Том 93, № 5 (2024)

До середины 1970-х годов цианобактерий считали водорослями несмотря на то, что отсутствие клеточного ядра (по современным представлениям, один из признаков прокариотов) отличало их от остальных членов этой таксономической группы. Затем, когда бактерии были отождествлены с прокариотами, синезеленые водоросли были переквалифицированы в цианобактерий, и бактериологи начали изучать их культивируемые штаммы микробиологическими методами. Но, поскольку цианобактерии не подчинялись бактериальному кодексу (ICNB), разработка их таксономии, особенно в части номенклатуры, столкнулась с проблемами, которые оставались нерешенными до начала 2010-х годов. Происходящие перемены связаны с общим прогрессом таксономии прокариотов при взрывообразном накоплении данных секвенирования генов 16S рРНК, особенно у некультивируемых объектов. Достижения таксономии цианобактерий в области описания: I) на основе полифазного подхода опубликованы новые таксоны рангом от вида до порядка; II) опубликованы таксоны “темновых” цианобактерий с несколькими типами нефототрофного метаболизма; III) опубликованы таксоны цианобактерий с красно-смещенными хлорофиллами d и f. Достижения в области номенклатуры: IV) таксоны, валидно опубликованные согласно ботаническому кодексу (ICN), впредь считаются таковыми согласно прокариотному кодексу (ICNP); V) в ICNP введен ранг филы, и на основе валидной публикации типового рода Cyanobacterium gen. nov. по правилам ICN легитимировано название филы цианобактерий ‒ Cyanobacteriota; VI) благодаря созданию параллельного кодекса SeqCode, согласно которому номенклатурным типом служит последовательность геномной ДНК, имена некультивируемых таксонов (Сandidatus) могут приобрести номенклатурный статус. Достижения в области классификации: VII) реконструировано эволюционное древо оксигенных фототрофов и их родственников; VIII) создана филогеномная система порядков и семейств; IX) разрабатывается экогеномная классификация, основанная на анализе геномов и данных об их экологическом распространении. Предстоит решить задачу по ограничению таксономической избыточности цианобактерий и продолжить разработку концепции их вида.

Культура цианобактерий “Anabaena” sp. выделена из аллювиальных луговых почв юга России и депонирована в коллекции культур микроводорослей и цианобактерий IPPAS Института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН под номером IPPAS B-2020. Филогенетический анализ показал, что изучаемый штамм относится к кладе, объединяющей роды Sphaerospermopsis, Amphiheterocytum, Raphidiopsis, Wollea и Neowollea, но не может быть в настоящее время отнесен ни к одному из них. Изучена фитотоксичность, фунгицидная и антиоксидантная активности штамма. Культура оказалась нетоксична. Водно-спиртовой экстракт и биомасса “Anabaena” sp. IPPAS B-2020 полностью подавляли рост микромицетов Fusarium culmorum, Fusarium graminearum, Fusarium sporotrichioides с максимальным диаметром зоны ингибирования 2.5 см. Выраженной антиоксидантной активностью обладал водный экстракт цианобактерий “Anabaena” sp. IPPAS B-2020 ‒ 39.3%. В составе метаболитов “Anabaena” sp. IPPAS B-2020 обнаружены органические кислоты (изолимонная, молочная, уксусная), терпены, алканы, спирты и другие низкомолекулярные органические соединения. Культура “Anabaena” sp. IPPAS B-2020 представляет интерес для биотехнологии как продуцент таких важных биологически активных соединений, как трибутилфосфат, D-лимонен, сквален, α-пинен.

Определено разнообразие микробных сообществ донных осадков района нефтепроявления Бол. Зеленовская (оз. Байкал) и потенциальная функциональная активность в анаэробных процессах деградации нефти. При культивировании микроорганизмов подповерхностного и глубинного осадка в накопительных культурах, содержащих нефть и различные акцепторы электронов, в течение одного года при 10°С, концентрация н-алканов снизилась в 1.2–2 раза, ПАУ – в 2.2–2.8 раза. Конверсия углеводородов сопровождалась генерацией углеводородных газов (метан, этан). Микробное сообщество подповерхностного осадка характеризовалось бо́льшим бактериальным разнообразием, чем глубинного, и представлено микроорганизмами, специализирующимися на процессах разложения широкого спектра субстратов, включая нефтяные углеводороды. В глубинных слоях осадка преобладали Atribacterota, Caldisericota и Bathyarchaeia (Thermoproteota), а также представители “редкой биосферы” Elusimicrobiota и Candidatus Hadarchaeota. К числу основных участников деградации нефти в донных осадках оз. Байкал могут быть отнесены представители филумов Bacillota, Pseudomonadota, Chloroflexota, Actinomycetota, Desulfobacterota, Atribacterota, Halobacteriota и Bathyarchaeia (Thermoproteota).

Растущее загрязнение пластиками представляет собой серьезную экологическую проблему, поскольку широкое производство и неадекватная утилизация пластиковых материалов приводят к неблагоприятному воздействию на экосистемы. В работе исследованы структурно-функциональные особенности анаэробного микробного сообщества при контакте с отходами из пенополистирола (ВПС) в метаногенных (МГ), нитрат- (НР) и сульфатредуцирующих (СР) условиях. Показано, что присутствие ВПС в микробном сообществе не оказывает негативного влияния на процессы образования биогаза, а наоборот, приводит к увеличению выхода метана и летучих жирных кислот и изменению их соотношения. В культуральной жидкости вариантов с ВПС обнаружены микрочастицы разного размера: в НР условиях – 2.4 × 10⁶/мл, в СР условиях – 1.2 × 10⁶/мл и в МГ условиях – 0.4 × 10⁶/мл, тогда как в контрольных вариантах без клеток микрочастицы обнаружены не были. Методом сканирующей электронной микроскопии выявлено, что во всех опытных вариантах поверхность полимера стала более рыхлой, рельефной, появились неровности, трещины и отверстия. Рост разнообразия в микробном сообществе, связанный с увеличением числа микробных морфотипов, коррелирует с результатами высокопроизводительного секвенирования гена 16S рРНК. При внесении ВПС в анаэробное сообщество, инкубируемое в разных донорно-акцепторных условиях, повысилось число входящих в него групп микроорганизмов и увеличилась доля представителей гидролитических и ацидогенных бактерий (Sedimentibacter, Lentimicrobium), ацетогенных синтрофов (Syntrophomonas, Desulfovibrio, Geobacter) и метаногенных архей (Methanosarcina, Methanobacterium). Наше исследование показывает, что отходы из ВПС не являются инертными для микробного сообщества, и контакт с ними приводит к существенным перестройкам в его структуре и функционировании. Обнаруженные изменения поверхности образца, появление микрочастиц и различия в составе промежуточных и конечных продуктов метаболизма сообщества могут свидетельствовать о медленной частичной деструкции путем фрагментации этого вида отходов. Однако поскольку для опытов был взят бытовой ВПС, содержащий кроме основного полимера различные наполнители, то есть вероятность, что наряду с полистиролом деградации подвергаются и входящие в его состав дополнительные вещества (пластификаторы, красители и т.д.). Способность микроорганизмов к деструкции самого полимера требует дальнейших исследований.

Переносчики фосфата в клетках дрожжей ответственны за гомеостаз фосфора, а также опосредованно вовлечены в регуляцию различных адаптивных процессов. Одним из таких процессов является адаптация клеток к потреблению этанола, которое требует значительных изменений в фосфорном обмене. В данной работе показано, что штаммы Saccharomyces cerevisiae с нокаут-мутациями в генах переносчиков фосфата PHO87, PHO89, PHO90 и PHO91 хуже приспосабливаются к потреблению этанола при его концентрации 4%. Это выражается как в удлинении лаг-фазы, так и в снижении скорости роста на активной стадии. Клетки мутантов отличаются по содержанию неорганических полифосфатов, но не ортофосфата, от родительского штамма: они содержат меньше длинноцепочечных полифосфатов. Этот эффект наблюдали при культивировании на этаноле, но не на глюкозе. При культивировании на среде, содержащей 4% этанол, штамм с нокаут-мутацией в гене PHO84, кодирующем переносчик фосфата и двухвалентных металлов, а также штаммы-нокауты по генам PHM6 и PHM7, ответственным за сверхнакопление полифосфатов, не проявили особенностей роста на среде с 4% этанолом по сравнению с родительским штаммом. Обсуждается возможная роль переносчиков фосфата и неорганических полифосфатов в адаптации дрожжей к потреблению этанола.

С помощью рестрикционного анализа 5.8S-ITS-фрагмента рДНК и секвенирования домена D1/D2 26S рДНК изучена дрожжевая микрофлора различных молочных продуктов, реализуемых в России. В большинстве изученных кисломолочных продуктов доминировали утилизирующие лактозу дрожжи Kluyveromyces и Debaryomyces, а также Lac^- дрожжи Saccharomyces, Monosporozyma, Pichia, Geotrichum и Yarrowia. Дрожжи Kluyveromyces marxianus присутствовали в большинстве изученных кисломолочных продуктов, тогда как родственный вид K. lactis обнаружен только в некоторых образцах айрана, творога и сыра. Доминирование K. marxianus, по-видимому, связано с их физиологическими особенностями (термо- и осмотолерантность), которые обеспечивают этим дрожжам лучшую приспособляемость к промышленным условиям ферментации. Доминирующие в напитках смешанного брожения виды Saccharomyces cerevisiae и Monosporozyma unispora полностью отсутствовали в сырах и продуктах молочнокислого брожения. В целом, видовой состав дрожжей в значительной степени зависел от кисломолочного продукта, вида молока и конкретного производителя.

В биореакторе последовательно-периодического действия прослежены изменения структуры и свойств обогащенного фосфат-аккумулирующими микроорганизмами (ФАО) сообщества после сдвига рН в слабокислую область (рН 6.7‒7.1). Доля Candidatus Accumulibacter снизилась с 43.6 до 13.9%, тогда как возросло количество потенциальных ФАО, относящихся к Dechloromonas и Thauera. При этом доля суммарного количества ФАО изменилась незначительно и составила 40‒43%. Доля основных конкурентов ФАО – гликоген-аккумулирующих микроорганизмов (ГАО) в течение эксперимента оставалась незначительной: фрагменты гена 16S рРНК Competibacter до и после изменения рН составили 2‒4%. Снижение рН привело к падению количества выделяемых в анаэробной фазе фосфатов, однако количество фосфора в биомассе и его удаление оставалось высоким – 15‒17 и 92‒94% соответственно.

Адаптивная пролиферация бактерий или клеточное деление в отсутствие экзогенного органического субстрата контролируется с помощью плотностно-зависимых механизмов при участии АГЛ- и АИ-2-зависимых систем кворум сенсинга. Наряду с сигнальными молекулами этих систем бактериальной коммуникации в регуляции также могут принимать участие метаболиты бактерий, которые перманентно выделяются в процессе микробного метаболизма, например, СО₂, и, таким образом, могут служить биомаркерами клеточной плотности. Установлено, что диоксид углерода необходим для инициации адаптивной пролиферации, а повышенное содержание атмосферного СО₂ вызывает преждевременную остановку этого процесса. Таким образом, СО₂ способен регулировать адаптивные реакции бактерий, в том числе, вероятно, является одним из сигналов, участвующих в инициации и терминации процесса адаптивной пролиферации. Показано, что СО₂ в виде бикарбонат-иона HCO₃^– может активировать цАМФ-зависимый сигнальный каскад, а также включается в клеточную массу бактерий.

Разработана технология получения пробиотического препарата путем твердофазного культивирования смешанной культуры Bacillus subtilis В-8130, B. subtilis В-2984, B. subtilis В-4099 на свекловичном жоме, что показано на двух препаратах (ПроСтор и ГербаСтор). Твердофазная ферментация проводилась в условиях ограниченного доступа кислорода при температуре 40 ± 5°С, рН 7.5‒8.0 и влажности смеси 45 ± 3% в течение 48‒50 ч. При ферментации наблюдалось закисление реакционной массы, достоверное повышение титра клеток и образование биопленки на фитосорбенте. Среди идентифицированных летучих продуктов к 48 ч ферментации содержание уксусной кислоты, 3-метилбутановой кислоты, п-гваякола и 2-н-пентилфурана увеличивалось, а ароматических веществ фенольного ряда уменьшалось. Получены дополнительные метаболиты, усиливающие антибактериальные свойства и вкусовые качества пробиотического препарата. Образование биопленки позволило сохранить при высушивании (45°С) жизнеспособных клеток: в ПроСторе 1.2 × 10⁸ КОЕ/г, и в ГербаСторе 0.58 × 10⁸ КОЕ/г. В ГербаСторе с расширенным спектром лекарственных растений снижение титра бацилл связано с обезвоживанием при сушке и с антибактериальными свойствами фитокомпонента.