Применение технологий брожения

 

В дальнейшем многие бактерии стали использоваться в качестве моделей в биохимических и генетических опытах. Такой излюбленной моделью для биохимиков и генетиков стала Escherichia coli, она была описана уже в 1885 году Теодором Эшерихом как Bacterium coli commune. Продукты этого брожения были определены Артуром Гарденом, а общее уравнение брожения, выведенное им из полученных величин не отличается от принятого в настоящее время. Гарден уже тогда правильно проследил, что водород образуется из муравьиной кислоты, а модификация этого типа брожения, вызываемого аэробактером, была описана Гарденом (1906) и Гарденом и Вальполем (1906).

Современная «биотехнология» - технология брожения, а также техническая и промышленная микробиология уже тысячелетия используются в домашнем хозяйстве. Пиво и вино принадлежат к старейшим продуктам домашней индустрии. Многие содержащие сахар фрукты, хлеб и злаки перерабатываются в алкогольные напитки. Homo faber (мастер) вышел из homo sapiens. Известен также spiritus vini, винный спирт, который со времени Парацельса называется арабским названием «ал ко'голь» (утонченный, изысканный, благороднейший), концентрируемый через дистилляцию. История бродящего напитка, который веселит людей, забавна, но не приводит ни к каким существенно новым представлениям. Еще в XIX столетии некоторые биологи и, наконец, Луи Пастер занимались получением пива, вина, уксусной кислоты. Необходимое для этого оборудование сначала разрабатывалось эмпирически. Преимущества чистых культур и применение стерильных способов выращивания стали известны после открытий Пастера и Коха. Решающие успехи были сделаны при получении ацетона и бутанола с использованием Clostridium acetobutylicum, после того как были сконструированы бродильные сосуды или ферментеры, которые исключали возможность заражения посторонними микроорганизмами (т.е. обеспечивали стерильность), так как культивирование микроорганизмов при нейтральном рН создает больше риска заражения, чем если брожение проводится в кислой среде. Опыты по брожению с Clostridium пошли, главным образом, на пользу производства антибиотиков.

Современное оборудование для микробиологических процессов с аэрированием берет свое начало от производства уксусной кислоты. В XIV веке в Орлеане было основано простое производство, подобное тому, которое сегодня используется при получении напитка Комбука с помощью «чайного гриба». Голландский врач и многосторонний естествоиспытатель Герман Берхаав (1668-1738) предложил использовать в этих целях опытные сосуды с жидкостью и находящейся на ее поверхности пленкой бактерий. Это устройство было существенно усовершенствовано С. Шюценбахом (1815) и в модифицированной форме используется в настоящее время

Несколько позднее была использована погруженная культура. После того как была обнаружена способность плесневых грибов (Penicillium, Aspergillus niger) образовывать лимонную кислоту, сначала производили их поверхностное культивирование, названное «Deckenverfahren». Продукты выделения грибов извлекали из питательной среды из-под мицелиальной пленки и таким способом получали пенициллин почти до 1955 года. Кульжвирование грибов в ферментерах создавало сначала большие трудности. Модификации в виде проточного способа культивирования (сегодня называется «fed batch») для повышения выхода продукта были использованы при получении хлебопекарных дрожжей. Для снижения затрат.шергии, необходимой для продувания и перемешивания, подавления ценообразования и снятия пены, ферментеры снабжались специальными приспособлениями.

Успешные опыты с колбами Клюйвера (Kluyver und Perquin, 1933) привели к новому типу ферментеров без мешалок (колоночный ферментер). Существенные усовершенствования внедрены после того, как конс труирование ферментеров стало новой самостоятельной дисциплиной.

До 1950 года только небольшое число продуктов получали с помощью микроорганизмов в промышленном масштабе (ацетон, бутанол, этанол, уксусная, молочная, глюконовая, щавелевая, лимонная кислоты). Во второй половине XX века микробиологическая промышленность получила новый существенный импульс благодаря использованию синтеза антибиотиков с помощью грибов и стрептомицетов, а также благодаря открытию Corynebacterium glutamicum. Эти открытия послужили подтверждением представлений Бейеринка о том, что из почвы и воды можно выделить огромное количество высокоспециализированных микроорганизмов, которые будут иметь новое применение и способствовать новым поискам

 

Контрольные вопросы.

 

27. Каковы были первые работы по изучению дрожжей?

27. Изучение процессов брожения Луи Пастером.

28. Разработки Феликса Гоппе-Зейлера.

29. Метанообразующие бактерии.

30. Применение технологий брожения.

31. Микробиологическое оборудование для аэрирования.

 

 

Тема лекции №7

Хемолитоавтотрофия

План

1. Работы С.Н. Виноградского.

2. Полемика о способах авто - и гетеротрофного питания.

3. М.В. Бейеринг.

4. Нитрифицирующие бактерии.

5. Бактерии гремучего газа.

6. Железобактерии.

7. Водородоокисляющие бактерии.

 

Работы С.Н. Виноградского

 

Способность некоторых бактерий получать энергию за счет окисления неорганических соединений была открыта русским физиологом растений Сергеем Николаевичем Виноградским (1856-1953) в 1887 году, когда он работал в лаборатории Антона де Бари (1831-1888) в Страсбурге.

Виноградский выбрал объектом своей специализации микроорганизмы, так как находился под большим впечатлением от исследований Л. Пастера, О. Брефельда, Р. Коха, Ф. Кона и А. де Бари. Еще до того, как он отправился в Страсбург, В. Цопф провел исследования по Beggiatoa alba, Cladothrix dichotoma и Crenothrix polyspora и обосновал теорию плеоморфизма. Де Бари подверг сомнению результаты, полученные Цопфом, и поддержал желание Виноградского вновь обратиться к этим исследованиям. Beggiatoa была описана Вошером в 1803 году и была названа в честь доктора Бежиато в Винсенте и тогда уже была хорошо известна, а Ф. Кон и Ф. Гоппе-Зейлер и другие многократно размышляли над обменом веществ этой бактерии. Виноградский уже через несколько месяцев пришел к выводу, что Beggiatoa не принимает участия в сульфатредукции и образовании сероводорода, а отлагающаяся сера в ее клетках образуется в результате окисления сероводорода, содержащегося в иле.

Виноградский инкубировал бесцветную нитчатую бактерию Beggiatoa во влажной камере в присутствии сероводорода и воздуха и наблюдал под микроскопом развитие бактерий. Бактерии росли наилучшим Образом без добавления какого-либо органического вещества. При наличии H₂S в среде они откладывали в клетках шарики серы, при отсутствии H₂S эти включения исчезали и образовывалась серная кислота. Beggiatoa, таким образом, использовала серу вместо органического вещества. Когда был открыт новый тип обмена, о котором узнали страсбургские коллеги Виноградского, они поздравили его словами: «Вы нашли новый modus vivendi». Этот тип обмена был назван хемосинтезом. Далее Виноградский пишет:

«Можно обобщить результаты моих исследований по физиологии этих организмов следующим образом:

1. Они окисляют H₂S и откладывают серу в виде маленьких шариков, которые состоят из аморфной мягкой серы и внутри живых клеток не переходят в кристаллическое состояние.

2. Они окисляют эту серу в серную кислоту, которая благодаря поглощаемым карбонатам быстро нейтрализуется и выделяется в виде серы. Благодаря серной кислоте карбонаты субстрата превращаются в сульфаты.

3. Без серы питание и движение прекращаются и рано или поздно происходит отмирание клеток, для некоторых возможен переход в покоящееся состояние.

4. Они могут жить и очень интенсивно размножаться в жидкости, которая содержит только следы органического вещества, в которой другие бесхлорофильные организмы существовать не могут. На что указывают эти необычные свойства, какое совершенно особое место занимают эти организмы в органическом мире? В первую очередь спрашивается, как можно рассматривать процесс окисления серы, от которого зависит жизнь этих организмов? Можно предполагать, что этот процесс соответствует процессу дыхания, хотя он отличается от него своей химической сущностью. Таким образом, серные бактерии образуют характерную физиологическую группу, физиологический тип, который существенно отличается от общего. Их жизненные процессы проходят по очень простой схеме: благодаря чисто неорганическому химическому процессу окисления серы, обеспечивающему все жизненные функции. Поэтому я назвал эти организмы - серными организмами или серобактериями».

Наряду с этим Виноградский изучал железобактерию Leptotrix ochraceae (1888) и установил, что эта бактерия окисляет закись железа, которая отлагается в илистой пленке. Таким образом, он обнаружил, что коричневая окраска пленки, возникающая только в воде, содержащей окись железа, появляется благодаря ее окислению и отлагается в нитях. Без поступления закиси железа нити не растут. Физиологическая роль Leptothrix, как считает Виноградский, полностью аналогична таковой у серобактерий.

Откуда серобактерии и железобактерии получают углерод для клеточного синтеза, Виноградский показал на нитрифицирующих бактериях. То, что превращение аммиака в нитраты происходит только в «живой» почве (заселенной живыми организмами), в то время было известно, однако оставались неизвестными организмы, вызывающие этот процесс.' Виноградскому удалось выделить эти бактерии - Nitrosomonas и Nitrobacter - и получить их рост в чистой минеральной питательной среде. Определив количество образованных благодаря нитрификации нитритов и нитратов, а также органического вещества, он установил, что между окислением аммиака и ассимиляцией углерода существует постоянное стехиометрическое соотношение. В своем докладе, сделанном в Цюрихе 22 февраля 1891 года, он представил числовые значения результатов измерений, полученных на четырех культурах, инкубированных различное время.

Из этих расчетов он получил среднее отношение N/C, равное 35. Тик как питательная среда не содержала органического вещества, то углерод клеток происходил только из углекислоты воздуха. Количественные эксперименты показали, что и бактерии способны к ассимиляции углекислоты, т. е. способны осуществлять процесс, который до тех пор был известен только для растений (Виноградский, 1891). Открытие автотрофной фиксации углекислоты также и при нитрификации было основополагающим для понимания типов питания и для разъяснения новых представлений.

 

Полемика о способах авто - и гетеротрофного питания

 

В учебнике по ботанике А. Б.Франка (1892) понятия «автотрофный» и «гетеротрофный» имеют несколько иное определение, чем это принято в настоящее время: «Мы называем всякое самостоятельно добываемое питание растений автотрофным, а то, которое добывается с помощью грибов - гетеротрофным». По определению Франка все сапротрофные и свободно живущие в гумусе грибы называются автотрофными, а «грибы, образующие эктотрофную микоризу на корнях растений, и растения, которые живут в симбиозе с грибами и получают питание через эти грибы», являются гетеротрофными.

Различие между автотрофным и гетеротрофным способом питания в современном понимании впервые определил В. Пфеффер в 1897 году (1845-1920). Он рассматривал фотосинтез как «способность ассимилировать углекислоту за счет энергии солнечных лучей», хемосинтез как получение необходимой для ассимиляции энергии углекислого газа через окиление неорганических соединений. При этом он повторил в 1891 годy работу Виноградского по нитрифицирующим бактериям. Через различие между фотосинтезом и хемосинтезом он подошел к определению источника энергии при этих процессах. Пфеффер добавил к этому: «Относительно способов получения энергии следует говорить в целом [...] о фотосинтезе, термосинтезе, хемосинтезе, электросинтезе и т.д.»

После того как в последующие 30 лет были сделаны многочисленные работы по Leptothrix и другим железобактериям, Виноградский выявил в 1922 году путаницу и неясность в дискуссиях, которые возникли в связи с появлением монографии Г. Молиша (1892, 1910) и работ Шорлера (1904), Эллиса (1906, 1907, 1913) и Лиске (1912). В публикации «Железобактерии как аноргоксиданты» (1922) Виноградский объединил исследованные им группы серобактерий, железобактерий и нитрификаторов в физиологическую группу аноргоксидантов и отграничил их от остального бактериального мира:

«1. Их poст и развитие в природе имеет место только в строго элективных условиях, в почти чистой минеральной среде, которая должна содержать специфические, окисляемые, неорганические вещества.

2. Их существование связано с наличием таких веществ, которые благодаря жизнедеятельности этих организмов подвергаются окислению.

3. Этот процесс окисления является их единственным источником энергии.

4. Они не нуждаются в органическом веществе ни в качестве конструктивного, ни энергетического материала.

5. Они лишены способности разлагать органические вещества, а их развитие сильно задерживается ими.

6. В качестве источника углерода они используют исключительно углекислоту, которая ассимилируется через хемосинтез».

Шестой критерий Виноградский смягчил следующим рассуждением: «Разве мы не знаем таких автотрофных организмов, которые при определенных условиях могут питаться гетеротрофно. И более того: сейчас было бы трудно сказать, есть ли вообще такие строгие облигатные автотрофные организмы, а именно бактерии, которые нельзя было бы, используя соответствующие приемы, вынудить питаться гетеротрофно. Наиболее близки к таковым мои нитробактерии, которые более всего отклоняются от наиболее привычного образа жизни [...]». Следует отметить в примечании, что бактерии, использующие тиосульфат, водород, окись углерода или метан, принадлежат тоже к аноргоксидантам.

Работы Виноградского являются образцом наблюдательности, размышлений, осторожных заключений и дальновидных соображений, которые и сегодня сохраняют свою ценность в учебных лекциях. Концепции, развитые в 1886-1891 годах об аноргоксидации (литотрофии) и СО2-ав-гофофии, привели на рубеже XIX и XX веков к исследованию других групп бактерий и завершились открытием гипертермофильных хемолитофофных архебактерий.

 

М.В. Бейеринг

 

Первые одноклеточные бесцветные серные бактерии выделил Натансон в 1902 году во время своего пребывания на зоологической станции Неаполе при попытке получить в культуре серные бактерии, родственные Beggiatoa.. Он добавил в озерную воду тиосульфат натрия. Вместо нитчатых многоклеточных Beggiatoa выросли одноклеточные мелкие окисляющие серу бактерии. Они не имели названия. Бейеринк в 1904 году обнаружил обогащенную культуру, когда он добавил в чистый минеральный раствор, содержащий тиосульфат и бикарбонат, воду из канавы. Бактерию, образующую на поверхности слой из свободной серы, он назвал Thiobacillus thioparus. Бактерии, развивающиеся при анаэробных условиях с добавлением порошка серы и нитратов, Бейеринк назвал Thiobacillus denitrificans. Бейеринк впервые разработал методы культивирования микроорганизмов в колбах со стеклянными пробками, наполненными жидкостью, свободной от пузырьков воздуха. Они стали известны как «колбы Бейеринка» и оказались пригодными для обогащения и выделения многочисленных анаэробных бактерий. Стехиометрические соотношения между превращенным тиосульфатом и ассимилированным углеродом обнаружил Лиске в 1912 году. Известные в настоящее время бактерии Thiobacillus thiooxtdans были выделены Ваксманом и Иоффе в 1922 году. Соткрытием Sulfolobus acidocaldarius Т.Д. Броком с сотрудниками в 1972 году началась новая эра исследования литоавтотрофных серных бактерий, термоацидофильных, окисляющих серу архебактерий. Главным образом благодаря В. Циллигу и К. О. Штеттеру с 1981 года были выделены новые виды и установлены новые типы обмена, в результате которых происходило аэробное и анаэробное окисление серы; или они могли расти ауксотрофно, или миксотрофно при температуре между 70 и 110°С и при рН от 1, 5 до 3.

Имена Виноградского и Бейеринка часто упоминаются вместе. Оба прокладывали пути немедицинской микробиологии. Оба свои первые сенсационные работы опубликовали почти в одно время, оба посвятили себя изучению преимущественно «экстравагантных» бактерий, экзотам и аутсайдерам. Имя Виноградского связано с хемолитоавтотрофными бактериями. Имя Бейеринка связано с обогатительными культурами, а также с селекцией и выделением большого числа бактерий, которые могут использовать в качестве субстратов роста различные химические соединения. «Собрание трудов М. В. Бейеринка» производит большое впечатление своим новаторством и вложенными усилиями. Работы Бейеринка были продолжены его последователем Альбертом Яном Клюйвером (1888-1956) и его учеником Корнелиусом Бернардом ван Нилем (1897-1985). Научные идеи и их воплощение в Дельфте стали символом, они известны в научных кругах как «Дельфтская школа микробиологии». Концепции, возникшие в Дельфте, и в настоящее время, более ста лет спустя, являются направляющими и плодотворными.

 

Нитрифицирующие бактерии

 

Условия, при которых образуется селитра, были хорошо известны уже с XV столетия, и процесс получения непрерывно улучшался. Специально предназначенные для получения селитры ямы, каменные стены, посадки и разведение садов, также как и другие многочисленные свидетельства того времени, показывают, что содержащие азот отходы использовались как исходные вещества, а необходимость аэрации для получения селитры была хорошо известна. Особенно широко было развито производство селитры во Франции. Нитрификация считалась до середины XIX века чисто химическим процессом, а то, что в образовании нитратов принимают участие живые организмы, впервые показали Т. Шлезинг и А. Мюнц в 1877 году. Они медленно пропускали сточные воды, содержащие аммиак, через длинную трубку, наполненную песком и калием, и установили, что через 20 дней в конце трубки выходил нитрат, а не аммиак; хлороформ или кипяток уничтожали эту способность аммиака к окислению, но при дополнительном внесении почвы этот процесс возобновлялся. Р. Уорингтон (во многих сообщениях 1878 и 1891 года) подтвердил эти открытия и пошел дальше, а именно он доказал участие двух организмов в этом процессе.

Однако выделение нитрифицирующих бактерий в чистую культуру и их описание являются заслугой Виноградского (1891 год). Для получения плотной минеральной питательной среды он использовал вместо агара силикагель. Он обнаружил, что в окислении аммония в нитриты и далее нитритов в нитраты принимают участие два различных организма - Nitrosomonas и Nitrobacter. Обе бактерии облигатно автотрофны. Изучением роста этих экзотических бактерий занимался О. Мейергоф (1916, I917). Последующие опыты по выделению бактерий убедили многих почвенных микробиологов в том, что в окислении аммиака в природе литоавтотрофные нитрификаторы занимают монопольное положение. Новые роды, и среди них факультативные автотрофы и миксотрофы были описаны самим Виноградским (1892, 1933) и далее С. В. Уотсоном (в 1965-1975 годах) и Э. Боком с сотрудниками (1962-1975). Роль нитрификаторов в выветривании горных пород, в повреждении памятников и облицовки сточных каналов позволяет прогнозировать новый период в исследованиях этой группы бактерии.

 

Бактерии гремучего газа

 

Бактерии гремучего газа, аэробные литоавтотрофные водородные бактерии, впервые были выделены Г. Казерером в 1906 году из обогащенных культур в атмосфере водорода, кислорода и окиси углерода.

Название Hydrogenomonas впервые ввел С. Орла-Йенсен (1909). С подобными бактериями работали также Б. Никлевский (1910) и В. Руланд (1922, 1924). Исследования с относительно легко культивируемыми («легкими в обращении») факультативными автотрофными бактериями впервые были проведены Клюйвером (1942), Шлегелем (1953), Дудоровым (1940) и Стениером (1969, 1970). Hydrogenomonas eutropha, отнесенная в 1969 году к роду Alcaligenes, - это автотрофная бактерия, хорошо изученная с биохимических и молекулярно-генетических позиций.

Карбоксидным, аэробным литоавтотрофным углеродным монооксидным бактериям, когда они были выделены Бейеринком и Дельденом (1903), приписывали очень медленный рост. Эти бактерии, образующие поверхностную пленку, были названы Bacillus oligocarbophilus. Из-за большого риска работы с СО эти бактерии выделяли только спорадически. Кистнер (1953, 1954) назвал свою бактерию Hydrogenomonas carboxydovorans. На одном новом изоляте этого вида (Oligotropha carboxydovorans) с 1978 года проводились биохимические и генетические опыты по СО-автотрофии. Легко различимая благодаря своему коричневому пигменту, эта бактерия была описана еще Гёте.

 

Железобактерии

 

Легко распознаваемые железобактерии Gallionella ferruginea и Leptothrix ochracea были описаны соответственно X. Эренбергом в 1838 году и Ф. Т. Кюцингом в 1843. Непосредственное наблюдение бактериальных клеток Gallionella стало возможным благодаря применению изобретенного Н. Холодным в 1926 году метода «агаровых стекол». Хотя литотрофный образ жизни железобактерий многократно постулировался Виноградским, относительно Gallionella долгое время приводились доводы о том, что при окислении железа Fe⁺² в железо Fe⁺³ для ассимиляции СО₂ требуется еще дополнительная свободная энергия. Лишь после того, как Г. Энгелю и Г. Г. Ганерту в I867 году удалось культивировать Gallionella. Б. Бовьен и Ганерт (личное сообщение) смогли привести окончательное доказательство нитотрофного образа жизни этой бактерии благодаря обнаружению у нее ферментов цикла Кальвина. Первый раз несомненное доказательство автотрофии было получено на Thiobacillus ferrooxydans при окислении Fe⁺², и также на сере или тиосульфате растущих бактерий, которые Колмер с соавторами (1950) выделил из воды рудников.

 

Водородоокисляющие бактерии

 

Открытие того факта, что газообразный водород может функционировать как донор электронов не только при аэробных условиях, но может быть использован факультативно или облигатно анаэробными бактериями, дало огромный импульс поиску и исследованию специализированных бактерий. То, что водородокисляющие бактерии при анаэробных условиях могут восстанавливать нитраты, было уже вскользь упомянуто Лебедевым в 1909 году и Никлевским в 1914. Клюйвер (1953, 1954) описал такие свойства у Paracoccus denitrificans. Использование Н₂ было описано также для сульфатредуцирующей Desulfovibrio, уксусобразующего Clostridium aceticum, метанобактерии и пурпуробактерий. Большое число выделенных с 1980 года К. О. Штеттером ацидофильных и гипертермофильных бактерий, среди которых большинство принадлежит к архебактериям, могли использовать Н2 и S°, S0°4, СО₂ или СО в качестве акцепторов электронов. Здесь можно назвать только некоторых представителей, со звучными названиями: Pyrodictium furiosum, P. brockii, P. occultum, Acidianus infemus, Desulfurolobus acidianus, Archaeoglobus fulgidus, Hyperthermus butylicus, Methanopyrus kandleri, Methanococcus thermolithotrophicus, M. jannaschii и Thermoproteus tenax. Со времени открытия возможности синтеза ацетил-СоА путем восстановления СО₂, установлено, что все бактерии, использующие водород, могут расти автотрофно и могут фиксировать СО₂ одним из четырех известных в настоящее время путей. Открытый Виноградским на экспериментах с Beggiatoa и Nitrosomonas/Nitrobacter новый «modus vivendi», хемолитотрофный образ жизни, был представлен как концепция, которая выходит за пределы почвенной микробиологии и является одним из столпов науки, необходимым для понимания эволюции микроорганизмов.

 

Контрольные вопросы.

 

32. Значение работ С.Н. Виноградского в изучении серобактерий и железобактерий.

33. В чем суть полемики о способах авто - и гетеротрофного питания?

34. М.В. Бейеринг и его заслуги в развитии общей микробиологии.

35. История изучения нитрифицирующих бактерий.

36. История изучения железобактерий и нитрифицирующих бактерий.

37. История изучения бактерий гремучего газа.

 

 

Тема лекции №8

Фототрофные бактерии

План

1. Аноксигенные фототрофные бактерии.

2. Оксигенные фототрофные бактерии.

 

 

Аноксигенные фототрофные бактерии

 

Некоторые фототрофные бактерии были описаны на основании их пигментации и размеров прежде, чем было установлено, что свет необходим им как источник энергии. Chromatium okenii и Thiospirillum jenense, великаны среди фототрофных бактерий, были найдены X. Г. Эренбергом в 1836 году на дне ручья у селения Циегенхейм около Йены. Их описание Эренберг приводит в своей работе «Инфузорные животные как полноценные организмы» (Ehrenberg, 1838)

В последующие годы были описаны еще новые формы. Швейцарский ботаник Максимилиан Перти (1804-1884) привел в своей книге «К познанию мелких жизненных форм» роды Chromatium и описал виды С. vinosum, С. weissii, С. violascens и С. erubescens, правда, без попытки получения чистых культур и изучения их физиологических свойств. Он отнес их просто к пигментным бактериям. Английский биолог Рэй Ланкастер (1847-1929) описал в 1873 году окрашенные в цвет красного персика слизистые налеты, покрывающие пруды и лужи, как Bacterium rubescens и, тем самым, впервые отнес их к бактериям. Характерный пигмент он назвал бактериопурпурином. Его можно отделить от зеленого компонента (бактериохлорина, в настоящее время бактериохлорофилла; Г.А. Надсон, 1903) и красного (бактериоэритрина, в настоящее время каротиноида; Арциховский, 1904). Понятие «пурпуробактерин» было введено в 1875 году датским ботаником Ойгеном Вармингом (1841-1924).

Исследования морфологии были предприняты впервые Теодором Вильгельмом Энгельманом (1843-1909). Он открыл и описал в 1883 году явление раздражения светом пурпурных бактерий. Его бактерии Bacterium photometricum (вероятно, Chromatium vinosum) собирались на свету «в энгельмановском потоке света». Он установил характерное сходство в чувствительности у зеленых водорослей и пришел к выводу, что физиология пурпурных бактерий соответствует физиологии водорослей. Он обнаружил у водорослей корреляцию между фотосинтезом и фототаксисом. И заключил, что пурпурные бактерии способны осуществлять фотосинтез.

В то время термин фотосинтез имел тот же смысл, что и продуцирование кислорода. Однако сначала не удалось доказать способность этих бактерий продуцировать кислород. Использование разработанного им метода концентрирования нуждающихся в кислороде бактерий в проецируемом световом пятне не дало ожидаемых результатов. Он писал: «Можно утверждать, что Bacterium photometricum в основном не в состоянии выделять кислород на свету. Ее красящее вещество и в оптическом, и в физиологическом отношении отлично от хромофилла».

Основываясь на своих опытах с Beggiatoa, Виноградский (1888) оценивал обмен веществ серосодержащих пурпурных бактерий как процесс хемосинтеза. В этих опытах он установил способность Beggiatoa окислять H₂S в серу и далее в серную кислоту и показал, что этот процесс протекает в темноте и при использовании кислорода. Виноградский обнаружил, что окисление сероводорода осуществляется у пурпурных бактерий при анаэробных условиях, из чего он сделал заключение, что необходимый кислород поступает в распоряжение бактерий благодаря процессу расщепления воды, обусловленного светом. В основе он рассматривал обмен веществ бесцветных и пурпурных серобактерий как идентичный.

Первые работы с чистыми культурами пурпурных бактерий были сделаны венским физиологом растений Гансом Молишем (1856-1937), правда, только с пурпурными бактериями без серы. В своей монографии он описал опыты по обогащению и выделению культур, указал используемые органические субстраты, отношение этих бактерий к свету, кислороду, их пигменты, фотохемотаксические реакции. Он использовал также Spirillum rubrum, уже полученную ранее Эрвином Эсмархом (1887), фототрофия которой была известна, и описал ее заново как Rhodosplrillum rubrum. Особенно подробно он исследовал вопрос о выделении кислорода пурпурными бактериями. Он не смог установить выделение кислорода ни с помощью аэробных бактерий, ни осветительным методом Бейеринка («Leuchtbacterienmethode Bejerinks»). Он показал, что свет хотя и улучшает рост пурпурных бактерий, но не является необходимым. Эти бактерии отличаются от водорослей одним свойством: они не используют углекислоту. Он обобщил свои данные в одной фразе: «Я должен теперь многократно повторить единственное, бесспорно установленное, что опыты по способу питания пурпурных бактерии открыли нам новый способ фотосинтеза, при котором органические вещества ассимилируются на свету, и при этом оба пигмента, бактериохлорин и бактериопурпурин, возможно, могут играть роль, аналогичную той, какую играют хлорофилл и каротин при ассимиляции углекислоты у зеленых растений». Это относится к пурпурным бактериям, свободным от серы, но не к серным пурпурным бактериям, которых Молиш, к сожалению, не изучал.

Иоганн Будер (1884-1966) подтвердил теорию Энгельмана о том, что пурпурные бактерии осуществляют фотосинтетический обмен веществ. Необходимость для их роста органического вещества или сероводорода нельзя отрицать. Так как организмы живут в анаэробных условиях, они не могут хорошо расти за счет фотосинтеза, но должны сами производить необходимый кислород. Наличие фотосинтетических пигментов делает возможным окисление органических субстратов также и при анаэробных условиях. Будер прояснил, что различные исследователи, такие как Энгельман, Виноградский и Молиш, имели дело с различными организмами. Он четко установил, что существует два вида пурпурных бактерий — се-росодержащие и свободные от серы. Энгельман и Виноградский имели дело с бесцветными серобактериями, хемосинтетиками или литоавтотрофными, а Молиш - с гетеротрофными бактериями. Будер установил, что у пурпуробактерий речь идет о новом типе обмена веществ; пурпуробактерии ассимилируют СО₂ или органические вещества на свету. Он объединил фотосинтез Энгельмана с хемосинтезом Виноградского.

К. Б. ван Ниль (1931) пришел на основании экспериментальных исследований на чистых культурах к выводу о возможности объединить.сущность фотосинтеза разных бактерий в одну общую схему, из чего следовало, что для фотосинтеза серных пурпурных бактерий в качестве продуктов окисления выступают восстановленные вещества Н₂А - сероводород H₂S, а для высших растений - это вода. При этом молекулярная сера выступает как продукт окисления. То, что образующийся при фотосинтезе зеленых растений кислород действительно происходит из воды, было установлено в опытах с Н₂¹⁸О (Ruben und Kamen, 1941). Близкие связи между серосодержащими и не содержащими серы пурпурными бактериями были подтверждены открытием того факта, что обе группы бактерий могут использовать в качестве донора Н также Н₂ (Roelofsen, 1934; Gaffron, 1935). Исследования по механизму фотосинтеза концентрировались на различных легко культивируемых пурпурных бактериях, среди которых следует выделить Chromatium vinosum, Rhodospirillum rubrum, Rhodobacter sphaeroides, R. capsulatus и зеленых серных бактериях Chlorobium thiosulphatophilum. Многие из них обнаружили потребность в биотине, тиамине, ρ -аминобензойной кислоте и никотинамиде.

До тех пор, пока не была известна потребность в свете при наличии их поразительных пигментов, описанные Эренбергом (1838), Перти (1852) и Коном (1875) серные пурпурные бактерии не были выделены в чистую культуру до 1960 года. Даже для опытов по фотофоботаксису был использован материал непосредственно из их местообитаний или их обогащенных культур по методу колонок Виноградского. Только после того, как Н. Пфенниг использовал суспензии из местообитания в Острау для выращивания в синтетической питательной среде Chromatium okenii и Thiospirillum jenense и установил условия их роста, удалось эти уже описанные и новые виды получить в чистой культуре. Заслуга Пфеннига заключалась в том, что он сделал крупные серные бактерии «домашними» в лаборатории и сообщил много сведений об их образе жизни в естественных условиях (потребность в витаминах, концентрация ионов, синтрофия).

 

Оксигенные фототрофные бактерии

 

Цианобактерии уже со средних веков, на основании их характерной сине-зеленой окраски, а также их местообитания в воде или сырых местах, были отнесены к водорослям и вместе с ними к растениям. Особенное внимание привлекали слоевищные формы. Так, слизистые колонии Nostoc commune были известны как «шлейф метеоритов», возможно потому, что они в большом количестве появлялись после сильного дождя. Во вре­мена исследований и описаний растений к исследователям водорослей, в том числе синезеленых водорослей, можно отнести ученых из Швеции, Дании, Франции, Англии, Германии, Австрии, Швейцарии.

Назовем только некоторые имена: Карл Адольф Агард (1785-1859) и его сын Якоб Георг Агард (1813-1901) работали в Лунде в Швеции; Жан Пьер Вошер (1763-1841) - в Женеве; Гансен Христиан Лингбей (1782-1837) - в Дании. Во Франции известны Эдуард Борнет (1828-1911), Марселин де Винчент (1780-1846), Густав Адольф Турет (1817-1857); в Германии - Фридрих Трауготт Кюцинг, Карл Вильгельм фон Негели (1817-1891) и Фердинанд Кон; в Северной Америке - Вильям Фарлоу (1844-1919). В середине XIX века появилась обширная литература о синезеленых водорослях, особенно по описанию родов, видов, формы колоний и слоевищ. Особенно впечатляла полнота прекрасно сделанных рисунков слоевищ, нитей и клеток. То, что цианобактерии, благодаря их обмену веществ, были отнесены тогда к зеленым растениям, так как они также фототрофны и ассимилируют углекислоту, было взято по аналогии. А сопутствующие пигменты были названы Кюцингом (1843) фикоэритрином и фикоцианином Негели (1848) говорил об общей пигментной системе (включая хлорофилл) как о фикохромах. К этому времени уже использовались понятия «пограничные клетки», или гетероцисты.

Решающие шаги к объединению бактерий и синезеленых водорослей сделал Ф. Кон (1875). Наблюдения о различиях между зелеными и синезелеными водорослями и сходстве синезеленых водорослей и бактерий Кон привел в своей обширной работе «Исследования по истории развития микроскопических водорослей и грибов» (1853). Из-за малых размеров клеток и их характерного деления, которое он в 1875 году назвал «бинарным клеточным делением», Кон взял снова введенное Негели выражение «шизомицеты» и объединил обе группы в «Schizophytae».

Кон дал названия Chroococcus, Synechococcus, Aphanocapsa, Aphanoth-ece, Gtoeocapsa, Gloeothece, Merismopedia, Polycystis, Hypheothrix, Osallaria, Chamaesiphon, Spirulma, Anabaena, Nostoc, Calothrix, Scytonema, Mastigo-cladus, Schizosiphon и Rivularia. Кон для разделения родов Schizophytae первичным считал их форму, а вторичным - наличие фикохроматина или отсутствие его Например, он помещал Streptococcus и Anabena вместе и разделял их на следующей ступени как бесцветные и с фикохроматином Таким образом, своими представлениями о том, что «шизофиты являются первой и наиболее простой группой живых существ, в противоположность высшим растениям, от которых они должны быть отграничены», Кон опередил свое время Такое разделение всех растений привело к тому, что бактерии с тех пор уже больше не причисляли - как это еще делал Эренберг - ни к простейшим, ни к червям Далее Кон развил концепцию о том, что цианобактерии и бактерии по существенным признакам отличаются от всех других организмов

⇐ Предыдущая123456789Следующая ⇒

Поделиться: