганическая пирофосфатаза 263, 338
Нитратвосстанавливающие бактерии 329
Озера, покрытые зимой льдом, численность
и активность бактерий 33
— соленые 39, 367, 368, 415, 434
— щелочные 329
Озон, влияние на интенсивность облуче-
ния 472
Окисление глюкозы 105
/ас-Оперон Е coli 140
Параметры среды, предельные для данного
организма J93
Пектиназа 340
Пероксид-дисмутаза 166
Пещеры, их роль в экологии микроорга-
низмов 27
Пигменты, возможная роль в радиоре-
зистентности микроорганизмов 479
Пиримидиновые димеры 472, 483, 484, 489,
492
Пируватдекарбоксилаза 106
Пируваткнназа мезофилов и термофилов
256
Плазмиды, роль в резистентности к тяже-
лым металлам 446
Пластмассы, использование нх термофиль-
ными грибами 205
Полисомы, образование 117
— чувствительность к низким температу-
рам 118
Почвы, водный потенциал 427, 428, 430—432
— доступность воды 426, 427
— кислые 433, 434
— микробиологическое разложение соеди-
нений ртути 458
— нагреваемые солнцем 212
— среда обитания термофильных микро-
организмов 211, 218
— температура 44—49
— щелочные 328
— экология микроорганизмов 44—59
Пресные воды, места обитания бактерий 29
Продукты питания, выделение из них мик-
роорганизмов 22, 368, 404, 491
—. — их порча галофилами 366, 367, 373
— — консервирование обработкой давле-
нием 163, 173
— — стерилизация облучением 471, 478
Прокариотические микроорганизмы, расту-
щие при высоких температурах 188—196
Простейшие, адаптация к высоким темпе-
ратурам 220—222
— влияние pH на нх рост 328
—• чувствительность к радиации 475—478
Протеаза 95, 340
Психрофилы, денатурация рибосом 96
— и мезофилы, сравнение окислительных
и ферментативных активностей 105
------эффект температуры на ультра-
структуру клеточных стенок 100—104
— определение 20—23
— синтез белка 98—100
— факторы, определяющие низкую макси-
мальную температуру роста 94
«Пурпурная мембрана» галофильных бак-
терий 389, 390. 397, 401, 402
Путь Энтнера—Дудорова 382
pH, влияние на рост клеток при различ-
ных давлениях 126, 134, 135
— высокие значения, жизнь микроорганиз-
мов 328
— низкие значения, жизнь микроорганиз-
мов 323
Растворенные вещества, внутриклеточное
содержание гл. 8
Предметный указатель
509
---неиоииые, действие на активность
ферментов 380
Реакция микроорганизмов иа тяжелые ме-
таллы 172, 440, 445—448
Репарация темновая 485, 486, 488
---пострепликативная рекомбинационная
488
--- эксцизионная 488
Рибонуклеаза 308, 309
Рибонуклеотидредуктаза 274
Рибосомы галобактерий 386, 409
— действие давления 138
— — низких температур 13, 117
— изменение объема при диссоциации 131
___ — состава по мере повышения макси-
мальной температуры роста клеток 95
— психрофилов, мезофилов и термофилов
95—98, 258
— термостабильность 258
— холодочувствительных мутантов Е. сои
— Candida gelida и Candida utilis 96—98
— Clostridium sp. 96, 258
— E. coli 138, 387, 412
— Pseudomonas bathycetes 172
— Vibrio costicola 407
РНК-зависнмая РНК-полимераза 389, 393
Родоназа 338
Рудничные отвалы и рудничные стоки,
обитание в них бактерий 323—325
Сено, обитание в нем термофильных орга-
низмов 207, 216
Сжатые газы, воздействие на микроорга-
низмы 166
Синтез белка, действие на него давления
138, 155—157
— — у бактерий в ферромарганцевых кон-
крециях, действие давления 166
-------мезофилов 98—100
------- мхов 435
-------психрофилов 95—100
-------психрофильных и мезофильных
бактерий 98—100
—-------- экстремальных галофилов 151,
386—388, 409
-------Bacillus insolitus 95, 97
---------psychrophilus 95, 97
---------stearothermophilus 258
-------Candida gelida 96, 97
-------Micrococcus cryophilus 94, 98—100
-------Photobacterium fischeri 95
-------Thermus thermophilus 258
-------Thiobacillus thiooxidans 338, 339
-------Vibrio costicola 407, 411
Синтетаза жирных кислот Halobacterium
cutirubrum 382
Совместимые растворенные вещества 379,
408
Содержание G+C и резистентность клеток
к облучению 482
Солнечные лучи, рост термофильных гри-
бов в нагреваемых ими почвах 212, 213
Спирохеты 191
Спорообразующие виды 188
Споры термофильных грибов 213
Сточные воды, образующиеся в шахтах,
обитание в них микроорганизмов 448
Структура воды 392, 413
Сукцессия в терминальных экосистемах 194
— термофильных грибов 209
Сукцииатдегидрогеназа 277
Сульфатредуцирующие бактерии 191
Сульфонолнпиды 345, 353, 355
Температура, действие на клеточное деле-
ние 101
— — — регуляторные свойства ферментов
112, 113, 265 Р
-------- состав липидов 114, 251
Термолизии 263, 269, 298
Термотолераитные грибы 197
— дрожжи 217
Термофильные ацидофилы 352
— грибы 222, гл. 4
---встречаемость в воздухе 215
--- определение 197
— — патогенные 215
— — целлюлазная активность 205
— микроорганизмы, заболевание «фермер-
ское легкое* 210
---мембраны, содержание углеводных
производных 353
— • — — текучесть и жесткость 345
— — места обнтаиия 186, 201, 215, 218
— — ферменты гл. 6
Тетратионаза 338
Технология высоких давлений 146, 147
Тимидинкиназа 263
Тиминовые димеры см. Пиримидиновые
димеры
Тиобациллы 324, 338, 342
Торф, содержание термофильных микро-
организмов 214
---тяжелых металлов 440
Треониндегндратаза 385, 392, 406. См. так-
же Треоннндезаминаза
Треониндезамнназа 264, 274
Триозофосфатизомераза 106, 262
— клострндиев 107
Триптофансннтетаза 139
Углеводные производные* мембранных ли-
пидов, их содержание у термофилов и
термоацндофилов 353
Углеводороды, разложение микроорганиз-
мами 164, 165
Уравнение Аррениуса 89, 92
Уреаза 340
Уридинкиназа 274
Устойчивость микроорганизмов к высоким
концентрациям солей 365—415
—--------температурам 248—310
Фагоцитоз, влияние на него повышенного
давления 137
Ферментативная кинетика 140—144, 289
Ферменты, выделенные из глубоководных
рыб 143
— психрофилов 105—107
Ферменты термофилов 255
— экстремальных галофилов 382—387
Ферредоксин 291
Ферромарганцевые конкреции, обитание в
них микроорганизмов 166
Формиатгидрогеиаза 95
Формилтетрагидрофолат-синтетаза 263, 269,
305
Фосфатаза щелочная 253
Фосфоглицераткииаза 262, 266, 268
510
Предметный указатель
Фосфоглюконатдегидрогеназа термофиль-
ных клостридиев 256
— Bacillus stearothermophilus 262
Фосфорибозил АТР — пирофосфорилаза 111
Фосфофруктокииаза термофилов 268, 274
— Clostridium pasteurianum 259
— Е coli 259
— Thermus aquaticus 262
---XI 262
Фотореактивация 394, 486
Фотосинтезирующие микроорганизмы, рас
тущие при высоких температурах 188
—--------низких значениях pH 219
Фотофосфорилирование 402
Фруктозодифосфатаза 143, 274
Фруктозобисфосфат альдолаза 262
Фумараза 290
Химотрипсин денатурация под действием
давления 134
Холодные места обитания 9—13
Холодовая чувствительность 392
Холодочувствительные мутанты Е coli 13,
108 113
Циклопропаиовые жирные кислоты 343, 344
Цитохромоксидаза 338 392
Цитратсинтаза Halobacterium cutirubrum
383
Щелочная амилаза 340
Экзонуклеаза Micrococcus radiodurans 481
Экстремальные галофилы, G+C содержа-
ние в ДНК 393
Электрические заряды, влияние высокого
давления и высоких температур 133, 151
— — роль в поддержании стабильности
мембраны 350 351, 390, 391, 397, 399, 400
Эндонуклеаза УФ специфическая 488
Энергия активации 89
Энтеробактерии 330
Энтерококки 330
Эстераза Bacillus stearothermophilus 263
Эукариоты рост при высоких температу-
рах 197—227
Эффекты давления, активированные ком-
плексы 141, 142
— — денатурация биополимеров 132 144
----индукция освобождения фага X 161
— — коррозия металлов 165
----разрыв водородных связей 133
— — — гидрофобных связей 133 151
«Яблочный» фермент 383, 384
УКАЗАТЕЛЬ ЛАТИНСКИХ НАЗВАНИЙ
Absidia corymbtfera 198, 209, 215
Acetobacter acidophilum 323
Acholeplasma latdlawu 136, 343, 350
Achromobacter 43
— alcaltgenes 477
— parvalus 39
Acmetobacter 31
Acontium velatium 327
Acremontum alabamensis 199
Acrophialophora fusispora 199
Actinomyces levons 161
— ohvaceus 161
Aqhnoplanes 191
Actinopolyspora halophila 373, 381
Agartcus bisporus 202, 203
Agrobacterium radiobacter 329
Alcaltgenes 165
Anabena 444
Aphanocapsa thermalis 188
Aphanothece halophytica 372, 415
Artemia salina 9
Arthrobacter 21, 25, 28, 29, 431, 432
— chrystallopoietes 162
Atthrospira plantensis 330
Aspergillus 199, 204, 209, 215, 327
— amstelodamu 370, 371
— flavus 370
— nidulans 485
— niger 370, 443
Azotobacter 431, 443
— chroococcum 57
— mdtcus 57
— vmelandu 117
Bacillus 404
— acidocaldarius 326, 336, 337, 341,
344—346
— alkalophylous 329
— caldolyticus 263, 273, 279
— caldotenax 277, 278
— cereus 173, 256, 271, 329, 330
— coagulans 250, 258, 264, 271—273,
279, 306, 326
— insolitus 95, 97, 101
— hcheniformis 158, 276, 374
— megatherium 21
— mesentericus 477
— pasteurii 329, 340
— psychrophilus 95, 97, 101—104
— spp 189
— stearothermophilus 249—310
-----амилаза 263, 269, 303
-----аминопептидазы 263, 274, 275
-----глицеральдегид 3-фосфат — де-
гидрогеназа 262, 281—290, 310
-----глюкозо-6-фосфат — изомераза
262
-----глюкокиназа 262
-----глютаминсинтетаза 263, 264, 267
----- действие низкой температуры
иа полисомы 117, 118
-----ДНК-з ависимая РНК-полимера-
за 251, 263
----- енолаза 262
-----изоцитратдегидрогеназа 262
-----кардинальные температуры рос-
та 250
-----малатдегидрогеназа 263
----- мутанты 290
-----неорганическая пирофосфатаза
263
----- протопласты 253
-----рибосомные белки 387, 388
-----рост при повышенном давлении
152
-----связь между тепловой гибелью
клеток и текучестью мембран 253
51
Указатель латинских названий
Bacillus stearothermophilus, содержа-
ние липидов 251—253
-----— ферредоксина 291, 292
--------цистеина и термостабиль
ность белков 268
-----термоадаптацня 276—278
-----термостабильность ферментов
255, 256, 258, 277, 281, 302, 303
-----тимидинкииаза 263
-----фосфоглицераткиназа 262
-----фосфоглюконат-дегидрогеназа
262
-----фруктозобисфосфат-альдолаза
262
— — щелочная фосфатаза 253
----- эстераза 263
— subtihs, выживание при низкой
температуре 21, 26
-----гистидинолдегидрогеназа 279,
280
-----малатдегидрогеназа 255
-----rod-мутанты 374
----- термостабильность белков 269
----- трансформация 279
-----штаммы резистентные к облу-
чению 478
— thermoproteolyticus 263, 298
Bacterium communis 384
Bactoderma 323
Bifidobacterium thermophilum 190
Bodo marina 475
Brevibactenum 25
Burgoa-Papulaspora sp 200
Calcarisporium thermophile 199
Calothrix sp 188
Candida 38
— gelida 96, 97, 106
— nivalis 103
— pseudotropicahs 370
— utilis 96, 106, 107
Caulobacter 323
Cephalosponum gramineum 428
Chaetomium sp 198
Chlamydomonas 339, 444
— aadophila 339
Chlorella 219, 330
Chloroflexus aurantiacus 188
Chromatium sp 188
Chromobacterium 443
Chrysosporium sp 199
Chy dor us 331
Clostridium, влияние температуры иа
рост 44, 189, 190
— изменение структуры рибосом под
действием нагревания 96, 97, 258
— синтез белков 98
— acidi-unci 291, 294, 304
— cylindrosporum 304, 305
— formicoaceticum 256, 304, 305
— pasteunanum 256, 258, 259, 269, 291,
293 295
— tartarivorum 256, 258, 291—295, 298
— thermoaceticum 256, 269, 304, 305
— thermosaccharolyticum 256, 258, 262,
291—295, 298
Cocchochloris elabens 372
Copnnus lagopus 485
— sp 199
Corynebactenum 39, 443
— sepedontcum 25
Cosmanum 444
Cienothnx 325
Cryptococcus 38, 458
Ctenocladus circinnatus 434
Cyanidium caldarium 219, 220, 339,
433
Cytophaga 31
Dactylana gallopava 220
Dematiaceae 477
Desulf otomaculum mgr if leans 190, 196
Desulfovibrio 38
— thermophilus 191
Dunaliella 375, 379, 434, 436
Ectothiorhodospira halophtla 373, 415
Emertella nidulans 198
Escherichia coll, аминопептидазы 274,
275
----- влияние активности воды на
рост 369—371
--------pH 332
------- — температуры роста на жнр-
нокислотнын состав 114
----- внутриклеточная концентрация
неорганических ионов 272
-----воздействие на нее кислорода
166, 175
-----выживание при низкой темпера-
туре 26, 117, 118
-----(3 галактозидаза 308
— — гибель под действием давления
162
— — глицеральдегид 3-фосфат — де-
гидрогеназа 285
-----ДНК полимераза 488
-----зависимость скорости роста от
температуры 89
— — липидный состав мембран 114
-----мутанты, дефектные по способ-
ности к репарации 472
Указатель латинских названий
13
Escherichia colt, повреждения ДНК
при облучении 484
-----радиорезистентные штаммы 478,
481
— — рибосомы 138, 412
— — свойства белков 390
----- синтез белков и нуклеиновых
кислот 258
----- токсичные концентрации неко
торых тяжелых металлов 443
— — триптофансинтетаза 139
-----тРНК в реакции с аминоацил-
тРНК-синтетазами Н cutirubrum
387
-----фосфофруктокиназа 259
-----холодочувствительные мутанты
111
----- чувствительность к радиации
475, 484, 485
-----эндонуклеаза УФ-специфиче-
ская 488
Eubactenales 344
Euglena gracilis 331
Eutrepia 328
E lavobacterium 26, 28, 31, 44, 330
Fusarium sp 327
Metallogenium 325, 449
M ethanobactenum thermoautotrophi-
cum 191, 196
Methylococcus capsulatus 191
Microbispora sp 190, 196
Micrococcus 25, 39 325
— aerogenes 267, 292 297, 303, 304
— cryophilus 90, 94, 98—100
— halobius 404
— luteus 488
— radiodurans 475, 478—481, 485, 486
— varians 404
Micropolyspora 196
Microsponum 325
Moraxella 31
Mortierella truficola 198
Mucor sp 198, 206, 209
Mycoplasma 191, 254
Mycrocyclus 233
Mycrocystis aeruginosa 330
Mynococcum albomyces 198
Haeglena fowleri 221
Navicula 444
Neurospora crassa 168, 457, 485
hitrobacter 329
hitrosomonas 329
Galhonella ferrugtnea 455
Gloeothece hnaris 330
Oscillatona sp 188
Haemophilus 478
Halobacterium cutirubrum 384, 385
Hansenula 443
— polymorpha 198, 217
Humicola sp 199, 209, 213
Hydrogenomonas thermophilus 192
Kakabekia umbellate 331
Lactobacillus 190, 196, 370
Leptospira btflexa var thermophila 191,
196
Leptothrix ochracea 455
Malbranchea pulchella x ar sulf urea 200
Marasmius foetidus 327
Mastigocladus laminosus 188
Merultus lacrymans 103
Paecilomyces sp 200
Papulaspora thermophila 200
Paracoccus halodenitrificans 370, 371,
376, 378, 404, 415
Paramecium 475
Pasteurella tularensis 26
Penicillium 200, 327, 370, 448
— variable 330
Peptosti eptococcus elsdenu 294
Phanerochaete chrysosporium 199, 216
Phormidtum sp 188
Photobacterium ftschen 95
Phycomyces blakesleeanus 327
Pianococcus halophtlus 373, 404
Planctomyces 323
Plectonema nostocorum 331
Pleurocapsa sp 188
Polytomella caeca 328
Pseudomonas, влияние солей на рост
403, 404
-----температуры на рост 44, 89, 92,
93
— внутриклеточные концентрации
ионов 375
514
Указатель латинских названий
Pseudomonas, разложение соединений
ртути 458
— распространение в озерах 31
--------пещерах 27, 28
---— родниках и колодцах 43
— рост при высоких температурах
192
— синтез белка 95, 100
— токсичные концентрации иоиов тя-
желых металлов 443
— устойчивость к обезвоживанию 431
--------радиации 477, 478
— aeruginosa 109, 370
— Bai 404
— bathycetes 124, 156, 172
— С-1 443
— fluorescens 109, 156
— pyocyanea 443
— syringae 24
— thermophila 190
Rhizopus sp. 198
— higricans 370
Rhodotorula 327, 443, 477
Rhizobium 329
Saccharomyces cerevisiae 112, 113, 327,
380
---активный транспорт иона арсе-
ната 445
--- влияние активности воды на
рост 370
---радиационно-чувствительные
мутанты 485
---чувствительность к радиации
475, 489
— rouxii 371, 380
Salmonella 371, 478
— Oranienburg 371
— typhimurium 113, 139
Sarcina 325
— lutea 479
Schizosaccharomyces pombe 475, 485,
490
Sclerotinia borealis 102
Scolecobasidium 200
Scytalidium 446
Serratia 443
— marinorubra 162
Sphaerospora saccata 198
Sphaerotilus discophorus 443, 453
Spirillum 93
Spir ulina 188
Sporendonema sebii 370
Sporotrichum thermophile 200
Staphylococcus aureus 168, 175, 343,
371
— epidermidis 3T2
Stibella thermophila 200
Stibiobacter 445
Streptococcus faecalis 150, 153, 157,
169, 330, 336
— lactis 336
— thermophilus 190
Streptomyces 190, 196, 432
Streptosporangium album var thermo-
philum 191, 196
Sulfolobus 326, 346, 348, 351, 353, 354,
394, 447, 449, 452
— acidocaldarius 191, 193, 337, 341,
346
Symploca 188
Synechococcus 188, 434
Synechocystis 188
Talaromyces 199
Tetrahymena 156, 159, 169, 443
Thermoactinomyces 190, 196
Thermomicrobium roseum 192, 196
Thermomyces ibadanemsis 200
Thermomonospora 196
Thermoplasma 337, 350—355
— acidophilum 191, 254, 326, 337,
341, 347, 349
Thermus 192, 195, 196, 249
— aquaticus 196, 268
---влияние температуры выращи-
вания клеток на их жирнокнслот-
ный состав 252
----глицеральдегид-3-фосфат — де-
гидрогеназа 262, 280, 288
----ДНК-зависимая РНК-полимера-
за 263
---- енолаза 265
---- обитание в горячих источниках
249
----содержание гликолипидов 354
----фосфофруктокиназа 262
— flavus 262
— thermophilus 258, 262, 263, 281, 289,
290
— X-l 262, 268, 303
Thielavia 199
Thiobacillus 191, 196, 338
— ferrooxidans 324, 325, 338, 342, 446,
447, 449—453
— organoparus 325
— thiooxidans 191, 324—326, 338, 342,
449, 451, 452
Thiovobium 323
Указатель латинских названий 515
Torula 443 — thermophila 200 Torulopsis Candida 200 Trebouxia 434 Tritirachium 200 Typhula idahoensis 106 — marinus 90, 104, 105, 150, 152 — metchnikovii 90, 370 — parahaemolyticus 23 — percolans 165 — psychroerythrus 100, 102 — sp. 31
Ustilago may dis 475 Xeromyces bisporus 370
Vibrio alginolyticus 413, 404 — costicola 370, 373, 376—379, 388, 404—407, 410, 411 Yersinia pestis 21, 44
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие редакторов перевода ....................................... 5
Предисловие ........................................................... 8
Глава 1. Введение. Краткий очерк проблемы (Д. Кашнер) .... 9
Глава 2. Жизнь микроорганизмов при низких температурах: экологи-
ческие аспекты (Д. Баросе, Р. Морита)................... 19
I. Введение ................................................... 19
II. Определение психрофилов, психротрофов и психрофильных
условий.................................................... 20
III. Атмосфера............................................. 23
IV. Пещеры................................................ 27
V. Пресные воды.......................................... 29
VI. Реки и потоки......................................... 40
VII. Почвы ...................................................... 44
VIII. Моря и океаны......................................... 59
IX. Снег и лед............................................ 66
X. Обсуждение ................................................. 69
XI. Заключение............................................ 75
Список литературы...................................... 76
Глава 3. Жизнь микроорганизмов при низких температурах: механиз-
мы и молекулярные аспекты (У. Иннис, Д. Ингрэм) .... 89
I. Кинетика роста при низкой температуре........ 89
II. Факторы, определяющие низкую максимальную температуру
роста психрофильных и психротрофных микроорганизмов 94
А. Синтез белков...................................... 94
Б. Модификация клеточных структур.......... 100
В. Инактивация ферментов............................... 105
III. Биохимические факторы, определяющие минимальную темпе-
ратуру роста........................................... 108
А. Чувствительные к холоду мутанты в качестве модели . . 108
Б. Состав липидов и проницаемость мембран при низкой
температуре ........................................... 114
В. Функционирование рибосом при низкой температуре . . 117
Г. Заключения относительно минимальной температуры роста 118
Список литературы...................................... 119
Оглавление 517
Глава 4. Жизнь микроорганизмов в условиях повышенного давления
(Р. Маркиз, П. Мацумура)........................................ 124
I. Введение................................................ 124
И. Общие механизмы, лежащие в основе реакций живых орга-
низмов иа повышенное давление.......................... 129
А. Влияние давления на процессы биологического равновесии 130
Б. Влияние давления на скорости биохимических реакций 140
В. Выводы....................................... 144
III. Краткая история изучения жизни микроорганизмов при по-
вышенном давлении................................... 144
IV. Рост микроорганизмов при повышенном давлении .... 150
V. Гибель микроорганизмов под действием высокого давления 160
VI. Давление, загрязнение морской среды, микробиология нефти
и глубоководная добыча руд...................... 164
VII. Биологическое воздействие сжатых газов иа микроорганизмы 166
VIII. Заключение...................................... 170
Дополнение....................................... 171
Благодарности.................................... 175
Список литературы................................ 175
Глава 5. Жизнь микроорганизмов при высоких температурах: эколо-
гические аспекты (М. Тэнси, Т. Брок)..................... 186
I. Введение................................................ 186
II. Прокариоты ............................................ 192
А. Фотосинтезирующие прокариоты......................... 192
Б. Хемолитотрофные бактерии.............................. 194
В. Метанобразующие бактерии............................. 195
Г. Нефотосинтезирующие бактерии.......................... 195
III. Эукариоты............................................... 197
А. Грибы ............................................... 197
Б. Водоросли............................................. 218
В. Лишайники ........................................... 220
Г. Простейшие ........................................... 220
Дополнение............................................... 222
Благодарности ........................................... 227
Список литературы........................................ 228
Глава 6. Жизнь микробов при высоких температурах: механизмы
и молекулярные аспекты (Р. Амелунксен, Э. Мэдок) . . . 248
I. Введение................................................ 248
II. Классификация и общая характеристика термофильных бак-
терий ................................................... 249
III. Возможные механизмы термофилии и близкие аспекты; об-
щие соображения........................................... 251
А Липиды и мембраны...................................... 251
Б. Ферменты бесклеточных экстрактов, трансферабельиые
стабилизирующие факторы и быстрый ресинтез макромо-
лекул ............................................... 255
В. Термостабильность макромолекул............... 259
Г. Высокозаряженные макромолекулы внутри клетки . . 270
Д. Аллостерия, термоадаптация и трансформация .... 274
IV. Детальное рассмотрение отдельных белков облигатных и
кальдоактивных термофилов................................. 2 80
518
Оглавление
А. Глицеральдегид-З-фосфат—дегидрогеназа............... 280
Б. Ферредоксин.......................................... 291
В. Термолизин .......................................... 298
Г. Формнлгетрагидрофолат-синтаза........................ 303
V. Заключение............................................. 306
Благодарности .......................................... 310
Список литературы....................................... 310
Глава 7. Жизнь микроорганизмов при экстремальных значениях pH
(Т. Ленгуорси).................................................. 322
I. Введение .............................................. 322
II. Встречаемость различных фюрм жизни при экстремальных
значениях pH................................................ 323
А. Жизнь при низких значениях pH........................ 323
Б. Жизнь при высоких значениях pH....................... 328
III. Природа форм жизни, развивающихся при экстремальных
значениях pH............................................... 331
А. Внешнее окружение................................... 331
Б. Внутриклеточный pH................................... 334
В. Поверхность и мембраны клеток........................ 341
IV. Заключение ............................................ 355
Список литературы....................................... 356
Глава 8. Жизнь микроорганизмов при высоких концентрациях солей
и растворенных веществ: галофильные бактерии (Д. Кашнер) 365
I. Введение............................................... 365
II. Природные места обитания с высокими концентрациями со-
лей и растворенных веществ.................................. 366
III. Биологическое действие высоких концентраций растворенных
веществ.................................................... 369
IV. Таксономическое распределение толерантных к растворенным
веществам и галофильных микроорганизмов.................... 371
А. Выделение мутантов, нуждающихся в больших или мень-
ших концентрациях растворенных веществ................ 374
V. Влияние внеклеточных растворенных веществ на внутрикле-
точные концентрации растворенных веществ.................. 375
А. «Совместимые растворенные вещества».................. 379
VI. Физиология экстремальных галофилов..................... 381
А. Питание и метаболизм................................. 381
Б. Ферментативная активность............................ 382
В. Синтез белка in vitro................................ 386
Г. Механизмы действия солей на ферменты и другие соле-
зависимые белки экстремально галофильных бактерий . 389
Д. Особенности ДНК и бактериофагов экстремально гало-
фильных бактерий........................................ 393
Е. Поверхностные слои экстремально галофильных бактерий 394
VII. Особые проблемы, возникающие при изучении умеренно га-
лофильных бактерий и солетолерантных микроорганизмов . 403
А. Синтез белка in vitro............................ 409
VIII. Заключительные замечания........................... 412
А. Вода и растворенные вещества..................... 412
Б. Перспективы дальнейших исследований галофилов ... 413
Дополнение.......................................... 415
Благодарности .......................................... 415
Список литературы................................... 416
Оглавление 519
Глава 9. Значение воды для микроорганизмов в природе (Д. Смит) 426
I. Введение............................................... 426
II. Грибы................................................... 427
III. Лишайники.............................................. 429
IV. Бактерии............................................... 431
V. Водоросли.............................................. 432
VI. Мхи ................................................... 435
VII. Механизм повреждения водным стрессом................... 437
Список литературы....................................... 440
Глава 10. Жизнь микробов в присутствии тяжелых металлов, мышьяка
и сурьмы (X. Эрлих).............................................. 440
I. Введение............................................... 440
II. Источники тяжелых металлов, мышьяка и сурьмы в окружаю-
щей среде................................................. 441
III. Реакция микроорганизмов на тяжелые металлы, мышьяк
и сурьму в окружающей среде................................ 445
IV. Бактериология кислых сточных вод, образующихся в шахтах 448
V. Взаимодействие микробов с соединениями марганца и железа 453
VI. Взаимодействие микробов с ртутью....................... 456
VII. Заключение............................................. 459
Дополнение.............................................. 459
Список литературы....................................... 459
Глава 11. Жизнь в условиях интенсивного облучения (А. Назим,
А. Джеймс) ...................................................... 470
I. Введение............................................... 470
II. Излучение в окружающей среде........................... 471
А. Неионизирующее излучение............................. 472
Б. Ионизирующее излучение............................... 472
III. Различия в радиационной чувствительности............... 473
IV. Защитные механизмы..................................... 479
V. Природа радиационных повреждений....................... 482
VI. Механизмы репарации ДНК................................ 485
А. Системы темновой репарации........................... 488
VII. Micrococcus radiodurans................................ 490
VIII. Радиационно-резистентные штаммы........................ 494
IX. Заключительные замечании............................... 495
Благодарности .......................................... 497
Список литературы....................................... 497
Предметный указатель............................................. 505
Указатель латинских названий..................................... 511
Экстремально галофильные бактерии, растущие в солеварнях близ Сан-Фран-
циско, придают воде ярко-красный цвет (см. гл. 8; фотография воспроизводит
ся с любезного разрешения J. Lanyi).
ЖИЗНЬ МИКРОБОВ
в экстремальных условиях
Научный редактор Н. М. Амельянчик
Мл. научный редактор О. А. Горгун
Художник О. Г. Черных
Художественный редактор Л. Е. Безрученков
Технический редактор Г. Б. Алюлина
Корректор Е. Г. Лнтвак
ИБ № 2235
Сдаио в набор 21 05 80. Подписано к печати 13.03 81. Формат
60Х90'Лб. Бумага типографская № 2. Гарнитура литератур-
ная. Печать высокая. Объем 16,31 бум. л. Усл. печ. л. 32,63
в т/ч 1 цвети, вкл. Усл. кр.-отт. 32,75. Уч.-нзд. л. 38,88.
Изд № 4/0741. Тираж 4300 экз. Зак. 492 Цена 4 р. 80 к.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
Москва, 1-й Рижский пер., 2.
Ярославский полиграфкомбннат Союзполиграфпрома при Госу-
дарственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли. 150014, Ярославль, ул. Свободы, 97.