Любители тепла – термофильные свободноживущие бактерии

В дословном переводе термофильные бактерии значит «любящие тепло». Эти микроорганизмы широко распространены в природе. Учеными они были обнаружены в составе нормальной микрофлоры кишечника животных и человека, в почве и глубоких слоях хвойной и лиственной подстилки лесов, в воде морей, рек и горячих источников. Они встречаются в навозе, компостных кучах, охотно заселяют подстилки для животных из сена, опилок или соломы. Среди них выделены подвижные и неподвижные формы. Большинство термофилов в неблагоприятных условиях образуют споры.

При выращивании в искусственных условиях некоторые термофильные бактерии предпочитают твердые среды и присутствие воздуха. Другие лучше живут в жидких средах и не нуждаются в кислороде для своего роста. Форма этих бактерий зависит от температуры. В горячих источниках они имеют вид нитей, а при снижении температуры до 40°С превращаются в палочковидные бациллы.

Изучение термофильных организмов еще очень далеко от завершения, среди них обнаружены не только бактерии. Недавно в садовой почве обнаружен и один вид плесневых грибов, имеющий аналогичные свойства и предпочитающий высокие температуры. Термофильным бактериям мы обязаны существованием таких продуктов, как ацидофилин и йогурт.

На чем основано разделение

Если оценивать температурные предпочтения бактерий вообще, то их можно разделить на три основные группы. Виды бактерий различают, изучая диапазон, приемлемый для жизни. Он характеризуется минимальной, максимальной и оптимальной температурами роста. Оптимальной считается та, при которой наблюдается максимальная скорость увеличения размера бактериальных колоний. Чаще всего эту скорость измеряют количеством генераций, появившихся в течение часа.

1. Психрофильные организмы предпочитают температуры, близкие к 0°С, и демонстрируют рост, даже если их среда охлаждается до -5°С. Оптимальными для их роста являются температуры около +10°С.
2. Мезофильные бактерии. Предпочитают температуры, близкие к 37°С.
3. Термофильные бактерии. Активно растут при температурах, превышающих 50°С.

В свою очередь, термофильные бактерии делятся на несколько групп. Это экстремальные термофилы (оптимальная температура около 80°С), стенотермофилы с оптимумом в 55-65°С, эвритермофилы (оптимальные температуры колеблются от 37 до 48°С) и термотолеранты, растущие при температуре не более 48°С и отличающиеся от мезофилов тем, что при росте температуры увеличивают скорость своего роста.

В зависимости от потребности в кислороде термофильные бактерии бывают аэробными и анаэробными.

Анаэробные термофилы

Среди анаэробных термофильных бактерий различают несколько групп.

Маслянокислые

Эти термофильные организмы осуществляют брожение с образованием масляной кислоты. Относятся к сахарорасщепляющим клостридиям. Являются анаэробными бациллами, использующими для питания сахара, пектин, декстрины (углеводы с короткими цепочками, образующиеся при расщеплении целлюлозы или крахмала) и продуцирующие масляную, уксусную кислоты, а также углекислый газ и водород.

Разновидностью этой группы термофильных бактерий являются микроорганизмы, осуществляющие ацетонобутиловое брожение. Некоторые из них имеют весьма полезные для человека свойства – дополнительно продуцируют изопропиловый спирт, ацетон, бутиловый и этиловый спирты. Существуют виды, способные фиксировать никель. Известны термофильные и мезофильные формы.

Существуют также клостридии, имеющие свойства сбраживать белки, аминокислоты, а также способные разлагать пурины и пиримидины (циклические соединения, содержащие азот, некоторые из которых входят в состав ДНК).

Целлюлозные

Заселяют ил, компосты, растительные остатки, в почве соседствуют с грибами и актиномицетами, которые также питаются растительной органикой. Большинство из них относятся к роду клостридиум (Clostridium). Эти бактерии в почве и перегное активны в диапазоне температур от 60 до 65°С, когда их соседи прекращают свою деятельность из-за перегрева. Иногда пигментированы и имеют желто-оранжевый цвет.

В этих условиях существуют также и мезофильные виды (например, палочка Омелянского). Температурные диапазоны их активности существенно различаются, создавая каждому виду подходящую экологическую нишу. Некоторые ученые считают, что термофильные и мезофильные бактерии могут быть вариациями одного вида, поскольку имеют сходное строение и внешний вид. С точки зрения морфологии (внешнего вида) эти термофильные бактерии являются палочковидными (бациллами), имеют концевые споры, различную длину и степень изогнутости.

Они разлагают целлюлозу при помощи специального фермента, выделяют водород, углекислый газ, этиловый спирт, уксусную, муравьиную, молочную, фумаровую и другие органические кислоты.

Метанообразующие

Часто живут рядом с целлюлозными и культивируются совместно. Среди них наиболее изучены виды метанобактериум (Methanobacterium) и метанобациллюс (Methanobacillus), которые являются прямыми и тонкими, несколько изогнутыми палочками, не способными образовывать споры. Несомненная польза от этих микроорганизмов состоит в том, что они способны продуцировать витамины, антибиотики и ферменты, используя в качестве питательной среды отходы и сточные воды, образующиеся в результате хозяйственной деятельности человека.

Десульфирующие

Часто соседствуют с целлюлозными, и живут за счет восстановления сульфатов. Наиболее изучена Desulfotomaculum nigrificans, имеющая вид палочки со скругленными концами, или форму чечевицы. Образует овальные споры, расположенные ближе к одному из концов (субтерминальные или терминальные).

Молочнокислые

Бактерии группы молочнокислые могут приносить человеку как пользу, так и вред. Поселяясь в молоке, они могут вызвать его порчу, а некоторые виды способны синтезировать ароматические вещества, придавать особый вкус сливкам и творогу. Молочнокислые бактерии являются факультативными анаэробами, для которых оптимальной является жизнь в отсутствии кислорода. Однако они способны существовать в средах, где его количество невелико. Делятся на палочки и кокки.

1. Молочнокислые кокки имеют вид коротких цепочек из нескольких клеток (стрептококки) и бывают гомо- и гетероферментивными. Первые способны сбраживать сахара, находящиеся в молоке. С их помощью изготавливают живой йогурт. Наиболее хорошо изученными являются Lactococcus и Leuconostoc. Вторые способны параллельно выделять ароматические вещества диацетил и цитоин. Их клетки имеют круглую или овальную форму, не образуют капсул и спор, хорошо окрашиваются по Граму. Считаются аэротолерантными, то есть способны существовать в присутствии воздуха, однако не имеют способности осуществлять аэробное дыхание, продолжая осуществлять привычный для них процесс брожения. Для питания требуют широкого спектра веществ, в том числе витамины, белки, органические кислоты. В молоке вызывают его свертывание с образованием ровного сгустка без большого количества сыворотки. Аромообразующие молочнокислые стрептококки являются причиной наличия в сыре пузырьков, имеющих характерный запах, имеют более низкую способность к производству кислот (энергию кислотообразования). Имеют высокую спиртоустойчивость, требуют высокой кислотности.
2. Молочнокислые термофильные палочки, или лактобактерии, могут быть одиночными или парными. Наиболее часто используются ацидофильные лактобактерии, а также L. helveticus, L. lactis, L. Bulgaricum – последняя входит в закваски, при помощи которых производится йогурт. Кроме них, в молочной промышленности используются стрептобактерии и бета-бактерии. Это неподвижные микроорганизмы, не образующие спор и капсул, хорошо окрашивающиеся по Граму. Молочнокислые термофилы являются факультативными анаэробами. Они также могут быть моноферментными с высокой скоростью кислотообразования и гетероферментными, способными параллельно перерабатывать фруктозу с образованием шестиатомного спирта маннита, ацетатов (солей уксусной кислоты), лактатов (солей молочной кислоты) и углекислого газа. Обладают слабой способностью перерабатывать белки, поэтому для роста требуют наличия в среде аминокислот. Некоторые из них имеют необычные свойства и способны производить каталазу (фермент, расщепляющий перекись водорода) или ацетальдегид, который находясь в сыре, придает ему специфический запах и вкус и способен подавлять патогенную микрофлору.
3. Термоустойчивые молочнокислые палочки. Выживают в молоке даже после его пастеризации при 85-90°С. Устойчивы к действию дезинфицирующих агентов и наносят немалый вред предприятиям пищевой промышленности. Антагонисты кишечной палочки. Иногда обнаруживаются в заквасках, а также в молоке, пастеризованном при невысоких температурах.

Аэробные термофилы

Термофилы, требующие для дыхания кислорода, подразделяются на две группы.

Экстремально-термофильные

Грамотрицательные палочки, не способные к движению. Наиболее изучена Thermus aquaticus. Это облигатный аэроб с оптимальной температурой роста 70°С, окрашен в желтый или оранжевый цвет. При повышении температуры палочки преобразуются в нити. Широко распространены в горячих источниках и в почве возле них. Часто образуют своеобразный союз с экстремально термофильными водорослями, обмениваясь питательными веществами.

Спорообразующие

Многие из них имеют аналогичные мезофильные формы. Наиболее изучены Вас. stearothermophilus и Вас. coagulans. Широко распространены в рыхлой почве и хорошо аэрируемых водах.

Особенности организации и реализации генетической информации термофилов

Изучение ферментов, обслуживающих репликацию ДНК термофильных бактерий, имеет не только теоретический, но практический интерес. Это связано с тем, что такие ферменты могут успешно применяться для проведения одного из наиболее чувствительных анализов ДНК – полимеразной цепной реакции. Смысл ее состоит в том, что в специальном аппарате при помощи специфической затравки – кусочка ДНК организовывается ее размножение в количествах, достаточных для проведения анализа при помощи гель-электрофореза. Делается это с помощью ферментов, расплетающих двойную спираль ДНК и синтезирующих недостающие цепочки на каждой из расплетенных ветвей.

Клонирование данных ферментов с целью получения «идеальной ДНК-полимеразы» – тема, актуальная для всех, кто занимается проблемами повышения точности и производительности ферментов, синтезирующих ДНК при проведении ПЦР (Полимеразная цепная реакция). Обычно исследование проводят в несколько этапов:

1. Разработка способа клонирования участков ДНК бактерий, с которых считывается данный фермент, выделение необходимых генов из ДНК-библиотек исследуемых организмов.
2. Определение последовательности нуклеотидов в ДНК интересующих генов.
3. Внедрение необходимых генов в ДНК бактерий для получения рекомбинантных ферментов.
4. Оценка эффективности работы этих ферментов при проведении ПЦР.
5. Оценка точности воспроизведения фрагментов ДНК при помощи полученных ДНК-полимераз.

Полезные и вредные свойства термофилов и их применение

Ацидофильные молочнокислые палочки применяются не только в пищевой промышленности, но и в фармакологии. Их можно обнаружить в твороге и сыре, а также в составе большинства пробиотических препаратов, заквасках, позволяющих производить кефир и йогурт и призванных нормализовать микрофлору в организме человека.

Индустрия красоты

Косметологи широко применяют йогурт в качестве средства, отбеливающего кожу и восстанавливающего ее упругость. Живой йогурт, применяемый в качестве маски, способен восстановить здоровье кожи и нормализовать баланс бактерий на ее поверхности.

Производство йогуртов

Термофильный стрептококк и болгарская ацидофильная палочка входят в состав заквасок, при помощи которых производится йогурт. Многие люди, имеющие проблемы с перевариванием цельного молока, могут употреблять йогурт, поскольку в его составе нет молочного сахара – лактозы. Йогурт показан грудным детям как средство для поддержания нормальной микрофлоры, а также как продукт, содержащий витамины групп В и К, фолиевую кислоту и аминокислоты. Он легко готовится из сухих заквасок путем добавления их в молоко и выдерживания при температуре 38-45°С. В отличие от кефира или ацидофилина, йогурт имеет приятный сливочный вкус и не содержит дрожжей и спирта.

Переработка органики

Это еще одна сфера применения термофильных бактерий. Ее выполняют как термофильные, так и мезофильные бактерии, живущие в почве, однако эффективность работы первых существенно выше. Интерес к метановому брожению существенно возрос после того, как было выяснено, что в результате можно получать витамины В12 и Н. Кроме того, образующийся при переработке подстилки и других органических отходов в компостных ямах метан может успешно применяться для обогрева жилых и промышленных помещений, а также в химической промышленности.

Чтобы уменьшить вред, наносимый термофильными палочками предприятиям пищевой промышленности, проводят мониторинг оборудования и его регулярную обработку бактерицидными препаратами, что позволяет контролировать качество выпускаемой продукции.

Клостридиумы в почве

Немалый вред приносит инфицирование земель клостридиумами при внесении органических удобрений, а также использовании в качестве удобрения перепревшей подстилки из коровников. Высокое содержание клостридиумов в почве наносит существенный вред качеству грунтовых вод и воды в естественных водоемах.

Интересно, что в почве, загрязненной нефтепродуктами, обнаружены термофилы, способные перерабатывать твердые парафины и ароматические углеводороды. Их присутствие в почве позволяет существенно снизить степень загрязненности и сделать ее пригодной для растений.