* У прохлорофит имеется Хл в (650-653Хи другие формы Хл. ЦПМ - ци топла;шатичсская мембрана; Бхл - бактсриохлорофилл; Хл - хлорофилл; ВЦТК восстановительный цикл трикарбоновых кислот; ВЦДК - восстановительный цикл дикарбоновых кислот; 3-ГПЦ - 3-гидроксипропионатный цикл

143

С.Н. Виноградским на основе микроскопических наблюдений, получили четкие морфологически обоснованные названия: Chromatium, Thiocystis, Thiospirillum, Thiocapsa, Thiodlctyon, Amo-ebobacter, Thiopedia. Обитатель щелочных высокоминерализованных водоемов Ectothiorhodospira откладывает серу вне клетки.

Несерные пурпурные бактерии объединяют преимущественно фотоорганотрофные или Н₂-использующие анаэробные бактерии с широкими метаболическими возможностями. Многие из них растут не только на свету, но и в темноте. Морфология разнообразна. Наиболее изучены роды Rhodospirillum, Rhodopseudomonas, Rhodobacter. Некоторые виды, например, Rhodopseudomonas palustris, осуществляют неравномерное деление или почкование с четким разделением на материнскую и дочернюю клетки. В наибольшей степени почкование выражено у гифомикробов, где почка образуется на конце длинного выроста - гифы или простеки. Типичную форму гифомикроба имеет Rhodomicroит. Вместо подвижных дочерних клеток он может образовывать устойчивые к высушиванию треугольные экзоспоры. Фото-синтезирующий аппарат располагается в цитоплазматической и/или внутриклеточных мембранах, различным образом упакованных у разных родов пурпурных серных и несерных бактерий, что позволяет различать их на ультратонких срезах клеток.

Зеленые серные бактерии представляют совершенно отличную от пурпурных бактерий группу строго анаэробных облигатно фототрофных организмов, хотя также анаэробно окисляют сероводород на свету. Первым открытым Г.А. Надсоном представителем этой группы был Chlorobium. Светособирающие пигменты фотосинтетического аппарата локализованы у этих бактерий в хлоросомах - эллипсовидных телах, прилежащих к мембране. У описанных В. М. Горленко Prosthecochloris и Ancalochloris увеличение числа хлоросом достигается за счет цитоплазматических выростов (простек). Развиваясь при низкой интенсивности света, зеленые бактерии увеличивают улавливающую свет поверхность, образуя трехмерную сеть из клеток, как у Pelodictyon.

Среди зеленых нитчатых бактерий, представляющих филогенетически обособленную, но. не однородную группу, наиболее подробно изучен термофильный фотоорганотроф Chloroflexus с

144

необычными, недавно расшифрованными путями ассимиляции углекислоты: 3-гидроксипропионатным и/или восстановительным циклом дикарбоновых кислот. Будучи факультативным фототрофом и факультативным анаэробом, Chloroflexus, подобно пурпурным несерным бактериям, обладает широкими метаболическими возможностями. Другой изученный представитель этой группы, мезофильный Oscillochloris trichoides, напротив, является облигатным фототрофом и ассимилирует углекислоту через цикл Кальвина (рибулозобисфосфатный путь). К группе скользящих трихомных фототрофных бактерий принадлежит еще ряд организмов: Heliothrix, Chloronema.

Гелиобактерии - единственные грамположительные фототрофы, способные к образованию настоящих эндоспор. Это облигатные анаэробы и гетеротрофы, содержащие в клетках уникальный бактериохлорофилл g. Как и большинство аноксигенных фототрофных бактерий, гелиобактерии являются активными азотфиксаторами. Они встречаются в почвах и содовых озерах. Пока известно немного родов гелиобактерии, из них типичные - Heliobacterium и Heliobacillus. В содовых озерах Центральной Азии В. М. Горленко недавно открыл спиральную форму Heliorestis.

Эритробактерии и другие аэробные бактерии, образующие бактериохлорофилл а, являются облигатными органогетеротро-фами, аэробами, лишь ограниченно способными использовать энергию света. Фототрофный метаболизм их совершенно не укладывается в разработанную схему. Сюда относятся роды Erytro-bacter, Roseobacter, Porphyrobacter, обитающие в морских и пресных водах, в том числе на поверхности водорослей и в циано-бактериальных матах.

Оксигенные фототрофы (группа 11), или цианобактерии, раньше (а у альгологов и до сих пор) назывались синезеленые водоросли. Считалось, что функционально они вполне сходны с водорослями, отличаясь строением клетки и набором дополнительных пигментов. Систематика этой обширной и морфологически разнообразной группы была разработана на основе микроскопии природного материала по принципам ботанической номенклатуры в 1920-х гг. Компилятивная классификация, созданная Л. Гейтлером (L. Geitler) и А.А. Еленкиным, сохранилась как основа до

145

настоящего времени, потому что оказалась удобной для гидробиологов и, особенно, для микропалеонтологов. Попытка ввести правила бактериологической таксономии на основе типовых чистых культур оказалась лишь частично удачной, потому что многие представители обширной группы цианобактерий еще не поддаются культивированию, а те, которые поддаются, нередко теряют в культуре характерные признаки, часто основанные на агрегировании клеток. Тем не менее после исследований Р. Стейниера, Р. Риппки, Дж. Ватербари (R. Stanier, R. Rippka, J. Waterbury, 1979) чистая культура цианобактерий - нормальный объект лабораторной работы. По строению клетки цианобактерий - типичные прокариоты с фотосинтетическими мембранами, собранными в пачки ламелл, называемые тилакоидами. В них располагается хлорофилл а, как у зеленых растений, но отсутствует хлорофилл Ъ. В качестве дополнительных пигментов цианобактерий имеют фикобилины, представляющие развернутые в цепь порфирины, которые собраны в фикобилисомы - тельца в виде кнопок на внутренней стороне фотосинтезирующей мембраны. Схема, оксигенного фотосинеза была представлена на рис. 6, Б.

Фотосистема II ответственна за выделение О₂ и за все далеко идущие последствия для биоты и всей биосферы. Ассимиляция СО₂ осуществляется по классическому рибулозобисфосфатному пути (циклу Кльвина) с характерным фракционированием изотопов С (σ¹³С = -25‰). Запас рибулозобисфосфаткарбоксилазы (рубиско) обнаруживается в клетках в виде гексагональных карбоксисом. Физиология фототрофных организмов, в связи с неравномерностью получения световой энергии в течение суток, отличается значительной ролью внутриклеточных запасов. Поэтому при описании кинетики роста таких организмов приходится опираться не на концентрацию вещества в среде, например фосфатов, а учитывать и весь фосфор, в том числе и внутриклеточный. Углерод накапливается в виде полиглюкозы, фосфор в виде полифосфатов, азот в виде цианофицина - полимерной цепи аспарагиновой кислоты, содержащей боковые цепи аргинина. В темноте идет аэробное дыхание, в аноксических условиях - сбраживание полиглюкозы, например по пути молочнокислого брожения; цианофицин разлагается по орнитиновому циклу. Запасание

146

азотистых соединений цианобактериями возможно потому, что многие из них способны к азотфиксации, особенно в отсутствие CO₂; в аэробных условиях наиболее характерна азотфик-сация в гетероцистах.

Филогенетически цианобактерии составляют отдельную ветвь 16S рДНК дерева, в которую входят также хлоропласты эукариот.

Морфология цианобактерии достаточно разнообразна, чтобы опознавать их микроскопически, и на ней была основана их классификация. Простейшие формы либо одноклеточные, либо объединены в специфические для родов микроколонии-агрегаты наружными слоями оболочки. Для многоклеточных характерной формой является трихом - нить из цилиндрических клеток с сильно варьирующим отношением высоты к диаметру. Трихом ведет себя как многоклеточный организм, размножение его осуществляется распадением на короткие, но многоклеточные гормогонии. Трихомы обладают скользящим движением. Цианобактерии - в основном пресноводные организмы, но часть их характерна для прибрежной зоны моря, a Trichodesmium вызывает цветение в открытом океане.

Цианобактерии разделены бактериологами на крупные порядки по морфологии, альгологи дают гораздо более детализированную систематику, и ниже приведены лишь наиболее часто упоминаемые роды:

1. Chroococcales - одноклеточные или колониальные, но не нитчатые. Типичными представителями служат одноклеточные Synechococcus, объединенные общей капсулой кокки Gloeothece и Entophysalis, слизистые агрегаты Microcystis с газовыми вакуолями, почкующийся прикрепленный Chamaesiphon в характерных бокалах.

2. Pleurocapsales с округлыми клетками в агрегатах образуют при размножении мелкие клетки-беоциты, как у Pleurocapsa.

3. Oscillatoriales имеют трихомы без дифференцированных клеток и в большинстве представляют бентосные формы, образующие маты. Типичные роды представлены скользящими голыми трихомами Oscillatoria, заключенными в трубчатое влагалище Phormidium, крупными трихомами Lyngbya, упакованными в общее влагалище пучками нитчатых трихомов Microcoleus. В планктоне

147

щелочных озер распространены спиральные трихомы Spirulina. К морским осцилляториям относится уже упомянутый Trichodesmium.

4. Nostocales имеют трихомы с гетероцистами и способны к азотфиксации. К ним относится заключенный в слизистый чехол и образующий крупные плотные колонии Nostoc, пресноводная Anabaena в виде нити крупных бус. Сюда же относятся Rivularia, Gloeotrichia.

5. Stigonematales имеют ветвящиеся трихомы с дифференцированными клетками. Морфология их наиболее сложна и трихомы дифференцированы по длине. Они легко опознаются морфологически, но с трудом поддаются лабораторному культивированию. В термальных источниках характерен ветвящийся термофильный Mastigocladus (Fischerella, как называют почвенные и пресноводные формы).

Цианобактерии, будучи основными первичными продуцентами в мире прокариот, служат орггишзмами-эдификаторами (от edifice - здание), создающими физическую структуру циано-бактериального сообщества, включающего разнообразный набор взаимодействующих между собой прокариот. (Обратите внимание, что цианобактериалъное означает сообщество функционально сходных цианобактерий, а цианобактериалъное сообщество означает сообщество цианобактерий и функционально очень различных бактерий.)

Прохлорофиты образуют очень маленькую группу оксигенных прокариот - из морского симбиотического Prochloron и свободноживущего Prochlorothrix, внешне похожего на осцилла-торию, за которую он и был принят сначала. В море распространен Prochlorococcus, ответственный за значительную часть первичной продукции в олиготрофном океане. Большинство прохлорофит имеют ту же комбинацию хлорофиллов, что и зеленые растения: хлорофиллы а + b. Поэтому они вызвали большой интерес как возможные предшественники зеленых водорослей и были выделены в таксон высокого ранга. Однако теперь на основании анализа гена 16S рДНК они отнесены к цианобактериям.

Аэробные хемолитотрофы (группа 12) четко разделяются на группы по используемому субстрату: соединениям азота, серы,

148

железа, Н₂, СО. Вместе с ними нередко рассматриваются окисляющие СН₄ метанотрофы, а с последними - метилотрофы. Объединение метанотрофов с нитрификаторами не случайно, поскольку организмы имеют много общего в морфологии, обладая развитой системой внутрицитоплазматических мембран и сходным первым ферментом подготовительного обмена - метан (или аммоний-) монооксигеназой. Хемолитотрофы относятся к высокоспециализированным организмам (монотрофам) и находятся вне конкуренции за донор электрона в экологических нишах. Большинство из них - строгие автотрофы, использующие СО₂ как единственный источник углерода по рибулозобисфосфатному пути. Как правило, никакие другие организмы не способны к осуществлению реакций хемолитотрофов.

Нитрификаторы разделены на две группы соответственно этапам окисления: нитрификаторы I фазы окисляют аммоний в нитрит, нитрификаторы II фазы - нитрит в нитрат. Обе группы организмов развиваются в поле термодинамической устойчивости окисленных соединений азота. I фаза нитрификации протекает соответственно суммарной реакции:

и разделяется на две энзиматические ступени: окисление аммония в гидроксиламин (подготовительная) и гидроксиламина в нитрит (энергетическая):

Промежуточный продукт реакции [HNO] может спонтанно распадаться с образованием устойчивой закиси азота N₂O, важнейшего парникового газа. Реакцию АМО можно подавить ацетиленом или, когда в сельскохозяйственной практике хотят избежать нитрификации, ингибитором "нитрапирином". Кроме аммония, в нитрификации хорошо используется карбамид (мочевина) даже без участия уробактерий, разлагающих карбамид на аммиак и углекислоту. К нитрификаторам I фазы относятся: наиболее обычный обитатель нейтральных и слабо щелочных почв

149

Nitrosomonas - довольно крупная овальная подвижная, благодаря единственному жгутику, палочка; Nitrosospira, свернутая в настолько тугую спираль, что выглядит как палочка; крупный океанский кокк Nitrosococcus и разделенный на доли кокк Nitro-solobus.

II фаза нитрификации обеспечивает окисление нестойкого и реакционоспособного нитрита в устойчивый нитрат по реакции:

Нитрит появляется только в очень низкой концентрации как промежуточный продукт в сообществе. Наиболее известным представителем нитрификаторов II фазы является почкующаяся бактерия Nitrobacter, внешне напоминающая виноградные косточки; остальные организмы гораздо менее изучены: это очень тонкая палочка Nitrospina, морской кокк Nitrococcus, тугая спираль Nitrospira - распространенный морской род.

Тионовые бактерии окисляют восстановленные соединения серы в сульфат. Основным представителем этой группы являтся род Thiobacillus, морфологически представляющий типичных псевдомонад. Для этого рода особенно четко прослеживается специализация видов в зависимости от физико-химических условий среды. По отношению к рН тиобациллы разделяются на ацидофильные и нейтрофильные. В кислых условиях H₂S неустойчив, и основной формой служит молекулярная сера, которую окисляет Т. thiooxidans и сходные с ним организмы, создающие высокую кислотность среды и развивающиеся при рН 2-4. В нейтральных условиях устойчивы H₂S и тиосульфат, которые окисляются Т. thioparus до молочно-белой серы и сульфата. В высокощелочных условиях сера в присутствии H₂S переходит в желтый полисульфид. Только в последнее время Д.Ю. Сорокин обнаружил экстремально алкалофильные тионовые бактерии. Один из видов тиобацилл, Т. denitrificans, способен к денитрификации. Этому ряду тионовых хемолитоавтотрофов соответствует ряд хемолитогетеротрофов (Т. acidiphilus, T. novellus) и органо-трофных псевдомонад, способных к окислению соединений серы. Типичным морским представителем группы служит вибрион Thiomicrospira. В гидротермальных источниках при температуре

150

от 75 до 55 °С развивается кренофильный Thermothrix thiopara, изогнутые палочки которого в потоке свиваются в длинные, иногда метровые, цепи, покрытые снежно-белой серой.

В термальных условиях, кроме собственно тионовых бактерий, ту же функцию окисления соединений серы могут выполнять архебактерии группы Sulfolobus - Acidianus, развивающиеся в крайне кислых условиях при высокой температуре.

Нитчатые серобактерии (см. группу 15) были одними из первых обнаружены микроскопистами как массовые крупные водные организмы с включениями серы и систематизация их, наряду с наблюдениями за физиологией в проточной микроскопической культуре, послужили для С.Н. Виноградского прелюдией к открытию хемосинтеза. Дальнейшее их изучение шло медленно из-за трудностей культивирования. Морфологически серобактерии, бесцветные нитчатые бактерии, цианобактерии составляют паралелльные ряды форм. Из серобактерий следует отметить Beggiatoa со скользящими трихомами, как у осцилляторий, сидячий прикрепленный Thiothrix с органотрофным аналогом морским Leucothrix. У побережья Чили мощные маты образует гигантская серобактерия Thioploca, аналогичная по плану строения цианобактерии Microcoleus, накапливающая в вакуоли внутри клетки нитраты, как запас окислителя, который они восстанавливают в аммоний. Аналогичная форма Thiomargarita является крупнейшей бактерией. Из одноклеточных серобактерий следует отметить очень крупный Macromonas. Все эти организмы опознаются по включениям в клетки серы, которую они способны окислять.

Железобактерии (группа 12) были первыми организмами, еще в начале XIX века послужившими X.Г. Эренбергу (Ch. G. Ehren-berg) основанием для утверждения, что микробы могут играть геологическую роль, образуя обширные отложения охры. Так же, как и в случае с серобактериями, их культивирование крайне трудно, так как только при крайне кислом рН железо устойчиво к окислению воздухом. Железобактерии довольно строго следуют полям устойчивости соединений железа. Продуктом их деятельности служат аморфные гидроокислы железа и слабокристаллизованный минерал ферригидрит, представляющий ключевое соединение в цикле железа.

151

Примером ацидофильных железобактерий может служить открытая Г. Маркосяном мелкая спирилла или вибрион Leptospirillum ferrooxidans, составляющая отдельную филогенетическую линию. Организм окисляет в сернокислой среде либо Fe²⁺, либо, вместе с ацидофильными тионовыми бактериями, пирит. Наиболее изученным представителем ацидофильных железобактерий служит Thiobacillus ferrooxidans, объединяющий свойства Leptospirillum и Т.thiooxidans. Благодаря этому объединению свойств, Т ferrooxidans может окислять в пирите и других сульфидах чередующиеся слои металла и серы. Окисление сульфидов составляет важнейшую геохимическую функцию, ведя к сернокислотному выщелачиванию.

Примером собственно железобактерий служит Gallionella - исключительно своеобразный организм, напоминающий боб, на вогнутой стороне которого образуются нити гидроокислов железа (ферригидрита). Gallionella окисляет железо в бикарбонатной среде, большей частью в холодной воде, часто в микроаэрофильных условиях. Gallionella удается культивировать в градиентных условиях, где она образует пояса роста на стенках пробирки. Gallionella относится к хемоавтотрофам или миксотрофам. В морфологии этого организма много загадочного. Нити, сходные с нитями, экскретируемыми Gallionella, образует скользящая нитчатая бактерия Toxothrix.

Leptothrix ferruginea представляет цепочку псевдомонад, заключенную в трубчатый чехол из ферригидрита. Этот основной агент образования болотных руд до сих пор не поддается культивированию, несмотря на массовое развитие в природе. Морфологически он очень близок к массовой бактерии загрязненных вод Sphaerotilus. Считается, но не доказано, что окисление железа происходит под действием внеклеточной пероксидазы, как у других культивируемых лептотриксов, поверхность которых покрыта отложениями гидроокислов железа или марганца.

Загадочную группу "железобактерий" составляют открытые Б. В. Перфильевым формы, получившие название Metallogenium. Это тонкие извитые нити, расходящиеся в виде паучка от центрального округлого тела и покрытые конической шубой из окислов марганца. Металлогениум составляет массовую форму в отложениях

152

марганца и хорошо прослежен во вторичном диагенетическом профиле в осадках карельских озер. Он обнаружен в отложениях с возрастом 2 млрд лет тому назад и описан под названием Eoastrion. Металлогениум легко получить в лаборатории на среде с карбонатом марганца в совместной культуре, например с грибом. Американские исследователи считают его продуктом внеклеточной пероксидазы, (т.е. неживым образованием), но, как показала Г. А. Дубинина1, им легко заразить культуру, ранее не окислявшую марганец.

Наконец, еще одну группу железобактерий составляют "сидерокапсы" - разнообразные микроорганизмы, на поверхности клеток которых откладываются гидроокислы железа. Вероятным источником этих окислов служит остаточный продукт окисления органических комплексов железа.

Отдельную группу составляют органотрофные магнитотактические бактерии, образующие внутри клеток кристаллы магнетита - магнетосомы - и поэтому чувствительные к магнитному полю Земли.

От магнитотактических бактерий следует отличать анаэробные магнетит-образующие анаэробы, для которых образование магнетита служит катаболическим процессом. Они были открыты Д. Ловли (D. Lovley). Часть из них, как упомянутый Geobacter, близки сульфатредукторам, но многие относятся к совсем другим группам. Среди анаэробных магнетит-образующих бактерий многие используют водород для восстановления ферригидрита и являются эффективными гидрогенотрофами. Как показала Д. Заварзина, образование магнетита происходит у них вне клетки в процессе диагенеза из аморфного предшественника.

К литотрофным организмам следует отнести водородные бактерии, принадлежащие к разным таксономическим группам. Такие же сборные группы представляют и другие газотрофы, окисляющие Н₂, СО, СН₄ и метилированные соединения.

Водородные бактерии в 9-м издании Определителя Берджи отдельной секции не образуют. Энергетически обмен этих организмов основан на обратимой реакции гидрогеназы:

153

которая легко сочетается с электронтранспортной цепью. Основным продуктом обмена является Н₂О. Субстрат роста - Н₂ - служит характерным продуктом обмена первичных анаэробов. Для литоавтотрофного роста необходима автотрофная ассимиляция СО₂, которая осуществляется через рибулозобисфосфатный цикл. Гидрогенотрофная автотрофия широко распространена среди бактерий, получивших название "гидрогеномонады". На самом деле среди них много очень разнообразных по положению организмов. Почти все они органотрофы, использующие преимущественно органические кислоты и, что характерно, формиат, но не метанол. Основной моделью водородных бактерий послужил Alcaligenes eutrophus, обмен которого был изучен Г. Шлегелем (Н. Schlegel) и его сотрудниками в Гёттингене. В числе водородных бактерий следует отметить псевдомонады Acidovorax ("Hydrogenomonas facilis"), Hydrogenophaga, Pseudomonas, Xanthomonas, Paracoccus. Среди других форм - Aquaspirillum, Ancyclobacter, Flavobacterium, азотфиксирующие организмы Rhizobium, Derxia, обязательно обладающие гидрогеназой. К грамположительным водородным бактериям относятся Arthrobacter, Bacillus, Nocardia. Штамм Alcaligenes eutrophus Z-1 был использован Т. Воловой в Красноярске для производства белка на водороде в сопряженной реакции с электролизом воды.

Особую группу составили экстремально термофильные роды Hydrogenobacter (Calderobacterium), Aquifex. Они развиваются при температуре более 70 °С, относятся к очень глубокой филогенетической ветви бактерий и обладают необычным путем ассимиляции СО₂. Выделенный из термофильного циано-бактериаль-ного мата на Камчатке штамм Calderobacterium был использован для производства биомассы на водороде при температуре 70 °С, когда исключен рост условно патогенных форм. Штамм оказался очень технологичным, с высоким содержанием цитохромома с, сходного с бычьим.

Мы не будем обсуждать здесь обширную группу анаэробных гидрогенотрофов, включающую гомоацетатные бактерии, водородные метаногены, сульфатредукторы, магнетит-образующие бактерии.

Карбоксидобактерии осуществляют суммарную реакцию:

154

В большинстве это аэробные водородные бактерии, способные к использованию СО под действием специфического металлсодержащего фермента. Типичными представителями этой медленно растущей группы являются Carboxydomonas, Zavarzinia и некоторые другие роды.

От аэробных карбоксидобактерий следует отличать недавно открытую у нас В. Светличным группу анаэробных карбоксидо-трофов, использующих в качестве окислителя воду по реакции:

с типичным представителем Carboxydothermus hydrogenoformans, термофильным организмом, использующим в качестве субстрата только СО.

Метанотрофы осуществляют реакцию:

которая, несмотря на кажущуюся простоту, требует высокой энергии активации и поэтому доступна лишь специфической группе организмов. Открытые в 1906 г. Н. Зёнгеном (N. Sohngen), они долгое время не были объектом интенсивных исследований и лишь с 1960-х гг. привлекли интерес после описания Р. Виттенбари (R. Whittenbury) их разнообразия, с последующим изучением биохимических путей метилотрофии и использованием для производства белка одноклеточных на природном газе, а также для контроля за эмиссией парникового газа метана. Ключевым ферментом обмена служит медь-содержащая метанмонооксигеназа (ММО), окисляющая СН₄ в метанол по реакции:

От образования метанола пути его метаболизма оказываются сходными для метилотрофов - организмов, использующих метилированные соединения. Метанол окисляется метанол дегидрогеназой в формальдегид, который используется в анаболизме для построения углеродных скелетовпо двум разным путям - рибулозомонофосфатному или сериновому.

Метанотрофы хорошо распознаются под микроскопом, представляя довольно крупные клетки, темные в фазовом контрасте

155

из-за пачек внутриклеточных мембран. Метанотрофы - строго специализированные организмы, имеющие высокие сродство к метану и способные извлекать его из атмосферы при концентрации 1700 ppb. Известные метанотрофы представлены нейтрофильными и мезофильными организмами. Они разделяются на две группы:

1. Methylobacter, Methylomonas, Methylococcus - аэробные палочки и кокки с рибулозомонофосфатным путем анаболизма, образующие цисты;
2. Methylocystis, Methylosinus - почкующиеся или изогнутые палочки с сериновым путем анаболизма, склонные к микроаэро-филии. Для Methylosinus известна способность образовывать экзоспоры.

До последнего времени не были известны метанотрофы, способные развиваться в экстремальных условиях. Только недавно у нас найдены ацидофильные формы, растущие при рН 4-5, алкалорильные и психрофильные организмы с оптимумом вплоть до 2 °С.

Метилотрофы разделяются на облигатные и факультативные, к последним принадлежат представители различных групп бактерий и некоторые дрожжи, использующие метилированные соединения.

Почкующиеся бактерии и простекобактерии. В эту группу (группа 13) попали бактерии с выраженным жизненным циклом, в котором различаются материнская и дочерняя клетки. В типичном случае материнская клетка последовательно образует подвижные дочерние клетки, которые образуют стадию расселения и должны претерпеть созревание, прежде чем приступить к размножению.

Почкующиеся бактерии, в наиболее типичном случае, представлены гифомикробами, у которых имеется длинный вырост клетки диаметром около 0,2 мкм (гифа-простека), на конце которой образуется небольшое вздутие, превращающееся в подвижную клетку со жгутиком. Эта клетка отрывается и уплывает, а на ее месте образуется новая. Подвижная клетка прикрепляется, теряет жгутик и образует гифу, на конце которой образуется почка. В некоторых случаях гифы ветвятся. Вместо почки иногда образуются устойчивые к высушиванию экзоспоры. К гифомикробам принадлежат метилотрофный Hyphomicrobium, органотрофный

156

Hyphomonas, разлагающий почвенные гумусовые комплексы Pedomicrobium, упомянутый выше пурпурный несерный Rhodomicrobium, галофильный Dichotomicrobium.

К микроорганизмам, у которых почка образуется непосредственно на материнской клетке, относятся физиологически разнообразные Nitrobacter, Blastobacter, Methylosinus, Rhodopseudo-monas. Такой тип строения часто связан с наличием чашевидной пачки мембран, которая не может быть разделена надвое при делении и остается в материнской клетке, в то время как дочерние синтезируют новую.

Простекобактерии представлены грамотрицательными организмами с нитевидными выростами клетки. В эти выросты входит цитоплазма и таким образом поверхность клетки и пространство перипласта существенно увеличиваются. Морфология этих организмов сначала была изучена в электронном микроскопе Д. И. Никитиным как "необычных микробов". Сейчас имеется хорошее представление о распространении и деятельности этих организмов в почве и водоемах благодаря работам П. Хирша (P. Hirsch), Дж. Сталей (J. Staley), Л. Васильевой, которым удалось выделить их культуры. Большинство простекобактерий относится к олиготрофам, развивающимся при крайне низкой концентрации питательных веществ в среде. Типичным представителем их служат каулобактеры, удлиненные изогнутые клетки которых несут одну простеку с прикрепительным диском на конце. Дочерняя клетка со жгутиком образуется делением и освобождается от прикрепленной материнской клетки, плавает, затем прикрепляется и образует простеку, часто объединяясь в виде розетки. Каулобактеры были обнаружены в олиготрофных озерах и в дистиллированной воде лабораторий, где они попадали на сетки для электронной микроскопии. К каулобактерам относятся несколько видов Caulobacter, Asticcacaulis - олиготрофных аэробных органотрофов с широким спектром используемых веществ. Prosthecobacter не имеет подвижной стадии и напоминает две кегли, соединенные донышками. Несколько простек имеют виды Prosthecomicrobium, Ancalomicrobium. Плоская Stella имеет вид шестилучевой звезды. Labrys имеет форму двулезвийного топора.

157

Планктомицеты (подгруппа 2 группы 13) - своеобразные водные организмы, размножающиеся почкованием, тоже рассматриваются как олиготрофные органотрофы. Они с трудом поддаются культивированию, но некоторые из них удалось выделить X. Шлесснеру (Н. Schlessner), и они были выделены в самостоятельный класс в 16S рДНК системе. Наиболее известен из них Planctomyces ("Gallionella kljasmiensis"), представляющий собой кокки на слизистых стебельках, собранные в розетку, и размножающийся образованием почек на противоположном стебельку конце. Планктомицеты имеют много особенностей, отличающих их от типовых бактерий. Одной из принципиальных особенностей планктомицетов служит наличие у них пиреллуло-сомы - мембраны вокруг нуклеоида, двойной у Gemmata и одиночной у Pirellula. Наличие ядерной мембраны обусловливает их сходство с эукариотами. Клеточная стенка у них белковая. Судя по олигонуклеотидным пробам планктомицеты составляют значительную часть бактериального населения природных сред.

Нитчатые бактерии с чехлом (группа 14) являются массовыми водными формами. Типичным представителем их служит "водный гриб" Sphaerotilus, образующий белесые, а чаще серые обрастания в загрязненных водах. Он представляет собой цепь псевдомонад, заключенных в общий трубчатый чехол и благодаря этому удерживающихся в потоке. Аналогичные организмы, чехлы которых инкрустируются окислами металлов, относятся к Leptothrix. В аэротенках вспухание активного ила обусловливает нитчатый Haliscamenobacter. Наконец, в текучих водах и колодцах встречается Crenothrix с расширяющимся к концу чехлом, где происходит образование мелких клеток дроблением.

Скользящие бактерии (группы 15,16) разделяются на большие группы одноклеточных цитофаг и трихомных бактерий. Причиной объединения их послужил способ движения: при контакте с твердой фазой они могут скользить по ней, как это свойственно и цианобактериям. Жгутиков у них нет.

Цитофаги разлагают полимеры, такие как целлюлоза или хитин. Колонии их на агаризованных средах расползаются, образуя "шварм", и часто окрашены в желтый цвет, который при обработке 20%-ным раствором КОН становится пурпурным, указывая на присутствие характерного каротинода флексирубина. Цитофаги

158

относятся к важнейшим аэробным целлюлозоразлагающим организмам. За гидролиз целлюлозы ответственны связанные с мембраной эндоглюконазы и периплазматические экзоглюконазы. Поэтому клетки должны осуществлять тесный физический контакт с волокнами полимера. Клетки цитофаг обычно длинные, гибкие, с приостренными концами. В группу цитофаг входят собственно Cytophaga и Sporocytophaga, образующая круглые микроцисты.

К цитофагам относят также длинные нитевидные пресноводные Flexibacter и морские Microscilla. Многие из этих организмов синтезируют активные гидролитические ферменты, позволяющие им лизировать структурные белки вплоть до кератина. Некоторые скользящие бактерии, например Lysobacter, способны лизировать клетки бактерий, образуя на газоне расползающиеся негативные пятна, подобные тем, которые оставляют за собой амебы.

Трихомные скользящие бактерии, помимо рассмотренной с серобактериями группы беггиатоа, включают органотрофные формы как аналог формидиумов Herpetosiphon, аналог осцилла-торий Vitreoscilla, аналог тиотриксов Leucothrix, поэтому их часто обозначали как "бесцветные водоросли", имея в виду синезеленые. Они в большом количестве наблюдаются на поверхности ила, где их способ передвижения в интерстициальной воде между частицами оказывается наиболее удобным. Несмотря на их обилие и разнообразие, лишь немногие представители этой важной группы бактерий изучены.

Миксобактерии (группа 16) привлекли к себе внимание способностью образовывать плодовые тела, состоящие из экскрети-руемых ими полисахаридов и входящих в них устойчивых миксо-цист (или, иначе, микроцист). Миксобактерии обладают не только индивидуальной способностью к дифференциации от вегетативной клетки до покоящихся микроцист, но и коллективной дифференциацией, приводящей к образованию из колонии оформленного плодового тела, как у эукариотных миксомицетов. Вегетативные клетки Миксобактерии представлены одиночными скользящими палочками с заостренными или тупыми концами, размножающимися делением перетяжкой и образующими координированно движущуюся колонию (шварм), подобно миксомицетам и акразиям. Передовые клетки выделяют слизь, и последующие движутся за

159

ними по слизистому следу. Опознаются колонии миксобактерий по ярко окрашенным плодовым телам, составляющим спорангии, иногда приподнятые над поверхностью на стебельках и имеющие размеры до 1 мм.

Миксобактерий - аэробные органотрофы с выраженной гидролитической активностью. Особенностью миксобактерий является их способность коллективно лйзировать твердые частицы с помощью гидролитических ферментов. Часть из них обладает протеолитической способностью и лизирует клетки бактерий, попадающие под шварм. Поэтому миксобактерий относят к хищным бактериям. Однако некоторые миксобактерий способны лйзировать также целлюлозу. Часто они развиваются на навозе. В чистой культуре поддерживать удается только часть родов, и в природе их идентифицируют по спорангиям.

Основные роды миксобактерий следующие: не образующие спорангиев миксобактерий с веретеновидными клетками рода Myxococcus, у которого наиболее подробно изучена дифференциация в круглые микроцисты; Archangium с палочковидными микроцистами; Cystobacter, образующий спорангии без стебелька; Mellitangium и Stigmatella, - на стебельке. Клетки с прямыми концами имеет целлюлозолитический Polyangium, образующий округлые спорангии. Сложные плодовые тела имеют Nannocystis и Chondromyces.

Грамположительные кокки (группа 17). Микрококки составляют обширную группу органотрофных бактерий с аэробными Micrococcus, Staphylococcus, Streptococcus, издавна различаемыми по форме агрегатов клеток и хорошо известными своими патогенными представителями. К анаэробным коккам, осуществляющим разные брожения, относятся молочнокислые стрептококки, крупная анаэробная Sarcina ventriculi - обитатель желудка при крайне низком рН, обитатели рубца - разнообразные Ruminococcus, а также сбраживающие азотистые соединения Peptococcus.

Совершенно самостоятельную филогенетическую ветвь образуют дейнококки (род Deinococcus), чрезвычайно устойчивые к радиации.

160

Образующие эндоспоры грамположительные организмы (группа 18). Бациллы и клостридии относили к двум родам: аэробным Bacillus и анаэробным Chstridium, обычно представленным довольно крупными палочками с перитрихиальным жгутикованием. Благодаря наличию термоустойчивых спор, они относительно легко выделяются в лабораторные культуры после прогревания в течение 5 мин при 80 °С. Это массовые формы копиотрофов-колонизаторов, споры которых составляют резерв готовых к размножению зародышей. По своим физиологическим функциям виды этих морфологических родов чрезвычайно разнообразны. Спорообразующие организмы представляют преимущественно почвенные формы, поскольку эндоспоры являются приспособлением к высушиванию. В большинстве своем бациллы представлены органотрофами, использующими широкий круг органических веществ. Клостридии более специализированы и осуществляют разнообразные брожения, в типичном случае - маслянокислое. Они послужили моделью для изучения разных брожений - пуринов, аминокислот, а также гомоацетатного. Многие из них обладают мощными гидролазами и сбраживают полимерные углеводы, например, целлюлозу, как Chstridium thermocellum. Первым среди свободноживущих азотфиксаторов был открыт С. pasteurianum, но в общем это свойство присуще многим анаэробным клостридиям. В настоящее время большие ветви клостридии разделены на группы с низким и высоким Г + Ц, генетически крайне различные, и происходит быстрое их дробление на множество родов. Специализированную группу среди анаэробных спорообразующих грамположительных организмов составляют сульфатредуцирующие Desulfotomaculum.

Неспорообразующие грамположительные палочки правильной формы (группа 19) в основном представлены родом Lactobacillus, и по нему их обычно называются лактобацилла-ми. Они осуществляют молочнокислое брожение и относятся к аэротолерантным анаэробам. Сюда же относится ряд менее известных родов, часто отличающихся по форме, как, например, образующий многоклеточные трихомы Caryophanon.

Коринеформы. Это грамположительные палочки неправильной формы (группа 20), иногда склонные к ветвлению. Наиболее

161

многочисленный и разнообразный род Corynebacterium представлен аэробными органотрофами. Очень разнообразны артробактеры Arthrobacter, аналогичные по своим функциям псевдомонадам и широко распространенные в холодных почвах тундры. К корине-формам принадлежит и целлюлозолитический Cellulomonas.

Анаэробные организмы в этой группе представлены органо-трофными неспоровыми бактериями: маслянокислыми Eubacterium, Butyrivibrio, гомоацетатными Acetobacterium, молочнокислыми Bifidobacterium, пропионовокислыми Propionibacterium, термофильными Thermoanaerobacter, осуществляющими разнообразные брожения с выделением Н₂ и образованием различных жирных кислот.

Микобактерии (группа 21). В группу входят кислотоустойчивые (по окраске) органотрофные палочки Mycobacterium с характерным составом липидов оболочки. .

Нокардиеформы (группа 22). Эта группа организмов близка олигоспоровым актиномицетам и включает склонные к образованию ветвящихся форм и слабо развитого мицелия грамположительные организмы, опознаваемые по "сухим", не покрытым слизью колониям, выдерживающим прямой контакт с воздухом. Типовым родом группы служит Nocardia, которую можно рассматривать как типичного представителя "автохтонной" микрофлоры, способной использовать органические вещества "черного пара", т.е. устойчивые вещества, остающиеся в конце процесса деструкции. Органотрофные Rhodococcus, несмотря на свое название, не имеют ничего общего с пурпурными несерными бактериями, представляя собой аэробные, относительно медленно растущие органотрофы, известные своей способностью эффективно использовать углеводороды нефти. Коринебактерии, нокардие-формы, стрептомицеты представляют ряд морфологически усложняющихся организмов, приспособленных к существованию в засушливых почвенных условиях и приобретающих для распространения способность к образованию воздушного мицелия и конидий как стадии расселения. В 9-м издании Определителя Берджи остальные актиномицеты попали в секции 23-28.

Геодерматофилы и франкии (группа 23) рассматриваются как не образующие мицелия актиномицеты. Представители рода

162

Geodertnatophilus широко распространены в почве и развиваются в виде микроколоний, сложенных паренхиматозной массой клеток, часто окрашенной в черный цвет. Это аэробные органотрофы, скорее всего, олигокарбофильные. На поверхности микроколоний некоторые клетки почкованием образуют подвижные грушевидные клетки, которые служат стадиями расселения. Вследствие своего сходства с патогенным Dermatophilus, этот организм не стал объектом детальных исследований дифференциации у прокариот.

Frankia представляет азотфиксирующий симбионт ольхи, образующий на ее корнях клубеньки, подобно ризобиям. У нее имеется типичный воздушный мицелий со спорангием, разделенным на много спор. Этот эффективный симбиотический азотфиксатор с трудом поддается культивированию.

Актинопланы (группа 24), или водные актиномицеты, имеют развитый мицелий, как субстратный, так и воздушный. Споры образуются в мешковидном спорангии и в нем переживают высушивание. Однако при увлажнении споры выходят наружу в виде подвижных жгутиковых клеток. Актинопланы часто развиваются на пыльце растений, плавающей на поверхности воды в нейсто-не, и способны разлагать воскоподобные соединения кутикулы. Сюда относятся роды Actinoplanes, Dactylosporangium.

Стрептомицеты (группа 25). Именно для них прочно укоренилось тривиальное название актиномицеты, составляющее резкое противоречие с бактериологической номенклатурой, поскольку родовое название Actinomyces было изначально присвоено анаэробным патогенным организмам. Актиномицеты характеризуются развитым мицелием из ветвящихся гиф и имеют общее строение, совершенно аналогичное эукариотным грибам, но с гораздо более тонкими прокариотными гифами, содержащими много нуклеоидов и не всегда разделенными на отдельные клетки. Это, прежде всего, почвенные организмы. Актиномицеты приспособлены к развитию в относительно засушливых условиях на твердом субстрате и соответственно обладают выраженной гидролитической активностью по отношению к разным полимерам, но особенно выражена хитинолитическая активность с развитием

163

актиномицетов по отмершему грибному мицелию. Мицелий актиномицетов делится на субстратный и, предназначенный для размножения, воздушный. Гифы воздушного мицелия имеют предохраняющую от высушивания оболочку; на концах гиф образуются конидиеспоры (термины "конидии" и "споры" тоже употребляются). Конидиеспоры одновременно служат и стадией, переживающей высушивание, и стадией размножения, отличаясь в этом от эндоспор бактерий, и стадией расселения, распространяемой воздушными потоками. Актиномицеты - относительно медленно растущие организмы. Все они - органотрофные аэробы и в значительной части гидролитики, использующие очень широкий круг разнообразных органических веществ. Выделяют их на средах с крахмалом и/или глицерином при высоком отношении углерода к азоту.

Соответственно форме спороносцев различают роды: Streptomyces с почти 500 видами, Streptoverticillum, Kineospora, Sporichthya. Актиномицеты явились объектом крайне интенсивных исследований в поисках образуемых ими антибиотиков, которые, предположительно, обеспечивают в природе их конкурентоспособность. Для биотехнологии они очень важны, поскольку примерно половина антибиотиков образуется этой группой.

Мадуромицеты или олигоспоровые актиномицеты (секция 26) имеют такое же мицелиальное строение, как и другие актиномицеты, но в отличие от них образуют небольшое число конидий. Роды различаются прежде всего по форме конидиеносцев. Это Actinomadura, Microbispora, Microtetraspora, Planomonospora, Spirillospora, Streptosporangium, названия которых говорят сами за себя.

Термоактиномицеты (секции 27 и 28) выделены по их способности к умеренной термофилии.

Ми ко плазмы (секция 30). К ним относят организмы, лишенные клеточной стенки и ограниченные только мембраной. Поэтому форма клеток у них менее определенная, чем у других бактерий. Обычно это очень мелкие организмы размером до 0,2 мкм в диаметре. На ультратонких срезах они опознаются по отсутствию клеточной стенки. Mycoplasma mycoides, обладательница самого

164

маленького генома, имеет кокковидные клетки, иногда с нитевидными выростами. Паразит растений Spiroplasma получила название из-за спиральной формы. Большинство микоплазм развивается в межклеточном пространстве тканей животных, растений, колоний бактерий и являются паразитами, хотя Acholeplasma laidlawii - распространенный сапрофит, a Thermoplasma - встречается в гидротермах и саморазогревающихся кучах угля. Термоплазма может служить хорошим примером параллелизма в морфологии, потому что эта "микоплазма" на самом деле относится к архебактериям. Культивируют микоплазмы на сложных средах с включением сыворотки, на плотных средах они образуют колонии в виде "яичницы-глазуньи". Сначала микоплазмы рассматривали как наиболее примитивных бактерий и относили к порядку Mollicutes. По филогенетической системе они относятся к ветви клостридий. В микоплазмо-подобное состояние переходят грамположительные бактерии с подавленным синтезом клеточной стенки, образующие сферопласты.

165