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

Очевидно, не только супраоптимальное давление при оптималь­ ной температуре, ио и виеоптнмальные температуры при атмосферном давлении вызывают к действию один и тот же меха­ низм — усиленное по сравнению с нормальными условиями жиз

Рис. 78. Потребление глюко­ зы (і) и продукция спирта (2) и летучих кислот (3) у Pseudo­ monas sp. штамм 8113 при атмосферном давлении в зави­ симости от разных температур культивирования (Крисс, Кош­ тоянц, 1969)

недеятельностп потребление энергетического материала вследст­ вие неглубокого его использования. Об этом свидетельствует резко повышенное образование продуктов неполного окисления — спирта п летучих кислот. Вероятно, данное явление имеет широ­ кое распространение, т. е. оно может возникать при действии внеоптпмальных доз других физических и химических факторов.

Рис. 79. Потребление глюко­ зы (і) и продукция спирта (2) и летучих кислот (3) у Pseudo­ monas sp. штамм 8113 под дав­ лением 300—350 атм в зависи­ мости от разных температур культивирования (Крисс, Ко­ штоянц, 1969)

Под давлением 300 — 350 атм картина изменилась. При 28° штамм 8113 приобрел барофильные свойства: клеточной массы образовалось на 30% больше, чем при 1 атм. При супраопти­ мальной и субоптимальиой температурах, наоборот, урожайность упала по сравнению с таковой в атмосферных условиях: на 10% — при 40°; на 59% — при 15°; на 98% — при 7,5° (табл. 54 и 55).

136

Т а б л и ц а 54. Характер изменений в метаболизме глюкозы у баротолераіітііоіі бакте­ рии Pseudomonas sp. штамм 8113 в условиях высокого давления и супраоптималыюй температуры (Крисе, Коштоянц, 1969)

П р и м е ч а й и е. Продолжительность опытов составляла четверо суток. Цифры в скобках — число опытов, из которых приведены средине данные. Отношение продук­ тов метаболизма при 40° к продуктам при 28° дано в процентах.

Сопоставление супраоптимальной и субоптимальной температур по их действию на размножение штамма 8113 под давлением 300 атм показало, что субоптимальная температура (7,5°) уси­ ливает ингибиторный эффект на клеточное давление по сравне­ нию с супраоптимальиой (см. рис. 63).

Давление 300 атм еще больше расширяет разрыв между влия­ нием супраоптимальной и субоптимальной температур, с одной стороны, и оптимальной, с другой, на процесс ассимиляции глю­ козы. Миллион клеток потреблял уже при 15° на 70%, а при 40° на 180% больше глюкозы, чем при 28° (табл. 54 и 55).

Под давлением 300 атм и субоптимальной или супраопти­ мальиой температуре продукция спирта составляла (если принять продукцию спирта при 28° за 100%) 143% при 15° и 214%

137

Т а б л и ц а 55. Характер изменений в метаболизме глюкозы у баротолерантной бактерии Tseudomonas sp. штамм 8113 в условиях высокого давления и субоптималыюй темис- ,-ратуры (Крисе, Коштоянц, 1969)

П р и м е ч а н и е . Продолжительность опытов при 15° —7 суток; при 7,5°— 12 и 16 суток. Цифры в скобках — число опытов, из которых приведены средние данные. Отношение продуктов метаболизма при 7,5 и 15° к продуктам при 28° дано в про­

центах.

глюкозы по сравнению с 1 атм и они образовывались в боль­ ших количествах, чем при виеоптимальиых температурах (за исключением летучих кислот при 15°). По-видимому, при внеоптимальных температурах давление несколько ингибирует про­ цесс образования спирта и летучих кислот в качестве продуктов сбраживания глюкозы.

138

Р а зл о ж е н и е к р а хм а л а

Амилолптпческую активность бактерий под давлением опреде­ ляли ZoBell а. Hittle (1969). 124 культуры, выделенные у побережья Южной Калифорнии и в глубоководных районах Ти­ хого океана, гидролизовали крахмал при атмосферном давлении. Все они, за исключением шести, росли под давлением 200 атм, 62 развивались при 400 атм и только 11 — при 600 атм. Каждая из 124 культур разлагала крахмал под самым высоким давле­ нием, при котором она размножалась.

В другом опыте участвовало 19 представителей различных видов, все они размножались под давлением 300 атм, у четырех видов отсутствовал рост при 400 атм, у восьми — при 500 атм, пять культур росли под давлением 600 атм и только две, выделен­ ные из ила в Марианской впадине, могли развиваться под давле­ нием 800 и. 1000 атм, однако при 1 атм урожай клеток был значительно выше, чем при этих величинах давления. Степень гидролиза крахмала этими 19 видами была более или менее пря­ мо пропорциональна степени их роста под давлением.

Ж е л а ти н а з н а я а кти в н о сть

Желатииазная активность'' бактериальных клеток в процессе развития культуры при различных величпнах давления снижа­ лась с повышением давления (Крпсс, Мишустина, Железнпкова, 1969). Из табл. 56 видно, что при атмосферном давлении коли­ чество клеток Bacterium candicans достигало через 10 суток 224 млн/мл. Близкие цифры были получены при культиви­ ровании их под давлением 100, 200, 300, 400 и 500 атм.

Т а б л и ц а 50. Изменение вязкости желатины при культивировании в ней B ad. candicans под различным давлением (Крисс, Мишустина, Железникова, 1969)

139

Однако с повышением давления до 300 атм вязкость мясойептопной желатины (МПЖ) снизилась только на 15%, тогда как при 1 атм она составляла 65% от исходной вязкости. Под дав­ лением 400 и 500 атм как вязкость в среде с бактериями, так и вязкость стерильной желатины увеличивались.

Чтобы исключить возможность отсутствия гидролиза желати­ ны под давлением 400 и 500 атм из-за возросшей ее вязкости, стерильную желатину и фильтрат МПШ, в которой размножа­ лись клетки Bact. candicans, после снятия давления сохраняли

на которой выращивали культуру Bact. candicans при атмосферном давлении в течение 10 суток, -)- стерильная МПЖ, находившаяся под давлением 500 атм в течепне 10 суток

при атмосферном давлении. Выяснилось, что через 4 часа вяз­ кость этого фильтрата снизилась до исходной, и такой же ре­ зультат, но через 72 часа, был получен со стерильной желатиной. Изменение относительной вязкости стерильной желатины и жела­ тины, в которой выращивали культуру Bact. candicans, после десятидневного пребывания под давлением 500 атм при темпера­ туре 27° (Крисс, Мишустина, Железникова, 1969) показано ниже.

ры бактерий, развивавшейся при атмосферном давлении, вызвало значительное их разжижение (рис. 80).

140

Таким образом, в этих опытах бактериальные протеазы оказа­ лись способными разлагать желатину, свойства которой изме­ нились под влиянием давления 500 атм. О том, что этот гидро­ лиз происходил раньше, чем вязкость субстрата сравнивали с вязкостью исходной желатины, свидетельствует то обстоятельст­ во, что резкое снижение вязкости наблюдалось уже в часы, ког­ да вязкость стерильной желатины, находившейся под давлением 500 атм, была еще выше начальной вязкости ее. Эти опыты по­ казали также, что фильтрат МПЖ, в которой развивалась культура Bact. candicans под давлением 500 атм, не вызывает гидролиза свежей желатины, т. е. не содержит активного фермента.

Причиной этого не является необратимая инактивация желатиназы — фермента, выделяемого бактериальными клетками в сре­ ду, как вначале предполагалось. Фильтрат, содержавший желатпназу, сохранял активность даже после десятидневного пребыва­ ния под давлением 400 и 500 атм. Степень вязкости желатины, находившейся при атмосферном давлении, 400 и 500 атм, была

Т а б л и ц а 57. Желатпназпая активность фильтрата (вязкость мясс-пептонной жела­ тины в % к начальной) культур Bact. candicans, пыращспных при 1 атм под различным давлением (Крисс, Мишустина, Железнпкова, І9С9)

примерно одинаковой (табл. 57). Очевидно, что под таким давле­ нием желатиназа полностью сохраняет свою активность. Следо­ вательно, отсутствие гидролиза желатины под давлением 400 и 500 атм было обусловлено отсутствием желатиназы в среде (МПЖ), на которой культивировали Bact. candicans под дав­ лением 500 атм.

Отсутствие желатиназы в среде могло быть вызвано двумя причинами — потерей способности клеток продуцировать этот фермент под давлением 500 атм или изменением проницаемости клеточной стенки под влиянием давления, делающим невозмож­ ным выход образующегося фермента из клетки в среду.

Электронно-микроскопические исследования показали (Крисс, Мицкевич, Черни, 1969), что под давлением 450 атм в клеточ­ ной стенке происходят значительные структурные изменения. Ха­ рактер этих изменений — отхождение клеточной стенки от цито­

141

плазматической мембраны, разрушение промежуточного слоя, «разволокненне» оболочки — свидетельствует против уменьшения ее проницаемости. По-видимому, высокое давление иигибпрует и

процесс образования желатииазы в клетках Bact. candicans.

В о сстан о в л е н и е н и тр а то в

Влияние давления на способность бактерий восстанавливать нитраты исследовали ZoBell а. Budge (1965). В их опытах уча­ ствовало 30 видов бактерий, большинство которых было выделено из поверхностной зоны океана; только 8 видов относилось к чис­ лу обитателей глубин от 7000 до 10 200 м. Все 30 видов раз­ множались под давлением до 200 атм, только 11 видов увеличи­ вали в какой-то степени свою биомассу через семь дней пребы­ вания под давлением 600 атм при температуре 25°. Давление 1000 атм не препятствовало размножению восьми видов, выде­ ленных с больших глубин, хотя урожай был относительно неве­ лик.

Авторы указывают, что все 30 видов восстанавливали нитра­ ты под давлением, при котором они были способны размножать­ ся, но им не удалось выяснить в этих исследованиях, в какой степени давление влияет на процесс денитрификации, так как и неразмножающиеся клетки могли продолжать восстанавливать ни­ траты в подходящих условиях.

П р о д уц и р о ван и е сво б о дн ы х ке то - и ам и н о ки сл о т

Определение способности баротолерантных бактерий продуци­ ровать с в о б о д н ы е к е т о - и а м и н о к и с л о т ы в условиях повышенного давления было проведено в нашей лаборатории (Ступакова, Редькина, Кошелева, 1973). У 55 и 76% штаммов из 353 штаммов, выделенных из илов Курило-Камчатской впади­ ны, отмытые клетки не продуцировали в культуральную среду соответственно аминокислот и кетокислот. 8 и 14% штаммов про­

Последняя группа штаммов, не образующая кето- и амино­ кислот в условиях атмосферного давления, привлекает внима­ ние. Из возможных объяснений наиболее вероятными представ­ ляются два: 1) повышенное давление активирует синтез кето- и аминокислот в такой степени, что избыток их выделяется в культуральную среду и 2) угнетение процессов синтеза белка длительным (24 часа) воздействием давления 200 и 500 атм при­ водит к тому же результату — удалению из клеток свободных кето- и аминокислот.

Изучение физиологических особенностей одного из баротоле­ рантных штаммов нашей коллекции под давлением до 500 атм

142

показало, по данным Ступаковой и Редькиной, что имеются су­ щественные отличия в продуцировании этим штаммом кетокислот. Кетокислоты, отсутствующие в среде, где культивировался штамм при атмосферном давлении, появлялись под давлением 200 атм. Увеличиваясь в количестве с повышением давления, они были представлены пировиноградной, а-кетоглутаровой и ща­ велево-уксусной кислотами.

РАЗЛОЖЕНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ГЛУБИНАХ МОРЯ

не 1540 м в течение 10 месяцев, оказались в хорошей сохран­ ности после извлечения. После перенесения в рефрижератор при 3° эти продукты испортились в течение нескольких недель.

Судя по опытам с морской водой, к которой добавляли ме­ ченные С14 ацетат, маннит, глутамат, размножение бактерий происходило очень медленно на глубине 5300 м. Через два меся­ ца радиоактивность бактериальных клеток, пробывших на этой глубине, была в 8,2— 666 раз меньше, чем в условиях атмосфер­ ного давления при той же температуре (3°). Жидкие среды с крахмалом, галактозой, пентозой, альбумином, засеянные чисты­ ми культурами или имеющие контакт с морской водой, не пре­ терпели заметных изменений после пятимесячного пребывания на глубине 5300 м.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ В ПРИРОДЕ БАКТЕРИИ, РАЗМНОЖАЮЩИХСЯ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ

Число исследований количественного распределения в природ­ ных местообитаниях баротолерантных и барофильных бактерий и их характеристики еще недостаточны. Основные работы в этом на­ правлении посвящены грунтам Мирового океана, имеются также единичные сообщения об озерных илах, рисовых полях и почвах.

Моря и океаны

Certes (1884а) выделил бактерии с глубины 5100 м, которые были толерантны к давлению 500 атм. ZoBell (1952а), прини­ мавший участие в экспедиции на «Галатее», определил числен­ ность бактерий в илах с больших глубин Филиппинской впади­ ны. Инкубируя пробы, взятые с глубин свыше 10 000 м при 30°, он установил, что под давлением 1000 атм во многих случаях вырастало на порядок больше бактерий, чем при культивирова­

143

нии в условиях атмосферного давления (табл. 58). Низкая тем­ пература (около 2,5°) способствовала выявлению под высоким давлением еще более значительного количества их: различия между данными, полученными при 1000 и 1 атм, составляли на некоторых станциях два и три порядка. Из илов с глубин 1000 и 2000 м микрофлора ие вырастала (под давлением 1000 атм).Вы­ деленные культуры относились к родам Pseudomonas, Flavobacteriuni, Vibrio, Spirillum, Bacterium, Micrococcus, Bacillus, Clo­ stridium.

Исследования в морях Индонезии (ZoBell, 1952b) показали, что в илах с глубин 7200 и 7400 м наблюдались те же зако­ номерности: число бактерий, выросших под давлением 7000 атм, было выше, чем при 1 атм, на один-два порядка и температу­ ра 3° была более благоприятной по сравнению с 30° для выясне­ ния истинного количества бактерий иа дне этих впадин.

Автор указывает, что бактерии с больших глубин обладали разносторонней биохимической активностью в условиях атмос­ ферного давления. Они дезаминировали пептон, гидролизовали крахмал, восстанавливали нитраты в нитриты.

Во впадине Кермадек-Тонга илы с громадных глубин содержа­ ли столько же бактерий, растущих при одной атмосфере, сколь­ ко и под высоким давлением (ZoBell, Morita, 1957). В других образцах числа аэробных бактерий были выше под давлением

144

800 — 850 атм, чем при давлении 1 атм, или, наоборот, атмо­ сферное давление позволяло выявить больше бактерий по сравне­ нию с давлением 1000 атм (табл. 59).

Сульфатредуцирующие бактерии не были обнаружены в этой впадпне, однако они встречались в пробах из Филиппинской впадины и Индийского океана, которые выдерживали под давле­ нием 1000 и 700 атм соответственно, в количестве 10—100 бак­ терий в 1 г сырого ила. Те же пробы не дали роста на среде для десульфурикаторов при одной атмосфере (табл. 60, 61). Дав­ ление 1200 атм задерживало размножение, а 1500 атм убивало их.

Т а б л и ц а 60. Титр физиологических групп бактерии в 1 г сырого ила из Филиппин­ ской впадины (станции «Галатеи») после действия давления 1000 атм при температуре 3—5° (ZoBell, Morila, 1957)

145