BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH

Transkrypt

1 POST. MIKROBIOL., 2007, 46, 4, BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH Bartosz Kiersztyn, Waldemar Siuda Zak³ad Ekologii Mikroorganizmów, Instytut Mikrobiologii, Uniwersytet Warszawski Wp³ynê³o w lipcu 2007 r. 1. Wstêp. 2. Klasyfikacja i pochodzenie substancji bia³kowych wystêpuj¹cych w œrodowiskach wodnych. 3. Sk³ad aminokwasowy DCAA i DFAA. 4. Substancje bia³kowe jako Ÿród³o energii i biogenów dla mikroorganizmów wodnych labilnoœæ biologiczna bia³ek. 5. Proteazy w ekosystemach wodnych. 6. Charakterystyka aminopeptydazy wzorcowego enzymu w badaniach aktywnoœci proteolitycznej wodnych bakterii heterotroficznych. 7. Regulacja aktywnoœci proteaz zewn¹trzkomórkowych 8. Metody pomiaru aktywnoœci zewn¹trzkomórkowych enzymów proteolitycznych. 9. Podsumowanie Proteins as a nutritive substrate for water microorganisms Abstract: This paper reviews the role of proteins in nutrition of heterotrophic bacteria in aquatic ecosystems. It presents a classification of various forms of proteinaceous matter present in the lake water and analyses their origin, concentration, and amino acid composition. Moreover, the authors summarized the current knowledge on extracellular proteases in aquatic environments, discussed the suitability of various methods for exoprotease activity determination and described environmental factors affecting enzymatic hydrolysis of proteins in situ. Special attention was paid to the biological availability of proteins and the role of attached bacteria in the biodegradation of protein containing particles. 1. Introduction. 2. Classification and origin of proteinaceous matter present in water environments. 3. Amino acid composition of the DCAA and DFAA pool. 4. Proteinaceous matter as a source of energy and biogens for aquatic microorganisms biological lability of proteins. 5. Proteases in aquatic ecosystems. 6. Characterization of aminopeptidase as a model enzyme for investigations of proteolytic activity in aquatic environments. 7. Regulation of extracellular proteases activity. 8. Methods for the determination of extracellular proteases activity. 9. Summary S³owa kluczowe: bakterie wodne, bia³ka, biogeny, biodegradacja, proteazy zewn¹trzkomórkowe Key words: aquatic bacteria, proteins, biogens, biodegradation, extracellular proteases 1. Wstêp Odk¹d na pocz¹tku XIX wieku odkryto chemiczn¹ naturê bia³ek, poznano szczegó³owo ich budowê, mechanizm syntezy oraz liczne funkcje jakie pe³ni¹ w komórkach ywych organizmów. Na tym tle wiedza dotycz¹ce roli bia³ek jako Ÿród³a pokarmu dla mikroorganizmów s³ono i s³odkowodnych jest stosunkowo uboga. Niniejsza praca stanowi próbê zebrania i usystematyzowania informacji o znaczeniu bia³ek jako substratu pokarmowego dla bakterii heterotroficznych zamieszkuj¹cych œrodowiska wodne. Autorzy skupili siê na pochodzeniu i klasyfikacji substancji bia³kowych obecnych w wodach naturalnych, roli bia³ek jako Ÿród³a C i N dla bakterii, oraz charakterystyce aktywnoœci proteaz zewn¹trzkomórkowych. 2. Klasyfikacja i pochodzenie substancji bia³kowych wystêpuj¹cych w œrodowiskach wodnych Istotny problem przy klasyfikacji substancji bia³kowych wystêpuj¹cych w œrodowiskach wodnych dotyczy zdefiniowania tego, co okreœlamy mianem rozpuszczone. Ex definitione, do puli rozpuszczonej materii organicznej (DOM dissolved organic matter) zalicza siê frakcjê materii organicznej obecn¹ w filtracie wody naturalnej przes¹czonej przez filtr o œrednicy porów 0,2 µm, zaœ do frakcji upostaciowanej (POM particulate organic matter) cz¹stki materii organicznej pozostaj¹ce na filtrze [96]. Jednak e frakcjê materii o wielkoœci cz¹stek <0,2 µm tworz¹ nie tylko zwi¹zki rozpuszczone w znaczeniu chemicznym. W jej sk³ad wchodz¹ równie : cz¹stki wirusowe (virus like particles) o œrednicy <0,2 µm [100]; sferyczne lub fibrylarne cz¹stki koloidowe <0,2 µm [17]; elastyczne cz¹stki materii organicznej (o œrednicy >0,2 µm), które nie s¹ zatrzymywane na filtrach 0,2 µm [57] oraz ultramikrobakterie (bakterie o œrednicy komórki <0,2 µm). Pomimo tych w¹tpliwoœci substancje o charakterze bia³kowym wystêpuj¹ce w œrodowiskach wodnych dzielone s¹ zwykle na trzy podstawowe kategorie (Rys. 1): (i) DFAA (dissolved free amino acids) rozpuszczone aminokwasy, których stê enie mierzone jest w przes¹czu przez filtr o œrednicy porów wynosz¹cej 0,2 µm, najczêœciej fluorymetrycznie z wykorzystaniem OPA (orto-phthaldialdehyde) [63].

2 356 BARTOSZ KIERSZTYN, WALDEMAR SIUDA Substancje bia³kowe DFAA (dissolved free amino acids) - rozpuszczone aminokwasy DCAA (dissolved combined amino acids) - rozpuszczone bia³ka oraz poli- i oligopeptydy - aminokwasy i peptydy zwi¹zane z substancjami humusowymi frakcji < 0,2 µm - aminokwasy i peptydy uwiêzione w < 0,2 µm fragmentach b³on lipopolisacharydowych - peptydy i aminokwasy tworz¹ce koloidy PCAA (particulate combined amino acids) - bia³ka upostaciowane - bia³ka, poli- i oligopeptydy oraz aminokwasy zaadsorbowane na cz¹stkach POM Rys. 1. Klasyfikacja substancji bia³kowych wystêpuj¹cych w œrodowiskach wodnych (ii) DCAA (dissolved combined amino acids) rozpuszczone ró norodne po³¹czenia aminokwasów (<0,2 µm), których zawartoœæ w wodzie okreœla siê jako stê enie aminokwasów uwolnionych z DCAA po hydrolizie chemicznej [10]. (iii) PCAA (particulate combined amino acids) upostaciowana materia bia³kowa o œrednicy cz¹stek >0,2 µm. O ile DFAA (wolne aminokwasy rozpuszczone w wodzie) stanowi¹ wzglêdnie jednorodn¹ grupê zwi¹zków chemicznych, to frakcja DCAA jest bardziej z³o ona. Nale ¹ do niej: ró norodne bia³ka oraz polii oligopeptydy [60], czêsto w postaci glukozylowanej [78], aminokwasy i peptydy zwi¹zane z substancjami humusowymi b¹dÿ na nich zaadsorbowane [82], aminokwasy i bia³ka uwiêzione w lipopolisacharydowych fragmentach os³on komórkowych oraz w substancjach koloidowych o niescharakteryzowanym sk³adzie chemicznym [55]. Równie PCAA s¹ bardzo zró nicowan¹ fizykochemicznie frakcj¹ materii bia³kowej. Do PCAA zalicza siê zarówno bia³ka i peptydy wchodz¹ce w sk³ad ywych organizmów oraz cz¹stek martwej materii organicznej (detrytus, fecal pellets i inne), jak równie aminokwasy zaadsorbowane na powierzchni sestonu i uwiêzione w matrix biofilmów otaczaj¹cych cz¹stki POM, a tak e inne, czêsto niepeptydowe, po³¹czenia aminokwasów [89]. Zakresy stê eñ DCAA i DFAA w wodach naturalnych s¹ wzglêdnie dobrze poznane. Zwykle iloœæ DCAA przewy sza DFAA (Tab. 1). Znacznie mniej wiadomo na temat stê eñ i sk³adu upostaciowanej materii bia³kowej, która stanowi na ogó³ zaledwie 10 20% ca³kowitej iloœci materii organicznej wystêpuj¹cej w wodach jeziornych [40, 91]. Udzia³ ten mo e jednak e znacznie wzrastaæ podczas intensywnych zakwitów glonów czy cjanobakterii [25, 40]. Materia organiczna (OM) obecna w ekosystemach wodnych klasyfikowana jest tak e ze wzglêdu na Ÿród³o jej pochodzenia. Allochtoniczna OM, wytworzona w procesach produkcji pierwotnej i wtórnej w ekosystemach l¹dowych, dociera do zbiorników wodnych wraz ze sp³ywami ze zlewni lub drog¹ powietrzn¹. Poniewa ³atwo utylizowalne frakcje allochtonicznej OM s¹ intensywnie wykorzystywane przez glebowe mikroorganizmy heterotroficzne, pozosta³oœæ docieraj¹ca do wód odznacza siê na ogó³ ma³¹ labilnoœci¹ biologiczn¹, wysok¹ odpornoœci¹ na hydrolizê enzymatyczn¹ i jest raczej ubogim Ÿród³em bia³ek dla mikroorganizmów wodnych. Charakteryzuje j¹ przy tym wysoki stosunek C:N, wynosz¹cy zwykle od kilkunastu do kilkudziesiêciu [95], wskazuj¹cy na du y udzia³ w jej sk³adzie opornych na mikrobiologiczn¹ degradacjê wielkocz¹steczkowych zwi¹zków aromatycznych [71]. Wiêkszoœæ bia³ek obecnych w wodach nale y do autochtonicznej OM, wytwarzanej przede wszystkim Tabela I Stê enia DFAA i DCAA w powierzchniowej warstwie wód ró norodnych ekosystemów wodnych Zbiornik DFAA (nmol*l 1 ) DCAA (nmol*l 1 ) Sargasso Sea < Keil i Kirchman [55] Delaware Estuary Coffin [23] Delaware Bay Lake Constance Piœmiennictwo Middelboe i wsp. [72] Grossart i Simon [40]

3 BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH 357 przez mikroorganizmy planktonowe. Jak wykazali Rosenstock i Simon [85] g³ówne Ÿród³o bia- ³ek obecnych w wodach jeziora Bodeñskiego* stanowi³a frakcja planktonu o wielkoœci µm. Tezê tê potwierdzaj¹ wyniki badañ wskazuj¹ce na znaczny wzrost stê eñ ró norodnych zwi¹zków organicznych, a wœród nich PCAA, DCAA i DFAA, w okresach intensywnych zakwitów fitoplanktonu [85]. Poniewa procesy produkcji pierwotnej i wtórnej prowadz¹ m.in. do syntezy buduj¹cych komórki mikroorganizmów polimerycznych zwi¹zków organicznych, bia³ka wytwarzane w tych procesach s¹ zwykle upostaciowane i wchodz¹ w sk³ad puli PCAA. Obecnoœæ w wodzie rozpuszczonych form autochtonicznej materii bia³kowej jest zatem efektem procesów wtórnych prowadz¹cych do uwalniania DFAA i DCAA z PCAA. Najwa niejsze z nich to: (i) rozpuszczanie i enzymatyczna degradacja cz¹stek materii organicznej, g³ównie martwych komórek fitoplanktonu uwalniane s¹ g³ównie DCAA, ale te w niewielkim stopniu DFAA [39, 11]; (ii) autoliza, b¹dÿ liza wirusowa komórek glonów oraz bakterii, prowadz¹ca do uwalniania bia³ek komórkowych do frakcji DOM [1]; (iii) erowanie zooplanktonu i pierwotniaków uwalniaj¹ce DFAA oraz DCAA z komórek bakterii oraz glonów (sloppy feeding) [32], a tak e rozpuszczanie wytwarzanego przez zooplankton fecal material [85]; (iiii) wydzielanie materii organicznej przez fitoplankton (choæ proces ten ma zwykle niewielkie znaczenie we wzbogacaniu toni wodnej w DCAA i DFAA, gdy produkty fotosyntezy wydzielane do œrodowiska to w przewa aj¹cej czêœci wêglowodany 60 80%). 3. Sk³ad aminokwasowy DCAA i DFAA Wyniki badañ S i m o n i A z a m [87] nad zespo- ³em bakterii morskich dowodz¹, e kwas glutaminowy i asparagina dominuj¹ w sk³adzie bia³ek tej grupy mikroorganizmów heterotroficznycj. Kwas glutaminowy i asparagina oraz seryna dominuj¹ równie w bia³kach wytwarzanych przez morski fitoplankton [25]. Przewaga iloœciowa seryny, kwasu glutaminowego i asparaginy w bia³kach organizmów planktonowych znajduje czêœciowe odzwierciedlenie w proporcjach aminokwasów wchodz¹cych w sk³ad puli DFAA i DCAA. K e i l i K i r c h m a n [55] stwierdzili, e w wodach Morza Sargassowego g³ównymi sk³adnikami puli DFAA i DCAA by³y: seryna, glicyna, treonina i asparagina. C o f f i n [23] badaj¹c wody Delaware Estuary wykaza³, e w sk³ad rozpuszczonej w nich materii bia³kowej wchodzi³y g³ównie: glicyna, seryna, * Jezioro Bodeñskie zwane te jeziorem Konstancja (niem. Bodensee, ang. Constanz) kwas glutaminowy, asparagina i alanina. Jörgensen i wsp. [53] wykazali w tej frakcji zwiêkszon¹ czêstoœæ wystêpowania glicyny, lizyny, seryny i ornityny, zaœ S i m o n i R o s e n s t o c k [88] przewagê seryny, glicyny, alaniny i kwasu asparaginowego. Wysokie stê enia wolnych aminokwasów glicyny i seryny, wystêpuj¹ce w wodach naturalnych, t³umaczy zapewne fakt, e aminokwasy te s¹ g³ównymi produktami fotorespiracji [79]. Istniej¹ te prace dokumentuj¹ce preferencyjne uwalnianie do œrodowiska tych aminokwasów na skutek erowania pierwotniaków na bakteriach [2]. Wydaje siê istotnym, e pomimo dominacji glicyny oraz seryny w puli DCAA i DFAA aden ze znanych aminokwasów nie jest preferencyjnie asymilowany przez heterotroficzne bakterie wodne [88]. 4. Substancje bia³kowe jako Ÿród³o energii i biogenów dla mikroorganizmów wodnych labilnoœæ biologiczna bia³ek Bia³ka stanowi¹ ok. 62% suchej masy bakterii wodnych [87]. Charakteryzuje je przy tym szybki metabolizm wewn¹trzkomórkowy. W ci¹gu godziny degradowanych jest, w zale noœci od fazy wzrostu komórki, od 1% do a 10% bia³ek wystêpuj¹cych w cytoplazmie komórki bakteryjnej [38]. Pozyskiwanie aminokwasów ze œrodowiska pozwala na znaczne ograniczenie wydatkowania energii na syntezê aminokwasów de novo. Ponadto dziêki niskiemu stosunkowi C:N (wynosz¹cemu 4 5) bia³ka i aminokwasy stanowi¹ dobrze zbilansowane Ÿród³o tych pierwiastków dla mikroheterotrofów [76]. D C A A i D FA A. Na istotne znaczenie zwi¹zków bia³kowych jako Ÿród³a energii, wêgla i azotu dla mikroorganizmów wodnych wskazuj¹ liczne prace [12, 54, 52]. Wolne, rozpuszczone aminokwasy (DFAA) uznawane s¹ za frakcjê substancji bia³kowych, której obieg w œrodowisku wodnym jest najszybszy. Middelboe i wsp. [72], stosuj¹c techniki radioizotopowe i enzymatyczne wykazali, e w wodach Zatoki Delawere DFAA asymilowane s¹ przez bakterie heterotroficzne co najmniej o rz¹d wielkoœci szybciej ni DCAA (odpowiednio: od 100 do 300 nmol l 1 godz 1 oraz od 4 do 23 nmol l 1 h 1 ). Cunningham i W e t z e l [26], badaj¹c osady denne jeziora Lawernce, stwierdzili zaœ, e utylizacja aminokwasów przez zespó³ mikrooheterotrofów jest od 9 do 57 razy wydajniejsza ni bia³ek. Badania modelowe prowadzone z wykorzystaniem hodowli bakteryjnych wykaza³y ponadto, e DFAA, obok NH 4 +, stanowi podstawowe Ÿród³o N dla bakterii heterotroficznych [54, 52]. W wielu naturalnych œrodowiskach wodnych dominuj¹ca rola DFAA jako Ÿród³a N i C jest jednak

4 358 BARTOSZ KIERSZTYN, WALDEMAR SIUDA kwestionowana. Dowodz¹ tego prace których autorzy wykazuj¹, i to raczej DCAA, a nie DFAA stanowi¹ podstawowe Ÿród³o biogenów stymuluj¹cych produkcjê wtórn¹ bakterioplanktonu, zw³aszcza w wodach oligotroficznych, stosunkowo ubogich w DFAA [23, 59]. Na przyk³ad K e i l i K i r c h m a n [55] stwierdzili, e w Morzu Sargassowym DCAA s¹ podstawowymi zwi¹zkami organicznymi utylizowanymi przez bakterie, pokrywaj¹cymi w 25 60% ich zapotrzebowanie na azot. Szacuje siê, e w wodach naturalnych DFAA ³¹cznie z DCAA zaspokajaj¹ œrednio 50% zapotrzebowania bakterii na azot i 25% zapotrzebowania na wêgiel [72]. Ze wzglêdu na du ¹ ró norodnoœæ ekosystemów wodnych i gatunków zasiedlaj¹cych je mikroorganizmów wartoœci te mog¹ jednak e ulegaæ znacznym wahaniom. Warto tak e podkreœliæ, e DCAA z DFAA pozostaj¹ w œcis³ym zwi¹zku. DCAA, degradowane w procesie enzymatycznej hydrolizy, stanow¹ Ÿród³o DFAA, a niskie stê enia DFAA mierzone w toni wodnej mog¹ byæ nastêpstwem istnienia tzw. coupling system mechanizmu, dziêki któremu monomery uwolnione z polimeru przez enzymy zewn¹trzkomórkowe okreœlonej komórki bakteryjnej s¹ natychmiast przez ni¹ asymilowane [35]. P C A A. Chocia za najwa niejsze Ÿród³o biogenów dla heterotroficznych bakterii wodnych uznawana jest DOM (frakcja materii organicznej, do której nale ¹ DFAA i DCAA), to znaczenie frakcji bia³ek upostaciowanych (PCAA) jako substratu pokarmowego bakterii jest nie mniej istotne. Upostaciowana materia organiczna tworzy skupienia mikro- i makroagregaty (okreœlane równie w zale noœci od miejsca wystêpowania jako marine snow lub lake snow ) o wielkoœci odpowiednio: µm oraz >500 µm [89]. Liczebnoœæ makroi mikroagregatów POM w ekosystemach wodnych jest bardzo ró na. W zale noœci od stopnia eutrofizacji zbiornika i sk³adu gatunkowego bytuj¹cych w nim organizmów planktonowych waha siê ona od <1 do 10 8 cz¹stek l 1 [89]. Istniej¹ podstawy by s¹dziæ, e powierzchniê tych cz¹stek charakteryzuje geometria fraktalna [16]. Implikuje to istnienie w ich obrêbie mikroporów, których obecnoœæ determinuje przep³yw biogenów we wnêtrzu cz¹stki, oraz zwiêksza jej powierzchniê sorpcyjn¹ [66]. Du a powierzchnia cz¹stek lake snow oraz marine snow ma ogromne znaczenie dla kr¹ enia bia³ek w ekosystemach s³odkowodnych i morskich, gdy bia³ka i glikoproteiny ³atwo do niej przywieraj¹, dziêki czemu ich stê enie wewn¹trz i na powierzchni biofilmów otaczaj¹cych POM jest wysokie [13, 64]. Poza bia³kami, na powierzchniach cz¹stek zarówno organicznych jak i mineralnych ³atwo sorbuj¹ siê równie niektóre aminokwasy. A r m s t r ong i Bärlocher [4] wykazali, e zw³aszcza dodatnio na³adowana arginina i lizyna, a tak e pozbawione ³adunku polarne aminokwasy takie jak: glicyna, seryna, trenina, glutamina i asparagina przejawiaj¹ wysokie powinowactwo do naturalnych powierzchni mineralnych (SiO 2 ). Mikroagregaty oraz makroagregaty wystêpuj¹ powszechnie w wodach morskich i jeziorowych. Long i A z a m [67] w litrze wody morskiej stwierdzili ok takich cz¹stek o œrednicy od kilku do kilkuset µm i ³¹cznej powierzchni mm 2, z którymi zwi¹zane by³o ok komórek bakterii. G r o s a r t i S i m o n [39] odnotowali obecnoœæ makroskopowych, sedymentuj¹cych cz¹stek POM w wodach Jeziora Constance i wykazali, e stê enia aminokwasów i bia³ek buduj¹cych lake snow przekraczaj¹ od kilku do kilkudziesiêciu razy stê enia DCAA i DFAA mierzone w toni wodnej [40]. Bogate w bia³ka cz¹stki POM odgrywaj¹ wa n¹ rolê w yciu bakterii wodnych. W koñcowej fazie zakwitów fitoplanktonu obserwowana jest zwykle zwiêkszona liczebnoœæ bakterii heterotroficznych [93] oraz wysoka aktywnoœæ bakteryjnych proteaz [21]. Bia³ka zwi¹zane z ton¹cymi cz¹stkami POM degradowane s¹ na ogó³ szybciej ni cukrowce, a maksymalna, potencjalna aktywnoœæ aminopeptydaz bakterii yj¹cych na sestonie jest wy sza ni innych, zewn¹trzkomórkowych hydrolaz wytwarzanych przez bakterie osiad³e takich jak np. "- czy $-glukozydaz [93, 89]. Na intensywniejszy metabolizm bakterii osiad³ych, w porównaniu z bakteriami swobodnie p³ywaj¹cymi, wskazuje równie ich wiêksza aktywnoœæ oddechowa [40], wy - szy wspó³czynnik tempa wzrostu [30] oraz wy sza maksymalna potencjalna aktywnoœæ enzymatyczna [9]. Nale y jednak podkreœliæ, e istniej¹ równie prace nie dokumentuj¹ce tych ró nic [29, 49]. Cz¹stki POM uczestnicz¹ równie w transporcie wertykalnym materii organicznej wytworzonej w strefie fotycznej do g³êbszych partii zbiornika. Dziêki procesom sorpcji DCAA i DFAA na ton¹cych cz¹stkach sestonu nawet rozpuszczona materia bia³kowa mo e byæ transferowana z warstwy powierzchniowej do profundalu. O znaczeniu bia³ek jako Ÿród³a biogenów dla mikroheterotrofów niejednokrotnie przes¹dza nie tylko ich stê enie w œrodowisku, lecz równie ich biologiczna dostêpnoœæ. Chocia sk³ad chemiczny puli materii organicznej w ró norodnych ekosystemach wodnych jest stosunkowo dobrze poznany [33], to niewiele wiadomo o labilnoœci biologicznej jej poszczególnych komponentów. Uwa a siê, e zaledwie ok % DOM wystêpuj¹cej w wodach naturalnych podlega ³atwej degradacji przez mikroorganizmy heterotroficzne. Frakcja ulegaj¹ca mikrobiologicznej biotransformacji w stosunkowo krótkim (od kilku minut do kilku dni) czasie, okreœlana jest mianem frakcji labilnej [27].

5 BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH 359 W literaturze œwiatowej brak jest publikacji opisuj¹cych wyczerpuj¹co udzia³ bia³ek labilnych w ca³kowitej puli DCAA i PCAA obecnych w naturalnych ekosystemach wodnych. Wynika to zapewne z ograniczeñ metod powszechnie wykorzystywanych do oceny aktywnoœci proteaz zewn¹trzkomórkowych. Wiêkszoœæ tych metod opiera siê bowiem na analizie tempa hydrolizy oczyszczonych bia³ek modelowych (np. 14 C-metylowanego BSA, [44]), pomiarach szybkoœci hydrolizy bia³ek naturalnie wystêpuj¹cych w wodach przez preparaty enzymatyczne np. pronazê E [77], lub na okreœleniu maksymalnej, potencjalnej aktywnoœci enzymów proteolitycznych (Vmax) wobec sztucznych substratów fluoroforowych [46]. Ograniczenia tych metod praktycznie uniemo liwiaj¹ jednoznaczne okreœlenie udzia³u bia³ek labilnych w ca³kowitej puli bia³ek obecnych w œrodowisku. Znane s¹ jednak e liczne mechanizmy prowadz¹ce do ochrony bia³ek wystêpuj¹cych w œrodowiskach wodnych przed biodegradacj¹. Najwa niejsze z nich to: (i) glukozylacja bia- ³ek [55]; (ii) wi¹zanie DCAA i DFAA przez substancje humusowe, b¹dÿ ich adsorpcja na cz¹stkach sestonu [47]; (iii) adsorpcja bia³ek wewn¹trz mezoporów (porów o œrednicy od 2 50 nm) wystêpuj¹cych w ton¹cych cz¹stkach POM i ich deponowanie w beztlenowych osadach dennych [70]; (iiii) osadzenie bia³ek w strukturach b³on komórkowych, lub ich zamkniêcie wewn¹trz liposomów, powstaj¹cych spontanicznie z fragmentów b³on komórkowych, uniemo liwiaj¹ce ich bezpoœredni kontakt z enzymami proteolitycznymi [77]; (iiiii) fotochemiczna modyfikacja bia³ek [42]. 5. Proteazy w ekosystemach wodnych Dostêpnoœæ bia³ek dla mikroheterotrofów wodnych zale y w du ej mierze do funkcjonowania sprawnego systemu zewn¹trzkomórkowych proteaz. Wytwarzanie przez heterotroficzne bakterie wodne szeregu enzymów hydrolitycznych rozk³adaj¹cych du e polimery organiczne na zewn¹trz komórki umo liwia im efektywn¹ eksploatacjê zasobów pokarmowych. Drobnoustroje, w tym bakterie Gram-ujemne, przewa aj¹ce iloœciowo w œrodowiskach wodnych, jako typowe osmoorganotrofy s¹ zdolne do asymilacji jedynie rozpuszczonej materii organicznej o niskiej masie cz¹steczkowej [22]. Wynika to m.in. z geometrii bia³ek porynowych usytuowanych w ich b³onie zewnêtrznej. Bia³ka te pozwalaj¹ na swobodne przenikanie do przestrzeni peryplazmatycznej tylko tych zwi¹zków, których masa cz¹steczkowa nie przekracza 600 Da [99], np. oligopeptydów zbudowanych z 4 6 aminokwasów [81]. Struktura i funkcja enzymów hydrolitycznych mikroorganizmów, jak i czynniki kontroluj¹ce ich ekspresjê od dawna budz¹ zainteresowanie badaczy [84]. Pomimo, e czêœæ opracowañ dotyczy charakterystyki biochemicznej specyficznych enzymów wytwarzanych przez mikroorganizmy wodne [3], to wci¹ stosunkowo niewiele wiadomo o strukturze, mechanizmie dzia³ania, regulacji ekspresji, inhibicji i aktywacji na ogól s³abo specyficznych enzymów proteolitycznych wytwarzanych przez heterotroficzne bakterie morskie i s³odkowodne. Proteazy wytwarzane przez bakterie klasyfikowane s¹ zwykle na podstawie trzech kryteriów: I. Charakterystyki miejsca aktywnego. Wiele ró nic funkcjonalnych wystêpuje np. pomiêdzy proteaz¹ serynow¹, cysteinow¹ i metaloproteazami. Ka da z tych grup zawiera enzymy o ró nej wielkoœci i strukturze cz¹steczek oraz odmiennych w³aœciwoœciach katalitycznych [5, 84]. II. Miejsca ciêcia przez enzym cz¹stki polimeru. Na podstawie tego kryterium proteazy dzieli siê na endo-proteazy przecinaj¹ce wewnêtrzne wi¹zania peptydowe i egzo-proteazy odcinaj¹ce C i N terminalne aminokwasy. III. Lokalizacji wzglêdem komórki wytwarzaj¹cego je mikroorganizmu. Wyró nia siê tu zwykle proteazy zewn¹trzkomórkowe (wolne, rozpuszczone w wodzie b¹dÿ zaadsorbowan na cz¹stkach nie bêd¹cych komórkami mikroorganizmów, które je wytworzy³y), ektoproteazy enzymy pozostaj¹ce w zwi¹zku ze œcian¹ komórkow¹, powierzchni¹ b³ony cytoplazmatycznej, b¹dÿ przestrzeni¹ peryplazmatyczn¹, oraz funkcjonuj¹ce w cytoplazmie proteazy wewn¹trzkomórkowe [22]. Podzia³ na enzymy zewn¹trzkomórkowe i ektoenzymy wydaje siê nie w pe³ni uzasadniony. Frakcjê enzymów zewn¹trzkomórkowych mo e bowiem tworzyæ grupa ektoenzymów uwolnionych przypadkowo ze struktur os³on komórkowych na skutek takich procesów, jak erowanie bakterio erców czy liza wirusowa [97, 86]. Ektoenzymy i enzymy wolne mog¹ mieæ zatem zarówno identyczne pochodzenie, jak równie podobn¹ funkcjê. Dlatego te czêœæ autorów (np. A r n o s t i [5]) wyró nia jedynie dwie grupy enzymów: wewn¹trzkomórkowe (IE intracellular enzymes) oraz zewn¹trzkomórkowe (EE extracellular enzymes). Zgodnie z t¹ klasyfikacj¹ grupê enzymów zewn¹trzkomórkowych tworzy³yby ektoenzymy oraz enzymy wolne, nie zwi¹zane z komórkami mikroorganizmów, które je wytworzy³y. Najliczniejsz¹ i najwa niejsz¹ grup¹ producentów zewn¹trzkomórkowych enzymów proteolitycznych w œrodowiskach wodnych s¹ bakterie heterotroficzne [22]. Chocia zewn¹trzkomórkowe proteazy wytwarza od 80 do 100% gatunków mikroheterotrofów yj¹cych w wodach jeziornych i morskich [69], to wci¹ niewiele wiadomo na temat ró nic w aktywnoœci specyficznej

6 360 BARTOSZ KIERSZTYN, WALDEMAR SIUDA proteaz (aktywnoœci proteolitycznej/komórkê) pomiêdzy poszczególnymi rodzajami czy gatunkami bakterii. Na ich wystêpowanie wskazuj¹ wyniki badañ nad mikrobiologiczn¹ bioró norodnoœci¹ wielu œrodowisk wodnych. Na przyk³ad C o ttrell i Kirchman [24] wykazali istnienie ró nic w szybkoœci hydrolizy bia³ek przez 3 klasy bakterii: ", $, ( Proteobacteria oraz grupê Cytophaga-flavobacter. Najwy sza aktywnoœæ proteolityczna charakteryzowa³a grupê Cytophaga-flavobacter, najni sza zaœ "-Proteobacteria, które ponadto wydajniej wykorzystywa³y wolne aminokwasy ni bia³ka. Poza bakteriami heterotroficznymi równie inne organizmy planktonowe zasiedlaj¹ce œrodowiska s³onoi s³odkowodne zdolne s¹ do degradacji bia³ek i asymilacji aminokwasów. Istniej¹ doniesienia potwierdzaj¹ce wytwarzanie zewn¹trzkomórkowych enzymów proteolitycznych przez cyjanobakterie. I tak np. M a r t i n e z i A z a m [68] stwierdzili, e morskie pikocyjanobakterie z rodzaju Synechococcus syntetyzuj¹ konstytutywn¹, zewn¹trzkomórkow¹ aminopeptydazê uczestnicz¹c¹ w pozyskiwaniu azotu bia³kowego w sytuacji niedoboru mineralnych form tego pierwiastka w œrodowisku. Z drugiej strony w przypadku Oscillatoria rubescens zaobserwowano, e z wyj¹tkiem argininy wolne aminokwasy nie stymulowa³y jej wzrostu ponad poziom obserwowany w kontroli bez Ÿród³a azotu, zaœ czêœæ aminokwasów by³a nawet dla tej cyjanobakterii toksyczna [59]. Bior¹c pod uwagê fakt, e poza okresami intensywnych zakwitów, liczebnoœæ cyjanobakterii jest w strefie fotycznej na ogó³ o 3 4 rzêdy wielkoœci mniejsza od liczebnoœci bakterii heterotroficznych, mo na s¹dziæ, e ich aktywnoœæ proteolityczna stanowi prawdopodobnie tylko niewielki procent ca³kowitej aktywnoœci zewn¹trzkomórkowych proteaz w wodach naturalnych. Azot pochodzenia bia³kowego potrafi¹ utylizowaæ równie niektóre gatunki glonów [65, 80]. Jednak e nie wykazuj¹ one zwykle aktywnoœci proteolitycznej i pozyskuj¹ azot wy³¹cznie z wolnych aminokwasów dziêki aktywnoœci zewn¹trzkomórkowej aminooksydazy. Enzym ten katalizuje reakcjê prowadz¹c¹ do uwolnienia z aminokwasów jonów NH 4 +, transportowanych nastêpnie do wnêtrza komórki [10]. Istniej¹ równie nieliczne prace dotycz¹ce sekrecji enzymów hydrolitycznych przez wystêpuj¹ce w œrodowiskach wodnych grzyby [83]. Jak siê wydaje, wiêkszoœæ grzybów izolowanych z wód naturalnych to jednak e gatunki allochtoniczne. Docieraj¹ one do rzek i jezior wraz ze sp³ywami po obfitych deszczach, w postaci zarodników przenoszonych przez wiatr, b¹dÿ te na powierzchni opadaj¹cych do wody liœci [28]. Znaczenie proteaz grzybowych w œrodowiskach wodnych jest prawdopodobnie niewielkie. Tym niemniej zw³aszcza w strefie litoralnej jezior grzyby mog¹ odgrywaæ istotn¹ rolê w degradacji upostaciowanej, niebia³kowej, allochtonicznej materii organicznej. Przyk³ad stanowi¹ tu grzyby z rodzaju Hypomycetes uczestnicz¹ce w mikrobiologicznej biodegradacji liœci [7]. 6. Charakterystyka aminopeptydazy wzorcowego enzymu w badaniach aktywnoœci proteolitycznej wodnych bakterii heterotroficznych Wiedza dotycz¹ca molekularnej charakterystyki proteaz zewn¹trzkomórkowych wytwarzanych przez mikroorganizmy wodne jest ci¹gle niewystarczaj¹ca. Wyj¹tek stanowi tu jedynie L-leucyno-aminopeptydaza, która jest w chwili obecnej najlepiej poznanym i scharakteryzowanym enzymem proteolitycznym powszechnie wytwarzanym przez heterotroficzne bakterie wodne [69]. Intensywne badania tego enzymu zapocz¹tkowa³o wprowadzenie do rutynowych analiz sztucznie skonstruowanych substratów enzymatycznych opartych na foto- oraz fluorochromach [46]. Substraty te sta³y siê szybko podstawowym narzêdziem badawczym, wykorzystywanym w pomiarach aktywnoœci enzymów w œrodowiskach naturalnych. Aktywnoœæ L-leucyno-aminopeptydazy traktowano przy tym czêsto jako miarê ogólnej aktywnoœci wszystkich proteaz zewn¹trzkomórkowych wystêpuj¹cych w badanych próbkach. Budowa aminopeptydaz. Aminopeptydazy (EC , wg International Union of Biochemistry and Molecular Biology) nale ¹ do grupy egzoenzymów katalizuj¹cych hydrolizê wi¹zania peptydowego od N-terminalnego koñca bia³ek i peptydów. O ile aminopeptydazy wewn¹trzkomórkowe s¹ cz¹steczkami bia³kowymi zbudowanymi czêsto z 2, 4, 6 lub 8 podjednostek, to prawie wszystkie poznane dot¹d aminopeptydazy zewn¹trzkomórkowe s¹ enzymami monomerycznymi. Masa cz¹steczkowa zewn¹trzkomórkowych L-leucyno-aminopeptydaz jest na ogó³ niewielka i wynosi od 20 do 30 kda. Nieco wy sz¹ masê cz¹steczkow¹ (odpowiednio 70 i 53 kda) maj¹ zewn¹trzkomórkowe aminopeptydazy argininowe i prolinowe [50]. Ze wzglêdu na mechanizm dzia³ania oraz strukturê czêœci aktywnej, bakteryjne aminopeptydazy podzieliæ mo na na trzy podstawowe grupy metaloaminopeptydazy, aminopeptydazy cysteinowe i serynowe. Metaloaminopeptydazy stanowi¹ grupê najliczniejsz¹, do której zaklasyfikowano ponad 60% wszystkich znanych aminopeptydaz. Na ogromne znaczenie metaloproteaz w œrodowiskach wodnych wskazuj¹ m.in. badania dowodz¹ce, i EDTA zwi¹zek chelatuj¹cy dwuwartoœciowe kationy metali, w znacznym stopniu b¹dÿ ca³kowicie hamuje aktywnoœæ proteolityczn¹ w wodach naturalnych [34, 43].

7 BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH 361 Mechanizm reakcji katalizy z udzia³em metalopeptydaz nie zosta³ ca³kowicie wyjaœniony. Zak³ada siê, e jon metalu zwiêksza reaktywnoœæ przy³¹czonej cz¹steczki wody, u³atwiaj¹c przeciêcie wi¹zania peptydowego oraz stabilizuj¹c reakcjê [45]. Stwierdzono, e w miejscu aktywnym wiêkszoœci metalo-aminopeptydaz wystêpuj¹ jony Zn 2+. Obecnoœæ tego jonu wykazano m.in. w bakteryjnej zewn¹trzkomórkowej L-leucyno-aminopeptydazie [45]. Do funkcjonowania pozosta³ych aminopeptydaz niezbêdne s¹ jony Co 2+ lub Mn 2+ oraz Mg 2+ [61]. Interesuj¹cy wydaje siê opisany przez B a y l i s s i P r e s c o t t [8] fakt, e L-leucyno-aminopeptydaza wytwarzana przez Vibrio proteolyticus wykazuje odmienn¹ specyficznoœæ wobec odcinanych aminokwasów w zale noœci od rodzaju kationu metalu aktywuj¹cego reakcjê (Zn 2+, Co 2+, Cu 2+ lub Ni 2+ ). W przypadku bakterii gram ( ) aminopeptydazy zewn¹trzkomórkowe, zlokalizowane s¹ w przestrzeni peryplazmatycznej lub zwi¹zane z b³on¹ zewnêtrzn¹ bakterii [50]. W przypadku bakterii gram (+) najczêœciej pozostaj¹ one zakotwiczone w œcianie komórkowej [62]. Ciekawym jest, e poza nielicznymi wyj¹tkami np. aminopeptydaz¹ Pseudomonas aeruginosa [14] praktycznie nieznane s¹ aminopeptydazy wolne, nie zwi¹zane z komórkami syntetyzuj¹cych je bakterii. 7. Regulacja aktywnoœci proteaz zewn¹trzkomórkowych Mechanizmy kontroluj¹ce ekspresjê genów koduj¹cych zewn¹trzkomórkowe proteazy, ich syntezê oraz dojrzewanie, stanowi¹ pierwszy poziom regulacji ich aktywnoœci w œrodowisku. Na aktywnoœæ ju wytworzonych proteaz zewn¹trzkomórkowych wp³ywa z kolei szereg czynników œrodowiskowych takich jak: temperatura, ph, obecnoœæ aktywatorów i inhibitorów, stê enie substratów i produktu, tempo ich enzymatycznej degradacji przez inne proteazy czy zjawiska sorpcji/desorpcji na powierzchniach cz¹stek sestonu. Regulacja ekspresji genów koduj¹cych aminopeptydazê. Regulacja ekspresji genów koduj¹cych aminopeptydazy nie zosta³a w pe³ni poznana. Zachodzi ona g³ównie na poziomie transkrypcji. Wiêkszoœæ genów koduj¹cych aminopeptydazy ma charakter monocistronowy i zawiera promotor charakterystyczny dla genów transkrybowanych przez polimerazê RNA zwi¹zan¹ z czynnikiem s 70 [50]. Synteza aminopeptydaz ma charakter zarówno konstytutywny jak i indukowany. C h o i i wsp. [18] wykazali, e pod³o e zawieraj¹ce kazeinê indukuje syntezê zewn¹trzkomórkowych aminopeptydaz L. casei, podczas gdy pod³o e zawieraj¹ce glukozê nie. W obydwu przypadkach stwierdzono jednak sta³¹ aktywnoœæ aminopeptydaz konstytutywnych. Z kolei w przypadku aminopeptydazy N z E. coli (metaloaminopeptydazy Zn 2+ ) poziom ekspresji genu odpowiedzialnego za syntezê tego enzymu zwiêksza³ siê w warunkach niedoboru fosforu i tlenu, podczas gdy deficyt C i N nie powodowa³ takiej reakcji [37]. Istniej¹ równie doniesienia, e represja syntezy aminopeptydaz ma miejsce przy wysokim stê eniu rozpuszczonych aminokwasów takich jak histydyna i fenyloalanina [19]. Wp³yw parametrów fizyko-chemicznych œrodowiska na aktywnoœæ aminopeptydaz zewn¹trzkomórkowych. Optymalna temperatura dla dzia³ania zewn¹trzkomórkowej leucyno-aminopeptydazy wytwarzanej przez bakterie jeziorne wynosi ok. 20 C. Poni ej 15 C i powy ej 26 C maksymalna aktywnoœæ potencjalna tego enzymu (Vmax) spada poni ej 60%. W przypadku endoproteaz nie zaobserwowano tak œcis³ej zale noœci, choæ optimum temperaturowe tej grupy enzymów wynosi³o równie 20 C [41]. Podobne wyniki (optimum temperaturowe 19 C) uzyskali H u s t o n i wsp. [48] w odniesieniu do aminopepptydazy wytwarzanej przez morsk¹ psychrofiln¹ bakteriê Colwellia psychreerythraea (szczep 34H). Powierzchniowa warstwa wód wiêkszoœci jezior charakteryzuje siê odczynem lekko alkalicznym (ph 7,2 8,5). W zakresie tym mieœci siê równie ph optymalne dla aminopeptydazy, które wynosi ok. 7,5 [41, 73]. Hoffman i Decho [43] wykazali jednak, e np. zewn¹trzkomórkowe proteazy izolowane z morskiej bakterii Pseudoalteromonas atlantica wykazuj¹ znaczn¹ tolerancjê wobec wahañ ph w œrodowisku (od 4,4 do 10,5). Tak du y zakres tolerancji stanowiæ mo e rodzaj przystosowania enzymów proteolitycznych do alkalizacji wody bêd¹cej efektem du ej aktywnoœci fotosyntetycznej fitoplanktonu [51] b¹dÿ do mo liwych, np. w obrêbie biofilmu otaczaj¹cego cz¹stkê sestonu, spadków ph, w nastêpstwie intensywnej respiracji heterotroficznych bakterii osiad³ych. Na tempo enzymatycznej hydrolizy substratów bia³kowych wp³ywaj¹ równie obecne w wodzie zwi¹zki o charakterze inhibitorów lub/i aktywatorów reakcji enzymatycznych. Wydaje siê, e potencjalnymi inhibitorami enzymów proteolitycznych mog¹ byæ produkty (aminokwasy) a tak e naturalne substraty (bia³ka) uczestnicz¹ce w reakcji proteolizy. Efekt kompetycyjnej inhibicji proteaz przez aminokwasy i krótkie peptydy wystêpuje jednak dopiero przy ich stê eniach, rzêdu µm [94]. Zatem inhibicja proteaz zewn¹trzkomórkowych przez produkt nie ma w wodach naturalnych wiêkszego znaczenia, bowiem stê enia rozpuszczonych aminokwasów wahaj¹ siê w nich zwykle od kilku do kilkuset nmol l 1 (Tab. I). Znacznie

8 362 BARTOSZ KIERSZTYN, WALDEMAR SIUDA wiêkszy, hamuj¹cy wp³yw na aktywnoœæ tych enzymów maj¹ prawdopodobnie bia³ka rozpuszczone w wodzie. Ju przy stosunkowo niewielkich stê eniach albuminy (rzêdu µg/l) obserwowano kompetycyjne i niekompetycyjne hamowanie zarówno aktywnoœci aminopeptydazy, jak i endopeptydaz [44, 94, 41]. Na tempo proteolizy, katalizowanej przez zewn¹trzkomórkowe proteazy wp³ywa równie obecnoœæ w œrodowisku jonów metali ciê kich, uszkadzaj¹cych strukturê aktywnej domeny enzymów [36]. V i v e s - R e g o i wsp. [98] wykazali znaczny spadek aktywnoœci zewn¹trzkomórkowych proteaz w obecnoœci jonów: Cd 2+, Cu 2+, Ni 2+, Pb 2+ oraz Cr 3+. Spadek aktywnoœci katalitycznej proteaz w naturalnych œrodowiskach wodnych powoduje równie czêsto adsorpcja na substancjach humusowych, prowadz¹ca do zmiany konformacji tych enzymów [74]. Z drugiej jednak strony w wodach o du ej zawartoœci substancji humusowych obserwuje siê niejednokrotnie wysok¹ aktywnoœæ proteaz, bêd¹c¹ nastêpstwem du ej liczebnoœci i aktywnoœci metabolicznej bakterii osiad- ³ych [15, 75]. Wydaje siê, e obecnoœæ zawiesin i substancji humusowych w œrodowisku mo e z jednej strony skutkowaæ wzrostem liczebnoœci bakterii powoduj¹cym wzmo enie tempa syntezy proteaz, z drugiej zaœ wzmo on¹ inhibicj¹ ju wytworzonych enzymów. 8. Metody pomiaru aktywnoœci zewn¹trzkomórkowych enzymów proteolitycznych Rozwój badañ nad degradacj¹ bia³ek w wodach naturalnych, jaki nast¹pi³ w ci¹gu ostatnich dwudziestu lat sta³ siê mo liwy dziêki opracowaniu czu³ej metodyki umo liwiaj¹cej szybki pomiar aktywnoœci zewn¹trzkomórkowych enzymów proteolitycznych. Stosowane obecnie metody mierz¹ jednak najczêœciej potencjaln¹ aktywnoœæ maksymaln¹ enzymów (Vmax) wobec sztucznych, specjalnie skonstruowanych substratów fluoroforowych dodawanych do badanych próbek wody. W przypadku proteaz powszechnie wykorzystywanym sztucznym substratem jest L-leucyno-4-metylokumarynylamid (L-leucine-methyl-coumarinylamide LMCA). Po enzymatycznej hydrolizie wi¹zania peptydowego wystêpuj¹cego pomiêdzy leucyn¹ a rodnikiem fluoroforowym z nieaktywnego fluorescencyjnie LMCA, powstaje produkt o w³aœciwoœciach fluorescencyjnych metylo-kumarynylamid (methylcoumarinylamide MCA). Przyrost fluorescencji podczas inkubacji próbki jest proporcjonalny do przyrostu iloœci produktu, co umo liwia okreœlenie tempa hydrolizy substratu [46, 94]. Szybkoœæ hydrolizy LMCA [v] katalizowanej przez Leucyno-aminopeptydazê zmienia siê wraz ze stê eniem substratu [S]. Zale noœæ t¹ opisuje równanie funkcji Michaelisa-Menten: [v] = Vmax*[S]/(Km + [S]), gdzie Vmax jest potencjalnie maksymaln¹ szybkoœci¹ reakcji przy ca³kowitym wysyceniu enzymu(ów) substratem (w danych warunkach pomiarowych), a Km (sta³a, substratowa, sta³a Michaelisa) wyznacza takie stê enie substratu przy którym [v] = Vmax/2. Metody fluorescencyjne oparte na hydrolizie prostego analogu substratów naturalnych s¹ metodami poœrednimi. Choæ pozwalaj¹ one na szybkie porównanie potencja³u enzymatycznego w ró norodnych œrodowiskach, to obarczone s¹ jednak licznymi, opisanymi poni ej ograniczeniami. I. Budowa chemiczna prostego sztucznego substratu LMCA nie odzwierciedla skomplikowanej trójwymiarowej struktury wielkocz¹steczkowych polimerów organicznych, jakimi s¹ bia³ka. Powinowactwo naturalnych proteaz do LMCA mo e byæ inne ni do wiêkszoœci bia³ek naturalnych. I tak np. F e l l e r i wsp. [31] wykazali, e parametry kinetyczne (Vmax i Km) izolowanych enzymów, okreœlone na podstawie sztucznych substratów, ró ni¹ siê od wyliczanych dla reakcji hydrolizy substratów naturalnych. II. Pomiar tempa degradacji LMCA pozwala na okreœlenie aktywnoœci zaledwie jednego, konkretnego enzymu (L-leucyno-aminopeptydazy) z licznej grupy egzo- i endoproteaz wytwarzanych przez mikroorganizmy wodne. Pozostaje w¹tpliwym, czy wyniki uzyskane za poœrednictwem pomiaru aktywnoœci jednego z enzymów mog¹ byæ ekstrapolowane na aktywnoœæ ca³ej puli proteaz zewn¹trzkomórkowych obecnych w œrodowisku. III. Pomiar tempa degradacji LMCA substratu stosunkowo prostego, ³atwo degradowanego enzymatycznie, nie uwzglêdnia ró nic w labilnoœci poszczególnych komponentów puli naturalnej materii bia³kowej. Z tego wzglêdu otrzymane wyniki raczej nie nadaj¹ siê do iloœciowego opisu enzymatycznej biotransformacji materii bia³kowej w wodach, a umo liwiaj¹ jedynie okreœlenie potencjalnego tempa jej obrotu. IV. Tempo degradacji rozpuszczonego LMCA mo e nieprecyzyjnie odzwierciedlaæ nawet aktywnoœæ potencjaln¹ aminopeptydazy, w przypadku enzymów ulokowanych w matrix biofilmów otaczaj¹cych cz¹stki materii organicznej, gdy penetracja tego substratu do g³êbszych warstw biofilmu jest utrudniona. V. Zjawisko konkurencji LMCA z substratami naturalnymi, których stê enia nie s¹ znane, wp³ywa na wartoœæ Km miarê powinowactwa enzymu do LMCA. W tym wypadku Km w rzeczywistoœci zale y nie tylko od stê enia dodanego LMCA, ale równie od stê eñ substratów naturalnych wystêpuj¹cych w wodzie. Zastrze enia te ka ¹ traktowaæ wyniki pomiarów aktywnoœci enzymów proteolitycznych za pomoc¹

9 BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH 363 sztucznych, modelowych substratów z du ¹ ostro noœci¹. Wyniki te œwiadcz¹ bowiem jedynie o potencjale proteolitycznym enzymów zewn¹trzkomórkowych mikroheterotrofów, a nie o rzeczywistej aktywnoœci proteaz w œrodowiskach naturalnych. Rozwi¹zaniem problemów wynikaj¹cych ze stosowania do pomiaru aktywnoœci proteaz prostych substratów modelowych mo e byæ zast¹pienie ich ró norodnymi bia³kami znakowanymi wêglem 14 C. Tego typu podejœcie metodyczne, zaproponowane przez Hollibough i Azam ju w 1983 r. [44], umo liwia pomiar aktywnoœci ca³ego zespo³u egzo- i endoproteaz zewn¹trzkomórkowych obecnych w badanej próbce wody. Jednak e i przy tym podejœciu metodycznym substrat (np. 14 C albumina) dodawany jest z zewn¹trz i szybkoœæ jego hydrolizy równie nie odzwierciedla rzeczywistego tempa degradacji bia³ek naturalnych, w ró nym stopniu chronionych przed hydroliz¹ enzymatyczn¹. Pomiary aktywnoœci proteaz metodami radioizotopowymi utrudnia ponadto fakt, e na tempo degradacji znakowanych bia³ek dodawanych do badanych próbek wody wp³ywaæ mo e ich sk³ad aminokwasowy oraz wielkoœæ. Inne metody np. kombinacje technik chromatograficznych i spektroskopii rezonansu magnetycznego umo liwiaj¹ œledzenie zmian wielkoœci makromoleku³ oraz rodzaju wi¹zañ chemicznych w nich wystêpuj¹cych, i na tej podstawie bezpoœrednie okreœlenie tempa hydrolizy polimerów naturalnie wystêpuj¹cych w próbkach wody [6]. Ze wzglêdu na wysoki koszt i du y stopieñ skomplikowania metody te nie s¹ jednak powszechnie stosowane w rutynowych badaniach œrodowiskowych. Z uwagi na opisane tu ograniczenia konieczny jest dalszy rozwój metodyki umo liwiaj¹cej zarówno okreœlenie rzeczywistego tempa degradacji materii bia³kowej in situ, jak równie jej biologicznej labilnoœci w œrodowisku. Pewne rozwi¹zanie stanowiæ mo e podejœcie metodyczne oparte na idei zaproponowanej przez S i udê [90] oraz Chrósta i wsp. [20], zgodnie z któr¹, jedynie pomiar tempa przyrostu produktu uwalnianego przez ca³y zespó³ naturalnych izo/alloenzymów zewn¹trzkomórkowych z puli naturalnych substratów wystêpuj¹cych w wodach dostarczyæ mo e informacji o rzeczywistej aktywnoœci enzymatycznej bytuj¹cych tam mikroorganizmów. Pomiar enzymatycznego tempa uwalniania aminokwasów z bia³ek naturalnych umo liwia oszacowanie puli bia³ek labilnych, rzeczywistego tempa ich degradacji in situ oraz czasu ich po³owicznej hydrolizy enzymatycznej [56, 92]. 9. Podsumowanie W niniejszej pracy przegl¹dowej zaprezentowano jedynie podstawowe i stosunkowo dobrze udokumentowane zagadnienia zwi¹zane z rol¹ pokarmow¹ bia³ek dla bakterii wodnych. Wiele kwestii zwi¹zanych np. z sorpcj¹ i enzymatyczn¹ degradacj¹ bia³ek w matrix biofilmów otaczaj¹cych cz¹stki sestonu, potraktowano, z koniecznoœci w du ym uproszczeniu. Szereg zagadnieñ dotycz¹cych przemian materii bia³kowej w ekosystemach wodnych wci¹ czeka na wyjaœnienie. Stosunkowo niewiele wiadomo np. o: udziale bakterii osiad³ych i zjawiskach kolonizacji cz¹stek POM w procesach degradacji bia³ek, realnym (rzeczywistym) tempie degradacji materii bia³kowej wystêpuj¹cej w ekosystemach wodnych oraz jej labilnoœci biologicznej in situ, roli cz¹stek wirusowych w przemianach substancji bia³kowych, trwa³oœci proteaz zwi¹zanych z komórkami martwych organizmów i udziale tych enzymów w procesach degradacji bia³ek czy zró nicowaniu preferencji od ywczych ró nych gatunków bakterii wodnych. Wydaje siê, e bez rozwi¹zania tych zagadnieñ pe³ny opis mechanizmów biotransformacji bia³ek w wodach naturalnych nie jest mo liwy. Piœmiennictwo 1. Agusti S., Satta M.P., Maura M.P., Benavent E.: Dissolved esterase activity as a tracer of phytoplankton lysis: evidence of high phytoplankton lysis rates in the northeastern Mediterranean. Limnol. Oceanogr. 43, (1998) 2. Andersson A., Lee C., Azam F., Hagström A.: Release of amino acids and nutrients by heterotrophic marine microflagellates. Mar. Ecol. Prog. Ser. 23, (1985) 3. Araki T., Hashikawa S., Morishita T.: Cloning, sequencing, and expression in Escherichia coli of the new gene encoding b-1,3-xylanase from a marine bacterium, Vibrio sp. Strain XY-214. Appl. Environ. Microbiol. 66, (2000) 4. Armstrong S., Bärlocher F.: Adsorption and release of amino acids from epilitic biofilms in stream. Freshwater Biol. 22, (1989) 5. Arnosti C.: Microbial extracellular enzymes and their role in dissolved organic matter cycling (w:) Aquatic ecosystems: Interactivity of dissolved organic matter, Elsevier Science, USA, 2003, s Arnosti C., Repeta D.J.: Extracellular enzyme activity in anaerobic bacterial cultures: Evidence of pullulanase activity among mesophilic marine bacteria. Appl. Environ. Microbiol. 60, (1994) 7. Baldy V., Chauvet E., Charcosset J.Y., Gessner M.O.: Microbial dynamic associated with leaves decomposing in the mainstream and floodplain pond of a large river. Aquat. Microb. Ecol. 28, (2002) 8. Bayliss M.E., Prescott J.M: Modified activity of Aeromonas aminopeptidase: metal ion substitution and role of substrates. Biochemistry, 25, (1986) 9. Becquevort S., Rousseau V., Lancelot C.: Major and comparable roles for free-living and attached bacteria in the degradation of Phaeocystis-derived organic matter in Belgian coastal waters of the North Sea. Aquat. Microb. Ecol. 14, (1998) 10. Berman T., Bronk A.: Dissolved organic nitrogen: a dynamic participant in aqatic ecosystems. Aquat. Microb. Ecol. 31, (2003)

10 364 BARTOSZ KIERSZTYN, WALDEMAR SIUDA 11. Berman T., Viner-Mozzini Y.: Abundance and characteristic of polysaccharide and proteinaceous particles in Lake Kinneret. Aquat. Microb. Ecol. 25, (2001) 12. Billen G., Protein degradation in aquatic environments (w:) Microbial enzymes in aquatic environments, red. R. Chróst, Springer-Verlag, New York, 1991, s Bos R., van der Mei H.C., Busscher H.J.: Physico-chemistry of initial microbial adhesive interactions: Its mechanisms and methods of study. FEMS Microbiol. Rev. 23, (1999) 14. Cahan R., Axelrad I., Safrin M., Ohman D.E., Kessler E.: A secreted aminopeptidase of Pseudomonas aeruginosa. J. Biol. Chem. 276, (2001) 15. Carlsson P., Edling H., Bechemin Ch.: Interactions between a marine dinoflagellate (Alexandrium catenella) and a bacterial community utilizing riverine humic substances. Aquat. Microb. Ecol. 16, (1998) 16. Chen S., Eisma D.: Fractal geometry of in situ flocs in estuarine and coastal environments. Neth. J. Sea Res. 32, (1995) 17. Chin W., Orellana M., Verdugo P.: Spontaneus assembly of marine dissolved organic matter into polymer gels. Nature, 391, (1998) 18. Choi H., Laley L., Amantea G.F., Simard R.E.: Production of aminopeptidase from skim milk whey permeate medium by Lactobacillus casei spp. J. Dary. Sci. 79, (1996) 19. Christian R., Karl D. M.: Ektoaminopeptidase specificity and regulation in Antarctic marine pelagic microbial communities. Aquat. Microb. Ekol. 15, (1998) 20. Chróst R.J., Siuda W., Albrecht D., Overbeck J.: A method for determining enzymatically hydrolysable phosphate (EHP) in natural waters. Limnol. Oceanogr. 31, (1986) 21. Chróst R.J. Münster U., Rai H., Albrecht D., Witzel P.K., Overbeck J.: Photosynthetic production and exoenzymatic degradation of organic matter in the euphotic zone of a eutrophic lake. J. Plankton Res. 11, (1989) 22. Chróst R.J., Environmental control of synthesis and activity of aquatic microbial ectoenzymes (w) Microbial enzymes in aquatic environments, red. R. Chróst, Springer-Verlag, New York, 1991, s Coffin R.B.: Bacterial uptake of dissolved free and combined amino acids in estuarine waters. Limnol. Oceanogr. 34, (1989) 24. Cottrell M.T., Kirchman D.L.: Natural assemblages of marine proteobacteria and members of the Cytophaga-Flavobacter cluster consuming low- and high-molecular-weight dissolved organic matter. Appl. Environ. Microbiol. 66, (2000) 25. Cowie G.L., Hedges J.I.: Sources and reactivities of amino acids in a costal marine environment. Limnol. Oceanogr. 37, (1992) 26. Cunningham H.W., Wetzel G.: Kinetic analysis of protein degradation by a freshwater wetland sediment community. Appl. Environ. Microbiol. 55, (1989) 27. Del Giorgio P.A., Davis J.: Patterns in dissolved organic matter lability and consumption across aquatic ecosystems (w:) Aquatic ecosystems: Interactivity of dissolved organic matter, Elsevier Science, USA, 2003, s Dix N.J., Webster J., Fungal ecology, Chapman & Hall, London UK., 1995, roz Ducklow H.W., Kirchman D.L.: Bacterial dynamics and distribution during a spring diatom bloom in the Hudson River plume, USA J. Plankton. Res. 5, (1983) 30. Fandino L.B., Riemann L., Steward G.F., Long R.A., Azam F.: Variation in bacterial community structure during a dinoflagellate bloom analyzed by DGGE and 16S rdna sequencing. Aquat. Microb. Ecol. 23, (2001) 31. Feller G., Narinx E., Arpigny J.L., Aittaleb M., Baise E., Genicot S., Gerday C.: Enzymes from psychrophilic organisms. FEMS Microbiol. Rev. 18, (1996) 32. Ferrier-Pagés C., Karner M., Rassoulzadegan F.: Release of dissolved amino acids by flagellates and ciliates grazing on bacteria. Oceanol. Acta, 21, (1998) 33. Findlay S., Sinsabough R.L.: Unraveling the sources and bioavailability of dissolved organic matter in lotic aquatic ecosystems. Mar. Fresh. Res. 50, (1999) 34. Fontigny A., Billen G., Vives-Rego J.: Some kinetic characteristics of exoproteolytic activity in coastal seawater. Estuar Coast Shelf Sci. 25, (1987) 35. Fuhrman J.: Close coupling between release and uptake of dissolved free amino acids in seawater studied by an isotope dilution approach. Mar. Ecol. Prog. Ser. 37, (1987) 36. Gadd G., Criffiths A.J.: Microorganisms and heavy metal toxicity. Microbiol. Ecol. 4, (1978) 37. Gharbi S., Belaich A., Murgier M., Lazdunski A.: Multiple controls exerted on in vivo expression of pepn gene in Escherichia coli. Studies with pepn-lacz operon and protein fusion strain. J. Bacteriol. 163, (1985) 38. Gottesman S. Maurizi M.R.: Regulation by proteolysis: energy-dependent proteases and their targets. Microbiol. Rev. 56, (1992) 39. Grossart H.P., Simon M.: Signification of limnetic organic aggregates (lake snow) for the sinking flux of particulate organic matter in a large lake. Aquat. Microb. Ecol. 15, (1998a) 40. Grossart H.P., Simon M.: Bacterial colonization and microbial decomposition of limnetic organic aggregates (lake snow). Aquat. Microb. Ecol. 15, (1998b) 41. Ha³emejko G.Z., Chróst R.J.: Enzymatic hydrolysis of proteinaceous particulate and dissolved material in eutrophic lake. Arch. Hydrobiol. 107, 1 21 (1986) 42. Hedges J.L., Polymerization of humic substances in natural environments (w) (eds) Humic substances and their role in environment, red. F. Frimmel, R.Christman, John Wiley & Sons, New York, 1988, s Hoffman M., Decho A.W.: Proteolityc enzymes in marine bacterium Pseudoalteromonas atlantica: post-secretional activation and effects of environmental condition. Aquat. Microb. Ecol. 23, (2000) 44. Hollibaugh J.T., Azam F.: Microbial degradation of dissolved proteins in seawater. Limnol. Oceanogr. 28, (1983) 45. Holtz R.C.: The aminopeptidase from Aeromonas proteolytic: structure and mechanism cocatalytic metal centers involved in peptide hydrolysis. Coordination Chem. Rev. 232, 5 26 (2002) 46. Hoppe H.G.: Significance of exoenzimatic activities in the ecology of brackish water: Measurements by means of methylumbelliferyl-substrates. Mar. Ecol. Prog. Ser. 11, (1983) 47. Hubberten U., Lara R.J., Kattner G.: Amino acids composition of seawater and dissolved humic substances in the Greenland Sea. Mar. Chem. 45, (1994) 48. Huston A.L., Methe B., Deming J.: Purification, characterization, and sequencing of an extracellular cold-active aminopeptidase produced by marine Psychrophile Colwellia psychrerythreae Strain 34H. Appl. Environ. Microbiol. 70, (2004)

11 BIA KA JAKO SUBSTRAT POKARMOWY DLA MIKROORGANIZMÓW WODNYCH Iriberri J., Unanue M., Ayo B., Barcina I., Egea L.: Bacterial production and growth rate estimation from [ 3 H]Thymidine incorporation for attached and free-living bacteria in aquatic systems. Appl. Environ. Microbiol. 56, (1990) 50. Jankiewicz U., Bielawski W.: The properities and function of bacterial aminopeptidase. Acta Microb. Polon. 52, (2003) 51. Jones J.L., Eaton J.W., Hardwick K.: The influence of periphyton on boundary layer condition: a ph microelectrode investigation. Aquat. Bot. 67, (2000) 52. Jörgensen N.O.G., Kroer N., Coffin R.B., Yang X.H., Lee C.: Dissolved free amino acids, combine amino acids, and DNA as source of carbon and nitrogen to marine bacteria. Mar. Ecol. Prog. Ser. 98, (1993) 53. Jörgensen N.O.G., Kroer N., Coffin R.B.: Utilization of dissolved nitrogen by heterotrophic bacterioplankton: effect of substrate C/N ratio. Appl. Environ. Microbiol. 60, (1994) 54. Keil R.G., Kirchman D.L.: Dissolved combined amino acids: chemical form and utilization by marine bacteria. Limnol. Oceanogr. 38, (1993) 55. Keil R.G., Kirchman D.L.: Utilization of dissolved protein and amino acids in the northern Sargasso Sea. Aquat. Microb. Ecol. 18, (1999) 56. Kiersztyn B.: Enzymatyczny rozk³ad substancji bia³kowych w jeziorach o ró nym stopniu eutrofizacji próba opisu, implikacje ekologiczne. Rozprawa doktorska, Uniwersytet Warszawski, Warszawa Koike I.S., Hara K., Terauchi K., Kogure K.: Role of summicrometer particles in the ocean. Nature, 345, (1990) 58. Kroer N., Jorgensen N.O.G., Coffin R.B.: Utilization of dissolved nitrogen by heterotrophic bacterioplankton: a crossecosystem comparison. Appl. Environ. Microbiol. 60, (1994) 59. Krupka H.M., Feuillade M.: Amino acids as a nitrogen source for growth of Oscollatoria rubescens. Arch. Hydrobiol. 112, (1988) 60. Lee C., Bada J.L.: Dissolved amino acids in the equatorial Pacific, the Sargasso Sea and Biscayne Bay. Limnol. Oceanogr. 22, (1977) 61. Lee G.D., Chung S.S., Kho Y.H., Chun H.K.: Purification and properties of an extracellular leucine aminopeptidase from the Bacillus sp. N2 J. App. Microbiol. 84, (1998) 62. Linder L.E., Lonnies H., Sund M.L: Analysis of sodium dodecyl sulfate-stable cell wall aminopeptidases in strain of viridans streptococci. FEMS Microbiol. Lett. 143, (1996) 63. Lindroth P., Mopper K.: High performance liquid chromatographic determination of subpicomol amounts of amino acids by precolumn fluorescence derivatization with o-phthaldialdehyde. Anal. Chem. 51, (1978) 64. Little B.: Factors influencing the adsorption of dissolved organic matter from natural waters. J. Colloid Interface Sci. 108, (1985) 65. Liu M.S., Hellebust J.A.: Uptake of amino acids by the marine centric diatom Cyclotella cryptica. Can. J. Microbiol. 20, (1974) 66. Logan B.E., Alldredge A.L. Potential for increased nutrient uptake by flocculating diatoms. Mar. Biol. 101, (1989) 67. Long R., Azam F.: Abundant protein-containing particles in the sea. Aquat. Microb. Ecol. 10, (1996) 68. Martinez J., Azam F.: Aminopeptidase activity in marine Chroococcoid Cyanobacteria. Appl. Environ. Microbiol. 59, (1993) 69. Martinez J., Smith D.C., Steward G.F., Azam F.: Variability in ectohydrolitic enzyme activities of pelagic marine bacteria and its significance for substrate processing in the sea. Aquat. Microb. Ecol. 10, (1996) 70. Mayer L.M.: Surface area control of organic carbon accumulation in continental shelf sediments. Geochim. Cosmochim. Acta, 54, (1994) 71. McKnight, D.M., Aiken G.R., Sources and age of aquatic humus (w) Aquatic humic substances, red. D.O. Hessen I. Tranvik, Springer-Verlag, Berlin, 1998, s Middelboe M., Borch N.H., Kirchman D.L.: Bacterial utilization of dissolved free amino acids, dissolved combined amino acids and ammonium in the Delawere Bay estuary: effects of carbon and nitrogen limitation. Mar. Ecol. Prog. Ser. 128, (1995) 73. Münster U., Extracellular enzyme activity in eutrophic and polyhumic lakes (w) Microbial enzymes in aquatic environments, red. R. Chróst, Springer-Verlag, New York, 1991, s Münster U., de Haan H.: The role of microbial extracellular enzymes in the transformation of dissolved organic matter in humic waters (w) Aquatic humic substances, red. D.O. Hessen I. Tranvik, Springer-Verlag, Berlin, 1998, s Münster U., Einio P., Nurminen J., Overbeck J.: Extracellular enzymes in a polyhumic lake: important regulators in detritus processing. Hydrobiologia, 229, (1992) 76. Nagata T.: Carbon and nitrogen content of natural planktonic bacteria. Appl. Environ. Microbiol. 52, (1986) 77. Nagata T., Fukuda R., Koike I., Kogure K., Kirchman D.L.: Degradation of membrane and soluble protein in seawater. Aquat. Microb. Ecol. 14, (1998) 78. Nagata T., Kirchman D.L.: Bacterial degradation of proteins adsorbed to model submicron particles in seawater. Mar. Ecol. Prog. Ser. 132, (1996) 79. Ogren W.L., Chollet R., Photorespiration (w) Photosynthesis: development, carbon metabolism, and plant productivity, red. A. Govindjee, Academic Press, New York, 1982, s Palenik B., Morel F.M.M.: Amino acid utilization by marine phytoplankton: A novel mechanism. Limnol. Oceanogr. 35, (1990) 81. Payne J.W.: Transport and utilization of peptides by bacteria (w:) Microorganisms and nitrogen sources, red. J.W. Payne, John Wiley and Sons, Chichester, 1980, s Poutanen E.L., Morris R.J.: Comparison of the structure of humic acids from marine sediments and degraded field diatoms by 13 C- and 1 H-NMR spectroscopy. Mar. Chem. 17, (1985) 83. Raghukumar C., Raghukumar S.: Barotolerance of fungi isolated from deep-sea sediments of the Indian Ocean. Aquat. Microb. Ecol. 15, (1998) 84. Rao M.B., Tanksale A.M., Ghatge M.S., Deshpande V.V.: Molecular and biotechnological aspects of microbial proteases. Microb. Mol. Biol. Rev. 62, (1998) 85. Rosenstock B. Simon M.: Sources and sinks of dissolved free amino acids and protein in large and deep mesotrophic lake. Limnol. Oceanogr. 46:, (2001) 86. Shibata A., Kogure K., Koike I., Ohwada K.: Formation of submicron colloidal particles from marine bacteria by viral infection. Mar. Ecol. Prog. Ser. 155, (1997)

12 366 BARTOSZ KIERSZTYN, WALDEMAR SIUDA 87. Simon M. Azam F.: Protein content and protein synthesis rates of planktonic marine bacteria. Mar. Ecol. Prog. Ser. 52, (1989) 88. Simon M., Rosenstock B.: Carbon and nitrogen sources of planktonic bacteria in Lake Constance studied by the composition and isotope dilution of intracellular amino acids. Limnol. Oceanogr. 37, (1992) 89. Simon M., Grossart H.P., Schweitzer B., Ploug H.: Microbial ecology of organic aggregates in aquatic ecosystems. Aquat. Microb. Ecol. 28, (2002) 90. Siuda W. Rola i znaczenie fosfataz w mineralizacji organicznych po³¹czeñ fosforu w jeziorze eutroficznym. Rozprawa doktorska, Uniwersytet Warszawski, Warszawa Siuda W., Chróst R.J.: Decomposition and utilization of particulate organic matter by bacteria in lakes of different trophic status. Pol. J. Environ. Studies, 11, (2002) 92. Siuda W., Kiersztyn B., Chróst R.J. The dynamics of protein decomposition in lakes of different trophic status-reflections on the assessment of the real proteolytic activity in situ. J. Microbiol. Biotechnol. 17, (2007) 93. Smith D.C., Steward G.F, Long R.A., Azam F.: Bacterial mediation of carbon fluxes during a diatom bloom in a mesocosm. Deep-Sea Res. 42, (1995) 94. Somville M., Billen G.: A method for determining exoproteolytic activity in natural waters. Limnol. Oceanogr. 28, (1983) 95. Stepanauskas R.: Utilization of terrestrially derived organic nitrogen by aquatic bacteria. Ph D Dissertation, Lund University, Sweden, 2000, s Tranvik L.J.: Effect of colloidal organic matter on the growth of bacteria and protests in lake water. Limnol. Oceanogr. 39, (1994) 97. Vives-Rego J., Billen G., Fontigny A., Somville M.: Free and attached proteolytic activity in water environments. Mar. Ecol. Prog. Ser. 21, (1985) 98. Vives-Rego J., Vaqué D., Martinez J.: Effect of heavy metals and surfactants on glucose metabolism, tyhymidine incorporation and exoproteolytic activity in sea water. Water Res. 20, (1986) 99. Weiss M.S., Able U., Weckesser J., Welte W., Schiltz E., Schulc G.E.: Molecular architecture and electrostatic properties of a bacterial porin. Science, 254, (1991) 100. Williamson S.J., Paul J.H.: Nutrient stimulation of lytic phage production in bacterial population of the Gulf of Mexico. Aquat. Microb. Ecol. 36, 9 17 (2004)