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

Т а б л и ц а 61. Титр физиологических групп бактерий в 1 г сырого ила о различных глубин И ндийского океана пооле действия гидростатического давления (ZoBellj Morita. 1957)

Десульфурирующие бактерии из впадины Вебер в море Банда Дндпйского океана сохранялись под давлением 700 атм и при 3—5° в течение пяти лет и после этого срока хранения не по­ теряли своей активности. В накопительной культуре они выгля­ дели в виде овоидных, грамнегативных клеток толщиной 0,3 мк, длиной 0,5 — 0,8 мк, не имеющих жгутиков и спор.

Авторы указывают, что барофильные бактерии были также обнаружены в наружных покровах и кишечнике многих глубоко­ водных животных.

Наши исследования (Крисс и др., 1958) были начаты в 1953 г. с поисков в глубоководных илах Тихого океана микроорганиз­ мов, способных размножаться в условиях высокого давления. Во время плавания э/с «Витязь» в районе Курило-Камчатской впа­ дины на ряде станций извлекались колонки ила. На четырех станциях поверхностный слой ила (0— 2 см) засевали в возра­ стающих разведениях в мясо-пептонный бульон.

В табл. 62 приведены данные микроскопического и макро­ скопического исследований ампул начального опыта и последую­ щих пересевов. Из этой таблицы видно, что в ампулах со стан­ ции № 10 при атмосферном давлении помутнение бульона на­ ступило в разведениях ила 1 : 10, 1 : 100, 1 : 1000. В ампулах с разведениями того же ила, подвергавшихся давлению 500 атм, бульон оставался прозрачным. Микроскопическое изучение содер­ жимого ампул, пробывших под давлением 500 атм, показало, что палочковидные и кокковидные клетки встречались в ампулах с разведениями ила 1: 10, 1: 100, 1: 1000, 1: 10000; 1: 100000.

В опытах с илами со станций № 12, 16, 21 наблюдалась аналогичная картина. Титр бактерий в ампулах, содержавшихся

146

при нормальном атмосферном давлении, составлял ІО2 и ІО3. В ампулах с разведениями тех же илов, подвергавшихся давле­ нию 800 атм, микробные клетки были обнаружены при микро­ скопии в разведениях 10~3 и 10-4, хотя бульон остался прозрач­ ным. В большинстве случаев препараты для микроскопии из ам­ пул второго пересева не содержали бактерий.

Высевы из ампул с разведениями илов начального опыта и ампул первого, второго и третьего пересевов на мясо-пептонпый агар и мясо-пептопный бульон не дали положительных резуль­ татов. В наших опытах с глубоководными илами из Курило-Кам­ чатской впадины не наблюдалось под влиянием высокого давле­ ния помутиеиия бульона, которое являлось основным критерием (ZoBell, Morita, 1957) для установления наличия барофпльных бактерий в глубоководных илах Филиппинской впадины, впа­ дины Кермадек-Тоига и на больших глубинах в Индийском океа­ не. Причины этого неясны.

Неясны также причины различий между результатами опытов ZoBell а. Morita с илами Филиппинской впадины и Индий­ ского океана и исследований, проведенных с илами впадины Кер- мадек-Тонга, хотя глубины, на которых отбирали образцы ила, и методы исследований были однотипными. В опытах с илами из впадины Кермадек-Тонга титр бактерий в пробах, находив­ шихся под высоким давлением, был почти таким же, а иногда и меньшим, чем в илах, сохранявшихся при нормальном атмо­ сферном давлении, в отличие от опытов с илами из Филиппин­ ской впадины и Индийского океана, где наблюдались противопо­ ложные результаты.

Дальнейшие исследования с глубоководными илами, которые были извлечены на станциях в Курило-Камчатской впадине, по­ казали, что в этих илах после давления на них 500 и 800 атм обычно определяется меньшее число бактериальных форм, чем после выдерживания их при атмосферном давлении. Лишь в одном опыте из четырнадцати наблюдалось обратное соотношение.

Опыты, проведенные с илами, извлеченными с глубины около 4000 м в районе Северного полюса, также показали, что в иле количество бактерий, образующих колонии на МПА, не увеличи­ вается, а уменьшается после давления 400 атм.

Во всех опытах по действию высокого давления на микроб­ ное население глубоководных илов, а также почв выделялись культуры из колоний микроорганизмов, которые вырастали на МПА из иловых и почвенных суспензий, подвергавшихся давле­ нию в несколько сот атмосфер. Таким путем была составлена коллекция из 146 культур; в числе их находились бесспоровые и спороносные палочки, кокки и микобактерии.

Все культуры этой коллекции обследовали на их способность размножаться в условиях высокого давления.

Отчетливо наметились две группы штаммов, выделенных из почв и глубоководных илов, подвергавшихся действию высокого

147

из 146), неспособные размножаться под давлением 450 атм, но клетки этих штаммов сохраняли свою жизнеспособность после пребывания под давлением в несколько сот атмосфер. В этой группе различались штаммы, у которых только часть клеток, и штаммы, у которых все клетки не теряли жизнеспособность при воздействии высокого давления.

Вторую группу составляли штаммы, размножающиеся в усло­ виях гидростатического давления 450 атм. Степень размножения у разных штаммов была неодинаковой: у одних биомасса возра­ стала под этим давлением в сотни раз, у других прирост был не

.столь велик. Из 66 штаммов второй группы 34 штамма слабо размножались под высоким давлением и 32 давали сравнительно

.большой прирост биомассы.

Необходимо отметить то обстоятельство, что из всей коллек­ ции штаммов (146) только один штамм размножался лучше при давлении 450 атм, чем при нормальном давлении. Обычно же даже хорошо размножающиеся под давлением 450 атм штаммы

.образовывали большую биомассу при атмосферном давлении. По систематическому составу из 32 штаммов, хорошо размно­

жающихся под давлением 450 атм, 20 были иеспороносными бакте­ риями, 5 — кокковидными формами, 4 — спороносными палочка­ ми и 3 — микобактериями.

148

все штаммы, хорошо размножающиеся под давлением 450 атм, были способны размножаться. Из 32 штаммов 27 размножались под давлением 550 атм, 20 — под давлением 650 атм, 5 — под давлением 750 атм и только один — под давлением 850 атм.

Необходимо обратить внимание на явление автолиза, которое может наступить у части бактериальных клеток, находившихся под высоким давлением. Об автолизе и лизисе клеток можно было судить не только по некоторому уменьшению числа клеток (по данным прямого счета в камере Тома — Горяева), но и по ре­ зультатам исследования в фазоконтрастном и электронном микро­ скопах бактериальной суспензии, подвергавшейся действию высо­ кого давления.

Попытка выяснить, как влияет на активность морской микро­ флоры подъем из глубин на поверхность, была сделана Seid а. Robinson (1969). Пробы воды отбирали из различных глубин в проливе Георгия, где глубина не превышала 439 м; об активно­ сти микрофлоры судили по усвоению глюкозы, меченной С14.

Опыты показали, что декомпрессия не повлияла иа ассими­ ляцию глюкозы микрофлорой в пробе воды с 200 м, тогда как активность микрофлоры в пробе воды, поднятой с глубины 400 м и затем инкубированной при атмосферном давлений, снизилась до 60%, Бели же пробу после извлечения помещали под давле­

149

ние л лишь затем инкубировали при 1 атм, потеря активности составляла только 12%. Действие давления на поверхностные пробы воды приводило к значительной инактивации микрофлоры этих проб.

Озера

Изменения в метаболизме микрофлоры озерного ила и почв рисовых полей под давлением в несколько сот атмосфер изучал Коуаша (1955). Он определял состав газов, выделявшихся из суспензий ила и почв при атмосферном давлении и давлении до 450 атм. При этом давлении еще активно протекал процесс образования газов.

Продукция метана уменьшалась в пределах величины давле­ ния от 1 до 50 атм, затем возрастала с повышением давления до 300 атм, выше которого она постепенно падала. Наибольший'

то при 1 атм через девять суток инкубации количество его уве­ личилось, а под давлением 50 — 360 атм понизилось, что, по мнению автора, свидетельствовало о наличии азотфиксации во взятых пробах.

Почва .

Микробные формы, способные размножаться при повышенном давлении, встречаются также в почвах. Вначале были поставле­ ны опыты с почвами, взятыми в цветочных горшках из-под ра­ стений: герани, бальзамина, томатов и бегонии (Крисс и др.г 1958). После 24-часового пребывания бульонных суспензий почв под давлением 336 и 504 атм число клеток в бульонной суспен­ зии из-под бальзамина и томатов увеличилось в 1,5 — 2 раза. Этот прирост выявлен только методом прямого счета, данные же определения количества колоний показали, наоборот, уменьшение числа бактерий, размножающихся на белковых средах.

В дальнейшем были проведены исследования (Крисс, Заичкин, 1971) дерново-подзолистых, светло-серой лесной почв, обык­ новенного чернозема и светло-каштановой почвы. После пребыва­ ния их в виде суспензии на водопроводной воде под давлением 500 атм в течение трех суток наблюдалось уменьшение в них количества микроорганизмов (табл. 63).

Однако, судя по росту на мясо-пептонном агаре, число бакте­ риальных форм, резистентных к высокому давлению, оставалось все же значительным. Минеральная среда с глюкозой была менее благоприятна для выживаемости бактерий в условиях высокого давления.

Привлекают внимание сравнительно большие количества ба­ рорезистентных актиномицетов в черноземе и светло-каштановой

150

* Средние данные из трех повторностей.

почве. На сусло-агаре были выделены также барорезистентные микроскопические мицелиальные грибы.

Отвивки из колоний, выросших на чашках с соответствующп

Все эти штаммы вначале были испытаны на баротолерантяость под давлением 300 атм. За признак явного размножения

Выяснилось, что из 80 бактериальных штаммов, выделенных ;на МПА, 2.3, т. е. почти 30%, дали прирост клеток более чем ,,в 20 раз, между тем как 56 бактериальных штаммов, получен­ ных с синтетической среды, размножались слабее — не более чем в 10 — 20 раз. По-видимому, белковые среды, содержащие орга­ нический азот, являются более оптимальными для размножения ■бактерий под высоким давлением, чем синтетические среды с минеральным азотом.

Развитие актиномицетов и микроскопических мицелиальных грибов определяли по микроскопии отпечатков, сделанных с их колоний на покровных стеклах с тонким слоем агаровой среды. Эти стекла помещали в полиэтиленовые капсулы, заполненные жидкой питательной средой.

Оказалось, что споры актиномицетов и грибов не прорастают

151

600 атм и выше с экспозицией 72 часа. Посев мицелия пли зооспор на подходящую среду ие давал роста, прорастание зоо­ спор не происходило.

Это явление — отсутствие роста актиномицетов и грибов под высоким давлением — проливает свет на причину редких находок актиномицетов и микроскопических мицелиальных грибов в от­ крытых областях морей и океанов. Указанное обстоятельство по­ будило считать эти организмы случайно попавшими формами, а ие жителями глубпн Мирового океана (Крисс, 1959). Единственное сообщение (Weyland, 1969) о нахождении большого количества и разнообразии актпномицетов в океанических глубинах относит­ ся к тропической зоне Атлантического океана вблизи северозападного побережья Африки. Однако дующие там с африкан­ ского континента ветры приносят из Сахары такую огромную массу пыли, что трудно усомниться в терригенном происхож­ дении актиномицетов, встречающихся в этом районе Атлан­ тики.

По-видимому, высокое давление является одним из основных факторов, лимитирующих жизнедеятельность актиномицетов и микроскопических мицелиальных грибов в водной толще и груите морей и океанов вне шельфа п верхней части материкового склона, т. е. в водной толще и грунте морей и океанов, где гидростатическое давление достигает сотен атмосфер.

Можно предположить также, что гибель этих микробных форм, когда они попадают с суши на большие глубины, ие на­ ступает быстро, если в наших опытах жизнеспособность их со­ храняется даже после трехдневного пребывания под давлением 500 атм. Сами по себе условия морской среды ие являются не­ благоприятными для существования актиномицетов п микроско­ пических мицелиальных грибов, если судить по сравнительно ча­ стой встречаемости их в воде и илах морских водоемов, вблизи побережья.

Все баротолерантные штаммы бактерий, которые увеличивали свою биомассу в 20 раз и более под давлением 300 атм, были идентифицированы до вида, согласно требованиям определителя Красильникова (1949), и обследованы в отношении их толерант­ ности к более высоким давлениям — 400, 500 и 600 атм. Из табл. 64 видно, что только один штамм, принадлежащий к виду Sarcina иіѵеа, размножался под давлением 600 атм (урожай клеток достигал почти 100 млн). При 500 атм развивалось уже около 50% исследованных штаммов, у некоторых из них бакте­ риальная биомасса возрастала в 30—40 раз. Давление 400 атм оказалось неблагоприятным только для трех штаммов, остальные размножались, накапливая значительное количество клеток.

Нужно отметить, что ни один из обследованных штаммов не был факультативно барофильным: у всех штаммов урожай клеток под давлением в несколько сотен атмосфер был ниже, чем в условиях атмосферного давления.

152

РАСТЕНИЯ И ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

в незначительном числе при атмосферном давлении, после по­ вышения давления почти все давали проростки. Автор объясняет это явление удалением из пор твердой оболочки семян воздуха, препятствующего проникновению внутрь воды.

Davies (1926) изучал влияние на семена Medicago sativa и Melilotus alba давления 2000 атм продолжительностью от 1 мин. до получаса. После снятия давления семена исследовали на про­ растание тотчас же или после одного, шести и десяти месяцев пребывания в высушенном состоянии.

Высев семян Medicago sativa через 10 мин. действия вы­ сокого давления показал уменьшение процента проросших семян по сравнению с контролем. Однако спустя месяц и шесть меся­ цев, наоборот, наблюдалось увеличение процента проросших се­ мян, высушенных вслед за десятимпнутиой компрессией (рис. 81). Примерно те же результаты были получены в опытах с семенами Melilotus alba.

Более продолжительный срок хранения семян (десять меся­ цев) привел к снижению процента проросших семян Medicago sativa и Melilotus alba, пробывших 10 мин. под давлением 2000 атм.

В следующей работе Davies (1928а) применял давление 500 и 2000 атм. Если семена Medicago sativa и Melilotus alba прора­ щивали сразу же после действия давления 500 атм в течение 2 или 8 час., то процент проросших семян мало отличался от контроля. Лучшие результаты были получены в опытах, когда семена после декомпрессии высушивали и проращивали спустя один или шесть месяцев: количество проросших семян Medicago sativa возросло почти на 50% через месяц после действия дав­ ления 500 атм продолжительностью 8час.

Давление 2000 атм резко увеличило количество проросших се­ мян, особенно Melilotus alba: оно повысилось на 200% и более спустя месяц хранения их в высушенном состоянии. Выяснилось, что короткие экспозиции высокого давления благоприятнее для

154

прорастания, чем длинные при меньшем давлении. Что же касает­ ся влияния температурного фактора, то под давлением 2000атм для одинакового эффекта требовалась пятиминутная экспозиция при 18° или 30 мин. при 0°.

Затем Davies (1928b) определял процент «мягких» и «твер­ дых», с непроницаемой оболочкой, семян, а также процент про­ росших семян Medicago sativa и Melilotus alba после действия давления 2000 атм продолжительностью от 1 до 30 мин. Как вид­ но из табл. 65, для семян Medicago sativa требовалась более ко­ роткая экспозиция давления, чем для семян Melilotus alba, чтобы получить сходные результаты. С увеличением продолжительности давления повышался процент мягких семян и уменьшался про­ цент твердых, и в каждом случае процент мягких семян был выше, а процент твердых семян был ниже, чем в контроле.

Автор рассматривает уменьшение процента мягких семян и соответствующее увеличение процента проросших семян после высушивания и храпения в течение месяца или шести месяцев как следствие частичного восстановления после ингибирующего действия высокого давления, действовавшего продолжительное время.

Стимулирующий эффект давления наблюдал также Konsuloff (1929), но в его опытах с рисом давление не превышало двух атмосфер и продолжительность действия колебалась в пределах одних — трех суток. Затем семена риса переносили в термостат,

Рис. 8І. Влияние давления 2000 атм при 18 2° на про­ растание семян Medicago sativa <Davies, 1928а)

1 — контроль;

г, з, 4, S — продолжительность давления соответствен­ но І, 2, 5 и 10 мин.

где они находились шесть — восемь суток при температуре 26— 21°. Различия между семенами, перенесшими давление, и семе­ нами, оставшимися при атмосферном давлении, в три раза пре­ вышали среднюю ошибку.

Широкие исследования действия на прорастание семян давле­ ния от 20 до 4000 атм при температурах 0, 25 и 50° и экспози­ ции от 1 до 20 мин. были предприняты Rivera, Popp a. Dow (1937). В опытах участвовали семена 12 видов растений, при­ надлежащих к разным родам.

155