Экстремофилы

Ацидофилы — группа экстремофильных микроорганизмов. Слово «экстремофилы» появилось недавно, в конце XX века, когда ученые начали активнее изучать микробов. Экстремофилы — микроорганизмы, которые растут в экстремальных условиях. Они не только растут там, для них это любимые условия («филы» значит «любить»). Если экстремальные условия — это высокая температура или высокая соленость, тогда это термофилы и галофилы. Есть микроорганизмы, которые растут при крайних значениях pH — концентрации ионов водорода. Если это микроорганизмы, которые растут в кислой среде, то это ацидофилы. Микроорганизмы, которые растут в щелочной среде, — алкалофилы. Местообитания алкалофилов — содовые озера. 

Для начала обсудим ацидофилы, потому что они разнообразны и часто встречаются в природе. Ацидофилы — микроорганизмы, которые растут при концентрации ионов водорода от pH 5 и ниже. Самый низкий pH, при котором микроорганизмы могут расти, — это 0. Местообитания, где идет окисление сульфидов, с такими показателями распространены на Земле. Сульфиды — это соли. Большинство руд — это сульфиды железа или других металлов, поэтому в местах их добычи при соприкосновении с воздухом происходит окисление с образованием серной кислоты. Это делают хемосинтезирующие или литоавтотрофные микроорганизмы, которые получают энергию из окисления неорганических соединений. Сульфид — восстановленная сера, он окисляется, и образуется серная кислота. Показатель pH в этих местообитаниях снижается до 2. Микроорганизмы, которые образовывают серную кислоту, затем ее выносят.

Белки при низких pH коагулируют и сворачиваются. Если нагреть кислое молоко, то получится творог. Местообитания, где высокая температура и низкий pH, тоже есть, но их на Земле меньше. Сначала поговорим о местообитаниях с низкой или невысокой температурой и низким pH, где обитают серные бактерии, которые образуют серную кислоту. Есть археи, которые окисляют сульфиды в металлах, но сами металлы они тоже доводят до окисленной формы и получают из этого энергию. Важно понимать, что обычные и токсичные металлы — а в рудах все смешано, это не один чистый металл — в кислой среде становятся растворимыми. Пока металлы были восстановленные, они лежали и никому не мешали, а тут они переходят в раствор и воздействуют на все живые клетки — ацидофилы, которые эту кислоту образовали. Несмотря на этот процесс, ацидофилы одновременно свои белки от этой кислоты спасают, выдерживают высокую кислотность, при этом избавляются от тяжелых металлов, которые в растворенном состоянии способны проникать в клетку.

Много ученых изучали разные способности ацидофилов. Выяснилось, что внутри клетки у них нормальный pH. Существуют механизмы, с помощью которых ацидофилы поддерживают внутриклеточный pH. Первый механизм — внешняя мембрана, через которую тяжело проходить ионам водорода, а pH — концентрация ионов водорода. Если ионы водорода проникли, то у ацидофилов есть помпы, которые выбрасывают обратно эти ионы. Такие же механизмы работают против металлов. Все это помогло ацидофилам приспособиться к существованию в такой среде.

Существуют другие местообитания с содержанием кислот. Например, горячие источники, в которых содержится кислота бактериального или химического происхождения, потому что с вулканическими газами выходит сернистый газ (SO2). Этот газ растворяется, и затем образуется сульфид или сернистая кислота, которая воздухом или микробами окисляется до серной кислоты. В таких источниках может быть низкий pH и высокая температура, поэтому там живут термоацидофилы — археи и бактерии. Есть места с более мягкими условиями — например, болота, в которых pH обычно от 4 до 5. Микроорганизмы, которые обитают в болотах, тоже являются экстремофилами, потому что растут при низких температурах и низком pH. Поэтому эти организмы любят низкую концентрацию солей. Все это болотные ацидофилы и ацидобактерии. Когда говорят об экстремофилах, то представляют условия, схожие с маринованием в уксусе. На самом деле маринады — это способ сохранить продукты, защитить их от микроорганизмов и бактерий, потому что при низком pH — а в уксусе pH около 1 — ничто не растет. 

Экстремофильные микроорганизмы очень разнообразны, поэтому трудно найти место на Земле, где нет микроорганизмов, которые живут там из-за собственных предпочтений. Из всех экстремофилов больше всего исследованы термофилы, потому что они широко используются в биотехнологиях. Их белки стабильны при высокой температуре и под воздействием других экстремальных факторов, поэтому их ферменты используют для биотехнологических процессов. Другое важное свойство, которое есть у всех экстремофилов, — способность проводить внутренние процессы в нестерильных условиях, а при высокой температуре некоторые процессы идут быстрее и легче, потому что растворимость увеличивается, а досягаемость субстрата микроорганизмами возрастает.

Экстремофилы стали важным объектом для исследований в 1990-х — начале 2000-х годов. Такому росту популярности способствовал бум исследований термофилов в 1980-х годах. Термофилы метаболически разнообразны и представляют филогенетические группы древнего происхождения. Самые высокотемпературные термофилы обитают в горячих источниках, которые располагаются в океане на большой глубине. Там вода при 100 °C не превращается в пар за счет давления водяного столба и остается в жидком состоянии. Сейчас известны микроорганизмы, которые растут при 122 °C, — микроорганизмы, выделенные из подводных источников.

Алкалофилы — другая группа экстремофилов, которые растут в содовых озерах при высоком pH, около 10–11. В таких озерах активная микробная жизнь и совершенно другая химия, потому что нерастворимые соединения становятся растворимыми, и наоборот. Микроорганизмы приспосабливаются к таким условиям и обращают это себе на пользу. Среди алкалофилов есть группа галоалкалофилов, которые обитают при высоком pH и высоком содержании ионов карбоната — получается содовый раствор. Существуют галофилы, которые относятся к алкалофилам, они растут при нейтральном pH и любят высокую соленость. При таких условиях мы консервируем свои продукты, а галофилы могут расти даже при 30% соли, притом что оптимум — 15–20%. Это экстремальные галофилы. Для того чтобы такие галофилы могли бороться, внутри у них нормальное содержание соли. Так они сохраняют свои клетки интактными.

Галофилы обитают в солеварнях, соленых лагунах. Такие соленые местообитания есть на глубине в Средиземном и Красном море. Создаются подводные озера, потому что если соль экстрагируется из донных осадков, то она не будет перемешиваться с общей толщей воды из-за веса. Такие соленые озера называют брины (brine. — Прим. ред.). Эти брины, которые не перемешиваются с общей океанической водой, имеют свое особое микробное население. Самая бурная жизнь проистекает на границе морской воды, потому что питательные вещества падают сверху. Морская соленость около 3%, а у бринов соленость 20% и больше. В таких местообитаниях исследуют и находят новых микробов. Все это очень интересно.