Метаногенные археи

23

ОГЛАВЛЕНИЕ

          Введение……………………………………………………………………….3

1.      История изучения……………………………………………………………..5

2.      Особенности морфологии……………………………………………………6

3.      Особенности физиологии…………………………………………………….7

4.      Антигенные особенности………………………………………………….....9

5.      Классификация и таксономия……………………………………………....10

6.      Отдельные представители родов метаногенных архей и их дифференциация……………………………………………………….........11

7.      Среды для выделения и первичной  идентификации……………………..17

8.      Внутривидовая и межвидовая идентификация……………………………18

9.      Медицинское и ветеринарное значение. Патогенность…………………..19

10. Экология и распространение………………………………………………..20

11. Применение в практике……………………………………………………..21

          Заключение…………………………………………………………………..22

    Список литературы………………………………………………………….23

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных достижений биологии конца XX века явилось выявление трех эволюционных ветвей жизни, сформировавшихся на заре ее возникновения, - это домены бактерий, архей и эукарий. Архебактерии, как полагают, являются одними из самых древних организмов на Земле, и до последнего времени вопрос о точном времени их происхождения оставался открытым. На сегодняшний день самая старая находка датируется возрастом 2,71 - 2,65 миллиарда лет. Археи, несомненно, сыгравшие существенную роль в эволюции биосферы, и в наше время занимают в ней своеобразное место, обеспечивая прохождение определенных процессов круговорота веществ, являющегося необходимым условием ее существования.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

Археи чрезвычайно распространены в мире, но известно о них меньше, чем о бактериях. Характерные черты, заметные лишь пытливому взгляду учёных под микроскопом, делают археев абсолютно неповторимыми, чётко отличая их от всех прочих - бактерий, грибов, растений и животных. Вероятно, многие из этих микроорганизмов состоят из химических структур, неизвестных науке.

Представители этого домена имеют существенные особенности. Но нас интересует конкретная особенность, а именно: некоторые археи осуществляют биохимические процессы, не свойственные никаким другим организмам. Например, только определенные представители архей в процессе своей жизнедеятельности образуют метан. Эти метаногенные археи играют важную роль в климатических флуктуациях.

Цель курсовой работы: изучить систематику и методы идентификации метаногенных архей.

Актуальность: Изучение метаногенных археев имеет место, так как они являются единственными микроорганизмами, способными в процессе своей жизнедеятельности образовывать метан. Метаногенез играет важную роль в природе, являясь основным источником метана в земной атмосфере. А также, одной из причин их изучения является то, что метан используется человеком для получения биогаза.

Задачи:

1)     Изучить историю метаногенных архей;

2)     Рассмотреть особенности морфологии и физиологии, а также антигенные особенности метаногенных архей;

3)     Изучить классификацию и таксономию метаногенных архей;

4)     Выявить среды для выделения и первичной идентификации метаногенных архей;

5)     Охарактеризовать внутривидовую и межвидовую идентификацию метаногенных архей;

6)     Рассмотреть медицинское и ветеринарное значение метаногенов;

7)     Изучить экологию и распространение метаногенных архей;

8)     Осветить применение метаногенных архей в практике

1. ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ

В 1776 г. Итальянский физик Алессандро Вольта впервые описал образование метана в илах и болотах. На рубеже XIX – XX вв. после работ Хоппе-Зейлера, В.Л. Омелянского и ряда других исследователей анаэробных ниш была доказана возможность образования метана не только абиогенным путем, но и за счет жизнедеятельности микроорганизмов.[6]

До середины ХХ в. Биогенез метана называли «метановым брожением» (в настоящее время установлено, что это особый тип дыхания). В 1902 г. Омелянский пытался доказать, что в качестве «сбраживаемого» субстрата используется целлюлоза. Однако в 1967 г. Выяснилось, что выделенная им культура (“Methanobacillus omelianskii”) представляет собой симбиотическую ассоциацию между бактерией, которая окисляет этанол до ацетата и водорода, и метаногеном, который восстанавливает двуокись углерода с помощью водорода. Оно позволяет устранить эффект торможения окислительного процесса конечным продуктом реакции.

Джеймс Баркер предположил в 1936 г., что метаногенные прокариоты восстанавливают углекислоту до метана, используя в качестве донора электронов молекулярный водород или другие субстраты, например оксид углерода. В 1940 г. Он подтвердил это с помощью радиоуглеродного анализа. В 1948 г. Басвел и Соло установили, что источником образования метана, помимо углекислоты, может быть метанол или метильная группа ацетата. В  1956 г. Баркер пришел к выводу, что ведущим таксономическим признаком метаногенов служит не их морфология, а уникальная способность к образованию метана, и на этом основании поместил их в отдельное семейство Methanobacteriaceae.[6]

Метаногены являются облигатными анаэробами, и получить их чистые культуры удалось не сразу. Лишь в 1947 г. Схнеллен выделил   Methanobacterium formicicum    и      Methanosarcina barkeri. В 1976 г. Белч и Ральф Вулф разработали методику для выращивания метаногенов на газовой смеси из углекислоты и водорода.[6]                                                                                                                                                                                                                     

2. ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ

Морфологически метаногены очень разнообразны: среди них есть палочки Methanobacterium с клеточной стенкой из псевдомуреина, кокки Methanococcus с белковой клеточной стенкой, плоские угловатые формы Methanohalobium, псевдопаренхиматозные агрегаты Methanosarcina с гетерополисахаридом, цепи палочек в трубчатых чехлах Methanothrix (Methanosaeta) и спириллы Methanospirillum с белковой клеточной стенкой. Встречаются как грамположительные, так и грамотрицательные виды.[1]

Клетки неподвижные или передвигающиеся с помощью перитрихиально или полярно расположенных жгутиков. У представителей рода Methanosarcina в клетках найдены газовые вакуоли. Для некоторых метаногенов характерна развитая система внутриклеточных элементарных мембран, являющихся результатом разрастания и впячивания в цитоплазму ЦПМ и сохраняющих с ней связь. Недавно описан микоплазмоподобный метаноген, выделенный в род Methanoplasma, не имеющий клеточной стенки и фильтрующийся через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм.[2]

Рис. 2.1. Микрофотография                      Рис. 2.2. Микрофотография Methanopyrus kandleri

Methanosarcina barkeri fusaro                   

3. ОСОБЕННОСТИ ФИЗИОЛОГИИ

Метанобразующие археи — строгие анаэробы. Первые исследования чистых культур, выделенных из рубца жвачных животных, показали, что рост их возможен при начальном окислительно-восстановительном потенциале среды ниже — 300 мВ. Рост некоторых видов полностью подавляется при содержании в газовой фазе более 0,004% молекулярного кислорода. В последнее время, однако, описаны виды с относительно низкой чувствительностью к O2. В их клетках найдена супероксиддисмутаза. Возможно, в природе такие виды могут сохранять жизнеспособность при кратковременных контактах с O2 и возобновлять рост в анаэробных условиях.

Большинство метанобразующих бактерий имеют температурный оптимум для роста в области 30-40°, то есть являются мезофилами, но есть виды, у которых оптимальная зона сдвинута в сторону более низких (25°) или высоких (55-65°) температур. Недавно выделен экстремально термофильный организм Methanothermus fervidus, растущий при 55-97° (оптимум 80°). Все известные представители этой группы — нейтрофилы с оптимальным pH в области 6,5-7,5. Среди метаногенов есть галофилы, требующие в качестве одного из оптимальных условий для роста содержания в среде до 65-70 г/л NaCl.[3]

В качестве источника углерода и энергии для роста метаногены используют узкий круг соединений. Наиболее универсальными источниками углерода и энергии для них является газовая смесь H2 и CO2. Более 3/4 известных видов утилизируют H2 + CO2. Некоторые метаногены приспособились к облигатному использованию этих соединений. Следующими по распространенности источниками углерода и энергии служат формиат, ацетат, метанол, метиламины и моноокись углерода.

Около половины изученных видов не нуждаются в каких-либо органических соединениях. Для роста многих культур в атмосфере H2 и CO2 требуется внесение в среду органических веществ, стимулирующих рост или абсолютно для него необходимых. Это могут быть некоторые витамины группы B, ацетат, пируват, сукцинат, отдельные аминокислоты, дрожжевой экстракт или компоненты неизвестного состава, содержащиеся в природных средах обитания. Так, штаммы, выделенные из рубца жвачных животных, нуждаются в добавках рубцовой жидкости. Сложные органические соединения метанобразующие бактерии использовать не могут.

В качестве источника азота метаногены используют аммонийный азот или некоторые аминокислоты. Для ряда видов показана способность к азотфиксации. Источником серы могут служить сульфаты, сульфид или серосодержащие аминокислоты.[2]

Именно из-за высокой чувствительности метаногенов к кислоро­ду сведения об их физиологии пока сравнительно скудны. Только после разработки специальных методов (например, метода Хангейта) появилась возможность пересевать и выде­лять метанобразующие бактерии без доступа кислорода.[7]

4. АНТИГЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Метаногены имеют два типа антигена:

                                                        1) соматический (О-Аг),

                                                        2) жгутиковый (Н-Аг).

О-Аг метаногенов представлены термостабильным липополисахаридно-полипептидным комплексом.

Термолабильные жгутиковые антигены (H-Аг) образованы белком флагеллином.[1]

5. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТАКСОНОМИЯ

Для создания таксономической структуры метанобразующих бактерий был использован филогенетический подход, основанный на сравнительном анализе нуклеотидных последовательностей 16S рРНК. В соответствии с таким подходом в IX издании Определителя бактерий Берджи группа разделена на три порядка (Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales), коэффициент сходства (SAB) для которых составляет 0,2 — 0,28. Далее порядки разделены на 6 семейств (SAB = 0,34-0,36) и 13 родов (SAB = 0,46-0,51). Число видов достигает более 40. SAB для них колеблется в пределах 0,55-0,65. О гетерогенности группы можно судить и по нуклеотидному составу ДНК ее представителей (молярное содержание ГЦ-оснований — от 27 до 61%).[2,6]

Домен: Archaea

Тип: Euryarchaeota

Группа: Methanogenes (группа 31)

Подгруппы:

Порядок 1 (Methanobacteriales):

          Род: Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanosphaera,                Methanothermus

Порядок 2 (Methanomicrobiales):

Род: Methanococcus, Methanocorpusculum, Methanoculleus,   Methanogenium, Methanomicrobium, Methanospirillium, Methanoplanus

Порядок 3 (Methanococcales):

Род: Methanococcoides, Methanosarcina, Methanothrix, Methanohalobium, Methanohalophilus[4,5]

6. ОТДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ РОДОВ МЕТАНОГЕННЫХ АРХЕЙ И ИХ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ

Дифференцирующие признаки родов метаногенов изложены в определителе бактерий Берджи.[5]

Таблица  6.1

Дифференцирующие признаки родов Порядка 1.

Пояснения к таблице:

«+»  — 90% и более штаммов положительные;

«-» — 90% и более штаммов отрицательные;

«d» — 11 -89% штаммов положительные;

«v» — нестабильность на уровне штамма (не равнозначно «d»);

«D» — различные реакции у разных таксонов (видов одного рода или родов одного семейства).[6]

Таблица 6.2

Дифференцирующие признаки родов Порядка 2.

Пояснения к таблице:

«(2)» - клетки ряда штаммов, у которых клеточная стенка состоит только из S-слоев, при высушивании разрушаются, эти штаммы обозначены как грамотрицательные;

«(3)» - в электронный микроскоп видны жгутики, но подвижность не отмечена;         «(4)»- нуждаются либо в дрожжевом экстракте, либо в пептоне.[5]

Таблица 6.3

Дифференцирующие признаки родов Порядка 3.

Пояснения к таблице:

«(2)» – для некоторых штаммов характер окраски по Грамму зависит от условий культивирования и предыистории;

«(3)» – нуждаются в дрожжевом экстракте или смеси витаминов группы В.[5]

7. СРЕДЫ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ И ПЕРВИЧНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

Метаногены – облигатные анаэробы, то есть они очень чувствительны к кислороду воздуха. Поэтому для выделения чистой культуры используют метод вращающихся пробирок Р. Хангейта, а  также модификацию метода Р. Хангейта.[1,2]

Также применяют методику Белча и Вулфа для выращивания метаногенов на газовой смеси из углекислоты и водорода в соотношении 1:4 под давлением 2 бар.[6]

8. ВНУТРИВИДОВАЯ И МЕЖВИДОВАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ

Таблица 8.1

Дифференциация видов рода Methanothermus

Таблица 8.2

Дифференциация видов рода Methanoplanus