Магистерская работа: Сравнительное исследование микробных сообществ щелочных слабоминерализованных гидротерм Байкальской рифтовой зоны и щелочных минерализованных гидротерм озера Моно-Лейк на острове Паоха

Натриевые соли образующихся при этом анионов хорошо растворимы и могут накапливаться в значительных концентрациях (Крайнов, Швец, 1980).

Щелочность. Щелочные термальные воды содержат сильные катионогенные элементы (Na+, K+) и анионы слабых кислот (HCO₃^-, CO₃^2-, HS^-, H₂BO₃^-, H₃SiO₄^- и др.). Гидролиз этих анионов сопровождается разложением воды и образование ионов ОН^-. При химическом анализе вод обычно предполагается, что щелочность обуславливается ионами карбонатной системы (CO₃^2- + H₂O -> HCO^3- + OH^-, HCO^3- + H₂O -> H₂CO₃ + OH^-), но это не совсем верно для щелочных термальных вод. В азотных термальных водах щелочность в основном связана с силикатными ионами, в сульфидных термальных водах щелочность обуславливается присутствием боратов и карбонатов (Крайнов, Швец, 1980; Соломин, Крайнов, 1998).

Влияние щелочных условий на миграцию элементов. В щелочных водах более активно мигрируют анионогенные элементы (S, Ge, Sn, Sb, As, V, Mo, Se, U, F, B, Si и т.д.), тогда как катионогенные элементы (Ba, Cu, Zn, Fe²+, Mn²+, Ni²+ и др.) в щелочных условиях часто образуют слаборастворимые соединения (Перельман, 1972). Тем не менее, щелочные воды нельзя считать запретными для миграции катионогенных элементов, так как они могут мигрировать в виде комлексов с анионами этих вод (хлоридные, сульфатные, гидрокарбонатные и др. комплексы). Также миграция элементов может происходить в виде гидросульфидных комплексных соединений в сероводородсодержащих водах или в виде комплексных соединений с органическим веществом. (Крайнов, Швец, 1980; Кирюхин и др., 1982; Илялетдинов, 1984; Шпейзер, 1999; Ehrlih, 1981; Bender et al., 1994).

Влияние щелочных условий на переменновалентные элементы. Термальные воды содержат большое число элементов с переменной валентностью, которые могут служить донорами или акцепторами электронов для микроорганизмов. Из уравнения Нернста следует, что увеличение рН среды приводит к уменьшению окислительно-восстановительного потенциала (ОВП), при котором происходит окисление соединений какого-либо элемента. Поэтому в щелочных водах окисление происходит легче и энергичнее, чем в кислых. Например, двухвалентное железо очень легко окисляется в трехвалентную форму в щелочных водах (Е⁰ < -100 мВ), но очень трудно в кислых (Е⁰ +771 мВ). То же верно и для многих других элементов (Крайнов, Швец, 1980). Прогнозирование поведения элементов при различном рН может быть сделано на основании Eh-pH диаграмм, разработанных Гаррелсом и Крайстом (Garrels, Christ, 1965). Соответствие термодинамическим данным является необходимым условием любой гипотезы, относящейся к круговоротам элементов с переменной валентностью (Заварзин, 1972б). Хотя необходимо учитывать, что Eh-рН диаграммы характеризуют равновесные условия и указывают, в каком направлении пойдет реакция, если она начнется. Термодинамические данные не позволяют судить о скорости реакции и не утверждают, что возможная реакция обязательно произойдет в действительности (Перельман, 1966; Стащук, 1968).

Серные соединения в щелочных условиях. Среди переменновалентных элементов сера играет важнейшую роль, как в определении геохимического облика термальных вод, так и в функционировании микробного сообщества гидротерм.

Щелочные условия оказывают большое влияние на восстановленные соединения серы. При рН выше 7.7-8.5 доминирует гидросульфид-ион, а не сероводород. Гидросульфид более устойчив к окислению, чем недиссоциированный сероводород. Кроме того, гидросульфид менее токсичен для клетки, так как анион сульфида с трудом проникает сквозь клеточную мембрану. Молекулярная сера слабо устойчива при рН выше 8. В присутствии гидросульфид-иона элементная сера образует полисульфид (Roy, Trudinger, 1970; Schauder, Kroger, 1993; Schauder, Muller, 1993). Тиосульфат устойчив при рН выше 4-5, при более низких значениях тиосульфат быстро разрушается до серы и бисульфита, либо диоксида серы, элементной серы и политионатов (^-O3S-Sn-SO3^-). В щелочных условиях политионаты разрушаются с образованием тиосульфата, либо сульфита, сульфата и элементной серы (Roy, Trudinger, 1970).

Повышение температуры оказывает влияние на полиморфные превращения элементной серы. При температуре 95°С сера переходит из более устойчивой орторомбической формы в моноклинальную. При температуре 119°С происходит плавление (Roy, Trudinger, 1970). При температурах выше 80°С сера диспропорционирует на гидросульфид и тиосульфат согласно реакции S8 + 8OH^- -> 2S2O3^2- + 4HS^- + 2H2O (Roy, Trudinger, 1970; Belkin et al., 1985). Добавление дрожжевого экстракта (до 1 г/л) стимулирует абиогенное восстановление, дальнейшее увеличение содержание дрожжевого экстракта не оказывает влияния на восстановление серы. Абиогенная сероредукция сильно зависит от рН среды. Повышение рН на 1 единицу приводит к 10-60-кратному увеличению продукции сульфида (опыт проводился в диапазоне рН 5.5-8.0 при температуре 98°С) (Belkin et al., 1985).

.2 Распространение и состав микробных сообществ в зависимости от физико-химических факторов среды

В термальных источниках распространение эукариот ограничено 45-55°С (Brock, 1967а; Castenholz, 1969; Wickstrom, Castenholz, 1985). Поэтому микробные сообщества гидротерм представляют значительный интерес с точки зрения эволюции биосферы и, по мнению многих исследователей, являются аналогами сообществ, доминировавших на ранних этапах развития жизни на Земле (Заварзин, 1972а, 1997, 2001; Baross, Hoffman, 1985; Nisbet, 1986; Walter et al., 1998).

Микробные сообщества гидротерм можно разделить на два типа: с доминированием фототрофных микроорганизмов и с доминированием хемотрофных микроорганизмов. Хемотрофные сообщества часто развиваются в виде обрастаний. Фототрофные сообщества в гидротермах, при отсутствии выедания со стороны эукариотных организмов, могут обладать значительной биомассой и образовывать микробные маты - органоминеральные структуры, отличающиеся от бактериальных обрастаний своей оструктуренностью (слоистостью) (Cohen et al., 1989). Граница между фототрофными и хемотрофными сообществами определяется, по-видимому, устойчивостью фотосинтетического аппарата к факторам окружающей среды, в первую очередь к температуре (Brock, 1978). В источниках с рН 5-10 верхняя температурная граница распространения фототрофного микробного мата расположена при 61-73°С. В кислых гидротермах с рН 1-5 развитые маты встречаются только при температурах ниже 55°С и образованы из эукариотической водоросли Cyanidium caldarium (Castenholz, 1969, 1984; Hiraishi et al., 1999). При более высоких температурах, либо при отсутствии света развиваются хемотрофные сообщества.

.2.1 Микробные сообщества щелочных гидротерм

Фототрофные микробные сообщества были исследованы на щелочных гидротермах Байкальской и Восточно-Африканской рифтовых зон. Показано, что в микробных матах пресных источников Байкальской рифтовой зоны присутствуют цианобактерии и аноксигенные фототрофные бактерии (АФБ). Так, по изливу источника Котельниковский (рН 9.2-9.8, Т 60°С, сульфид 6 мг/л) развивается три типа матов. При температуре 50-60°С доминируют нитчатая цианобактерия Phormidium sp. и термофильная нитчатая АФБ Chloroflexus aurantiacus, при 50-45°С доминируют нитчатые цианобактерии Oscillatoria sp. и Phormidium sp., в меньшем количестве представлены одноклеточные цианобактерии Synechococcus sp. и Gloeocapsa sp. При температуре 25-35°С на смешении термальных вод и вод озера Байкал развиваются обрастания Thiotrix sp. Численность Chloroflexus aurantiacus учтенная методом посева не превышала 10⁴ кл/мл, несерных пурпурных бактерий Rhodopseudomonas palustris -10⁵ кл/мл, Rh. gelatinosus - 10⁵ кл/мл (Горленко и др., 1985; Компанцева, Горленко, 1988). Также из источников Б. р.з. (Республика Бурятия: источники Ильинский, Аллинский, Кучигерский, Сеюйский, Гаргинский) с рН 8-9 были выделены культуры Meiothermus ruber и, в меньшем количестве, Thermus flavus. Также представлены спорообразующие формы и целлюлозолитические бактерии с оптимумом развития при температуре 50°С и рН 8 (Храпцова и др., 1984).

На Большереченском источнике (Т 72-74°С, рН 9,25, сульфид 13.4 мг/л) в зоне излива фототрофные микробные маты отсутствуют. Высказано предположение, что это связано с одновременным присутствием сульфида и кислорода в воде источника. В микробных матах источника доминируют нитчатые цианобактерии рода Phormidium, также из матов был выделен ряд неизвестных ранее аноксигенных фототрофных бактерий (Юрков, Горленко, 1989, 1990, 1991, 1992; Юрков и др., 1992). Более подробная информация о микробном сообществе Большереченского источника приведена в разделе "Результаты".

В зоне Восточно-Африканского рифта были исследованы микробные сообщества развивающиеся по изливу гидротерм около озера Богория (Кения, рН 8.5-9.5, Т 35-100°С, минерализация до 3.5 мг/л). В составе матов доминируют цианобактерии Synechococcus bigranulatus, Spirulina subsalsa, Phormidium terebriformis, Oscillatoria willei (Krienitz et al., 2003). Также в значительном количестве присутствует Chloroflexus sp. (Grant, Tindall, 1986). Из источников было выделено два штамма "Thermopallium natronophilumT, принадлежащих к порядку Thermotogales (Duckworth et al., 1996).

Хемотрофные микробные сообщества в виде обрастаний были обнаружены в источнике Боулдер спринг (Йеллоустон) при температуре 90-93°С, рН 8.9 и содержании сульфида 3 мг/л. При исследовании стекол обрастания были обнаружены миксотрофные сероокисляющие бактерии, использующие ацетат (Brock et al., 1971). В источниках Накабуса (Япония) хемотрофные микробные обрастания развивались при температурах 76-66°С, рН 8.5 и 8.7, содержании сульфида 2.5 и 0.9 мг/л. В составе сообщества по данным DGGE доминировали представители Thermodesulfobacteria sp., Thermus sp., Staphylothermus marinus, Sulphobococcus zilligii. Представители Aquifex доминировали в одном из источников Накабуса с рН 7.3, но в щелочных источниках обнаружены в малом количестве (Nakagawa, Fukui, 2002). . Также из мата были выделены культуры Roseiflexus castenholzii и Chloroflexus aurantiacus (Hanada et al., 2002).

В пробах из гейзера Удачный (долина Гейзеров, Камчатка) с рН 8.5, азотного типа, было зафиксировано литотрофное образование метана при 60°С, в полученных накопительных культурах доминировали тонкие палочки фенотипически сходные с Methanobacterium thermoautotrophicum (Бонч-Осмоловская и др., 1999).

Из субаквальных гидротерм изливающихся на литорали фьорда Эйджафьордур (Исландия) с рН 10, температурой 71°С, минерализацией 291 мг/л и содержанием сульфида 0.32 мг/л было выделено 50 штаммов аэробных бактерий. Все штаммы способны к росту при 60-65°С и рН 9.0, 20 штаммов способны расти при рН 10. По результатам анализа 16S-рРНК бактерии были отнесены к видам Geobacillus thermoleovorans, "G. caldotenax", G. flavothermus, G. caldovelox, G. thermodenitrificans, G. caldoxylozilyticus и Thermonema sp. (Marteinsson et al., 2001). Примечательно, что типовые штаммы данных организмов не способны расти при рН выше 8 (Назина, Григорьян - личное сообщение). Также был выделен анаэробный организм, археобактерия Desulfurococcus mobilis (Marteinsson et al., 2001). Анализ нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показал, что большинство последовательностей принадлежат эубактериям (45 клонов), археобактерии представлены 10 клонами (Korarchaeota). Большинство эубактериальных клонов (31 клон) относятся к группе Aquificales, из них к Hydrogenobacter thermophilus принадлежит 15 клонов. Также были обнаружены последовательности принадлежащие к группам Nitrospira, Firmicutes (Propionibacterium acnes), б-Proteobacteria (Caulobacter crescentus), в-Proteobacteria (Alcaligens sp.). Представители рода Thermus не были обнаружены (Marteinsson et al., 2001).

микроорганизм щелочной минерализация геохимический

1.2.2 Микробные сообщества нейтральных гидротерм

Фототрофные микробные сообщества нейтральных гидротерм исследованы более подробно чем сообщества щелочных гидротерм. Данные сообщества могут быть разделены на два типа: маты с доминированием цианобактерий (цианобактериальные маты) и маты с доминированием АФБ ("Аноксигенные маты").

Кастенхольц выделяет несколько основных типов цианобактериальных матов в зависимости от особенностей их строения (Castenholz, 1984).

) Мат с "обычной вертикальной последовательностью" доминирует в гидротермах с содержанием сульфида менее 1 мг/л в широком диапазоне температур (до 73°С). В верхнем слое толщиной 1-2 мм доминируют термофильные цианобактерии, в нижнем слое, как правило, доминирует термофильные нитчатые АФБ (Castenholz, 1984; Ramsing et al., 2000; Nubel et al., 2002). Благодаря различающемуся составу пигментов, поглощающих свет разных длин волн, слои не затеняют друг друга, и фотосинтез может происходить до глубины 3-4 мм. Под матом расположена зона деструкции, с доминированием сульфатредукторов или метаногенов. В микробном мате источника Октопус спринг значительной численности достигает термофильная цианобактерия Synechococcus lividus (до 10¹⁰ кл/мл), бродильщик Thermobacteroides acetoethylicus (до 10⁷ кл/мл) и метаноген Methanobacterium thermoautotrophicum (до 10⁷ кл/мл). Меньшей численности достигают бродильщики Clostridium thermohydrosulphuricum и C. thermosulfurogenes (до 10³ кл/мл) (Bauld, Brock, 1974; Wiegel et al., 1979; Zeikus et al., 1980; Ben-Bassat, Zeikus, 1981; Schink, Zeikus, 1983; Ward et al., 1998). Также из микробного мата были выделены АФБ Chloroflexus aurantiacus, Heliotrix oregonensis, Roseiflexis castenholzii и Heliobacterium modesticaldum, аэробные хемоорганототрофные бактерии Thermomicrobium roseum, Isosphaera pallida, Thermus aquaticus, Meiothermus ruber, бродильщики Thermoanaerobacter brockii, Th. ethanolicus, Thermoanaerobacterium thermosulfurigenes, Moorella thermoautotrophica, сульфатредуцирующая бактерия Thermodesulfotobacterium commune (Ward et al., 1998). Анализ выделенной из природных образцов нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров и зондов разной степени специфичности показал, что наибольшее число последовательностей принадлежит цианобактерии Synechococcus lividus (около 30%), также в мате обнаружены последовательности принадлежащие цианобактериям Oscillatoria amphigranulata, Pseudoanabaena galeata. Значительное количество последовательностей принадлежит к некультивируемым видам. Интересно, что генетические методы показали большее разнообразие популяций Synechococcus и Chloroflexus чем считалось ранее. В мате присутствует одновременно до 3-9 популяций, принадлежащих к одному роду или виду (Bateson et al., 1989; Weller et al., 1992; Ferris et al., 1996; Ward et al., 1998; Nubel et al., 2002).

2)  Особенностью "перевернутых матов" является расположение слоя АФБ над слоем цианобактерий. Образование этого типа мата связано с способностью некоторых АФБ существовать в аэробных условиях. Heliotrix oregonensis, не обладающий хлоросомами и нуждающийся в более высокой интенсивности света чем близкородственный Chloroflexus aurantiacus, образует поверхностный слой мата над слоем цианобактерий в слабощелочных бессульфидных (Варм спрингс: рН 8.5, Т 35-56°С, сульфид - менее 1 мг/л, кислород - 6 мг/л) гидротермах Орегона (США) (Castenholz, 1984; Pierson et al., 1984). Образование "перевернутого мата" также может быть связано с большей толерантностью АФБ к сульфиду чем цианобактерий (Ward et al. 1989). В источнике Йистихвер спринг (Исландия) при температуре 58-60°С, рН около 8.5 и содержании сульфида 1.3-2 мг/л развивается микробный мат, в котором Chloroflexus sp. развивается над слоем цианобактерии Chlorogloeopsis sp. При этом Chloroflexus sp. использует сульфид содержащийся в воде источника и тем самым создает нишу для развития Chlorogloeopsis sp. чувствительной к сульфиду и осуществляющей оксигенный фотосинтез (Jorgensen et al., 1988). Аналогичный тип мата обнаружен в источнике Термофильный в кальдере Узон при температуре 60-62°С и содержании сульфида 7.7-8.5 мг/л. В нем под слоем АФБ Chloroflexus aurantiacus расположен слой с доминированием цианобактерий Phormidium sp. и Synechococcus lividus (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989).

3)  "Прозрачные маты" развиваются при температурах около 45°С и отличаются от других значительной толщиной (до 5-6 см). По мнению Кастенхольца (Castenholz, 1984) его развитие возможно благодаря тому, что кальцификация, отложение кремния или резко изменяющаяся температура воды препятствовуют развитию эукариотных организмов разрушающих мат. В составе мата доминируют цианобактерии рода Phormidium, образующие большие количества прозрачного полисахаридного геля и относительно небольшое количество хлорофилла. Это позволяет свету проникать на глубину до 1.5 см и фотосинтез происходит на больших глубинах чем в матах с доминированием Synechococcus lividus (Castenholz, 1984).

Особенностью "аноксигенных матов" является отсутствие, либо незначительное количество цианобактерий в составе микробного мата. Существование подобных матов имеет эволюционное значение, так как показывает, что образование древнейших строматолитов могло быть не связанным с цианобактериями и оксигенным фотосинтезом (Ward et al., 1989). Вард с соавторами выделяют несколько типов "аноксигенных матов" в зависимости от доминирующей в составе мата АФБ (Ward et al., 1989).

)"Мат Chloroflexus". Микробные маты с доминированием Chloroflexus aurantiacus развиваются в сульфидсодержащих гидротермах (более 1 мг/л) при температурах выше 50°С. Это источники Нью Пит Спринг (Йеллоустон) температура развития мата 52-58°С, рН 6.3, содержание сульфида 1 мг/л; Маммот спринг (Йеллоустон), температура 50-65°С, содержание сульфида 1.5-8 мг/л, рН 6.2-6.8; Бадстофухвер (Исландия) с температурой развития мата 65-70°С, рН 8.3 и содержанием сульфида 1 мг/л (Giovannoni et al., 1987; Madigan et al., 1989; Ward et al., 1989; Skirnisdottir et al., 2000). Анализ нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показал, что в мате развивающемся в источнике Бадстофухвер цианобактерии представлены в небольшом количестве (2 клона из 123, около 1%). 45% клонов было близко Chloroflexus aurantiacus, который, очевидно, является первичным продуцентом в этом мате. Следующими, по убыванию встречаемости клонов, были группы: Aquificales (Calderobacterium hydrogenophilum, Thermocrinis ruber), Thermus- Deinococcus (Thermus sp.), Meiothermus (Meiothermus ruber), Nitrospira (Thermodesulfovibrio sp.), Thermotogales (Fervidobacterium gondwanalandicum), Stigonematales (Chlorogloeopsis sp.), Proteobacteria (Craurococcus roseus, Thiobacillus hydrothermalis). 4 выделенных клона не могли быть отнесены к каким-либо известным группам (Skirnisdottir et al., 2000).