Автореферат: Микробные сообщества карстовых пещер Средней Сибири

Рисунок 9. Удельная убыль (%) различных субстратов в результате микробной деструкции за 3 года в разных участках пещеры (на примере пещеры Караульная-2)

В ряде случаев пещерные микромицеты находятся в основании пищевых цепей. Среди основных потребителей грибов в сибирских пещерах следует выделить клещей, и, возможно, коллембол. Это было доказано лабораторными экспериментами, в ходе которых выделенные из пещеры Караульная-2 панцирные клещи в течение длительного времени культивировали в лаборатории на колониях плесневых грибов, изолированных из той же пещеры. Исследования in situ также показали, что клещи в заметном количестве (2-3 особи на см² поверхности грунта) присутствуют только в местах, где наблюдаются сплошные "ковры" плесневых грибов.

Глава 6. Численный состав и распространённость бактерий в пещерах Средней Сибири

Во всех изученных пещерах нами обнаружены способные к росту при +4°С бактерии основных эколого-трофических групп, встречающихся в водных и почвенных экосистемах. Численность представителей разных эколого-трофических групп, а также суммарная численность культивируемых бактерий в подземных местообитаниях варьирует в широких пределах, в ряде случаев приближаясь к аналогичным показателям для наземных экосистем (табл. 2).

Таблица 2. Численность бактерий, способных к росту при +4°С, в грунте посещаемых пещер на примере пещеры Караульная-2, тыс. КОЕ/г

Высокая численность бактерий в пещерах частично может быть объяснена действием антропогенного фактора, заключающегося в привнесении в пещеры органического вещества спелеотуристами. Так, максимальные численности культивируемых бактерий в пещерном грунте (до 57000 тыс. КОЕ/г) отмечаются в участках с высоким уровнем антропогенного воздействия, в первую очередь - в пещерах, имеющих подземные спелеостоянки. Влияние антропогенного фактора на численность бактерий в пещерах доказано статистическим анализом (p<0,01).

Тем не менее, высокая (до 10⁶ КОЕ/г грунта) численность бактерий наблюдается и в малопосещаемых пещерах, а также в пещерах (Водораздельная) и спелеосистемах (система Экологическая в пещере Партизанская), ранее не посещавшихся человеком. В таких пещерах максимальная численность бактерий отмечается в районах колоний летучих мышей, а в пещерах-ловушках - также в районах скопления костных остатков позвоночных (табл. 3). Полученные данные говорят о том, что основным субстратом для развития гетеротрофных бактерий в посещаемых пещерах служит органическое вещество антропогенного происхождения, а в малопосещаемых - троглофилы, троглоксены и случайно попавшие в пещеру животные, а также продукты их жизнедеятельности.

Таблица 3. Численность бактерий бактерий, способных к росту при +4°С, в грунте малопосещаемых пещер на примере Ледопадной и Водораздельной

Среди сапротрофных (эвтрофных) бактерий в целом статистически достоверно (p<0,001) преобладают формы, использующие органический азот, хотя это справедливо главным образом для участков с высоким уровнем антропогенного загрязнения либо местах скопления троглофилов, троглоксенов и продуктов их жизнедеятельности (рис. 10). Среди бактерий, способных к росту при низких температурах, в отдельных пробах грунта обнаружены также азотфиксаторы и олигонитрофилы, учитываемые на среда Эшби, в количестве 10³-10⁵ КОЕ/г грунта.

Рисунок 10. Соотношение бактерий, использующих в качестве источника азота органический и минеральный азот: 1 - в среднем по пещерам (по совокупности проанализированных проб); 2 - в районе колонии летучих мышей (п. Маячная); 3 - в труднодоступном участке (п. Партизанская)

В пробах уплотненного грунта тропы из пещеры Караульная-2 обнаружены факультативно-анаэробные денитрифицирующие бактерии. В грунте с высоким уровнем антропогенного загрязнения (Караульная-2 и Ледяная) обнаружены также нитрифицирующие бактерии (до 14 х 10³ КОЕ/г грунта), однако низкая скорость нитрификации при температуре +4°С говорит в пользу аллохтонного происхождения данных бактерий. Другие группы хемоавтотрофных бактерий в сибирских пещерах не выявлены.

В ряде пещер (Караульная-2, Маячная, Ледяная и др.) в районах с длительным притоком экзогенной органики нами отмечены ранее не описанные в литературе тёмные "почвоподобные" плёнки в форме пятен площадью от нескольких десятков до сотен см² на поверхности пещерных глинистых отложений. По комплексу своих микробиологических и химических характеристик "почвоподобные" плёнки занимают промежуточное положение между пещерными грунтами и почвами региона (рис. 11). Это позволяет рассматривать данные плёнки как свидетельство первичного почвообразования.

Рисунок 11. Распределение образцов пещерного грунта, "почвоподобных" плёнок и почв по комплексу микробиологических характеристик по осям дискриминации; данные по почвам региона - по (Сорокина, 2006)

Численность культивируемых бактерий в водоемах пещер варьирует в пределах 0,12 - 350,0 тыс. КОЕ/мл. Как правило, максимальная численность бактерий в источниках воды наблюдается вблизи наиболее посещаемых мест пещеры и подземных стоянок спелеотуристов. Антропогенный фактор оказывает статистически достоверное (p<0,01) влияние не только на численность, но и на состав водной микробиоты посещаемых пещер. Так, из 11 проанализированных источников питьевой воды в наиболее посещаемых пещерах Красноярского края 8 не соответствуют санитарным требованиям, предъявляемым к питьевой воде по общему числу гетеротрофных бактерий, способных к росту при температуре человеческого тела. В четырех из перечисленных источников обнаружены бактерии группы кишечной палочки в количестве, превышающем предельные допустимые нормы в 18 тыс. .. 4,8 млн. раз. Факт повышенной концентрации бактерий группы кишечной палочки в районах подземных спелеостоянок и троп спелеотуристов отмечен и зарубежными авторами, которые полагают, что заносимые человеком бактерии могут играть существенную роль в формировании микробного пула пещеры (Northup et al., 1999). Тем не менее, по нашим данным, бактерии антропогенного происхождения во всех изученных водоёмах составляют меньшинство. Об этом говорит преобладание изолятов, не способных к росту при температуре человеческого тела, на долю которых приходится от 57 до 99% общего числа культивируемых бактерий даже в антропогенно загрязнённых подземных водоёмах.

Отношение численности олиготрофных бактерий к эвтрофным (коэффициент олиготрофности) в пещерных грунтах варьирует в пределах 0,07 .. 3,19 при среднем значении 1,22, и в целом уступает аналогичному показателю для лесных почв региона. Сходная ситуация наблюдается и в отношении исследованных нами пещерных водоёмов, где коэффициент олиготрофности (0,42 .. 3,81) соответствует аналогичному показателю для эвтрофных наземных водоёмов. Это противоречит теоретическим представлениям зарубежных авторов о ярко выраженной олиготрофности водо- и сухогалерейных пещер (Cunningham, 1995; Streever, 1996; Turin, 2000; Boston 2001; Graening, 2001; Northup, 2003; Barton, 2006). Возможные причины данного феномена обсуждаются в Главе 7. Прямой учёт на стёклах обрастания показал наличие вертикального распределения численности бактерий в подземных водоёмах (рис. 12). Максимальная численность наблюдается в поверхностном или приповерхностном слое, минимальная - на дне водоёма (p<0,01).

Рисунок 12. Примеры вертикального распределения численности бактерий в подземных водоёмах: 1,2 - пещера Женевская, 3,4 - пещера Партизанская; пунктиром обозначен уровень дна

Кроме подземных водоёмов, культивируемые бактерии основных эколого-трофических групп (см. табл. 2) в количестве 0,3х10³..25х10³ КОЕ/мл обнаружены в инфильтрационно-капельной влаге. Численность бактерий в пробах "лунного молока" (белые пастообразные отложения из микрокристаллических агрегатов кальцита), определённая методами высева на различные среды и прямой микроскопией, не превышает 0,7 тыс. КОЕ/г. Низкая бактериальная обсеменённость и низкая биохимическая активность, определённая методом мультисубстратного тестирования, свидетельствует против гипотезы (Gradzinski, 1994) о биогенном происхождении "лунного молока".

С помощью стёкол обрастания установлено, что бактерии в подземных местообитаниях размножаются in situ с минимальным зафиксированным временем генерации 63 часа. Это позволяет приблизительно оценить максимальную биологическую продукцию в пещерах региона. Так, для пещеры или спелеосистемы с протяжённостью ходов в 10²..10³ м суммарная бактериальная продукция может составить от 0,01 до 2 г в сутки.

Глава 7. Факторы, определяющие численность бактерий и наблюдаемое соотношения представителей разных эколого-трофических групп в пещерах региона

Как отмечено в Главе 6, несмотря на отсутствие в изучаемых пещерах автотрофной продукции, численность культивируемых бактерий в воде и грунте в ряде случаев достигает значений, характерных для наземных сообществ. Частично это можно объяснить отсутствием конкуренции со стороны копро- и некрофагов (см. Главу 3) и отсутствием таких потребителей бактерий, как простейшие (Хижняк, Гладкова, 2004). Другим объяснением высокой численности бактерий может быть повышение доступности органического вещества за счёт сорбции бактериальных клеток и растворённой органики на поверхности частиц пещерной глины. Подобный эффект показан для наземных водоёмов (Щур и др., 2004) и подтверждается зафиксированными нами фактами развития микроколоний бактерий in situ преимущественно вокруг минеральных частиц.

Для объяснения низкого коэффициента олиготрофности в воде и грунте пещер региона нами предложена модель, предусматривающая характерный для пещер периодический залповый вброс концентрированного органического вещества в микробное сообщество, состоящее из двух конкурирующих за субстрат групп бактерий - эвтрофной и олиготрофной. Удельная скорость роста обеих групп зависит от концентрации субстрата согласно модели Моно - Холдейна, параметры модели подобраны в соответствии с реальными данными. Анализ модели показал, что при низкой частоте вброса субстрата наблюдается снижение биопродуктивности и эвтрофикация сообщества, поскольку из-за низкой общей численности бактерий снижение концентрации органики происходит медленно, что не позволяет развиваться олиготрофам (рис. 13).

Рисунок 13. Компьютерного анализ модели: 1 - разовое поступление субстрата; 100 и 500 - стационарное состоянии соответственно при частых и редких вбросах субстрата; справа - связь между частотой и суммарным поступлением субстрата в экосистему, суммарной биопродукцией и отношением олиготрофы/эвтрофы

В то же время при частом поступлении субстрата микробный пул поддерживается на уровне, обеспечивающим быстрое снижение концентрации органики до благоприятной для олиготрофов концентрации. Эти выводы подтверждаются отмеченными нами повышенными коэффициентами олиготрофности сообществ в пещерах с высоким уровнем антропогенного загрязнения (0,07.. 2,86 против 0,24.. 0,76 в малопосещаемых пещерах). Относительно низкая численность олигонитрофилов, очевидно, связана с низким отношением C_орг:N (2,1ч11,3) в пещерных местообитаниях.

Глава 8. Разнообразие и экологические особенности бактерий в карстовых пещерах Средней Сибири

Биологическое разнообразие культивируемых бактерий в изучаемых пещерах относительно невелико и уступает таковому в наземных экосистемах. Методами культивирования в пробах воды и грунта удаётся обнаружить от 5 до 20 изолятов, различающихся по культурально-морфологическим признакам, однако доминирующими обычно является 1-5 изолятов, среди которых идентифицированы представители р.р. Arthrobacter, Bacillus, Pseudomonas, Azotobacter, Actinomyces. Применение стёкол обрастания даёт более высокое морфологическое разнообразие бактерий, что говорит о присутствии в подземных местообитаниях некультивируемых форм. Для индивидуальных пещер обнаружена статистически значимая положительная связь между морфологическим разнообразием и численностью бактерий на стёклах обрастания и численностью культивируемых бактерий (рис. 14).