книги из ГПНТБ / Крисс А.Е. Жизненные процессы и гидростатическое давление

действия на нее давления 1500 атм, в первые два дня инкуба­

ила, у многих клеток подавляется функция размножения, одна­ ко обратимо, так как спустя известный срок пребывания при ат­ мосферном давлении клетки вновь обретали способность размно­ жаться. Из суспензии ила, подвергавшейся давлению, вырастали те же формы, что были обнаружены в ней до действия давле­ ния.

Описываемое явление наблюдалось в опытах не только с ила­ ми, но и с почвой, взятой в цветочных горшках из-под ра­ стений.

После действия давления 1500, 1680, 1840 атм на суспензию почв число колоний становилось равным исходному количеству или приближалось к нему лишь спустя несколько дней инкубации посевов при атмосферном давлении (табл. 33).

Удлинение лаг-фазы у Pseudomonas aeruginosa отметил Yazuda (1959а) после действия давления 800 атм в течение 30 мин.

По наблюдениям ZoBell a. Cobet (1962), давление в несколько сот атмосфер удлиняло лаг-фазу у Е. coli. Под давлением 300 и 400 атм рост или размножение задерживались на 1—3 часа, а на­ чиная с давления 450 атм, задержка уже исчислялась в сутках, при 500 атм лаг-фаза продолжалась 7—7,5 суток.

Т а б л и ц а 33. Восстановление фупкцнн размножения бактерий [после действия высокого давления (Крпсс и др., 1958)

100

Влияние гидростатического давления на продолжительность лаг-фазы Е. coli (ZoBell, Cobet, 1962) показано ниже.

С увеличением давления от 100 до 400 атм уменьшалась ско­ рость размножении Е. coli (рис. 57).

Лаг-фаза после короткой экспозиции под давлением в опытах Yayanos a. Pollard (1969) с Е. coli 15 T_L~ увеличивалась не в такой степени. Через 8 час. после пребывания под давлением 408 атм увеличение числа клеток происходило сразу же за де­ компрессией, однако давление 707 атм продолжительностью око­ ло 1,5 часа приводило к 40-минутной лаг-фазе. Столько же вре­ мени требовалось для начала размножения клеток после снятия давления 654 атм, продолжавшегося около 2 час.

величины давления было прослежено Мицкевич и Криссом (1966) на примере Pseudomonas sp. штамм 8113, выделенного из поверх­ ностного слоя ила Черного моря на глубине 1900 м. Как видно из рис. 58, под давлением 200—350 атм продолжительность этой фазы была почти такой же, как при атмосферном давлении, од­ нако за этот период наблюдалось большее увеличение клеточной массы под высоким давлением, чем при одной атмосфере. Под

при инкубации на МПА (26°) при давлении

субстрат, подвергавшийся действию высокого давления

101

Ряс. 58. Скорость размножения Pseudomonas sp. штамм 8113 под давлением 1 (І), 200 (2), 350 (3) и 450 (4) атм (Мицкевич, Крисс, 1966)

давлением 450 атм фаза экспоненциального роста растягивалась до двух суток и в конце ее число бактерий едва сравнивалось с числом бактерий в культуре Pseudomonas sp., выращенной в условиях атмосферного давления.

Pseudomonas sp. штамм 8113 может быть назван факульта- тивно-барофильиой бактерией, так как через двое-трое суток роста под давлением 200, 300 и 400 атм урожай клеток заметно пре­ вышал клеточную массу, выросшую при атмосферном давлении: например, под давлением 300 атм количество клеток было на 23% больше по сравнению с нормальным давлением. Давление 400 атм оказалось пороговым для барофилии штамма 8113. При 500 атм рост ухудшался, однако толерантность его к этому давлению была еще велика: урожай снижался только на 15%,

.если сравнивать с урожаем при 1 атм. Дальнейшее повышение давления — до 600 атм — приводило к подавлению роста и размно­ жения у большинства клеток (табл. 34).

102

Т а б л и ц а 34. Влияние величины гидростатического давления на урожаи клеток Pseudomonas sp. штамм 8І13 (Мицкевич, Крисс, 1966)

лерантных бактерий под высоким давлением на их способность к размножению в этих условиях было изучено Чумак, Блохи­ ной, Криссом (1968). Поверхностный слой ила, взятый на четы­ рех станциях в Черном море с глубин 2055, 2020, 1880 и 1900 м, в виде суспензии в мясо-пептонном бульоне помещали под дав­ ление 400 атм (первый пассаж). Инкубация посева первого пас­ сажа продолжалась 10 дней при температуре 28°. Затем про­ изводили пересев (второй пассаж) и такую процедуру (пас­ сажи) повторяли 18 раз. От 2-го до 13-го пассажа пересевы инкубировали 25—34 дня, а с 14-го по 18-й пассаж — 40—64 дня. После 18-го пассажа они продолжались при ступенчато увеличива­ ющемся давлении: 450—500—550—600—650—700—750—800 атм. Под давлением 450 атм пересевы выдерживали 30 дней, а при более высоком — 14 дней.

Эти исследования показали, что продолжительное (более полу­ тора лет) культивирование под давлением 400 атм смешанной мик­ рофлоры из глубоководных илов Черного моря с пересевами че­ рез один-два месяца не влияет на ее способность к размноже­ нию: клеточная масса увеличивалась в несколько раз или в

103

давлению 400 атм. Наблюдения показали, что из 16 видов, об­ наруженных в первых пересевах, в восемнадцатом пересеве ока­

зались только два.

В серии опытов, в которых пассажи продолжались при сту­ пенчато увеличивающемся давлении, наблюдалось заметное умень­ шение величины прироста клеток только под давлением 750 и 800 атм (рис. 59).

Нужно отметить, что способность к размножению в условиях высокого давления у ряда баротолерантиых бактерий является

lg ш/та

Рис. 59. Размножение баротолерантиых бактерий при ступенчато повышаю­ щемся давлении (средппе даплые по четырем станциям) (Чумак и др., 1968)

севы их культивировались длительное время при атмосферном давлении. В этом убеждают опыты Крисса, Бирюзовой, Абызо­ ва (1958) с частью коллекции баротолерантиых штаммов, вы­ деленных с больших глубин Тихого океана. Штаммы, у которых в 1954 г. определяли способность размножаться под высоким давлением, в 1956 г. вновь были обследованы в этом отношении.

В опыте с давлением 550 атм девять штаммов размножались лучше в 1956 г., чем в 1954 г., а пять — хуже. Под давлением 650 атм шесть штаммов интенсивнее размножались спустя два года, два штамма — так же и шесть штаммов — хуже, чем в 1954 г. Иные отношения были получены в опыте, где эти 14 штаммов подвергали давлению 750 атм: шесть штаммов дали боль­ шую биомассу в 1956 г. по сравнению с 1954 г., а восемь штам­ мов — меньшую.

П р о р астан и е спор п од давлен и ем

Этот процесс был подробно исследован Gould a. Sale (1970). Оптимальная для начала прорастания спор температура повыша­ лась с увеличением давления. При низкой температуре прора­ стало минимальное число спор, независимо от величины давле­ ния, но при высоком давлении прорастание происходило при

104

температурах намного выше тех (60—70°), которые способствова­ ли проращиванию в условиях атмосферного давленпя. Активиро­ вание спор перед компрессией нагревания до 70° в течение 30 мин. вызывало более полное прорастание спор под давлением, чем у ненагретых спор. Однако давление 1000 атм уменьшало различие в полноте прорастания между нагретыми и испагретыми спорами.

Значения pH, близкие к нейтральным, были оптимальными для прорастания спор под давлением. Добавление в среду ами­

Gould a. Sale отмечают параллелизм в действии химических веществ на прорастание спор при атмосферном и повышенном давлении: стимуляторы и ингибиторы при 1 атм влияли в том же направлении и под давлением 200 атм. Авторы предполагают, что повышенное давление может ускорять некоторые реакции, связанные с прорастанием, которые протекают медленно при ат­ мосферном давлении, а также увеличивать проницаемость барье­ ра для поступления в спору L-аланина и близких к нему а-ами- нокислот.

Гидростатическое давление 200 атм продолжительностью 30 мин. оказывает на прорастание спор Bacillus cereus с некоторыми аминокислотами синергическое действие (Gould, Sale, 1972). Увеличение процента проросших спор наблюдалось даже в тех случаях, когда при атмосферном давлении добавление соответ­ ствующих аминокислот не способствовало прорастанию спор.

Данные по синергическому действию гидростатического дав­ ления (200 атм, 30 мин.) и аминокислот на прорастание (в %)

Зависимость баротолерантности бактерий от факторов внешней среды

Состав питательной среды

Изменения в составе питательной среды, на которой куль­ тивируются баротолерантные бактерии, могут влиять на их толе­ рантность к высокому давлению (Крисс, Мицкевич, 1967).

105

Через двое суток роста при атмосферном давлении и темпе­ ратуре 28—29° число клеток Pseudomonas sp. штамм 8113 было примерно одинаковым на всех трех средах, несмотря на различие в их составе: конечная концентрация бактерий составляла 660— 730 млн. в 1 мл (табл. 35).

Т а б л и ц а 35. Количество клеток в млн/мл (в пересчете па палочковидные, выросшие при 1 атм) Pseudo noaas sp. штамм St 13 после культивирования па разных средах* (Крисс, Мицкевич, 1967)

Отношение

СаС12 — 0.002%; M(?SCV7H20 — 0.02%; дистиллированная вода; pH 7,1—7,2.

Иную картину наблюдали под давлением 500 атм. На всех средах урожай оказался меньшим, чем при 1 атм. Однако это уменьшение было различным для разных сред. На среде Рана урожай составлял 86% контроля (атмосферное давление), тогда как на среде Адамса — только 36%; промежуточное положение по урожаю заняла глюкозо-пептонная среда Зобелла— 66%. Сле­ дует подчеркнуть, что среды Рана и Адамса отличаются только по своему минеральному составу. Интересно, что эти различия оказались достаточными для резкого изменения толерантности штамма 8113 к высокому давлению.

Давление 600 атм оказывало сильное угнетающее действие на развитие штамма 8113. Однако и здесь степень угнетения была неодинакова на разных средах: на среде Рана и глюкозопептонной среде нарастало большее количество клеток, чем на среде Адамса (табл. 35).

Степень толерантности к высокому давлению можно было из­ менить также путем введения в состав среды некоторых веществ. Добавление 0,01% гидролизата казеина к среде Раиа увеличи­ вало число клеток, развивавшихся на этой среде в течение трех

106

суток под давлением 500 атм. Повышая концентрацию гидролй* зата казеина в среде до 0,1%, можно было добнться почти такой же бактериальной массы, как при атмосферном давлении (табл. 36).

Под давлением 350 атм, по отношению к которому штамм 8113 может быть назван барофильным (так как на среде Рана под этим давлением в течение двух суток при температуре 28, 29° нарастала большая бактериальная масса, чем при 1 атм), добавление гидролизата казеина не оказывало такого действия. Процентное отношение числа клеток, выращенных при 350 атм, к числу клеток в культуре, полученной при 1 атм, было оди­ наковым на среде Рана без добавления и с добавлением гидро­ лизата казеина (табл. 36).

Т а б л и ц а ЗС. Изменение баротолерантности Pseudomonas sp. штамм 8113 при добав­ лении гидролизата казенна к глюкозо-минеральной среде Рана (Крисе, Мицкевич, 1967)

* Средние данные из двух опытов, в остальных случаях — из трех опытов. Началь­ ная концентрация клеток — 1—2,4 млн/мл.

Следует также отметить, что барофилия штамма 8113 к дав­ лению 350 атм исчезала, если его культивировали не на среде Рана, а на глюкозо-пептониой среде. Из табл. 37 видно, что ко­ личество клеток в культурах на глюкозо-пептониой среде, выра­ щенных при 1 и 350 атм, совпало.

Таким образом, состав культуральной среды может значитель­ но влиять на баротолерантность и барофилию бактериальных кле­ ток к высокому давлению.

Palmer a. Albright (1970) установили, что увеличение соле­ ности в среде способствует повышению порога давления, за ко­ торым уже не происходит роста морской психрофильной бакте­ рии Vibrio marinus. Эти исследования были продолжены (Albright, Henigman, 1971) на четырех видах бактерий морского происхож­ дения — Achromobacter aquamarinus, Serratia marinorubra, Mic­ rococcus sedentarius, Vibrio adaptatus — и двух видах наземного происхождения — Escherichia coli, Micrococcus luteus. Испытыва­ ли давление от 1 до 1000 атм с интервалами в 25 атм.

107

35 до 8% значительно снижает баротолерантность морских бакте­ рий, но не влияет на способность террестриальных видов к раз­ множению под давлением на средах различной солености.

Marquis, Brown а. Fenn (1971) обнаружили зависимость ба­ ротолерантности Streptococcus faecalis от источника аденозинтрифосфата в питательной среде. В среде с рибозой толерантность к давлению определялась барочувствительностыо ферментов, раз­ лагающих АТФ. Опыты с другими катаболитами — мальтозой, глюкозой, глюконатом, лактозой, пируватом — показали, что баро­ толерантность значительно колебалась, когда производили заме­ ны источников углерода в той же среде. Культуры, разлагающие пируват, не росли под давлением выше 300 атм, разлагающие глюконат,— под давлением выше 450 атм, а разлагающие

Т а б л и ц а 38. Влияние концентрации солеи в синтетической морской воде на порог

Tеррестриалъного

происхождения

П р и м е ч а н и е . Цифры выражают максимальное давление, при котором еще про­ исходило деление клеток.

108

глюкозу, мальтозу или лактозу, не росли под давлением выше 550 атм. Авторы указывают, что величина и форма клеток по­ сле давления 408 атм не отличалась от контроля при атмосфер­ ном давлении.

Толерантность Streptococcus faecalis к повышенному давлению усиливалась, когда в среду с глюкозой или рибозой для выра­ щивания стрептококка вносили СаС12или MgCl2 (Marquis, ZoBell, 1971). Возросшая баротолерантность выражалась в ускорении роста, увеличении урожая под давлением 408 атм и в сдвиге максимальной величины давления, вызывающей подавление роста бактерий, с 550 до 700 атм. Ионы натрия, калия, стронция, марганца, анионы хлора, брома, марганца не вызывали или вызывали слабый эффект в отношении толерантности к дав­ лению.

Результаты опытов с повышением баротолерантности Esche­ richia coli и Saccharomyces cerevisiae с помощью ионов кальция или марганца оказались отрицательными; положительное действие наблюдалось лишь с двумя штаммами стрептококков, выделенных из гниющей мидии.

Температура

Толерантность бактерий к . высокому давлению может опре­ деляться также температурой, при которой происходит их куль­ тивирование. Опыты Johnson а. Lewin (1946b) показали, что при температуре 20—22° давление 1000 ф/д2 задерживало размножение клеток Е. coli. Это давление при температуре выше оптимальной ускоряло деление бактерий (рис. 60). Авторы отме­ тили также противодействие давления вредному влиянию хинина на размножение клеток Е. coli и их жизнеспособность.

Влияние температуры на размножение морских бактерий под давлением показано в работе ZoBell а. Johnson (1949). Авторы приводят яркий пример с Pseudomonas xanthochrus. Этот вид не

109