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

2)  "Мат Chromatium". Мат с доминированием Chromatium tepidum развивается при более низких температурах и обнаружен в источнике Роландс велл (Йеллоустон), температура развития мата 52-55°С, рН 6.3, содержание сульфида 1.3 мг/л (Madigan et al., 1989; Ward et al., 1989).

3)  "Мат Chlorobium". Мат с доминированием Chlorobium tepidum обнаружен в источнике Травелодж стрим (Новая Зеландия), температура 42-56°С, рН 5.3-7.1, содержание сульфида 9-27 мг/л (Ward et al., 1989; Castenholz et al., 1990).

Доминирование в составе микробного мата в одних случаях аноксигенных, а в других случаях оксигенных фототрофных бактерий Кастенхольц связывает с различным содержанием сульфида в воде гидротерм. По его мнению, содержание сульфида выше 0.96-1.92 мг/л при рН 6-10 и температуре выше 55°С полностью исключает развитие цианобактерий и создает условия для доминирования АФБ (Castenholz, 1984). Тем не менее, эта гипотеза не объясняет, почему в источниках с высоким содержанием сульфида и высокой температурой (Термофильный и Ийстихвер спринг) цианобактерии развиваются в большом количестве под слоем АФБ и чисто "аноксигенного" мата не возникает.

В термофильных хемотрофных сообществах первичными продуцентами являются хемолитоавтотрофные микроорганизмы циклов серы и железа (Бонч-Осмоловская, Заварзин, 1989; Jannasch, Mottl, 1985; Moyer et al., 1995; Kashefi et al., 2002). При температуре 65-93°С, рН от 6.7 до 8.3, содержании сульфида свыше 1 мг/л развивается микробное сообщество с доминированием микроаэрофильных хемолитотрофных микроорганизмов, часто образующих космы белого цвета с выпадением глобул элементной серы на поверхности. Анализ нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показал, что в исследованных гидротермах 27-74% последовательностей принадлежит представителям группы Aquifex-Hydrogenobacter, способных к аэробному хемолитотрофному росту используя водород и соединения серы в качестве доноров электронов. Второй по значимости группой являются представители Proteobacteria. В меньших количествах представлены последовательности принадлежащие Thermodesulfobacterium, Thermodesulfovibrio, Thermus, Thermotogales, зеленым несерным бактериям. До 30% эубактериальных последовательностей принадлежит неизвестным группам организмов. Из представителей археобактерий были обнаружены последовательности близкие к представителям родов Pyrobaculum, Pyrodictium, Thermophilum, Archaeoglobus, Desulfurococcus и последовательности принадлежащие к группе Korarchaeota (до 77% клонов археобактерий) (Barns et al., 1994; Barns et al., 1996; Blank et al., 2002; Huber et al., 1998; Hugenholtz et al., 1998; Skirnisdottir, 2000; Reysenbach et al. 1994; Yamamoto et al., 1998; Reysenbach et al., 2000а).

О сообществе "Thermothrix" известно немного. Было показано, что в гидротермах с температурой 65-85°С, рН около 7 и содержанием сульфида свыше 1 мг/л развивается сообщество основанное на жизнедеятельности Thermothrix thiopara или Thermotrix azorensis Эти бактерии, относящиеся к fi-Proteobacteria, окисляют глубинный сероводород до элементной серы, которая откладывается на поверхности бактериальных обрастаний, приобретающих вид белых "косм" (Бонч-Осмоловская и др., 1987; Бонч-Осмоловская, Заварзин, 1989; Caldwell et al., 1976; Odintsova et al., 1996). Обращает на себя внимание то, что физико-химические факторы среды, при которых развивается сообщество "Thermothrix", совпадают с условиями развития сообществ с доминированием представителей группы Aquifex-Hydrogenobacter. Не ясно, какие именно факторы среды способствуют развитию того или иного типа сообществ.

В субаквальных гидротермах рН флюида, как правило, не превышает 4.5 (Von Damm, 1995). Тем не менее, при смешении с морскими водами возникает резкий градиент физико-химических условий. рН изменяется от 3-5 до 6-7 и температура от 300°N (в наиболее высокотемпературных глубоководных гидротермах) до 4-20°С. Поэтому в гидротермальных системах создаваются условия для развития нейтрофильных термофильных микроорганизмов (Sievert et al., 1999; Takai et al., 2001). Литотрофные термофильные микроорганизмы полученные в настоящее время в чистых культурах включают метаногены, сульфат-, тиосульфат-, сероредукторы и денитрификаторы, а также факультативные анаэробы. Наибольшим количеством видов представлены метаногены, представители родов Methanococcus и Methanopyrus. Сульфатредуцирующие археи представлены родом Archaeoglobus. Органотрофные термофильные бактерии представлены родами Thermococcus, Pyrococcus, Staphylothermus, Hyperthermus, Pyrodictium (Бонч-Осмоловская, 2002). Анализы нативной ДНК с помощью 16S рРНК-ориентированных праймеров показали, что в субаквальных гидротермах присутствуют представители филогенетических групп эубактерий: e-Proteobacteria, в-Proteobacteria, Desulfurobacterium, Aquificales. Археи представлены: Archaeoglobales, Thermococcales, Thermopasmales (Reysenbach et al., 2000б; Takai et al., 2001). В функционировании хемотрофных микробных сообществ важную роль играет окисление восстановленных соединений серы поступающих с флюидом на границе с кислород содержащими океаническими водами (Jannasch, Mottl, 1985; Karl et al., 1980). Большое количество окислов железа, вероятно бактериального происхождения, в районах субаквальных гидротерм может свидетельствовать о высокой роли окисления железа в функционировании сообщества (Намсараев и др., 1991; Горшков и др., 1992; Juniper et al., 1988; Puteanus et al., 1991; Duhig et al., 1992; Stoffers et al., 1993; Bogdanov et al,. 1997; Iizasa et al,. 1998; Little et al., 1999; Trewin, Knoll, 1999; Preat et al., 2000; Emerson, Moyer, 2002). Также заметную роль может играть окисление метана (Гальченко, 2002; Teske et al., 2002).

.3 Активности продукционных и терминальных деструкционных процессов в фототрофных и хемотрофных микробных сообществах гидротерм

.3.1 Микробные сообщества щелочных гидротерм

Определение интенсивностей продукционных и терминальных деструкционных процессов в фототрофных микробных сообществах щелочных гидротерм ранее не проводилось.

Хемотрофные микробные обрастания были исследованы в источнике Боулдер спринг (Йеллоустон) с температурой 90-93°С, рН 8.9 и содержанием сульфида 3 мг/л. Было обнаружено, что добавление раствора сульфида натрия (13 мг/л сульфида) в пробу значительно стимулировало потребление 14С-ацетата. Стимулирующий эффект также оказывали сульфиды алюминия, кальция и сурьмы, легко гидролизующиеся в растворе. Слаборастворимые сульфиды не оказывали стимулирующего эффекта (сульфиды цинка, меди, свинца и т. д.). Тиосульфат и элементная сера не стимулировали потребление ацетата, сульфит и метабисульфит стимулировали (Brock et al., 1971).

В пробах ила на подводных термальных выходах в слабоминерализованном щелочном озере Танганьика (Восточно-Африканский рифт, рН (озеро) 8.5-9.2, рН (гидротермальные воды) 7.7-8.8, глубина термальных выходов от 0 до 6 м, температура на изливе 66-103°С) была измерена интенсивность сульфатредукции в зависимости от рН. Было обнаружено, что оптимум процесса находится при рН 7, процесс полностью ингибируется при рН 8.8-9.2 (Elsgaard et al., 1994).

В пробах из гейзера Удачный (долина Гейзеров, Камчатка) с рН 8.5, азотного типа (72.2% в газовом составе), была определена скорость темновой продукция при 60 и 85°С (до 107.07 мкгС/л сут). Также было показано наличие слабого процесса метаногенеза при 70°С (0.072 мкгС/л сут) и активное образование ацетата из СО2, снижающееся с повышением температуры (до 25.41 мкгС/л сут) (Бонч-Осмоловская и др., 1999).

.3.2 Микробные сообщества нейтральных гидротерм

Продукционные процессы в цианобактериальных матах. Значения продуктивности цианобактериальных матов нейтральных гидротерм близки к значениям продуктивности других высокопродуктивных экосистем. Содержание хлорофилла а может достигать 700-800 мг/м², что сравнимо с аналогичными данными полученными для микробных матов соленых озер и гиперсоленых лагун (до 551 мг хл а/м², до 75.4 мг бхл а/м²) и несколько уступает значениям полученных в матах мелководных нейтральных гидротерм бухты Кратерной с температурой до 34°C (до 1.6 г хл а/м², до 1 г бхл а/м²) (Brock, 1967б; Castenholz, 1969; Bauld, 1984; Gerdes et al, 1985; Tarasov et al., 1990).

Максимальная фотосинтетическая продукция может достигать нескольких грамм углерода на метр в сутки. Например, 2.3 гС/м² сут в "зеленом" мате источника Термофильный (Камчатка), 4.32-5.4 гС/м² сут в источнике Октопус спринг (Йеллоустон) (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989; Revsbech, Ward, 1984; Ferris et al., 1997), что сравнимо с значениями полученными в матах бухты Кратерной (до 3.7 гС/м² сут), и несколько уступает значениям фотосинтетической продукции в микробных матах гиперсоленого озера Солар лейк (до 12 гС/м² сут), гиперсоленых лагун Шарк бей и Спенсер Галф (до 6.13 гС/м² сут) (Jorgensen, Cohen, 1977; Guerero, Mas, 1989; Skyring et al.,1989; Tarasov et al., 1990).

Максимальная темновая продукция в цианобактериальных матах нейтрального источника Термофильный достигает 0.29 гС/м² сут, что значительно уступает темновой продукции в матах бухты Кратерной (до 29.7 гС/м² сут) (Tarasov et al., 1990).

Максимальная фотосинтетическая продукция отмечена при температурах 55-45°С (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989; Doemel, Brock, 1977; Castenholz, 1984; Revsbech, Ward, 1984). Максимальная скорость роста мата, определенная внесением в качестве маркера биологически инертного силиката карбида, также отмечена при температурах около 50°С и составляет 18-45 мкм/сут (Doemel, Brock, 1977). Необходимо учитывать, что эта скорость может отражать сукцессионную фазу после нарушения целостности микробного мата и может не соответствовать скорости роста ненарушенного мата (Nold et al., 1996).

Наибольшая активность продукционных процессов в микробном мате отмечена в верхнем слое до глубины 2 мм, что в большинстве случаев соответствует максимальной глубине проникновения солнечного света (Bauld, Brock, 1973; Castenholz, 1984; Pierson et al., 2000). Исключение составляет мат, развивающийся в источнике Йистихвер (Исландия), где оксигенный фотосинтез отмечен на глубине до 14 мм (Jorgensen, Nelson, 1988). Глубина проникновения света определяется содержанием пигментов в верхнем слое мата в связи с затенением нижних слоев и нехваткой света для фотосинтеза (Brock, Brock, 1969; Bauld, Brock, 1973). Максимальное содержание белка также отмечено в верхних 2 мм мата (Doemel, Brock, 1977). При удалении верхнего слоя скорость оксигенного фотосинтеза уменьшается более чем в 10 раз (Ferris et al., 1997). В течение дня, в ходе оксигенного фотосинтеза, происходит подщелачивание поверхностного слоя цианобактериального мата. В микробном мате источника Хантерс спринг (Орегон, США) рН в поверхностном слое повышается до 9, тогда как в нижних слоях мата в ходе деструкционных процессов происходит подкисление до 6.3 (Revsbech, Ward, 1984). Интересно, что в "аноксигенных матах" подщелачивание поверхностного слоя не наблюдается, значения рН с глубиной практически не изменяются (Giovannoni et al., 1987; Castenholz et al., 1990).

Соотношение оксигенного и аноксигенного фотосинтеза может колебаться в широких пределах. На примере микробных матов источника Термофильного было показано, что доля аноксигенного фотосинтеза уменьшается с понижением температуры от 76-40% при 62-56°С до 1-10% при температурах ниже 50°С. Доля оксигенного фотосинтеза, соответственно, возрастает (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989).

Соотношение аноксигенного и оксигенного фотосинтеза также зависит и от времени суток. Так, на примере цианобактериального мата с доминированием Synechococcus lividus (55-50еС) развивающегося в источнике Октопус спринг, было показано, что в течение дня фотосинтетическая фиксация углекислоты осуществляется Synechococcus lividus (Doemel, Brock, 1977). Тем не менее, присутствующий в мате Chloroflexus aurantiacus способен к фотоавтотрофному росту на сульфиде, хотя условия для этого создаются только в течение ограниченного периода времени утром, когда свет уже проникает в мат, а содержание сульфида все еще довольно высоко (Madigan, Brock, 1975; Revsbech, Ward, 1984).

В мате цианобактерии осуществляют оксигенный фотосинтез с высокой скоростью, но скорость деления клеток не высока в обычных условиях (Nold et al., 1996). Основным продуктом фотосинтеза цианобактерий в микробном мате являются полисахариды (67-84% меченого углерода обнаруживается в составе полисахаридной фракции) расходуемые цианобактериями в ходе темновых реакций (Konopka, 1992; Nold et al., 1996; Ferris et al., 1997). Также, значительная часть фотосинтетически фиксированного углерода выделяется клетками наружу. По разным оценкам доля внеклеточной продукции составляет от 12 до 46% (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989; Bauld, Brock, 1974). Среди выделяемых цианобактериями соединений доминирует гликолят (до 60% от внеклеточной продукции). Далее гликолят быстро поглощается Chloroflexus aurantiacus (Ward et al., 1984).

Внесение закисного железа (1 мМ) стимулирует оксигенный фотосинтез (до 500%) и темновую фиксацию (до 175%), но не стимулирует аноксигенный фотосинтез, как было показано на примере железистого источника Чоколейт пот (Йеллоустон, 54°C, рН 6, Fe(II) 5.1 мг/л). Интересно, что стимулирование фиксации 14С-бикарбоната выше в пробах мата из более высокотемпературных зон с доминированием Synechococcus sp., чем в зонах с умеренной температурой и доминированием Oscillatoria sp. (Pierson et al., 1999; Pierson et al., 2000).

Деструкционные процессы в цианобактериальных матах. Биомасса цианобактериальных матов намного меньше, чем биомасса других экосистем, хотя значения продуктивности близки. Поэтому скорость деструкционных процессов в цианобактериальных матах должна быть очень велика (Guerrero, Mas, 1989). Измерение процесса деструкции с помощью силиката карбида показало, что деструкция проходит в 2 этапа. Первый протекает в течение 2-4 недель, в течение которого, вероятно, разрушаются легко разрушаемые вещества. Второй этап протекает в течение года, на этой стадии, вероятно, разрушаются трудно разрушаемые вещества (Doemel, Brock, 1977).

Популяция Chloroflexus aurantiacus является наиболее многочисленной в микробном мате среди организмов осуществляющим аеробную деструкцию органического вещества. Эта способность скорее всего проявляется в ходе ночной миграции на поверхность микробного мата. Также в процессе аэробной деструкции участвуют Isosphaera pallida, представители родов Thermus и Meiothermus, протеобактерии, грамположительные бактерии (Santegoeds et al., 1996).

В течение суток в микробном мате происходят значительные колебания содержания кислорода и темновое сбраживание полиглюкозы цианобактериями рассматривается как важный механизм обеспечивающий поток углерода через сообщество (Richardson, Castenholz, 1987). В темновых анаэробных условиях Synechococcus lividus переключается на ферментативный метаболизм, что подтверждается уменьшением содержания меченой полиглюкозы и увеличением содержания меченых продуктов брожения (Nold et al., 1996). Ацетат и пропионат являются основными продуктами брожения (ацетат в соотношении 3:1 к пропионату, остальные кислоты в незначительных концентрациях) накапливающимися в мате ночью, при этом в образовании ацетата участвуют как цианобактерии, так и ацетогены (Anderson et al., 1987; Nold et al., 1996). При этом накопление ацетата происходит в верхних 3-4 мм мата (Ward et al., 1984). В дальнейшем ацетат и другие продукты брожения на свету поглощается Chloroflexus aurantiacus (Anderson et al., 1987). В основном ацетат включался в состав клеточного материала, только небольшая часть использовалась для образования СО₂ (Sandbeck, Ward, 1982).

Основные продукты брожения, ацетат и водород, используются терминальными деструкторами. Направление процесса терминальной деструкции контролируется содержанием сульфата. При содержании сульфата в среде в 16.6 мг/л (Октопус спринг) сульфатредукция не подавляет метаногенез, который развивается с высокой скоростью (Ward, 1978). Схожие результаты были получены в источниках с содержанием сульфата от 11.5 до 21.1 мг/л (Sandbeck, Ward. 1982). В источнике Термофильный с содержанием сульфата около 30 мг/л сульфатредукция доминировала, а расход органического вещества через метаногенез составлял от 10 до 78% от расхода через сульфатредукцию (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989). В исландском источнике Граендалса с содержанием сульфата 84 мг/л и йеллоустонских источниках Бэс лейк и Пейнтед пул с содержанием сульфата около 718 мг/л сульфатредукция являлась единственным терминальным процессом деструкции (Ward et al., 1984). В микробных матах источника Термофильный наибольшие скорости терминальных процессов были отмечены в "зеленом" мате при температурах ниже 50°C. Максимальная скорость сульфатредукции составляла 1.44 tS/м² сут, максимальная скорость метаногенеза составляла 0.42 гС/м² сут (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989).

Процесс метаногенеза обнаружен в микробном мате источника Октопус спринг в диапазоне от 68 до 30°C, с оптимумом около 45°C (Ward, 1978). Ацетат не служит важным субстратом для метаногенеза в связи с активным потреблением его Chloroflexus aurantiacus. Автотрофный метаногенез играет намного большую роль, в микробном мате источника Октопус спринг 70-80% метана образуется из СО2 (Sandbeck, Ward, 1982). В микробных матах источника Термофильный образование метана из 14С-ацетата составляет только 11% от общего метаногенеза (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989).

Продукционные и деструкционные процессы в аноксигенных матах. В данном типе матов абсолютные значения продукционных и терминальных деструкционных процессов не определялись. Различными исследователями проводилось стимулирование фотоассимиляции 14С-бикарбоната внесением сульфида. Диурон не ингибировал ассимиляцию. Внесение сульфида (0.56 мМ) в пробы "мата Chloroflexus", развивающегося в источнике Маммот спринг, стимулирует фиксацию на 400%. Светозависимое потребление 14С-ацетата также стимулируется внесением сульфида на 200%. Также было показано, что в данном мате происходит образование сульфида, при этом процесс подавлялся молибдатом, ингибитором сульфатредукции (Giovannoni et al., 1987). Внесение сульфида (0.7-1.1 мМ) в пробы "мата Chlorobium", развивающегося в источнике Травелодж спринг, стимулирует фиксацию на 100% (Castenholz et al., 1990).