книги из ГПНТБ / Логинова Л.Г. Физиология экспериментально полученных термофильных дрожжей

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ТЕРМОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Термофильные микроорганизмы широко распространены в природе. Их можно выделить из почвы, воды (особенно из го­ рячих источников), воздуха, компоста, навоза, метантанков и других мест их обитания.

При выделении термофильных форм из почв различных климатических зон оказалось, что существенное влияние на

распространенность их оказывает состав почв. Было показано,

что в почвах окультуренных, т. е. обогащенных питательными веществами, удается обнаружить термофилы и притом в до­ вольно большом количестве.Наоборот, в почвах неокультурен-

ных они почти всегда отсутствуют (Migula, 1897; Мишустин и

Васильева, 1945; Мишустин, 1947а, б, 1950; Kurzweil, 1954

и др.).

Эти наблюдения дали возможность Мишустину (1935,1938, 1950) использовать термофильные микроорганизмы в качестве показателей окультуренности почв.

Несомненный интерес представляет обнаружение термофиль­ ных микроорганизмов в почвах и водах Крайнего Севера.

При исследовании образцов грунтов Карского моря и почв

островов Диксон, Уединения, Новой земли, а также других арктических почв, Егоровой (1938) удалось обнаружить раз­

из глубин океана в 3000—4000 футов ниже уровня моря, где

температура достигала 10° и ниже (Bartholomew a. Rittenberg,,

1949).

Цобелл и Джонсон (Zobell a. Johnson, 1949) показали на­ личие термофильных микробов в нефтеносных пластах, зале­ гающих на большой глубине, где наблюдается повышенная температура. Факты обнаружения термофильных микроорга­ низмов в северных районах, по нашему мнению, бесспорны. Однако низкая температура ограничивает все же их развитие, и эти формы, по-видимому, существуют в тех условиях в ана­ биотическом состоянии.

Высказан взгляд о наличии определенной зависимости

между оптимальной температурой развития микроорганизмов и климатическими условиями в месте их обитания. Так, Мишу­

стин (1926, 1933, 1947а, б, 1950) довольно убедительно показал закономерность повышения оптимальных температур развития у почвенных микроорганизмов с. переходом от почв северных

районов к южным.По данным В.Брауна и Вуда (W.Brown а. Wood, 1953), оптимальная температура развития для культур

9

микроскопических грибов, выделенных из южных районов, примерно на 5° выше, чем для грибов, выделенных из северных районов.

Преобладающими формами среди термофилов являются спорообразующпе бактерии, среди которых наиболее распро­ странены в природе аэробные палочки, несколько реже встре­ чаются анаэробные. Достоверность последнего положения, од­ нако, оспаривается ввиду трудностей выделения в чистые куль­

туры анаэробных форм (Имшенецкий, 1944; Мишустин, 1950). При дифференцированном изучении микрофлоры горячих источников А. Г. Родиной (1945) было показано, что при тем­ пературе источника 80° обнаруживаются почти исключительно спороносные палочки. При более низкой температуре встре­ чаются уже более разнообразные формы микробов. Наличие термофильных микроорганизмов в горячих источниках было

обнаружено также Б. Л. Исаченко (1948).

С. И. Кузнецову (1955) удалось выделить из термальных

вод Камчатки облигатно термофильные группы бактерий —

тионовокислых, десульфурирующих, которые были способны развиваться при 90—95°. Марч и Ларсен (March a. Larsen, 1953; лаборатория Милитцера) находили термофильные бакте­ рии в почвах Йеллоустонского Парка.

Среди термофильных спорообразующих бактерий хорошо из­

вестна группа целлюлозных бактерий, относящихся к стено­ термным микроорганизмам. Их температурный оптимум развития

60—65°.

Несмотря на большое число работ, посвященных изучению биологии целлюлозных микробов, до настоящего времени они изучены еще мало. Это в первую очередь объясняется трудно­

стями их получения в чистых культурах, так как данная группа термофилов существует в природных условиях в симбиозе с другими микроорганизмами и требует, по-видимому, много дополнительных питательных веществ типа витаминов.

Симбиотическая природа большинства выделенных культур

Б. Г. Боярской (1939), В. В. Первозванского и Ю. С. Чельцо-

вой (1935, 1936), М. Н. Ротмистрова (1939, 1958). Характери­

стика термофильных целлюлозных бактерий приведена в об­

зоре Р. Макби (1950).

Имшенецкому и Солнцевой (1950) удалось выделить термо­ фильные анаэробные бациллы мочки льна, когда процесс про­ текал при высокой температуре. Одна из этих культур по своим

свойствам была близкой Вас. felsineus. Ввиду приспособлен­

ности к жизни при более высокой температуре она описана ав­ торами как Вас. felsineus var. thermophilus.

10

Широко распространены в природе термофильные актино-

Подробная характеристика группы термофильных актино-

мицетов дана Космачевым в его обзоре литературы (1953).

Выделены термофильные сардины, стафилококки, стреп­ тококки. Известны термофильные формы автотрофных бакте­ рий — тионовокислых серобактерий, железобактерий и др. (Мишустин, 1950; Тохвер, 1956).

М. А. Хейфец (1958) было установлено, что некоторые бесспоровые палочки менее термостабильны, чем кокки.

В сточных водах и почвах удалось обнаружить терморези­ стентные бактериофаги.

По данным Р. Уайта, Джеорджи и Милитцера (R. White, Georgi a. Militzer, 1954), термофильный фаг, выделенный из почвы, полностью лизировал бактерии при температуре 65°,

которая являлась оптимальной для развития этих бактерий. Его инактивация начиналась только при 75°, однако и после двухчасового выдерживания при 95° еще наблюдалась актив­ ность. При 100° фаг полностью разрушался.

Значительно реже встречаются в природе термофильные

дрожжи и грибы; температурный оптимум у них ниже, чем у бактерий.

Так, Джонсон (Johnson, 1905) выделил из пивного сусла,

зараженного листьями эвкалипта, дрожжи, которые энер­ гично развивались при 45 — 50°. Споры их выдерживали нагревание при 83° в течение 10 мин. Этому термофильному дрожжевому микроорганизму было присвоено новое видовое

наименование — Saccharomyces thermantitonum.

Изучая значительно позже свойства дрожжей Saccharo­ myces thermantitonum, Стайгер и Глаубиц (Staiger u. Glaubitz, 1930) подтвердили способность их развиваться при темпера­ туре 45°.

Термофильные дрожжи были выделены Е. Н. Одинцовой (1947) из накопительной культуры молочнокислых бактерий, полученных из хлебных заквасок. Они развивались при тем­ пературе 44°. Описаны как новый род Endoblastomyces с видо­

вым наименованием Е. thermophilus. Однако и Джонсон п Одинцова сообщали при этом о способности выделенных ими термофильных дрожжей развиваться также при обычной тем­ пературе, хотя и более медленно.

Термофильные дрожжи Saccharomyces minor и Sacch. cerevisiae выделены из ржаного теста (Кирова, 1953а). Их макси­ мальная температура развития была 45°.

11

Имшенецкий (1944) пытался выделить из различных источ­

ников дрожжи, сбраживающие углеводы при температуре куль­ тивирования 60°, однако эти опыты пока не дали положитель­ ных результатов.

Среди микроскопических грибов также встречаются термо­ фильные формы. Они могут быть обнаружены в почве, в компо­ стах, в кишечнике теплокровных животных и в других местах обитания. Температурный оптимум их развития 37—40° (Miehe, 1907а,b; Шапошников и Мантейфель, 1923а; Waksman а.

Gerntsen, 1931; Waksman, Umbreit a. Cordon, 1939; Мальчев­

ская, 1939; W. Brown a. Wood, 1953).

По мнению ряда исследователей, явление термофилии среди грибов мало распространено. Известны единичные виды гри­ бов, развивающиеся при температуре 60—63°. Термофильный гриб Thermomyces lanuginosum с высоким температурным опти­ мумом роста был выделен П. В. Циклинской (1899). В опти­ мальных условиях он размножался при температуре 54—55°,

максимум температуры достигал 63°. Ниже 37° этот гриб роста не давал.

Роуд, Фостер и Шухард (Rode, Foster a. Schuhard, 1947)

выделили из компоста термофильный грибной организм Malbranchea pulchea. Он хорошо развивался при 52° и обладал способностью образовывать пенициллин. При температуре 37° рост происходил заметно медленнее и при комнатной тем­ пературе почти приостанавливался4

Как было отмечено, истинные термофилы из группы микро­ скопических грибов крайне редко встречаются в природе. На этом основании многими высказан взгляд о малой распростра­ ненности явления термофилии среди грибных организмов. Им­ шенецкий (1944) и Мишустин (1950) совершенно правильно относят термофильные микроскопические грибы к группе тер­ мотолерантных микроорганизмов.

ОСОБЕННОСТИ, ОТЛИЧАЮЩИЕ ТЕРМОФИЛЬНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ ОТ МЕЗОФИЛЬНЫХ

Термофильные микроорганизмы постоянно привлекают к себе внимание, и исследованию их посвящено большое число работ. Изучались их морфологические и физиологические свойства, особенности строения клеток, ферментные системы, а также многие другие биохимические показатели. Совокуп­ ность всех этих признаков отличает группу термофильных

микроорганизмов.

В следующих разделах приводится подробная характери­ стика их свойств и особенностей.

12

Морфологические и культуральные свойства термофильных микроорганизмов

В процессе приспособления к повышенной температуре у микроорганизмов могут значительно изменяться морфологи­ ческие и культуральные признаки. Известно, что термофилы обладают меньшими размерами клеток по сравнению с мезо5*

фильными формами.

Эти изменения наблюдаются у представителей различных систематических групп микробов: бактерий, актиномицетов,

дрожжей, а также у синезеленых водорослей, обитающих в го­

рячих источниках (Copeland, 1936), инфузорий (Jollos, 1913;

Смарагдова, 1941; Гаузе, 1947).

Дрожжи, длительно развивающиеся при высоких темпера­ турах, не только имеют уменьшенные размеры клеток, но также приобретают более округлую форму (Логинова, 1948;

Райцева, 1951; Кирова, 1953а).

Палочковидные бактерии, развивающиеся при повышенной температуре, становятся более длинными и тонкими, часто искривленными, протоплазма их содержит большое число гра­

нитевидных форм,часто изогнутых или имеющих вид спирали

(Prickett, 1928).

Как выше указывалось, большинство термофильных бак-,

терий принадлежит к спорообразующим формам. По мнению

многих исследователей, наличие спор у термофилов является приспособительным признаком.

Старки (Starkey, 1938) выращивал микроорганизмы, выде­ ленные из сточных вод, навоза и почвы при температурах 30

и 55°. Им было отмечено, что формы, выделенные при 55°, обра­ зовывали споры. Те же культуры, которые были выделены при 30°, не давали спор и не могли расти при температуре 55°.

По наблюдению Ламанны (Lamanna, 1942), более устойчивы к нагреванию виды бактерий с наивысшим температурным

Термофильные организмы обладают значительным плеомор­ физмом. Это явление обнаруживается также у мезофильных форм, развивающихся при повышенных температурах (Pri­ ckett, 1928; Красильников, 1934, 1958, и др.).

13

Следует заметить, что не было обнаружено заметных раз­ личий у термофильных форм по сравнению с мезофильными в

толщине клеточных оболочек (Mudd, 1954; Jarmolinska а. Feltynowski, 1955; Jarmolinska a. Shugar, 1955).

Особенности клеточных структур

В процессе адаптации микроорганизмов к высокой темпе**

ратуре значительным изменениям подвергаются и клеточные структуры.

Имеются данные в отношении ядер и хондриосом: клетки экспериментальных штаммов дрожжей Saccharomyces сегеvisiae содержали более крупные ядра и гипертрофированные хондриосомы. При этом бродильная активность термофильных

дрожжей была повышенной. Одновременно наблюдалась бо­ лее энергичная адсорбция клеточными структурами флуорохромов (Кирова, 19536; собственные наблюдения).

Цитофизиологическую перестройку клеток дрожжей на бродильный тип, при переходе от аэробных условий существо­ вания к анаэробным, впервые установил в 1938 г. М. Н. Мей-

сель. Повышение бродильной активности дрожжевой клетки коррелировало с перестройкой клеточных органоидов — ядер

и хондриосом. Ядра увеличивались в размерах, и сильно ги­

пертрофировались хондриосомы (Мейсель, 1938, 1950). Следо­ вательно, и у термофильных дрожжей, наряду с повышением бродильной способности, происходили соответствующие из­ менения органоидов клетки.

В последнее время у многих термофильных организмов об­ наружены в протоплазме характерные тельца — гранулы (Ga­ ughran, 1947а).

Милитцер и его сотрудники выделили из клеток Вас. stearothermophilus так называемую red fraction, содержащую гранулы (митохондрии). Было показано, что эта фракция обо­ гащена ферментами (Militzer, Sonderegger, Tuttle a. Georgi, 1950; Militzer, Tuttle a. Georgi, 1951; Georgi, Militzer, Burns a. Heotis, 1951). У многих мезофильных бактерий, приспособ­ ленных к жизни при высокой температуре, также наблюдается образование внутриклеточных гранул (Mudd, Winterscheid,

DeLamater a. Henderson, 1951; Salton a. Horne, 1951, и др.).

Наличие гранул в протоплазме клеток термофилов не яв­

ляется их специфическим свойством. Как позднее выяснилось, образование таких телец можно наблюдать в клетках мезо­ фильных форм и при обычной температуре. Эти гранулы иг­ рают весьма существенную роль в метаболизме микробов. С ними связаны многие окислительно-восстановительные про--

цессы, протекающие в клетках (Alexander, 1956).

14

Так как процессы метаболизма при высокой температуре протекают значительно быстрее, то возможно, что и число гра­

нул, с которыми связана ферментативная деятельность орга­

низма, возрастает в этих условиях, Мейсель (1957) указывает, что хотя спиртовое брожение, а также гидролитические

процессы могут осуществляться и без участия структурных

компонентов клетки, однако скорость протекания этих про­ цессов значительно меньше, чем в присутствии клеточных струк

тур.

В свете современных данных представляются мало убеди­

Как они считают, образование гранул вызывается большим со­ держанием жиров в протоплазме.

В процессе адаптации к высокой температуре у микроор­ ганизмов заметно изменяются их культуральные особенности. Так, например, для термофильных дрожжей характерна не­ большая величина колоний (Логинова, 1948; Кирова, 1953а; Уёаз, 1956). По наблюдениям Ючаса, этот признак у дрожжей передается потомству даже при последующем культивировании в условиях обычной температуры (30°).

Величина колоний не является, однако, закономерным признаком, свойственным всем термофильным микроорганиз­

мам. Описанные, например, Мишустиным (1950) термофиль­

ные бактерии при развитии в аэробных условиях образовывали характерные гигантские колонии.

Большей устойчивостью к повышенной температуре обла­ дают не только вегетативные клетки термофилов, но и их споры,

Вильямс и Робертсон (Williams a. Robertson, 1954) показали,

что при нагревании спор термофильных и условно термофиль­

ных штаммов Вас. stearothermophilus (первых — при 120° и

вторых — при 110°) наблюдалась прямая зависимость между оптимальной температурой размножения и устойчивостью спор к нагреванию. Так, споры условно термофильных культур,

выращенных при 37°, выдерживали нагревание 6—10 мин., а развивавшиеся при 50° — 13—14 мин. Споры термофильных культур, рост которых происходил при 55°, были устойчивы к нагреванию в течение 17—32 мин., культивировавшиеся при 60° выдерживали нагревание 25—44 мин.

Подробные сведения о защитном механизме бактериальных спор против действия высоких температур приведены в обзоре Кэррен (Curran, 1952).

Некоторые термофилы по своим морфологическим призна­ кам и физиологическим свойствам настолько резко отличаются от мезофильных форм, что их часто выделяют в новые таксоно­ мические единицы.

15

Егоровой (1942, 1946) были обнаружены бактерии,окисляю­

щие фенол при температуре 55—70°. Более глубокое изучение физиологии этих бактерий потребовало выделения их в новый

торого в мицелиальных гифах эндогенно образуются дрожже­

видные клетки, был описан Одинцовой (1947). Ввиду своеоб­

разного способа размножения, новый дрожжевой организм был выделен, как отмечалось выше, в самостоятельный род

Endoblastomyces с видовым обозначением Е. thermophilus.

Эриксон (Erikson, 1952) выделила из компостных куч тер­ мофильный актиномицет. Он отличался от мезофильной формы способностью образовывать хорошо развитый воздушный ми­ целий. Оптимальная температура развития этого актиномицета была 60°. Образование воздушного мицелия, как пред­ полагает автор, обусловлено термофильной природой организма.

Подобные примеры в литературе приводятся весьма часто

(Waksman a. Corke, 1953; Henssen, 1957 и др).

Отличия в химическом составе клеток

Немногочисленные данные по химическому составу клеток термофилов свидетельствуют об относительно малых отличиях их от мезофильных форм. Не обнаружено заметных различий

ив химическом составе их оболочек (Mudd, 1954; Jarmolinska

a.Feltynowski, 1955; Jarmolinska a. Shugar, 1955).

При сравнительном изучении содержания в клетках угле­

рода, водорода и азота у мезофильных и термофильных микро­ бов не было выявлено заметных различий.

Христоферсену и Прехту( (Christopherson u. Precht, 1950)

не удалось обнаружить разницы в содержании углерода и во­ дорода у дрожжей Torulopsis kefir, исходных и адаптирован­ ных к повышенной температуре. Однако у адаптированного штамма отношение азота пуриновых оснований к общему азоту было несколько выше.

В аминокислотном составе клеток у термофильных и мезо­ фильных аэробных культур, по данным Т. Н. Евреиновой (1948), не было обнаружено существенных различий.

Билимория и Бхат (Bilimoria a. Bhat, 1955) определили аминокислотный состав белков у термофильных штаммов Вас. subtilis, выращенных при 37 и 55°. В обоих случаях в гидроли­ затах клеток был обнаружен одинаковый состав аминокислот.

Авторы, однако, допускают количественные различия в со­ ставе аминокислот у клеток, выросших при разных температу­

рах.

16

Аналогичные данные сообщают Соботка и Люизада-Оппер

мофильных бактерий было обнаружено, кроме того, более низ­

кое содержание общего фосфора и фосфора протеинов по срав­ нению с мезофильной формой.

Содержание углеводов у термофилов выше.

Кальций и калий. Существенное значение для ре­

зистентности термофилов к высокой температуре, по-види­ мому, имеют катионы кальция и калия. Они обнаружены у тер­ мофилов в относительно большем количестве, чем у микробов, развивающихся при обычной температуре.

На повышенную потребность термофилов в солях кальция указывают данные Бейкера, Соботки и Хэтнера (Baker, Sobotka

a.Hutner, 1953).

По мнению Суджиямы (Sugiyama, 1951), присутствие каль­

ция в спорах способствует образованию связей между карбо­ ксильными группами пептидных цепочек, чем задерживается процесс денатурации. Достоверность этого предположения остается недостаточно выясненной.

Свободная и связанная вода. Содержание общей и связанной воды в клетках термофилов, по мнению Робертсона (1927), Хемпила (Hampil, 1932), Фридмана и Генри (Friedman a. Henry, 1938) и других, составляет один из отли­ чительных признаков. Общее содержание воды в их клетках значительно меньше, чем у мезофильных форм, и это служит защитным приспособлением от действия высокой темпера­ туры.

Однако относительное количество связанной воды по отно­

шению к общей у термофилов заметно выше.

Дж. Уайт (1952) показал, что содержание влаги в дрожжевых клетках повышается с понижением температуры культивиро­ вания. Так, в клетках, выращенных при 28°, влаги содержится 72%, в клетках же, развивавшихся при 43°, — 66,2%. Как из­ вестно, дрожжи более устойчивы к температуре, если они на­ ходятся в сухом состоянии (Lund, 1958).

Нуклеиновые кислоты. С повышением темпе­ ратуры ускоряются синтетические процесы в клетках микро­ бов. Поэтому интересно привести имеющиеся в литературе данные о влиянии температуры на содержание нуклеиновых кислот в клетках термофилов. Известно, например, что рибо­ нуклеиновая кислота (РНК) участвует в синтезе клеточных ферментов.

Исследований в этом направлении проведено пока срав­

нительно мало. Особенно ценны работы Уэллерсона и Тетро

(Wellerson a. Tetrault, 1955). Они изучали действие различных

температур на содержание РНК в клетках мезофильных и облигатно термофильных бактерий. В качестве мезофильной

формы была взята культура Вас. subtilis, которая хорошо росла при 45°, в качестве облигатно термофильной — культура

Вас. stearothermophilus.

С повышением температуры культивирования содержание РНК в клетках Вас. subtilis, как показали опыты, понижалось.

шее повышение температуры сказывалось на содержании РНК

в клетках. Ее уменьшение связано, надо полагать, с общим угнетением жизнедеятельности бактерий под влиянием излишне высокой температуры.

Эти данные подтверждают представления, высказываемые многими исследователями, о наличии в клетках термофильных

инактивации этих ферментов при высокой температуре и необ­ ходимого более ускоренного их пополнения требуются большие

количества рибонуклеиновой кислоты. Такой взгляд подтвер­ ждается установленным положением о непрерывном образова­

ский и Спирин, 1956; Белозерский, 1957; Опарин, 1957; Браше, 1957а,б).

Белки. Термостабильность в значительной степени обус­ ловлена специфичностью клеточных протеинов. Это положение следует считать достаточно установленным. Так, еще в 1916 г. Велих (Velich) писал о возможном количественном различии белков термофилов и мезофилов.

Значительный интерес с этой точки зрения представляют исследования Милитцера и его сотрудников (Militzer a. oth., 1949,1951,1952), Адие и Коффлера (Adye a. Kotfler, 1953 а, Ь),

Коффлера и Гейля (Koffler a. Gale, 1957), Маллетта и Коффлера

(Mallett a. Kofller, 1956, 1957), Кауфмана (Kaufmann, 1956),

Коффлера, Маллетта и Адие (1957). Проведенные этой группой

18