Том 92, № 3 (2023)

Изучение микроорганизмов, обитающих в подземных водоносных горизонтах, основано на отборе проб воды, поступающих из глубинных скважин, и редко учитывает физико-химические процессы в системе вода‒порода. Остается неясным, как метаболизируют аэробные прокариоты, обнаруживаемые под землей молекулярными методами. Для прямого определения отношения прокариот к кислороду необходимо культивирование. В настоящем исследовании проведено целевое выделение аэробных и анаэробных бактерий, обнаруженных в термальных радоновых водах на курорте Белокуриха молекулярными методами. Профилирование по гену 16S рРНК выявило доминирование представителей группы Deionococcus‒Thermus, относящихся к роду Meiothermus (17.6% чтений) и считающихся строгими аэробами. Одновременно в воде присутствовали анаэробные сульфатредуцирующие Thermodesulfovibrio. Вода характеризовалась восстановительными и щелочными условиями. Целевое культивирование позволило выделить растущий аэробно Meiothermus sp. 1165, являющийся близким родственником Meiothermus cerbereus. Одновременно выделен алкалофильный анаэробный сульфатредуктор Thermodesulfovibrio sp. 1176. Измерение в воде Белокурихи интенсивности сульфатредукции с \({\text{Na}}_{{\text{2}}}^{{\,\,{\text{35}}}}{\text{S}}{{{\text{O}}}_{{\text{4}}}}\) продемонстрировало активный процесс, протекающий со скоростью 41.4 ± 1.06 мкг S_восст/л/сут (1.29 нмоль S/мл/сут). Анализ генома штамма 1176 выявил присутствие различных механизмов, обеспечивающих относительную устойчивость к кислороду и окислительному стрессу и включающих супероксид редуктазу, рубредоксин, супероксид дисмутазу Fe-Mn семейства, каталазу-пероксидазу KatG и цитохром bd убихинол оксидазу. Низкий окислительно-восстановительный потенциал и интенсивный процесс анаэробной сульфатредукции подтверждают, что, в целом, подземные горизонты в Белокурихе характеризуются восстановительными условиями. Можно предположить пространственное разобщение аэробов и анаэробов в системе вода‒порода, как это происходит в наземных микробных матах, а также протекание аэробных процессов в микрозонах.

Исследование скорости роста гриба Sistotrema brinkmannii при различных значениях рН среды, температуры и концентрации NaCl показало, что он является мезофилом, предпочитает бессолевую среду и относится к облигатным ацидофилам, так как имеет выраженный оптимум роста при рН 3.0–4.0 и не растет при рН 7.0. Для изучения защитных механизмов, позволяющих грибу развиваться в кислых условиях среды, был исследован состав его осмолитов и липидов. Впервые показано, что в мицелии гриба в динамике роста в оптимальных условиях присутствует большое количество трегалозы (4.0–6.6% от сухой массы), что доказывает участие осмолитов в адаптации у ацидофилов. При этом на границах диапазона роста (рН 2.6 и 6.0) количество трегалозы в мицелии гриба снижалось в 2.5 раза, что соответствует узкому оптимуму роста гриба в природных условиях (рН 3.0–4.0). Отличительной чертой состава мембранных липидов гриба является высокая доля сфинголипидов (до 60% от суммы), которая в динамике роста в оптимальных условиях снижается вдвое. К основным мембранным липидам, кроме сфинголипидов, также относятся фосфатидные кислоты, фосфатидилэтаноламины и стерины, доля которых с возрастом увеличивается. Состав мембранных липидов гриба при рН 2.6 практически не отличается от оптимальных условий, тогда как в околонейтральной области наблюдается двукратное повышение доли сфинголипидов, что указывает на их адаптивное значение. Одновременное снижение доли сфинголипидов и рост уровня трегалозы в динамике роста позволяет предположить взаимосвязь этих соединений в защите мембран клетки.

Микроорганизмы, ассоциированные с водорослями и обладающие способностью к использованию сложных субстратов (например, растительных гетерополисахаридов), могут являться важными продуцентами гидролитических ферментов. С помощью высокопроизводительного секвенирования вариабельного участка V4 гена 16S рРНК был проведен анализ микробных сообществ красных водорослей Corallina sp. и Phyllophora sp., отобранных в акватории Кандалакшского залива Белого моря. В микробиомах обоих образцов преобладали бактерии филумов Pseudomonadota и Bacteroidota (классификация GTDB, https://gtdb.ecogenomic.org/). Для образца Corallina sp. было показано доминирование родов Vibrio, Agarivorans и Photobacterium, а для образца Phyllophora sp. ‒ Granulosicoccus и Aliivibrio. Исследуемые красные макроводоросли с ассоциированной с ними микробиотой были использованы в качестве посевного материала для получения накопительных культур, растущих на β-1,4-ксилане или β-1,3-глюкане (курдлан). Было показано, что во всех накопительных культурах также преобладали филумы Pseudomonadota и Bacteroidota, однако, в отличие от природных образцов, доминирующими родами в накопительных культурах были Marinomonas, Reinekea, Polaribacter и Pseudoalteromonas. Представители последних, наряду с бактериями рода Vibrio, были выделены в чистые культуры, для которых была показана ксиланолитическая активность.

Из бурой полупустынной почвы Астраханской области с очень сильной степенью засоления выделен штамм К-11, который на основании анализа последовательности гена 16S рРНК отнесен к виду Streptomyces carpaticus К-11 RCAM04697 (SCPM-O-B-9993). Проведено полногеномное секвенирование штамма. Изучена фитотоксичность, противовирусная, антиоксидантная, антифунгальная, инсектицидная активности штамма. Все экстракты и суспензия штамма S. carpaticus RCAM04697 обладали фитостимулирующей активностью. Противовирусные свойства проявлялись в сдерживании развития и распространения вирусных возбудителей в лабораторных условиях: вируса мозаики томата (ВМТо) (Tomato mosaic virus, ToMV) – 26.3%, вируса мозаики огурца (ВОМ) (Cucumber mosaic virus, CMV) – 33.8%, Y-вируса картофеля (YВК) (Potato Y potyvirus, PVY) – 51.3%, Х-вируса картофеля (ХВК) (Potato Х potyvirus, PVХ) – 41.3%. Наибольшую антиоксидантную активность проявили суспензия – 88.8% и водно-спиртовый экстракт (20 : 80) – 76.0% штамма S. carpaticus RCAM04697. Штамм в различной степени ингибировал рост фитопатогена Fusarium sporotrichioides. Инсектицидная активность в отношении Aphis fabae через 6 ч обработки составила 100% в вариантах с обработкой суспензией, водно-спиртовым (80 : 20, 50 : 50), метанольным и гексановым экстрактами. В составе метаболитов штамма S. carpaticus RCAM04697 обнаружены флавоноиды, алкалоиды, гликозиды, органические кислоты (изолимонная, уксусная, фумаровая, молочная, пировиноградная, яблочная), спирты, альдегиды, углеводороды, эфиры, серосодержащие соединения и другие группы низкомолекулярных органических соединений.

Процессы микробно-индуцированного осаждения карбонатов кальция широко распространены в природных условиях и являются важной частью биогеохимического цикла углерода. Эти процессы легли в основу новых технологий “биоцементирования”, разработка которых активно ведется в последнее десятилетие по всему миру. Данные технологии направлены на создание новых “самозаживляющихся” строительных материалов, а также на поддержание прочности различных сооружений и строительных конструкций. Оптимальными условиями для образования кальцитов являются повышенная соленость и щелочность среды, что вызвало интерес к поиску кальцинирующих микроорганизмов в разнообразных экосистемах, включая экстремальные. В настоящее время выделено и протестировано в полупромышленных условиях уже немало штаммов галофильных и галотолерантных бактерий, индуцирующих кальцинирование. Большинство этих бактерий обладает уреазной активностью, которая вносит основной вклад в связывание ионов кальция в нерастворимый карбонат кальция. Широкое разнообразие природных экосистем с оптимальными условиями для развития кальцинирующих уробактерий, а также экономическая востребованность технологий биоцементирования побуждает интерес к поискам все новых штаммов этих микроорганизмов. Одним из перспективных ресурсов для поиска таких организмов является экосистема высыхающего Аральского моря и прилегающего к нему пустынного и полупустынного региона Приаралья. В нашей работе мы приводим результаты скрининга различных экстремальных экосистем Аральского региона на наличие кальцинирующих микроорганизмов. Из образцов растительных остатков и почв Приаралья нами получено 28 чистых культур гетеротрофных аэробных бактерий, 4 из которых обладают уреазной и кальцинирующей активностями, дана сравнительная оценка их активности со штаммами, уже использованными для создания биоцементирующих препаратов. Методами молекулярной экологии детектированы филотипы потенциальных кальцинирующих микроорганизмов в микробных сообществах пустынной почвы, термальных вод и донных отложений соленого озера, дано описание филогенетического разнообразия этих сообществ. Полученные результаты выявили широкое распространение кальцинирующих микроорганизмов в экосистемах Южного Приаралья и показали целесообразность поиска в них новых биотехнологически значимых штаммов этих организмов.