Общая характеристика и систематика метаноокисляющих бактерий

Метан - наиболее распространенный на Земле органический газ наивысшей степени восстановленности. Не удивительно поэто­му, что метанокисляющие бактерии (метанотрофы), исполь­зующие метан в качестве источника углерода и энергии, повсеместно встречаются в природе. Обладая специфическими механизмами окисления метана и ассимиляции углерода, а также способностью к азотфиксации, метанотрофы активно участвуют в минерализации и биосинтезе "живого" органического вещества.

Метанотрофы - метилотрофные микроорганизмы, структур­но и функционально специализированные на использовании метана. Облигатные метанотрофы - метилотрофные микро­организмы, способные использовать в качестве источника уг­лерода и энергии только метан и некоторые его производные, не содержащие С-С связи.

Облигатные метанотрофные бактерии составляют физиологически обособленную группу микроорганизмов, включенных в семейство Methylococcaceae.

Наиболее общими свойствами облигатных метанотрофов являются:

• Грамотрицательные палочки, вибриоиды или кокки.

• Многие подвижны благодаря наличию жгутика (ов).

• Образуют покоящиеся формы - цисты типа Azotobacter, липидные цисты или экзоспоры.

• Обладают сложными системами внутрицитоплазматических мембран.

• Имеют полибутиратные или полисахаридные включения, мно­гие образуют внеклеточные полисахариды.

• Содержание ГЦ ДНК варьирует в пределах 46-65 мол.%.

• Каталазо- и оксидазоположительные, обладают цитохромами с, б ,а..

• Строгие аэробы, однако чувствительны к нормальному парци­альному давлению кислорода воздуха, особенно в случае азотфиксации.

• Используют метан и метанол как источники углерода и энергии.

• Окисляют аммиак, СО, пропан, этиловый эфир, этанол, бутанол, формиат и ряд других органических соединений, но не растут на них в отсутствии метана или метанола.

• Используют аммоний, нитраты и нитриты в качестве источника азота. Некоторые фиксируют молекулярный азот.

• Восстанавливают нитраты до нитритов, но не окисляют метан кислородом нитратов.

"Факультативные метанотрофы" - метилотрофные микро­организмы, использующие в качестве источника углерода и энергии как метан и его производные, так и полиуглеродные соединения.

Список сомнительных метанотрофов в последнее время попол­нился и "метаниспользующими" дрожжами. Тем не менее, несрав­ненно более изучены и широко представлены в коллекциях именно облигатные метанотрофные бактерии, которые в силу своих особен­ностей вызывают значительный интерес микробиологов, экологов, биохимиков, биотехнологов.

Метанотрофы - физиологическая группа бактерий, которые в силу своих трофических особенностей легко дифференциру­ются от других организмов. Это, однако, еще не является га­рантией филогенетического и таксономического единства метанотрофов. Их объединяет способность использовать метан в качестве источника углерода и энергии, а также функциональ­ная цепочка окисления метана. Значительное же большинство характеристик указывает на существенные различия метанотрофов на уровне родов.

Облигатные метанотрофы в 1970 году были объединены в роды Methylomonas, Methylobacter, Methylococcus, Methylosinus и Methylocystis. Виттенбари разработал схему классификации метанотрофов и разделил их на три группы, 5 родов и 15 видов. К Группе I были отнесе­ны представители родов Methylomonas и Methylobacter, Группе X - Methylococcus; Группе II - Methylosinus и Methylocystis (таблица 1).

Схема классификации метанотрофов в 9-м издании руководства Берджи включает только два рода - Methylococcus и Methylomonas семейства Methylococcaceae. При этом каждый из родов представлен всего од­ним легко идентифицируемым видом. Другие известные роды и ви­ды облигатных метанотрофов отнесены в разряд таксонов неопреде­ленного положения или не упоминаются, что объяснялось не­полнотой знаний данной группы бактерий, в первую очередь в плане видовой диагностики.

До сих пор для построения таксономических систем классифика­ции и идентификации метанотрофных бактерий использовали сово­купности неравноценных и часто несопоставимых признаков, выбор которых довольно субъективен. Так, наряду с традиционными методами в целях классификации и диагностики метанотрофных бактерий были использованы хемотаксономические подходы: скрининг жирнокислотного, фосфолипидного и белкового составов, анализ антигенных характеристик, методы ДНК-ДНК гибридизации и секвенирования 5S рибосомальной PНК..

Эффективным видится построение и сопоставление частных таксономических систем, основанных на использовании групп функционально сходных признаков.

На плотных средах метанотрофы образуют колонии различной формы и окраски. В основном это белые или кремовые, округ­лые, выпуклые, блестящие, легко снимающиеся петлей колонии от 0,2 до 5 мм в диаметре. Некоторые метанотрофы (Methylobacter bovis) образуют бороздчатые колонии кожистой консистенции. В ос­новном для представителей I группы характерны более крупные и более плотной консистенции колонии по сравнению с бактериями II группы.

Таблица 1. Схема групповой дифференциации облигатных метанотрофных бактерий (Whittenbury a. Dalton, 1981)

Признаки	Группа 1	Группа Х	Группа II
Methylomonas Methylobacter	Methylococcus	Methylosinus Metltylocystis
Строение ВЦМ	Стопки везикулярных дисков	Периферийные везикулы
Форма клеток	Палочки	Кокки	Палочки и вибриоины
Покоящиеся формы	Цисты типа Azotobacter	Экзоспоры или липидные цисты
Основной путь С1-ассимиляции	Рибулозомонофосфатный	Сериновый
Дегидрогеназы глюкозо-6-фосфата и 6-фосфоглюконата	+	-
Цикл трикарбоновых кислот	Неполный (а-кетоглутара-тдегидрогеназа отсутствует)	Полный
Изоцитратдегидргеназа	НАД-НАДФ-зависимая	НАД-зависимая	НАДФ-зависимая
Автотрофная фиксация СО2	-	+	-
Фиксация N2	-	+	+
Молярный % ГЦ в ДНК	50-54	60-63	60-63
Преобладающие жирные кислоты (количество атомов углерода в цепи)

Розовая, красная, желтая окраска колоний обусловлена внутри­клеточными пигментами - каротиноидами. Каротиноиды метанотрофных бактерий в основном связаны с внутрицитоплазматическими мем­бранами, которые легко отделяются центрифугированием разрушен­ных клеток в градиенте плотности. Очевидно, эти пиг­менты играют защитную роль, предохраняя клетки от действия све­та, бактериоцидное свойство которого обусловлено эффектом фотоокисления в присутствии кислорода.

Химическая природа водорастворимых бурых, коричневых, зеле­новатых, желтых пигментов метанотрофов разнообразна. Представители рода Methylomonas в условиях лимита по железу образуют водораство­римый опалесцирующий зеленоватый пигмент. Известно, что в ана­логичных условиях некоторые микроорганизмы выделяют в среду особые вещества - сидерофоры, связывающие железо и транспорти­рующие его в клетку. Желтый цвет Methylobacter обусловлен внутриклеточным каротиноидом.

Несмотря на то, что окраска колоний метанотрофов является ста­бильным признаком, применение этой характеристики в качестве таксономического теста ограничено. Ввиду того, что пигментация метанотрофов с возрастом часто изменяется и довольно значительно. Особенно это характерно для видов, интенсивно обра­зующих покоящиеся формы и выделяющих водорастворимые пиг­менты.

Очевидно, что однозначное суждение о цвете, форме и размере колоний метанотрофов необходимо делать осторожно и только после тщательного изучения организма при различных услови­ях культивирования. Эти признаки метанотрофов таксономически значимы только на уровне не выше видов и только в со­вокупности с другими характеристиками.