3 февраля 2021
• Микология, Лимнология •
София Бондаренко, Марина Георгиева, Елена Биланенко
«Природа» №5, 2020
Гиперсоленые водоемы — не только источники пищевой соли и химического сырья, но и одни из наиболее экстремальных водных местообитаний на планете. Микроорганизмы, живущие в этих условиях, обладают высоким биотехнологическим потенциалом благодаря уникальным ферментативным и антибиотическим свойствам. Понимание структуры и свойств микробных сообществ засоленных водоемов актуально с точки зрения глобального засоления как озер, так и орошаемых почв. Озеро Баскунчак — объект мирового значения, уникальное месторождение пищевой соли, где ведется ее активная добыча. Большой интерес представляет береговая зона озера: именно здесь развиваются цианобактериальные пленки, маты, накапливаются прибиваемые водой остатки беспозвоночных животных и водорослей. В результате деятельности многочисленных микроорганизмов здесь происходит формирование иловых отложений. В своей работе мы впервые провели комплексное исследование важной группы деструкторов, функционирующей на побережье озера, — грибов. Была создана и охарактеризована коллекция грибов, способных расти в неблагоприятных условиях, которые складываются при столь сильном засолении. Обнаружена редкая и специализированная группа облигатных экстремофилов (организмов, обязательно требующих для развития крайних значений физико-химических параметров среды обитания). Среди них облигатные галофилы, которые выдерживают крайне высокие концентрации NaCl и не могут расти без соли, а также два новых вида облигатно алкалофильных грибов Sodiomyces spp., которые устойчивы не только к высокой минерализации, но и к крайне щелочным условиям (оптимальные для них значения pH среды 10–11). В статье обсуждается важная роль таких экстремофильных грибов в прибрежной зоне гиперсоленых водоемов.
Об авторах
 София Андреевна Бондаренко — кандидат биологических наук, младший научный сотрудник кафедры микологии и альгологии биологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и инженер-исследователь группы экспериментальной микологии Федерального исследовательского центра «Фундаментальные основы биотехнологии» РАН. Область научных интересов — экология экстремофильных грибов. |
| Марина Леонидовна Георгиева — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник той же кафедры и научный сотрудник лаборатории таксономического изучения и коллекции культур микроорганизмов ФГБНУ «Научно-исследовательского институт по изысканию новых антибиотиков имени Г. Ф. Гаузе». Специалист в биологии, таксономии и биотехнологии грибов-экстремофилов. |
| Елена Николаевна Биланенко — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник кафедры микологии и альгологии биологического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова. Занимается изучением грибов в стрессовых условиях среды обитания. |
Озеро Баскунчак нередко называют российским Мертвым морем. Действительно, это озеро в Астраханской области не уступает Мертвому морю по концентрации растворенных солей (более 340 г/л). Его относят к галитовым озерам хлоридного типа, богатым бромом; рН воды составляет 6,39, содержание Mg2+ — 30,38 г/л, Cl− — 195,03 г/л [1, 2].
Рис. 1. Озеро Баскунчак в разное время. Сверху вниз: июль 2017 г., июль 2018 г., сентябрь 2019 г.
Расположено оз. Баскунчак на территории Богдинско-Баскунчакского заповедника в 270 км к северу от Каспийского моря. Площадь озера достигает 100 км2. Это объект мирового значения, уникальное месторождение пищевой соли, запас которой ежегодно восстанавливается за счет поступления природных высокоминерализованных растворов и последующего их испарения в котловине озера в течение летнего периода (рис. 1). Поверхностные залежи соли на озере составляют 10–18 м, в то время как общая глубина залегания соли достигает 6 км [1].
Как и для других соленых озер, для оз. Баскунчак характерна высокая изменчивость абиотических факторов во временной (суточной, сезонной и многолетней) и пространственной динамике. Так, периоды высокой влажности могут резко сменяться засухой и сопутствующей высокой минерализацией, постоянные ветра изменяют береговую линию.
Первичные продуценты органического вещества здесь представлены в основном цианобактериями, а также зелеными водорослями Dunaliella и Asteromonas. Цианобактериальные сообщества развиваются в виде пленок, в состав которых входят разные группы микроорганизмов, но основным компонентом является Phormidium spp. (P. dimorphum и P. сalcareum) [2]. Большое количество продуцируемого органического вещества на побережье озера привлекает и более крупные организмы, от беспозвоночных до многочисленных околоводных птиц. Со стороны суши на засоленные марши вокруг оз. Баскунчак заходят растения-галофиты; в местах наших исследований это были преимущественно сарсазан шишковатый (Halocnemum strobilaceum). Исследования грибов в воде и прибрежной зоне озера на удивление малочисленны [2, 3].
Что известно про грибы на побережье соленых озер
Грибы представляют важнейший компонент различных биотопов, где они выполняют функции деструкторов сложных органических соединений, а также объединяют разные компоненты биоценоза в единое целое. В то же время в некоторых природных экосистемах их роль и функциональные особенности слабо изучены, и поэтому недооцениваются. Такими плохо изученными с микологической точки зрения биотопами являются континентальные гиперсоленые озера.
Несмотря на, казалось бы, крайне экстремальные условия для жизни, соленые озера отличаются очень высокой первичной продуктивностью и уникальным разнообразием микроорганизмов — бактерий, архей, водорослей, грибов, протист. Значительная часть этого разнообразия связана не только с водой озера, но и с прибрежной зоной, находящейся на стыке водной среды и суши. Литораль соленых озер богата органическим веществом за счет цианобактериальных пленок и матов, которые образуются на влажном грунте, а также за счет мертвых остатков, прибиваемых к берегу.
Прибрежная зона представляет специфическое местообитание, где очень резко выражены колебания факторов внешней среды, таких как доступность воды, концентрация солей, температура, недостаток кислорода. Поэтому деструкторы, способные разлагать сложные соединения в таких экстремальных условиях, крайне востребованы. Грибы — идеальные кандидаты на эту роль. Они обладают высокой физиологической пластичностью и способны выживать даже в самых суровых условиях, не уступая в этом бактериям и археям.
Уже много лет наша рабочая группа занимается исследованием грибов на побережьях озер содового типа засоления. Такие озера отличаются не только высокой минерализацией, но и высокими значениями pH (от 8 до 12 и выше). Исследования грибов, устойчивых к щелочным условиям, были начаты сравнительно недавно — на рубеже XX и XXI вв. Разработан комплекс методов, который позволил обнаружить грибы-экстремофилы в прибрежной зоне содовых озер России (Западная Сибирь, Алтай, Забайкалье), Африки (Кения, Танзания), Монголии (северо-восточная часть, Гоби), где значения рН среды постоянно поддерживаются на уровне 10–12 [4]. Такие грибы, способные развиваться в условиях высоких значений рН, представляют немногочисленную группу аскомицетов, у которых выявлены как морфологические, так и физиолого-биохимические адаптации к резким колебаниям абиотических факторов, характерным для побережий соленых озер.
Большинство работ по грибам соленых озер хлоридного типа засоления, к которым относится и Баскунчак, не затрагивают литоральную зону. Но в отдельных хлоридных озерах, таких как Мертвое море, с этой точки зрения достаточно хорошо изучены вода и донные отложения. Показано, что там присутствуют грибы, которые способны жить в насыщенных растворах соли. Более того, некоторые грибы утрачивают способность расти без NaCl, их называют галофилами, то есть любителями соли. Галофилы лучше всего развиваются при 1,0–2,5 М соли в среде, но способны выдерживать и более высокие концентрации NaCl — до 5 М. Галофилия довольно редко встречается у грибов: она отмечена у некоторых дрожжей, меланизированных дрожжеподобных представителей Dothideomycetes, у грибов из родов Wallemia, Aspergillus, у предполагаемого эндемика Мертвого моря Gymnascella marismortui [5, 6, 7]. Есть также галотолерантные грибы, которые способны выдерживать высокие концентрации соли, но все же лучше развиваются при не очень высоких концентрациях или совсем без NaCl. Галотолеранты распространены шире и встречаются среди представителей самых различных порядков грибов.
К сожалению, до сих пор нет достаточно четкого представления о роли выявленных грибов в засоленных биотопах. В большинстве обзорных статей по экосистемам соленых озер грибы вообще не упоминаются. Мы предположили, что знания о грибах, обитающих в экстремальной, но очень богатой органикой прибрежной зоне соленых озер, могут в значительной степени расширить наше представление о влиянии этой группы микроорганизмов на экосистему озера в целом.
Грибы прибрежной зоны оз. Баскунчак
Рис. 2. Место сбора образцов на побережье озера. Видна корка соли и слой илистых отложений под ней
В течение нескольких сезонов (с апреля по октябрь) на оз. Баскунчак были отобраны образцы различных субстратов, включая цианобактериальные маты, грунт в зоне заплеска и донные илистые отложения вблизи берега (рис. 2). Образцы раскладывали по чашкам Петри с селективными питательными средами (рис. 3) с высокой соленостью и/или pH. Для подавления роста бактерий в среду добавляли антибиотики. Выросшие колонии грибов были выделены в чистую культуру, по морфологическим признакам и с помощью методов молекулярной филогенетики была определена их видовая принадлежность. Культуры проверяли на способность к росту в широком диапазоне концентраций NaCl и pH для подтверждения их активного существования в экстремальных условиях.
Около 75% образцов субстратов на побережье озера и донных отложений содержали грибы. Было выделено более сотни культур, устойчивых к засолению разных типов. Среди них аскомицеты из классов Sordariomycetes (Plectosphaerellaceae, Hypocreales, Microascaceae, Chaetomiaceae), Eurotiomycetes (Trichocomaceae, Onygenaceae) и Dothideomycetes (Cladosporiaceae, Pleosporaceae) [8].
Рис. 3. Образец грунта на чашке Петри (⌀90 мм) с питательной средой (слева), колония гриба (в центре) и чистая культура гриба Sodiomyces sp. nov.
Для некоторых из обнаруженных грибов характерна связь с растениями, где они могут выступать как в качестве паразитов, так и потребителей мертвых растительных остатков, а также вступать в симбиотические отношения с растениями и жить в них в качестве эндофитов. По данным литературы, грибы рода Aspergillus могут разлагать мертвую органику в условиях сильного засоления. Очень интересен род Emericellopsis, виды которого часто обитают в затапливаемых условиях, включая побережья соленых озер, щелочных содовых озер [4]. Они могут участвовать в деструкции цианобактериальных матов.
Использование специальных сред и методических приемов позволило обнаружить на побережье оз. Баскунчак уникальные грибы-экстремофилы, которые не могут развиваться в обычных для грибов условиях.
Нам посчастливилось выделить в чистую культуру облигатных галофилов из рода Scopulariopsis, которые не могут расти без NaCl. Предельные концентрации соли, которые они могут выдерживать, пока не выявлены. Но эти грибы спокойно растут при 3,5 M NaCl в среде, что делает их прекрасными кандидатами на роль важных деструкторов органики на побережье соленых озер.
Другая, не менее интересная группа — облигатные алкалофилы, причем мы обнаружили сразу два новых для науки вида рода Sodiomyces. Облигатные алкалофилы растут даже при самых высоких значениях pH, которые удается создать в лаборатории (pH 11,5), обладают оптимумом роста при pH 10–11 и утрачивают способность расти в кислых условиях, которые считаются благоприятными для большинства других грибов. Это редкое явление известно только для представителей родов Sodiomyces, Thielavia [4, 9].
Почему мы встретили именно их в условиях практически нейтрального засоления?
В целом обнаружение на побережье озера грибов, устойчивых к щелочным условиям, неудивительно. В гиперсоленых водоемах наблюдается очень высокая пространственно-временная неоднородность различных абиотических факторов. Например, по данным литературы, рН в течение суток в определенной точке может меняться от 6,5 до 10,0 [10]. Такие колебания могут быть вызваны, в том числе, биологическими процессами фотосинтеза, аммонификации, сульфатредукции. Деструкторы, способные работать в таких условиях, всегда востребованы.
Род Sodiomyces (аскомицеты из семейства Plectosphaerellaceae) — единственный известный род грибов, все виды которого (S. alkalinus, S. alcalophilus, S. tronii, S. magadiensis) не растут в кислых условиях и развиваются наиболее быстро при щелочных значениях рН. Он был выделен нами из содовых озер России, Монголии, Танзании и Кении [4]. Облигатные алкалофилы служили своеобразным индикатором стабильно щелочных условий, поэтому обнаружение на побережье оз. Баскунчак двух новых видов Sodiomyces стало настоящим открытием.
Новые культуры Sodiomyces по своей способности расти при высоких значениях pH и концентрациях NaCl близки к своим родственникам, описанным ранее, и являются облигатными алкалофилами и сильными галотолерантами. Для них (рис. 4, 5) характерны те же адаптивные черты — масса слизи вокруг спор и мицелия, полностью закрытые плодовые тела защищают гриб от агрессивной внешней среды, дают возможность переживать периоды засухи и сильной минерализации.
Рис. 4. Микрофотографии Sodiomyces sp. nov.: мицелий гриба с плодовыми телами под бинокулярным микроскопом (а) и сканирующим электронным (г); структура бесполого размножения, или конидиеносец (б), и плодовое тело (в) под световым микроскопом. Размер масштабных линеек: а, г — 0,1 мм; б, в — 0,02 мм
Какие же общие черты есть в двух местах обитания этих грибов — побережье содовых и хлоридных озер? Для этих условий характерно образование мощных цианобактериальных пленок и матов, и именно их мы предположительно считаем местом развития Sodiomyces. По пищевым предпочтениям эти грибы сильно отличаются от других представителей того же семейства, для которых характерна связь с растениями. Наши же виды загадочного гриба предпочитают белковые субстраты, о чем говорят недавние исследования спектра их ферментов. Более того, в геноме типового вида Sodiomyces alkalinus присутствуют гены, кодирующие белки, которые участвуют в деградации клеточной стенки бактерий, в том числе гены, которые гриб получил в результате горизонтального переноса от бактерий [11].
Рис. 5. Фрагмент колонии облигатного алкалофила Sodiomyces sp. nov., представленного на рис. 3. Фото С. Горина
По всей видимости, новые виды рода Sodiomyces из оз. Баскунчак не живут в одиночку, а образуют на побережье биопленки вместе с прокариотами, в том числе с цианобактериями. Локальное защелачивание в сообществах цианобактерий, которое возникает в процессе фотосинтеза, могло бы объяснить присутствие облигатно алкалофильных грибов в условиях нейтрального засоления. А вопрос широкого распространения алкалофилов легко объясняется миграционными путями птиц.
Перспективы исследований
Данные о грибах оз. Баскунчак открывают новые горизонты исследований. В результате работы наша коллекция грибов-экстремофилов пополнилась уникальными культурами, которые могут служить для разносторонних фундаментальных и прикладных научных изысканий. На базе этой коллекции уже ведется поиск биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов) [12], изучение механизмов адаптации к экстремальным условиям [13], экологической роли грибов [11].
Большой фундаментальный интерес представляют новые данные о распространении облигатно алкалофильных грибов рода Sodiomyces. Нам еще предстоит описание обнаруженных новых видов. Планируется более тщательное исследование взаимодействия этих грибов с бактериями. Это прекрасная модельная система, которая могла бы наглядно продемонстрировать, что в ассоциациях, объединяясь и взаимодействуя, организмы могут справиться даже с самыми экстремальными условиями. Изучение таких ассоциаций актуально не только для экологии, эволюции, но и для медицины, для понимания механизмов формирования биопленок в организме человека.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-34-00779).
Литература
1. Зеленковский П. С., Куриленко В. В. Природно-техногенная система соляного озера Баскунчак и особенности эксплуатации ее ресурсов // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. 2013; 4: 33–52.
2. Bataeva Y. V., Dzerzhinskaya I. S., Astafyeva O. V. et al. Investigation of specific microorganisms in the salt lakes of Southern Russia // Afr. J. Microbiol. Res. 2015; 38: 2051–2056. DOI: 10.5897/AJMR2015.7467.
3. Смолянюк Е. В., Биланенко Е. Н. Сообщества галотолерантных микромицетов из мест природного засоления // Микология и фитопатология. 2011; 45(5): 50–58.
4. Grum-Grzhimaylo A. A., Georgieva M. L., Bondarenko S. A. et al. On the diversity of fungi from soda soils // Fungal Divers. 2016; 76: 27–74. DOI: 10.1007/s13225-015-0320-2. Gunde-Cimerman N., Ramos J., Plemenitaš A. Halotolerant and halophilic fungi // Mycological Research. 2009; 113: 1231–1241. DOI: 10.1016/j.mycres.2009.09.002.
5. Oren A., Gunde-Cimerman N. Fungal life in the Dead Sea // Biology of Marine Fungi. Raghukumar C. (ed.) Berlin; Heidelberg. 2012; 115–132. DOI: 10.1007/978-3-642-23342-5_6.
6. Jančič S., Zalar P., Kocev D., Schroers H. J., Džeroski S., Gunde-Cimerman N. Halophily reloaded: new insights into the extremophilic life-style of Wallemia with the description of Wallemia hederae sp. nov. // Fungal diversity. 2016; 76(1): 97–118. DOI: 10.1007/s13225-015-0333-x.
7. Бондаренко С. А., Георгиева М. Л., Кокаева Л. Ю., Биланенко Е. Н. Первое обнаружение щелочеустойчивых грибов на побережье хлоридного озера Баскунчак // Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2019; 74(2): 73–79.
8. Grum-Grzhimaylo A. A., Debets A. J. M., van Diepeningen A. D. et al. Sodiomyces alkalinus, a new alkaliphilic ascomycete within the Plectosphaerellaceae // Persoonia. 2013; 31: 147–158. DOI: 10.3767/003158513X673080.
9. Шадрин Н. В., Ануфриева Е. В. Экосистемы гиперсоленых водоемов: структура и трофические связи // Журнал общей биологии. 2018; 79(6): 418–427.
10. Grum-Grzhimaylo A. A., Falkoski D. L., van den Heuvel J., et al. The obligate alkalophilic soda-lake fungus Sodiomyces alkalinus has shifted to a protein diet // Mol. Ecol. 2018; 27: 4808–4819. DOI: 10.1111/mec.14912.
11. Rogozhin E. A., Sadykova V. S., Baranova A. A. et al. A novel lipopeptaibol emericellipsin A with antimicrobial and antitumor activity produced by the extremophilic fungus Emericellopsis alkalina // Molecules. 2018; 23: Е2785. DOI: 10.3390/molecules23112785.
12. Bondarenko S. A., Ianutsevich E. A., Danilova O. A. et al. Membrane lipids and soluble sugars dynamics of the alkaliphilic fungus Sodiomyces tronii in response to ambient pH // Extremophiles. 2017; 21: 743–754. DOI: 10.1007/s00792-017-0940-4.
