природные водоемы

Котелевцев С.В., Орлов С.Н., Остроумов С.А. , 2010 Обсудить

Котелевцев С.В., Орлов С.Н., Остроумов С.А. Изучение симбиотических ассоциаций (ассоциативного симбиоза) в микробиальных биоценозах...

Котелевцев С.В., Орлов С.Н., Остроумов С.А. Изучение симбиотических ассоциаций (ассоциативного симбиоза) в микробиальных биоценозах водоемов. Анализируются вопросы, изложенные в книге О. В. Бухарина и Н. В. Немцевой «Микробиология биоценозов природных водоемов») // "Екологія довкілля та безпека життєдіяльності" (2008), № 5. c. 84-86. http://eko.org.ua/ru/magazine/5-2008/ [= Kotelevtsev S., Orlov S., Ostroumov S. Studying symbiotic associations (associative symbiosis) in microbial biocoenoses of aquatic bodies. (Analysis of the issues described in the book: O.V.Bukharin, N.V.Nemtseva «Microbiology of biocoenoses of natural aquatic bodies») . - «Ecology of surroundings and safety of vital activity» 2008.No.5, p. 84-86]. В 2008 г. опубликована книга О. В. Бухарина и Н. В. Немцовой “Микробиология биоценозов при- родных водоемов” (Екатеринбург, издательство Уральского отделения РАН, 156 с.). Книга дает воз- можность более глубоко понять экологию водоемов и содержит большой объем новой информации, важной для формирования научных основ оценки экологического состояния водоемов, биоиндика- ции, для санитарной гидробиологии и прикладной микробиологии источников водоснабжения. В книге представлены материалы по взаимо- отношениям симбионтов в биоценозах природных водных экосистем. Книга состоит из Введения, четырех глав и заключения. Краткое Введение содержит очень важные сведения. Упомянут принцип, обозначенный Гамильтоном в 1843 г. как ассоциативность – обра- зование ассоциаций микроорганизмов с различ- ными типами связей. Даны определения важных терминов – эндоцитобиоза (расположение микро- организмов в клетках своих хозяев – таких, как водоросли и простейшие) и ассоциативного сим- биоза. Последний термин введен О.В. Бухариным. В первой главе (с. 12–45) рассмотрены основ- ные типы микробиоценозов водоемов. В отдельных разделах анализируются следующие ассоциации. 1. Ассоциации простейших с бактерия- ми. Рассмотрено множество разнообраз- ных примеров симбиозов простейших (родов Chlamydaster, Amoeba, Vanella, Tetrahymena и других) с бактериями родов Vibrio, Aeromonas, Mycobacterium,Campilobacter, Salmonella, Shigella, Listeria, Pseudomonas, Klebsiella, Staphylococcus, Serratia и других. 2. Ассоциации простейших с водорослями. Обсуждаются многие примеры симбиотических ассоциаций простейших родов Amoeba, Majorella, Pleuronema с ассоциированными с ними водорос- с ассоциированными с ними водорос- лями родов Coelastrum, Chrysococcus, Kephyrion и др. Во многих случаях эндосимбиотические водо- росли (зоохлореллы, зооксантеллы, цианеллы и др.) обеспечивают значительную часть энергетических потребностей простейших, создают возможность миксотрофии для гетеротрофных простейших. 3. Ассоциации водорослей с водорослями. В этом разделе авторы расширительно трактуют тер- мин водоросли и включают в него сине-зеленые водоросли, которые, по более строгой термино- логии, относятся к бактериям (цианобактерии). В данном разделе приведены интересные примеры того, как в слизи цианобактерий поселяются другие цианобактерии, диатомовые и зеленые водорос- ли. Есть и другие примеры, где точно определить характер ассоциации (симбиоз или паразитизм) затруднительно. 4. Ассоциации водоросли – бактерии. Как отмечают авторы, “ценозообразующая роль водо- рослей обусловлена, во-первых, способностью образовывать слизистые чехлы и колониальную слизь, во-вторых, наличием внеклеточных органи- ческих выделений” (с. 29). Это способствует обра- зованию ассоциаций водорослей родов Pandorina, Chlamydomonas, Chlorella, Spirulina, Dunaliella c бакте- риями Pseudomonas, Flavobacterium, Agrobacterium, Achromobacter, Bacillus, Chromobacterium, Sarcina, Vibrio, Micrococcus, Rhodococcus и другими. 5. Бактерии – бактерии. Приведены интересные примеры ассоциаций бактерий. Так, установлены ассоциации бактерий, разлагающих целлюлозу, и азотфиксаторов. Acinetobacter часто ассоциирован с микрококком и дрожжами Candida. Синтрофной ассоциацией является Methanobacterium omelian- skii – ранее это считалось чистой монокультурой метаногенов. Выявлен микробный биоценоз гипер- соленых озер, в который входят галофильные и галотолерантные бактерии, причем галофильные бактерии делятся со своими партнерами осмопро- текторами. Во второй главе “Модельные функциональ- ные системы биоценозов” (с. 46) рассмотрены три защитных системы во взаимодействиях про- и эукариотических микроорганизмов, причем для всех трех защитных систем обнаружены механизмы их преодоления, которые присущи некоторым из водных микроорганизмов. Авторы подробно изучили систему “лизоцим- антилизоцим”. Показано, что лизоцимной активно- стью обладает очень высокая для изолятов многих групп организмов – Ciliophora, Sarcomastigophora, Streptococcaceae, Micrococcaceae, Bacillaceae, и дру- гие. Этой активностью обладают более 40 % изолятов Chlorophyta и более 20 % изолятов Cyanophyta (с. 48). Вместе с тем у многих организмов выявлена антили- Page 2 Екологія довкілля та безпека життєдіяльності, №5 2008 85 зоцимная активность – прежде всего у патогенных, условно-патогенных и сапрофитных микроорганиз- мов, например у энтеробактерий, аэромонад, ста- филококков. Антилизоцимная активность найдена у почти 90 % изолятов Enterobacteriaceae, более 70 % изолятов Pseudomonaceae, около 50 % изоля- Pseudomonaceae, около 50 % изоля- тов Cyanophyta, более 40 % Chlamidobacteriaceae, у многих других групп организмов (с. 50). В работах О.В. Бухарина разработано представление о том, что биологическая целесообразность антилизо- цимного фактора в условиях инфекционной пато- логии состоит в защите пептидогликанового поли- мера прокариот от воздействия лизоцима. Авторы детально изучили формы микроорганизмов, имею- щие лизоцимную активность (ЛА) и обладающие антилизоцимной активностью (АЛА). Ими получен большой экспериментальный материал о присут- ствии и численности ЛА- и АЛА-форм в ассоциаци- ях “бактерия – бактерия”, “водоросль – водоросль”, “водоросль – бактерия”, “простейшие – водоросль”, “простейшие – бактерии”. Авторы обнаружили, что лизоцим- антилизоцимные взаимодействия важны для выжи- вания бактерий не только в воде природных экоси- стем, но и в питьевой воде. Формирование симбио- тических связей бактерий с простейшими и водо- рослями имеет большое значение для качества питьевой воды, поскольку бактерии могут успешно преодолевать барьер фильтрационных сооруже- ний, находясь в слизистых чехлах водорослей или в фагосомах простейших (с. 74). Авторы сформулиро- вали тезис о трояком значении системы “лизоцим- антилизоцим”: обеспечение жизнедеятельности биоценоза, механизм выживания, регуляция гете- рогенности микробных популяций (с. 76). Вторая система, важная для формирования ассоциативных связей – функциональная связка “гистоны эукариот – антигистоновая активность прокариот” (с. 77–90). В 1992 г. О.В. Бухарин описал способность бактерий инактивировать бактери- цидный эффект гистонов эукариотических клеток. В книге на стр. 84–90 описаны опыты, доказывающие роль антигистоновой активности бактерий в фор- мировании ассоциативных связей с простейшими. Третья система – “перекись водорода водорос- лей – каталазная активность бактерий” (с. 90–97). Cерия оригинальных опытов по сокультивирова- ерия оригинальных опытов по сокультивирова- нию водорослей с каталазными и безкаталазными штаммами кишечной палочки показала, что высо- кая жизнеспособность (выживаемость) была харак- терна для штаммов с высоким уровнем каталазной активности. На этой основе авторы полагают, что “штаммы бактерий-ассоциантов водорослей с высо- ким и средним уровнем исследуемого признака могут выступать в роли симбионтов (резидентных штаммов), тогда как остальные – рассматривать- ся как случайная (транзисторная) бактериофлора” (с. 94). Следующая, третья глава посвящена регуляции межмикробных отношений симбионтов. Первый из двух разделов этой главы излагает новые интерес- ные данные о влиянии аутоиндукторов анабио- за на симбиотические отношения гидробионтов (с. 98–105). Среди экзометаболитов водорослей идентифицировано более 300 веществ. Из них 10–40 % участвуют в регуляции микробных попу- ляций, обитающих вокруг водорослевых клеток в их фикосфере. Выявлены конкретные вещества, участвующие в ауторегуляции роста и развития популяций микроорганизмов. К ним относятся аутоиндукторы анабиоза (алкилоксибензолы, АОБ, факторы d1, фd1) и аутоиндукторы аутолиза (свобод- ные ненасыщенные жирные кислоты, СНЖК, факто- ры d2, фd2). Обе группы ауторегуляторов обладают мембранотропным действием. По некоторым дан- ным, факторы первой группы увеличивают микро- вязкость биомембран, а факторы второй группы, наоборот, повышают степень текучести липидной составляющей биомембран. По некоторым пред- ставлениям, кооперативное действие фd1 и фd2 (соотношение фd1 и фd2) представляет собой ауто- регуляторный механизм и эндогенную причину смены стадий развития и метаболических превра- щений в популяциях микроорганизмов (обзор см. на с. 99). Авторы подробно изучили роль АОБ (на примере химического аналога ауторегуляторного фактора d1 бактерий, С12-АОБ) в регуляции меж- микробных взаимодействий в альгобактериальных ассоциациях хлорококковой водоросли Coelastrum microporum и сопутствующих ей бактериальных симбионтов. Из проведенных опытов вытекает предположение, что бактерии-спутники оказывают защитный (протективный) эффект и способствуют устойчивости ассоциативной культуры водоросли к действию АОБ (с.100). В другом разделе этой главы авторы описы- вают новые интересные данные о ингибировании роста условно-патогенных бактерий под действием клеточных экстрактов ряда культур водорослей (в том числе Scenedesmus obliquus, Chlorella sp., Chlamydomonas reinhardii, представителей родов Pediastrum, Chlorococcum и др.). Было обнаруже- , Chlorococcum и др.). Было обнаруже- Chlorococcum и др.). Было обнаруже- и др.). Было обнаруже- но ингибирование роста тест-штаммов Escherichia coli, Klebsiella ozaenae, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus (с. 108–109). Поэтому прак- aureus (с. 108–109). Поэтому прак- (с. 108–109). Поэтому прак- тическую пользу может принести использование исследованных культур микроводорослей для доо- чистки сточных и загрязненных вод. В последней, четвертой главе (с. 111 и далее) проанализирован исключительно важный для практики вопрос об использовании микробных биоценозов для биоиндикации и мониторинга экологического состояния водоемов. Рассмотрены исключительно важные для практики методы микробиологической индикации состояния водо- емов. Среди этих методов – определение общего Page 3 Екологія довкілля та безпека життєдіяльності, №5 2008 86 микробного числа (ОМЧ), анализ и оценка сапроб- ности, метод сапробной валентности, биологи- ческая оценка качества воды с использованием санитарно-показательных микроорганизмов (СПМ). Отдельный раздел посвящен микробным биоцено- зам как инструментам экологического мониторинга водной среды (с. 124–126). Предложено для выяв- ления экологического неблагополучия в водое- ме использовать анализ биоценотических связей гидробионтов на примере симбиотических взаимо- действий. Авторы установили, что для улавливания изменений в водоемах информативным параметром является лизоцимная и антилизоцимная активность гидробионтов (микроводорослей). Персистентные показатели микрофлоры – антилизоцимная, анти- комплементарная и антиинтерфероновая актив- ности ЛКП (лактозопозитивных кишечных палочек) могут служить маркерами санитарного неблагопо- лучия водоема, для выявления свежего фекального загрязнения, а также при оценке качества питьевых вод и выборе способа обеззараживания при водо- подготовке. Этот подход может пригодиться при тестировании поллютантов, при расчете индексов сапробности для водорослей, оценке трофности водоема, что полезно для санитарной практики. В другом разделе сформулированы и обоснованы новые направления использования симбиотиче- ских взаимодействий водных микроорганизмов в лабораторной практике. Таковыми направлениями являются: разработка методов тестирования био- логических свойств микроорганизмов, выделение чистых (аксенических) культур микроорганизмов, подбор методов культивирования микроорганиз- мов, отбор штаммов продуцентов биологически активных веществ. В Заключении (с. 132–135) сделаны интересные выводы и обобщения. Отмечено, что “в микробном сообществе гидробионтов имеет место феномен ассоциативного симбиоза. При этом центровое зна- чение отводится организму-хозяину, вступающему в различного рода взаимодействия как с постоян- ными, так и с временными партнерами”. Отмечено также, что ассоциативный симбиоз природных водных микроорганизмов – это самоуправляющая- ся и саморегулирующаяся система, включающая особь вида-хозяина и особи видов-симбионтов (с. 132). К категории макропартнера или организма- хозяина в микробиоценозе можно отнести водо- росли или простейших, способных к эндоцитобио- зу. Большое практическое значение имеет тот факт, что в природных водных биоценозах указанные симбиозы представлены как автохтонной, так и аллохтонной микрофлорой, в состав которой вхо- дят условно-патогенные и патогенные для чело- века и животных микроорганизмы. Результатом такого симбиоза является выживание патогена во внешней среде и сохранение его вирулентности. Приведенные в книге материалы продолжают серию публикаций О.В. Бухарина и соавторов [1, 2] и закладывают базу для формирования нового научного направления – экспериментальной сим- биологии, которая обогащает спектр современных биологических дисциплин. Выявление новых сведений о связях и ассоциа- циях гидробионтов имеет большое экологическое значение, углубляет продуктивный синэкологиче- ский подход в биологии и экологии [2]. Книга содержит ценную обширную библио- графию, прекрасно иллюстрирована оригинальны- ми цветными фотографиями микроводорослей и других микроорганизмов. Безусловно, книга пред- ставляет ценный вклад в науку и принесет пользу гидробиологам, микробиологам, специалистам по экологии и санитарному состоянию водоемов и водотоков. ЛИТЕРАТУРА 1.Бухарин О. В. Персистенция патогенных бактерий. –М.: Медицина, 1999. – 367 с. 2.Бухарин О.В., Лобакова Е.С., Немцева Н.В., Черкасов С.В. Ассоциативный симбиоз. – Екатеринбург: УрО РАН,2007. – 264 с.