3. Бактерии, окисляющие серу

При изучении хемоавтотрофии С. Виноградский исследовал свойства хемотрофных нитчатых скользящих бактерий груп­пы Beggiatoa Thiothrix, присутствующих в ряде мест, бога­тых сульфидами и часто содержащих включения элементарной серы. Он показал, что эти организмы могут окислять H₂S, превращая его сначала в элементарную серу, которая и на­капливается в клетках.

Впоследствии отложенная в клетках сера окисляется до сульфата. Позднее было показано, что множество других аэробных бактерий окисляют H₂S аналогичным образом, в результате чего внутри клеток временно откладывается сера. Бесцветные серобактерии составляют очень гетерогенную группу, в которую они объединены по способности окислять восстановленные или частично окисленные неорганические соединения серы. Использование этого свойства в качестве таксономического критерия привело к объединению в одной группе многих таксономически не взаимосвязанных родов. Положение еще более осложнили результаты проведенных за последние несколько лет иссле­дований 5S- и 16S-PHK, показавшие, что виды, классифицированные в пределах некоторых больших родов (например, Thiobacillus), возможно лишь отдаленно родственны между собой, хотя сходны по (эко)физиологии.

Среди бесцветных серобактерий встречаются фактически все известные формы клеток и типы подвижности. Рост представителей этой группы можно обнаружить при значениях рН, покрываю­щих почти весь диапазон — от 1,0 до 10,5. Основ­ные признаки, объединяющие роды «бесцветных серобактерий», — грамотрицателъные, аэробы (не­которые способны к денитрификации), хемолитотрофы. Бактериохлорофилл не содержат. Группа включает облигатных и факультативных хемолитоавтотрофов, а также хемолитогетеротрофов. Некоторые организмы, классифицированные как бесцветные серобактерии (например, виды Beggiatoa), возможно, не истинные хемолитогетеротрофы, поскольку не получают энергию при окислении соединений серы. Они, однако, получают в результате окисления выгоду иными способами. Бесцветные серобактерии могут быть обнаружены везде, где присутствуют восстановленные соедине­ния серы (например, в осадках, в почве, на гра­ницах аэробных и анаэробных зон водоемов и в вулканических источниках, таких как выводные каналы гидротерм). На границе зон сульфид/кис­лород и там, где присутствуют и соединения серы и О₂, можно обнаружить естественное накопление этих бактерий, иногда до 10⁸ клеток на 1 мл и больше. Присутствие бесцветных серобактерий не­редко видно невооруженным глазом — об их рос­те говорит появление обильных белых отложений серы, взвесей, тяжей, розеток или пленок. Пробы, отобранные в освещенных участках, могут также содержать (по крайней мере в местообитаниях с температурой ниже 55°С) фотолитотрофные (пур­пурные) сероокисляющие бактерии, многие из ко­торых способны расти и как хемолитотрофы. Не­обходимо обращать внимание на цвет (красный/ пурпурный, коричневый) осадков или концентри­рованных суспензий бактерий.

Итак, рассмотрим сероокисляющие бактерии, образующие внутриклеточные образования серы. К ним относятся (таблица 3).

ТАБЛИЦА 3.-Бактерии, окисляющие H₂S с образованием внутриклеточных отложений серы, не выделенных в виде чистых культур

1. Нитчатые скользящие организмы: Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca

2. Очень крупные одноклеточные скользящие организмы: Achromatium

3. Одноклеточные неподвижные или передвигающиеся с помощью жгути­ков организмы с палочковидными или спиральными клетками:

Клетки палочковидные, неподвижные: Thiobacterium

Клетки палочковидные с полярно расположенными жгутиками: Масromonas.

Круглые или яйцевидные клетки с перитрихальными жгутиками: Thiovulum

Спиральные клетки с полярно расположенными жгутиками: Thiospira

Однако из-за технических трудностей, возникающих при выращивании этих бактерий в аэробных условиях за счет использования H₂S, получить чистую культуру не удалось ни для одного из пе­речисленных в таблице 3 организмов.

Следующую группу серобактерий составляют организмы, у которых внутриклеточные включения серы не видны в световой микроскоп, но клетки могут содержать тонкодисперсную серу. Многие могут осаждать серу в колониях после продолжительной инкубации в присутствии сульфида, что делает колонии (желтовато-) белыми и непрозрачными. характеристика основных представителей данной группы серобактерия представлена в таблице 4.

ТАБЛИЦА 4.- Окисляющие серу хемоавтотрофы, выделенные в виде чистых культур

Признак	Thiobacillus	Thiomicrospira	Sulfolobus
Форма клетки Расположение жгути­ков ГЦ-содержание ДНК, % Область значений рН, в которых возмо­жен рост Автотрофность	(8 видов) Палочковидная Полярное 34—70 Варьирует Варьирует	(1 вид) Спиральная Полярное 48 5,0—8,5 Облигатная	(1 вид) Сферическая, дольчатая Клетки непод­вижны 60—68 0,5—6,0 Факультатив­ная

Большин­ство этих бактерий представляют собой небольшие палочки с полярно расположенными жгутиками; они относятся к роду Thiobacillus и широко распространены как в морской среде, так и на суше. Бактерии с клетками спиральной или вибриоидной формы, Thiomicrospira, встречаются в морском иле, а бактерии с клетками сферической неправильной формы, Sulfolobus, обитают лишь в термальных источниках (таблица 4). Следует отметить, что диапазон значений ГЦ-содержания ДНК организмов этой группы довольно широк, особенно среди тиобацилл. Обшир­ных мембранных разрастаний, которые характерны для многих нитрифицирующих бактерий, нет ни у одной из мелких окисляющих серу бактерий.

Эти организмы хорошо растут в автотрофных условиях, причем если рост происходит за счет тиосульфата, то время генерации составляет всего 2 ч. Общим примечательным свойством организмов этой группы является их толерантность к кислоте. Некоторые виды могут расти при крайне низких значениях рН вплоть до 1 или 2, и неспособны расти при рН выше 6. Эти организмы часто обнаруживаются в специ­фических местообитаниях, где низкое значение рН поддер­живается в результате их собственной метаболической ак­тивности. Термофильная бактерия Sulfolobus встречается в кислых, богатых серой горячих источниках, где сульфид, имеющий геохимическое происхождение, при высокой тем­пературе воды (70-85°С) - на воздухе немедленно превра­щается- в элементарную серу Sulfolobus растет на частицах серы, которая служит для нее окисляемым суб­стратом.

Тиобациллы изобилуют в особых условиях, которые воз­никают в результате деятельности человека. Это, например, откачиваемые из шахт кислые дренажные воды, содержащие минералы сульфидов металлов, в особенности пирит (FeS₂). В таких местах преобладают крайне ацидофильные виды Thiobacillus thiooxidans, которые быстро окисляют элемен­тарную серу, и Т. ferrooxidans, которые могут получать энер­гию как при окислении восстановленных соединений серы, так и при окислении Fe²⁺. Поскольку последний вид способен расти при рН от 2 до 4, когда закисное железо химически устойчиво, можно считать твердо установленным, что этот организм растет в хемоавтотрофных условиях, используя реакцию

Для классических «железобактерий», которые развиваются при более высоких рН (см. нижеследующий материал), этот факт пока нельзя считать доказанным.

Как и в случае нитрифицирующих бактерий, не все окис­ляющие серу бактерии являются облигатными хемоавтотрофами. Sulfolobus,и некоторые тиобациллы способны расти, используя органические источники углерода и энергии, одна­ко субстратом для них могут быть лишь глюкоза и немногие из аминокислот.

Быстрый рост тиобацилл и способность их использовать довольно разнообразные питательные вещества делают эти организмы наиболее удобным объектом при эксперименталь­ном исследовании проблем физиологии хемоавтотрофного способа жизни.