Распространение и роль в природе спорообразующих анаэробных бактерий Анаэробные спорообразующие бактерии широко распространены в природе. Их находили в самых различных почвах всех континентов, на скальных породах горных массивов, в морях, пресных водах озер и рек, водах глубинных нефтяных источников, в кишечнике человека и животных и т. д. В определителе А. Р. Прево дано описание около 200 видов анаэробных спорообразующих бактерий. На самом деле их в природе гораздо больше. Общепризнанным является мнение, что только меньшая доля микроорганизмов известна в настоящее время. Особенно это касается анаэробов, которые с большим трудом выделяются из природных субстратов и культивируются в лабораториях. И не случайно с каждым годом мы узнаем о новых микроорганизмах, выделенных «охотниками» за микробами. С открытием новых, особенно своеобразных, видов и групп микроорганизмов становятся известными новые биохимические процессы, осуществляемые микроорганизмами в природе, новые метаболиты микроорганизмов (ферменты, гормоны, витамины, антибиотики и т. д.), не говоря уже о том, что расширяются наши представления о разнообразии форм микроорганизмов и органического мира в целом. Благодаря очень интенсивному обмену веществ, а следовательно, и необычайно высокой химической активности, микроорганизмы играют огромную роль в круговороте веществ на Земле. Анаэробные микроорганизмы принимают активное участие во многих звеньях этого круговорота, что обусловлено разнообразием и сложностью процессов их обмена веществ, большим набором органических и неорганических веществ, трансформируемых этими микроорганизмами, и крайне широким спектром выделяемых продуктов метаболизма. Во всех биологических циклах (круговороте углерода, азота, серы, фосфора и других элементов) анаэробам принадлежит весьма существенная роль. Сахаролитические спороносные анаэробы «специализируются» на разложении углеводов и родственных им соединений, попадающих в почву и другие среды благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов. Другие физиологические группы анаэробов участвуют в круговороте азотсодержащих веществ: разлагают белки, аминокислоты, пурины (протеолитические, пуринолитические бактерии). Многие же способны активно фиксировать атмосферный азот, переводя его в органическую форму. Эти анаэробы способствуют повышению плодородия почв. Количество клеток протеолитических и сахаролитических анаэробов в 1 г плодородных почв достигает даже миллионов. Особое значение имеют те группы микроорганизмов, которые участвуют в разложении труднодоступных форм органических соединений, таких, как пектиновые вещества и целлюлоза. Именно эти вещества составляют большую долю растительных остатков и являются главным источником углерода для почвенных микроорганизмов. В анаэробных условиях эти соединения разрушаются пектинолитическими и целлюлозолитическими анаэробами. Деятельность сульфатредуцирующих бактерий очень многогранна. С ними связывают образование нефти, сероводорода в морях, почвах, лечебных грязях. Еще в 1890 г. Н. Д. Зелинский и Е. Брусиловский показали, что слой воды в Черном море, насыщенный сероводородом, является результатом активности сульфатредуцирующих анаэробных бактерий. В почвах деятельность сульфатредуцирующих бактерий приводит к содообразованию. В определенных условиях, благоприятствующих накоплению соды, может произойти содовое засоление почвы. Массовое развитие сульфатредуцирующих бактерий, например, в почвах рисовых плантаций приводит к усилению восстановительных процессов, переводящих многие питательные вещества в доступную для корней риса форму. Образование сероводорода сульфатредуцирующими бактериями часто приносит вред, вызывая при определенных обстоятельствах коррозию металлических подводных и подземных сооружений. Патогенные и токсигенные спорообразующие анаэробы. Некоторые из протеолитических и сахаролитических бактерий могут быть возбудителями болезней, особенно таких, как гангрена и столбняк (так называемые раневые инфекции). Возбудителями газовой гангрены являются такие виды анаэробных спороносных бактерий, как CI. perfringens, CI. histolyticum, CI. septicum, CI. oedematiens, CI. bifermentans. Возбудитель столбняка — CI. tetani. Хотя патогенные бактерии не так часто встречаются в медицинской практике, как другие патогенные микроорганизмы, но вызываемые ими заболевания очень опасны, протекают быстро и часто с фатальным исходом. Попадая в рану, гангренозные формы анаэробов вызывают быстро распространяющееся разрушение мышечной ткани, сопровождающееся накоплением в ткани водорода. Возбудители вырабатывают сильнодействующие экзотоксины. Наиболее изучен альфа-токсин, выделяемый CI. perfringens. Это фермент лецитиназа, разрушающая лецитин (важный компонент клеточных мембран). Лецитиназа также лизирует и красные кровяные тельца. CI. tetani при развитии в ранах продуцирует белковый токсин большой силы, который через кровь и нервные каналы быстро проникает в организм и вызывает повреждение центральной нервной системы . CI. botulinum продуцирует токсины, вызывающие опасные, часто фатальные пищевые отравления. Насчитывается 5 разновидностей CI. botulinum, синтезирующих 6 различных токсинов. Из них наибольшей токсичностью обладает токсин типа Д, 1 мг которого содержит около 10/12 минимальных летальных доз для мышей; 5—10 мг этого токсина способны убить все население земного шара. Это наиболее сильный из всех токсинов, которые способны вырабатывать живые организмы. При пищевых отравлениях чаще всего встречается токсин типа А. Несмотря на большую молекулярную массу (—1000000), токсин легко проникает через стенку кишечника в кровь. Смерть обычно наступает в результате остановки дыхания. Токсин очень устойчив к действию протеолитических ферментов кишечного тракта, но термолабилен и может разрушаться при кипячении.
Использование анаэробов в промышленности Получение ацетона и бутанола с помощью микроорганизмов было первым крупнотоннажным производством, где нашли применение анаэробные спорообразующие бактерии. В качестве продуцента ацетона и бутанола использовался Clostridium acetobutylicum, вызывающий ацетонобутиловое брожение углеводов. Ацетон и бутанол — ценное сырье для производства взрывчатых веществ и каучука. Бутиловый спирт — один из лучших растворителей целлюлозных лаков. Особенно широко начал применяться микробиологический способ получения растворителей в конце 40-х годов. В последние годы расширяется использование микроорганизмов как в нашей стране, так и за рубежом для промышленного производства таких ценных веществ, как антибиотики, ферменты, аминокислоты, гормоны, витамины, белкововитаминные препараты. Дальнейший прогресс микробиологической промышленности связан с поисками и внедрением новых перспективных продуцентов веществ, необходимых для народного хозяйства. В этом отношении экономически выгодно может быть применение анаэробных микроорганизмов, в частности спорообразующих анаэробов, которые, как известно, являются активными продуцентами ряда важных ферментов: пектиназ, целлюлаз, протеаз, липаз, амилаз, декарбоксилазы и гиалуронидазы. Анаэробы в некоторых странах уже используются для трансформации стероидных гормонов, а также для получения липазы, коллагеназы и пектаз. Так как при выращивании анаэробов воздух (кислород) в ферментеры подавать не нужно, производственный процесс облегчается, а стоимость продуктов ферментации значительно удешевляется по сравнению с аналогичными аэробными процессами. В последнее время показано, что споры некоторых видов анаэробов при внутривенном введении животным проявляют онколитическую активность (наблюдается разрушение злокачественных образований). Споры анаэробов обладают также радиопротекторной активностью и при внутривенном введении животным способны повышать выживаемость и среднюю продолжительность жизни животных, облученных смертельной дозой радиации. Очевидно, споры анаэробов можно использовать для получения онколитических и радиопротекторных веществ. Спороносные анаэробные бактерии применяются при мочке льна, конопли и других лубоволокнистых растений. Под влиянием микробных ферментов (пектиназ) расщепляются пектиновые вещества, склеивающие паренхимные клетки и лубяные пучки между собой. Этот процесс используется для получения волокна, необходимого для текстильной промышленности. До сих пор в промышленных условиях мочку льна осуществляют без регулирования состава пектинолитических микроорганизмов. В то же время применение в виде заквасок чистых культур анаэробов (активных пектинолитических клостридиев) сокращает процесс в 3—4 раза и позволяет получать волокно высокого качества. Применение специальных препаратов позволит в будущем, кроме того, стандартизовать процесс получения льняного волокна. Пектинолитические ферменты анаэробов имеют в этом отношении преимущество но сравнению с ферментами грибов, которые содержат примеси целлюлаз, ухудшающих качество волокна. Дальнейшее всестороннее изучение обширного мира анаэробных бактерий не только приведет ко многим важным открытиям теоретического характера, но и будет способствовать широкому практическому использованию деятельности анаэробных микроорганизмов в народном хозяйстве.
Систематика спорообразующих анаэробных бактерий В настоящее время имеются три наиболее известные системы классификации анаэробов: Н. А. Красильникова (1949), Берги (1957) и Прево (1957, 1967). По Красильникову, все спорообразующие бактерии объединяются в семейство Васillасеае. Это семейство имеет два рода — Bacillus и Clostridium. В род Bacillus входят как аэробные, так и анаэробные бактерии (последние составляют Х-группу), которые не образуют гранулезы и не раздуваются (либо слабо раздуваются) при спорообразовании. Род Clostridium объединяет бактерии, клетки которых в процессе спорообразования раздуваются с приобретением клостридиальной (лимоновидной) формы и накапливают гранулезу. За прошедшие 20 лет после издания определителя Красильникова накопилось много данных об анаэробных микроорганизмах, их видовом разнообразии, биохимии, физиологии и цитологии. Были обнаружены новые физиологические группы, относящиеся к разным родам, и выделено много новых видов спорообразующих анаэробов.
Определитель Прево, Турпина и Кайзера наиболее полно описывает анаэробные микроорганизмы, известные в настоящее время микробиологам. Около 200 видов спорообразующих анаэробных бактерий распределяются в нем по трем порядкам: Clostridiales, Plectridiales и Sporovibrionales (схема 3 на табл. 36). [s] 1-Таблица_36.jpg[/s] Морфологические различия между вегетативными клетками различных видов очень незначительны, а спорулирующие клетки и сами споры необычайно разнообразны. Это явление имеет очень большое значение для разделения анаэробов на систематические группы. Для разделения на порядки служит форма вегетативных клеток (прямые или изогнутые палочки) и расположение спор в спорангиях (центральное, субтерминальное и терминальное). При разделении на семейства и роды принимаются во внимание грамокраска, подвижность клеток, способность образовывать капсулу. Различные сочетания этих признаков позволили разделить все спорообразующие анаэробные бактерии на 5 семейств и 10 родов. Порядок Clostridiales. К нему относятся подвижные и неподвижные грамположительные и грамотрицательные палочки, раздувающиеся при спорообразовании. Споры расположены центрально и субтерминально. Имеются пигментированные виды. В основном анаэробные, но возможны факультативные формы. В порядок входят два семейства. Семейство Endosporaceae включает грамотрицательные клостридии; споры расположены центрально или субтерминально. В этом семействе два рода: Endosporus — подвижные формы и Paraplectrum — неподвижные, образуют капсулу. Семейство Clostridiaceae включает грамположительные клостридии. Споры центральные или субтерминальные. Подразделяется на три рода: Inflabilis — неподвижные формы, Welchia — неподвижные капсулированные палочки, Clostridium — подвижные формы. Порядок Plectridiales. Подвижные и неподвижные, грамположительные и грамотрицательные палочки. Споры образуются терминально. Порядок подразделяется на два семейства. Семейство Terminosporaceae — грамотрицательные плектридии. Семейство состоит из двух родов: Terminosporus — подвижные и Caduceus — неподвижные формы. Семейство Plectridiaceae — грамположительные плектридии. В этом семействе два рода: Plectridium — подвижные и Acuformis — неподвижные организмы. Порядок Sporovibrionales включает спорообразующие подвижные анаэробные бактерии с изогнутыми (вибрионоподобными) грамотрицательными клетками. Большинство из них способно восстанавливать сульфаты и нитраты. В этом порядке одно семейство — Sporovibrionaceae. В него входит один род — Sporovibrio, объединяющий четыре вида спорообразующих анаэробов. Один из этих видов — Sporovibrio ferrooxydans — не восстанавливает сульфатов, а железо окисляет в гидрат железа.
По Кэмпбеллу и Постгейту, все спорообразующие анаэробы, обладающие постоянной способностью восстанавливать сульфаты, были выделены в новый род — Desulfotomaculum. В него входят облигатные анаэробы с грамотрицательными, прямыми или изогнутыми палочками, раздувающимися у термофильных форм. Споры формируются терминально или субтерминально. Бактерии подвижные, жгутикование перитрихиальное, восстанавливают сульфаты до сульфидов. Обладают цитохромами (класс протогеминов). Состав ДНК колеблется в пределах 41,7—49,2 мол.% Г+Ц. Неспоровые сульфатредуцирующие бактерии из рода Desulfovibrio четко отличаются от спорообразующих по проценту Г+Ц в ДНК, наличию пигмента десульфовиридина и цитохрома, монотрихиальным жгутикованием и отсутствием спорообразования. Род Desulfotomaculum включает четыре вида. D. nigrificans — типовой вид. Споры овоидные, субтерминальные. Бактерии могут расти без сульфатов на среде с пируватом. Глюкозу и другие углеводы не используют, термофильные. Температурный оптимум 55° С. Процент Г+Ц в ДНК 49,2. D. ruminis. Споры овоидные, терминальные или субтерминальные. Бактерии способны расти без сульфатов на среде с пируватом. Глюкозу и другие углеводы не сбраживают, мезофилы, Г + Ц в ДНК -49,2%. D. orientis. Споры круглые, могут располагаться в клетках центрально, эксцентрально и терминально. Глюкозу и другие углеводы бактерии не сбраживают, не растут на средах с пируватом без сульфатов, мезофилы. Процент Г+Ц в ДНК 45,1. Японские авторы описали еще один вид спорообразующих сульфатредуцирующих бактерий — D. antarcticum. Споры этих бактерий овоидные, располагаются в клетках центрально или терминально. Нуклеотидный состав ДНК неизвестен. Этот вид отличается от других видов рода Desulfotomaculum способностью использовать глюкозу и разжижать желатин.
