Том 92, № 2 (2023)

Метоксилированные ароматические соединения (МАС) широко распространены в разнообразных местообитаниях и являются компонентами лигнина – второго по распространению биополимера на Земле. В обзоре мы обобщаем исследования в области микробиологии, экологии и биохимии анаэробного катаболизма МАС у представителей Bacteria и Archaea. Нами проанализированы геномы 46 прокариот, анаэробно разлагающих МАС, на наличие генов О-деметилаз, СО-дегидрогеназы/ацетил-КоА синтазы, а также бензоил-КоА редуктаз, обусловливающих возможность метоксидотрофного роста. Обнаружено, что факультативные анаэробы, принадлежащие к филуму Pseudomonadota, не имеют известных генетических детерминант анаэробной О-деметилазной реакции и восстановления ароматического кольца. Таким образом, трансформация МАС анаэробными микроорганизмами осуществляется различными биохимическими механизмами и, вероятно, играет более значимую роль в глобальном цикле углерода, чем предполагалось ранее.

Из образца многолетнемерзлых отложений о. Западный Шпицберген выделен новый штамм метанобразующих архей, названный нами VT^T. Клетки штамма представлены изогнутыми неподвижными палочками размером 2.7‒5.3 × 0.3 мкм. Оптимальными условиями для роста были температура 20°C, pH 6.6, содержание NaCl 0.03‒0.05 M. Единственным используемым субстратом являлась газовая смесь H₂/CO₂. В присутствии H₂/CO₂ рост стимулировался добавлением дрожжевого экстракта и жидкости рубца. По результатам филогенетического анализа последовательностей гена 16S рРНК штамм VT^T отнесен к роду Methanobacterium с ближайшим родственником M. lacus 17A1^T (сходство 97.02%). Сравнение секвенированного и собранного генома штамма VT^T с геномами других видов рода подтвердило эти данные, а также показало их отличия на видовом уровне. По результатам проведенных исследований мы полагаем, что выделенный нами метаноген является представителем нового вида метанообразующих архей, для которого предложено название Methanobacterium spitsbergensе sp. nov. с типовым штаммом VT^T (=VKM B-3566^T = JCM 39284^T).

Были исследованы три карстовых озера в Нижегородской области: Старопустынские озера Свято и Залив Некрасова, а также оз. Светлояр. Изученные озера относятся к мезотрофно-евтрофному полигумозному типу, отличаются устойчивой стратификацией с признаками меромиксии. Их водная толща разделена на аэробную и анаэробную зоны, придонная вода содержит сульфид. В Старопустынских озерах также присутствовали соединения Fe(II). В оз. Залив Некрасова в миксолимнионе отмечены высокая скорость оксигенного фотосинтеза, до 1.2 мкг С л^–1 сут^–1, а также максимум аноксигенного фотосинтеза в хемоклине (0.030‒0.706 мкг С л^–1 сут^–1) на глубине 1.5‒2.5 м. Пик темновой ассимиляции углекислоты (0.146 мкг С л^–1 сут^–1) приходился на глубину 1.5 м в зоне оксиклина. В озерах Залив Некрасова и Свято на границе проникновения света обнаружены аноксигенные фототрофные бактерии (АФБ). Преобладали зеленые серобактерии с короткими клеточными выростами – “Ancalochloris sp.”. Встречались также консорциумы “Chlorochromium aggregatum” и нитчатые хлоробактерии “Chloronema giganteum”, в чехлах которых накапливаются соли окисного железа. В Старопустынских озерах различные морфотипы железобактерий образовывали скопления в микроаэробной зоне. В оз. Светлояр хемоклин находился на глубине 16 м за пределами фотической зоны, поэтому условий для развития АФБ не было. В этих условиях в исследованных озерах основную роль в аэробном окислении серных соединений в зоне хемоклина играли гетеротрофные аэробные бактерии.

В результате проведенных исследований подобраны оптимальные условия С3 окислительной биотрансформации 1.0 г/л пентациклических тритерпеноидов олеаноловой (ОК) и глицирретовой (ГК) кислот с использованием нерастущих клеток Rhodococcus rhodochrous ИЭГМ 1360 из Региональной профилированной коллекции алканотрофных микроорганизмов. Наибольшую каталитическую активность по отношению к ОК и ГК проявляли суспензии нерастущих клеток с ОП₆₀₀ 2.6 в буфере pH 8.0 и ОП₆₀₀ 2.2 в буфере pH 6.0, что обеспечивало образование 61 и 100% 3-оксо-производных соответственно. С использованием фазово-контрастной, атомно-силовой и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии выявлена ответная реакция родококков на воздействие ОК и ГК. In silico предположена апоптическая и антиоксидантная активность 3-оксо-ОК и 3-оксо-ГК соответственно. In vitro показана выраженная антибактериальная активность 3-оксо-ОК в отношении тест-культур Micrococcus luteus, Escherichia coli, Staphylococcus aureus и Bacillus subtilis. Отсутствие токсического действия тритерпеноидов и их 3-оксо-производных на водные и растительные объекты продемонстрировано in silico и in vitro соответственно.

Выявлены особенности в организации и локализации генов alkB и кодируемых ими алкан-1-моноксигеназ у бактерий рода Rhodococcus. Установлено, что для всех представителей одной филогенетической группы характерен определенный тип генов alkB (тип alkB1 в составе оперонов, содержащих гены, кодирующие рубредоксины, рубредоксинредуктазу и регуляторный белок, и/или тип alkB2 в составе оперонов без гена, кодирующего рубредоксинредуктазу, и дополнительно отдельно локализованные детерминанты типа alkB3‒alkB8). Гены alkB1-типа присутствовали в хромосомах бактерий групп B1 (R. aetherivorans, R. ruber), С (R. opacus, R. jostii, R. wratislaviensis, R. koreensis), D (R. erythropolis, R. qingshengii), G (R. triatomae) и E (R. fascians). Гены alkB2-типа находились в строго определенных локусах хромосом бактерий филогенетических групп А (R. hoagii/R. equi), В2 (R. coprophilus, R. pyridinivorans, R. rhodochrous) и D (R. erythropolis, R. qingshengii). Отдельно локализованные гены alkB3‒alkB5 обнаруживались в хромосомах бактерий группы D (alkB5 только у представителей вида R. qingshengii), гены alkB6 – бактерий группы B1 и В2, гены alkB7‒alkB8 – бактерий группы Е. Белки, кодируемые генами alkB1 и alkB2, представлены тремя филогенетическими группами. Первая из них включала белки AlkB1-типа бактерий группы В1 и С, а также белки AlkB2-типа бактерий группы D и А; вторая – белки AlkB2-типа бактерий группы В2; третья ‒ белки AlkB1-типа бактерий группы G и D. Алкан-1-монооксигеназы, кодируемые отдельно локализованными генами alkB3‒alkB8, представлены тремя филогенетическими линиями: первая – AlkB3‒AlkB5, вторая – AlkB6 третья – AlkB7 и AlkB8. В геноме бактерий R. pyridinivorans 5Ар выявлены характерные для представителей группы В1 гены alkB2 и alkB6. Показано, что данные детерминанты необходимы для синтеза биоПАВ. У мутанта с нарушенным геном alkB2 эмульгирующая активность уменьшалась при 28 и 42°С, соответственно, в 16 и 3 раза, а количество содержащих трегалозу сурфактантов – в 7  и 3 раза. У мутанта с нарушенным геном alkB6 вне зависимости от температуры культивирования регистрировали снижение эмульгирующей активности в 1.2 раза и уменьшение синтеза содержащих трегалозу сурфактантов более чем в 2 раза. Полученные результаты свидетельствовали о ключевой роли гена alkB2 в синтезе биоПАВ при разных температурных режимах. В то же время роль гена alkB6 возрастала при температуре 42°С, что могло быть обусловлено его повышенной транскрипционной активностью.

Исследована суточная динамика содержания метана в придонной фототрофной биомассе мелководного содового озера Горчина 1 с соленостью в период проведения работ 30 г/л. В сообществе доминировали нитчатые цианобактерии, но формирования слоистого мата не происходило. Выявлено максимальное значение содержания метана до 202.4 нмоль CH₄/см³ в утренние часы, что значительно превышало ночные показатели (28.9‒42.8 нмоль CH₄/см³). Сопоставление данных по содержанию метана с относительной численностью цианобактерий, метаногенных архей и метанотрофных бактерий в течение суток указывает на то, что активные процессы цикла метана в содовых озерах происходят не только в осадках, но и в придонных цианобактериальных сообществах. Содержание метана в биомассе такого сообщества является результатом баланса между процессами его выделения метаногенами, потребления метанотрофными бактериями и естественной дегазацией. Предполагается, что утренний пик содержания метана связан с выделением диазотрофными цианобактериями водорода, который стимулирует развитие и активность гидрогенотрофных метаногенов рода Methanocalculus.