Значение симбиозов с участием микроорганизмов в питании растительноядных животных

Микроценозы ЖКТ животных, питающихся преимущественно растениями, выполняют в организме хозяина ряд важных задач:

• • входят в состав трофических цепей, приводящих к расщеплению сложных целлюлозосодержащих биополимеров до легко усвояемых хозяином мономеров;
• • обеспечивают непрерывность и термодинамическую выгодность таких процессов в условиях ЖКТ;
• • обеспечивают хозяина витаминами, ростовыми факторами, регуляторами развития, как выделяемыми микроорганизмами, так и поступающими хозяину в результате гидролиза биомассы микробионтов;
• • защищают хозяина от патогенных микроорганизмов;
• • активируют системы иммунитета хозяина.

При использовании растительной пищи прежде всего должны быть расщеплены целлюлозосодержащие клеточные стенки растений. Часто такая пища содержит еще гем и целлюлозу, лигноцеллюлозу и другие трудно гидролизуемые целлюлозосодержащие биополимеры. Следует подчеркнуть, что животные не способны синтезировать целлюлазы. Поэтому в процессе эволюции возникли симбиозы животных с разными микроорганизмами — продуцентами активных гидролаз, расщепляющих целлюлозосодержащие биополимеры. Это дало возможность таким симбиозам эффективно развиваться за счет органических соединений, образуемых растениями — первичными продуцентами.

Как известно, наиболее активные целлюлазы, ксиланазы, лигноцеллюлазы экскретируют грибы. Среди насекомых, питающихся древесиной (термиты, тараканы, личинки жуков рода Melo— loutha, двукрылых рода Tipula и др.), описаны виды, вступившие в своеобразный симбиоз с грибами: они выращивают в своих жилищах «грибные сады». В определенных местах термитников, муравейников такие насекомые хранят размельченные части листьев (как, например, муравьи), свежей или сухой древесины, гумуса, сухих экскрементов жвачных животных, обогащенные лигнином, целлюлозой (как, например, термиты субсемейства Масгоtermitinae), на которых развивается мицелий грибов.

Наиболее изучены трофические цепи термитов — экологически очень важных насекомых, перерабатывающих 3 — 7 млрд т лингоцеллюлозы в год. «Грибные сады» выращивают термиты, основная пища которых содержит наиболее трудно гидролизуемую лигноцеллюлозу древесины. Обычно к ним относят низших термитов. У других термитов (в большинстве — высших), питающихся древесными остатками, клетчатка разлагается преимущественно эндобионтами. В «грибных садах» встречаются чаще всего представители родов Termitomyces, Alt с maria, Aspergillus, Trichoderma, Chaetomium. Проведенные исследования с термитами Termopcidae, Rhinotermitidae показали, что насекомые не могут жить без «грибных садов», т. е. симбиоз грибов и насекомых-ксилофагов мутуалистический. Расщепленные гидролазами грибов растительные остатки поедаются насекомыми.

Насекомые могут использовать и органические соединения, синтезированные грибами, благодаря их симбиозам с протистами и прокариотами, синтезирующими хитиназы и глюкозам и нидазы. Процесс разложения хитина, остальных растительных и грибных макромолекул происходит уже в пищеварительной системе, преимущественно — в задней кишке термитов. В нем принимает участие сложный микроценоз, в котором есть все типы биотических связей. У высших термитов, к которым относятся ³/₄ всех термитов, в этом микроценозе преобладают бактерии. В кишечнике низших термитов много жгутиковых протистов. Они составляют половину всей микрофлоры кишечника этих термитов, питающихся древесиной.

Среди протистов-симбионтов термитов выделены представители родов Oxymonas, Lophomonas, Trychonympha, Nyctitherus и др. У всех термитов среди микрофлоры значительную часть составляют молочнокислые бактерии. Половина всех микробионтов задней кишки этих насекомых — анаэробы и строгие анаэробы, являющиеся обязательными компонентами синтрофных ассоциаций, благодаря которым проходит межвидовой перенос молекулярного водорода. Поэтому для описываемого микроценоза наиболее благоприятны аноксигенные условия. Однако оксигенная фракция в объеме кишечника термитов составляет около 40%. Анаэробы преобладают на периферии задней кишки, в слизи, покрывающей ее внутреннюю поверхность. Среди них есть синтезирующие каталазу и супероксиддисмутазу аэротолерантные археи — представители родов Methanobrevibacter, Methanosarcina. Филогенетическое сравнение микроорганизмов кишечника низших и высших термитов показало, что у них различаются группы метаногенов, а также Treponema-подобных спирохет, представителей Bacteroides и азотфиксаторов (среди них и азотфиксирующие спирохеты). Это отражает особенности пищевого поведения разных семейств термитов.

Разложение сложного органического материала в пищеварительной системе растительноядных животных происходит благодаря кооперации различных трофических групп микроорганизмов согласно общей для таких процессов схеме (рис. 3.2). В этом разложении обычно участвуют разные синтрофные группы микроорганизмов:

• 1) первичные бродилыцики (гетеротрофы), включая сульфатредукторов;
• 2) водородокисляющие и (реже) ацетатрасщепляющие метаногенные бактерии;
• 3) гомоацетогенные бактерии (встречаются не всегда).

В отличие от полной конверсии сложного органического материала в природных осадках или при очистке сточных вод подобная система в ЖКТ растительноядных животных приспособлена прежде всего к эффективному расщеплению углеводов до жирных кислот, сукцината, лактата, пропионата, бутирата и других полезных для организма хозяина соединений, которые всасываются слизистой оболочкой его ЖКТ.

Бактериями, осуществляющими брожение у термитов, являются представители родов Clostridium, Sporomusa, Bifidobacterium, Edwardsidella, Micromonospora, Microbacterium, многие виды которых — облигатные эндобионты термитов, например Sebaidella (Bacteroides) termitidis. В состав микроценоза задней кишки термитов входят ряд актиномицетов, а также крупные спирохеты Cristispira

Рис. 3.2. Утилизация целлюлозосодержащих полимеров клеточных стенок растений симбиотической системой рубца жвачных животных:

/ — первичные бродилыцики (бактерии и грибы); 2 — вторичные бродилыцики (бактерии); 3 — водородокисляюшие метаногенные археи — симбионты простейших и грибов.

pectinis длиной до 80 мкм и некоторые риккетсии, синтезирующие вещества, необходимые для нормального размножения и развития хозяина.

Пищеварение термитов, как и других ксилофагов, происходит в двухступенчатом процессе. Окисление органических соединений в анаэробных условиях обязательно дополняется «работой» метаногенов — свободноживущих (Methanobrevibacter arboriphilus, представителей рода Methanosphaera) и в симбиозе с протистами, как уже было описано (см. рис. 3.1). Необратимый и термодинамически выгодный в этом случае процесс завершается выделением сероводорода, углекислого газа и метана. У почвенных термитов преимущественно выделяется метан, а у древесных — ацетат. У некоторых термитов, питающихся в основном грибами, активны гомоацетатные бактерии, сходные с представителями рода Acetobacterium, поэтому такие насекомые выделяют водород. Часть трудноразлагаемых полимеров, типа гумуса, остается негидролизованной и выделяется вместе с мочевой кислотой и другими пищевыми остатками, а также с некоторым количеством микроорганизмов.

Значительно усложнился микроценоз, обеспечивающий разложение богатой клетчаткой пищи, у жвачных млекопитающих.

У этих животных весь процесс, включая гидролиз деревянистых частей растений (ксилемы), происходит в преджелудках. Самый большой из них — рубец, составляющий 85% объема сложного желудка жвачных. Масса рубца достигает 10 —20% от общей массы животного. Рубец — это природный ферментер, в котором поддерживается постоянная температура (37 — 39 °С), pH (6,5 —7,0), осуществляется периодическое поступление питательных веществ, перемешивание субстрата и отток непереваренных остатков корма и метаболитов в низлежащие отделы пищеварительного тракта жвачных. Это обеспечивает расщепление растительной пищи с большим количеством клетчатки (70 — 85% сухого вещества корма) за 0,5 — 2 суток. Сложное многокомпонентное сообщество прокариот, грибов и протистов рубца, включающее эндои эктосимбиозы, ассоциации, консорциумы, а также свободноживущих анаэробных микроорганизмов, устанавливается у молодняка в первые дни после рождения, передаваясь ему с кормом и слюной матери. Нормальная (присущая здоровому животному) микрофлора рубца располагается на поверхности клеток слизистой и в рубцовой жидкости. Число клеток протистов в рубце достигает 200 тыс. в 1 мл, а прокариот — нескольких миллиардов.

Гидролиз лигнинсодержащих оболочек растительных клеток в рубце обеспечивается прежде всего хитридиевыми грибами — вторичными анаэробами. Они имеют гидрогеносомы и водородокисляющих метаногенов-симбионтов, подобно тому как это описано для протистов. Только хитридиомицеты способны разлагать наиболее устойчивую растительную ткань-ксилему — благодаря комплексу своих экскретируемых полисахараз. Из рубца выделено несколько видов хитридиомицетов — представителей рода Neocallimastix: N. frontalis, N. patriciarium, N. joyonii, а также Sphaeromyces communis, Orpinomyces bovis, Anaeromyces mucronatus. Показан синергизм целлюлозолитического действия в сокультуре грибов и ряда прокариот, в том числе свободноживущих метаногенов. В то же время целлюлозолитические бактерии подавляют активность грибов.

Анаэробные жгутиковые протисты рубца, например представители родов Dasytricha, Entodindium, Epidinium, переваривают меньше всего (не более четверти от всего количества) растительных волокон по сравнению с грибами и бактериями. Хитиназа и глюкозаминидаза протистов способны лизировать клеточные стенки грибов. Протисты поглощают зооспоры хитридиомицетов, которые тесно связаны с поверхностью протистов в период поступления субстрата и отделяются после переваривания последнего.

Среди бактерий рубца многие синтезируют также высокоактивные хитиназы и целлюлазы, например клостридии. При питании крупного рогатого скота рисовой соломой клостридии даже более интенсивно размножаются в рубце, чем грибы. Из рубца выделен и ряд уникальных прокариот, обладающих выраженной целлюлозолитической активностью, например Butyrivibrio fibrisolvens, В. crossotus, Ruminococcus albus, R. flavefaciens, Bacteroides (Fibrobacter) succinogenes и др. В переваривании пектина важную роль играют Lachnospira multiparus. Из рубца выделены также Wolinella succinogenes, Anaerovibrio lipolytica, Bacteroides fragilis, Rurninobacter amylophilus, Selenomonas sputigena, Succinimonas amylolytica, Succinivibrio dextrinisolvens, Syntrophococcus sucromutans, Micromonospora choice a, Anaeroplasma abactoclastricum и многие другие бактерии. Методом сканирования генома в рубце обнаружена уникальная субпопуляция штаммов Е. coli.

Для нормальной деятельности микроценоза рубца особенно важны синтрофные ассоциации микроорганизмов, основанные на межвидовом переносе водорода, как уже отмечалось и для микроценозов насекомых-ксилофагов, причем конечные продукты, образующиеся при развитии синтрофных ассоциаций, обычно иные, чем при развитии соответствующих чистых культур. Например, Selenomonas ruminantium в чистой культуре сбраживает глюкозу с образованием лактата, а в рубцовой синтрофной ассоциации с Methanobrevibacter ruminantium образуются ацетат, метан и углекислый газ. Только из рубца выделен строгий анаэроб Methanospirillum hungatei, который образует облигатную синтрофную ассоциацию с Syntrophomonas wolfei. Бактерия окисляет насыщенные жирные кислоты с образованием ацетата или ацетата и пропионата, передавая водород архею или сульфатвосстанавливающим бактериям — представителям Desulfovibrio. При этом в синтрофной ассоциации накапливается метан или сероводород соответственно. Прокариоты, как и другие микроорганизмы рубца, не только кооперируются в процессе пищеварения, но и вступают в антагонистические взаимоотношения. Например, R. albus выделяет бактерицидный белок, подавляющий рост R. flavefaciens.

За период до 2 суток, когда происходит разложение пищи в рубце, не развиваются ацетат-расщепляющис метаногены или синтрофные микробные ассоциации, окисляющие жирные кислоты. Система рубца еще больше, чем микроценоз насекомыхксилофагов, приспособлена к эффективному сбраживанию углеводов до жирных кислот — основного энергетического источника в питании жвачных, всасывающихся слизистой оболочкой и обеспечивающих наряду со всем комплексом веществ микробной биомассы (основным источником аминокислот) оптимальное питание животных-хозяев. Обобщенное стехиометрическое уравнение ферментации в рубце выглядит приблизительно так (моль):

57,5 глюкоза 65 ацетат + 20 пропионат + 15 бутират + 60 углекислый газ + 35 метан + 25 вода.

Общая масса микроорганизмов рубца коровы превышает 30 кг. У коров длина ЖКТ больше длины тела животного в 20 раз, у лошади — в 12 раз, у человека — в 7 раз.

Микроценоз рубца составляет нормальную микрофлору этого отдела пищеварительной системы жвачных животных. Другие микроценозы сложились в ряде других отделов ЖКТ, а также в других полостях тела животных. При изменении условий жизни, ведущих к ослаблению иммунитета животного, лишении его соответствующего питания, лечении антибиотиками может произойти сукцессия микроценозов. Особенно чувствительны микробионты, прикрепленные к слизистой, которые при ослаблении организма хозяина, его заболевании заменяются патогенами. В то же время при повреждении слизистой рубца микробионты могут проникать в другие органы животного, становясь там патогенами, как, например, бактерия Fusobacterium necroforus, способная вызывать некротическое поражение печени.

Микроценозы ЖКТ других животных менее изучены. У многих грызунов процессы, сходные с перевариванием пищи в рубце, происходят в слепой кишке и ее червеобразном отростке, где также сложились уникальные микроценозы. В их составе обнаружены крупные (длиной до 25 мкм и диаметром 5 мкм) некультивируемые бактерии Metabacterium polyspora, способные к образованию нескольких эндоспор в клетке.

Интересно, что у птиц, питающихся растительной пищей и семенами, подобно грызунам, микроценозы ЖКТ существенно иные. Показано, что доминирующей микрофлорой (у индеек и кур) являются бактерии, осуществляющие молочнокислое брожение. Это многие виды рода Lactobacillus, acidophilus, salivarius, fermentum, buchneri, ruminis, vitulinus, delbrueckii, viridescens, а также стрептококки. У гусей и уток преобладают Streptococcus faecium, S.faecalis. Для клеток некоторых из этих микробионтов характерен большой полиморфизм. Многие из обнаруженных у птиц бактерий проявляют специфический антагонизм в отношении Klebsiella pneumoniae, Mycobacterium smegmatis, Nocardia asteroides, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa и других патогенов. Такая способность показана для ряда членов нормальных микроценозов многих животных.

Симбиозы с микроорганизмами обеспечивают полноценное развитие всех животных, имеющих узкоспециализированный тип питания. Например, бактерии-эндобионты рода Buchnera снабжают молодых тлей, питающихся соком растений, рибофлавином и другими важными для нормального развития соединениями. Сами эндобионты также необходимы для полноценного питания тлей. Показано совместное видообразование членов этого симбиоза, причем передача Buchnera осуществляется вертикально, т. е. потомству. Нет горизонтальной передачи этих эндобионтов даже среди близкородственных тлей-хозяев, что говорит о высокой специфичности симбиоза.

Следует помнить, что в состав симбиотических микроценозов растительноядных животных часто входит множество микроорганизмов, хотя иногда изучают отдельных преобладающих уникальных симбионтов. Тех из симбионтов, которые выделяются из организма постоянно, называют резидентными. Однако штаммы резидентных микроорганизмов обычно заменяются другими штаммами через несколько недель или месяцев. Микроорганизмы, выделяемые только однажды или в течение очень непродолжительного периода времени, называют транзитными. Филогенетический анализ показал, что бактерии-эндобионты (или эндоцитобионты) насекомых в большинстве случаев относятся к группе у 3-протеобактерий семейства Enterobacteriaceae, близкородственных представителям родов, которые располагаются между Proteus и Yersinia. Часто встречаются в ЖКТ насекомых и микоплазмы, особенно Acholeplasma entomophilum.

Человек питается разнообразной растительной и животной пищей. При таком смешанном типе питания наиболее обильна микрофлора толстой кишки. Ее представителями-прокариотами являются энтерококки, кишечная палочка, бифидобактерии, стрептококки, лактобациллы и другие молочнокислые бактерии. Часто встречаются также определенные виды родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibrio, Eubacterium. Нормальная микрофлора ЖКТ человека обеспечивает переваривание пищи, стимулирует перистальтику кишечника, участвует в расщеплении макромолекул, в синтезе ряда витаминов группы В, витаминов Е и К, фолиевой и никотиновой кислот, а также незаменимых аминокислот. Она способствует усвоению солей кальция, а также витамина D, улучшает работу иммунной системы. Обычно микроорганизмы покрывают слизистую оболочку ЖКТ, защищая поверхностные рецепторы от патогенных микроорганизмов. Показано, что молочнокислые бактерии ЖКТ человека подавляют развитие патогенов, выделяя ряд бактериоциноподобных веществ. Нарушение нормального состава кишечной микрофлоры называют дисбактериозом.

У человека, как и у различных животных, микроценозы локализованы не только в ЖКТ, но и в других полостях тела и на его поверхности. Состав таких микроценозов в большей степени определяется организмом хозяина и в меньшей — типом питания и другими факторами внешней среды. Нагляден в связи с этим пример образования зубных бляшек, представляющих собой смешанную нормальную микрофлору разных областей полости рта, накапливающуюся на поверхности зубов. Микроценоз бляшки стабилен на протяжении больших отрезков времени, несмотря на то что он длительно формируется (в течение 16—18 лет в период роста детей) и вынужден постоянно обновляться в связи с чисткой зубов.

Специальные исследования показали, что состав нормального микроценоза зубной бляшки практически не зависит от диеты хозяина и сходен у большинства взрослых здоровых людей. Главную роль в поддержании целостности и стабильности этого микроценоза играют не пищевые метабиотические взаимодействия, а межклеточные физико-химические связи — межродовая коаггрегация бактерий, а также их способность к образованию биопленок. Именно сложные и прочные межклеточные связи между микроорганизмами, а не конкуренция за субстрат, обеспечивают стабильность сообщества зубной бляшки, а также способность к самоорганизации и самовоспроизведению в постоянном составе. Благодаря таким взаимодействиям состав нормальной микрофлоры зубной бляшки с видами и родами-эндемиками высокостабилен и сходен у разных представителей Homo sapiens. Возможно, зубная бляшка является результатом эволюции сообщества в целом и действия жесткого стабилизирующего отбора на уровне всей гетерогенной популяции людей.