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

Скорость водородного метаногенеза незначительна. В зоне излива скорость составляет 0.39 мкгС/м² сут. В зоне I достигает 0.28-0.41 мкгС/м² сут, с понижением температуры возрастает до 1.7 мкгС/м² сут в зоне II и падает до 0.79 мкгС/м² сут.

Доминирующим процессом терминальной деструкции в микробных матах источника является сульфатредукция. Максимальная величина расхода органического вещества через сульфатредукцию составляет 3.09 гС/м² сут, тогда как через метаногенез расходуется максимум 6.8 мкгС/м² сут.

Таким образом, в сульфидсодержащем Аллинском источнике микробное сообщество обладает относительно высокой продуктивностью (содержание хлорофилла а до 351.39 мг/м²). Представляет интерес обнаружение аноксигенного фотосинтеза протекающего с значительной скоростью (0.279 гС/м² сут) при температуре около 70°С. Темновая фиксация углекислоты достигает значительной величины (1.69 гС/м² сут). Доминирующим процессом терминальной деструкции является сульфатредукция (до 4.12 tS/м² сут), роль метаногенеза незначительна.

.5 Большереченский источник

.5.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

Источник N 6 выходит двумя грифонами в 3.5 м один от другого (рис.10а). Температура, содержание сульфида, рН и дебет воды в грифонах одинаковые. Вышедшие на поверхность воды сходятся в один ручей через 5.5 м. При слиянии рукавов происходит смешение горячих вод с более высоким содержанием сульфида из короткого рукава и остывающих вод с пониженным содержанием сульфида из более длинного рукава, в котором вода успевает остыть и лишиться части растворенного сульфида. Таким образом, по изливу источника появляются зоны с различными комбинациями температуры и содержания сульфида, что позволяет детально исследовать влияние лимитирующих факторов среды на микробное сообщество. Во время четырех наблюдений, проведенных в различные годы наших исследований, типы микробных сообществ в различных температурных зонах источника N 6 были неизменными. Из каждой температурной зоны отбиралось до 5 проб из точек с различной температурой.

Микроскопирование проб показало, что в зоне излива (зона I) при температуре от 74 до 54°С и содержании сульфида 6 - 13.4 мг/л видимые микробные пленки не развиваются. Отсутствие микробных матов в этой части русла источника может быть объяснено влиянием сразу нескольких ограничивающих рост микроорганизмов факторов: высокой температурой, высоким значением рН и высокой концентрацией сульфида. В зоне II при температуре от 62 до 51°С и содержании сульфида от 3 до 5.9 мг/л развивается тонкий рыхлый желто-зеленый микробный мат толщиной 1-2 мм. В этой зоне происходит разбавление воды из короткого рукава источника остывающими водами из более длинной протоки. При смешении создаются условия для развития мата, в котором представлены аноксигенные фототрофные бактерии Chloroflexus aurantiacus, нитчатые цианобактерии рода Phormidium и Oscillatoria, и одноклеточные цианобактерии Synechoccus elongatus (рис. 10б,в,г).

В зоне III при температуре 54-37°С и содержании сульфида 2.8 мг/л развивается толстый хрящеватый микробный мат толщиной до 1 -1.5 см. Мат расположен на берегу русла ручья, при этом в толще мата создается значительный градиент температур: от 37°С на поверхности до 54°С в глубине. По результатам исследования под световым и сканирующим электронным микроскопом стекол обрастания инкубированных в толще мата (рис. 10е, 11) верхнюю микрозону занимают Synechococcus elongatus, тогда как Phormidium sp. дислоцируются в более глубоких слоях мата (рис. 10ж, 11). Chloroflexus aurantiacus обнаруживается примерно в равном количестве во всей толще мата (рис. 11). В пробах мата при посеве на элективные среды также обнаружены несерные пурпурные бактерии Rhodopseudomonas palustris, Rubrivivax gelatinosus, Blastohloris viridis, Blastohloris sulfoviridis, Rhodomicrobium vannielii, цианобактерия Synechocystis minuscula, Chloroflexus aurantiacus, гелиобактерии и эритробактерии (табл. 15).

В зоне IV при температуре 51-39°С и содержании сульфида 2.9 мг/л в русле ручья развивается тонкий микробный мат толщиной до 3 - 4 мм. Доминируют Phormidium valderiae f. medium, Synechococcus elongatus и Chloroflexus aurantiacus. В пробах этого мата при посеве на элективные среды также обнаружены несерные пурпурные бактерии Rhodopseudomonas palustris, Rubrivivax gelatinosus, Blastohloris viridis, Blastohloris sulfoviridis, Rhodomicrobium vannielii, цианобактерия Synechocystis minuscula, Chloroflexus aurantiacus, гелиобактерии и эритробактерии (табл. 15). Образцы этого мата имеют in vivo спектр поглощения, указывающий на преобладание в сообществе цианобактерий. Этот мат занимает максимальную площадь по изливу (до 10-12 метров в длину) и может считаться типичным для Большереченского источника.

Микробные маты развивающиеся в зонах III и IV отличаются по толщине и структуре. Тем не менее, физико-химические условия среды в данных зонах практически совпадают. Видовой состав обнаруженных и выделенных нами из проб мата организмов также одинаков, что свидетельствует о сходстве микробных сообществ в этих двух зонах. Различия между структурами матов могут быть объяснены различным расположением матов относительно русла ручья и, следовательно, различием в температурном режиме и в режиме увлажнения.

В низкотемпературной зоне V в диапазоне температур 38-25°С мат приобретает более рыхлую структуру, легко разрушающуюся при отборе. Доминирует Phormidium valderiae f. medium. Цианобактерии также представлены одноклеточными Synechocystis sp. и мезофильной нитчатой Oscillatoria subcapitata не встречающейся в зонах с более высокими температурами. В большом количестве встречаются диатомовые водоросли (рис.10д). Также здесь появляются видимые микробные обрастания фототрофных пурпурных серобактерий Allochromatium sp., развивающиеся отдельными пурпурными пятнами, и обрастания бесцветных серобактерий Thiothrix sp. При посеве проб мата на элективные среды обнаруживаются пурпурные серобактерии Thiocapsa roseopersicina, и мезофильные нитчатые зеленые бактерии Oscillohloris sp. (10³ кл/мл), не встречающиеся при более высоких температурах. Термофильный Chloroflexus aurantiacus, встречается в значительно меньшем количестве, чем в высокотемпературных зонах. Также в пробах мата присутствует ряд несерных пурпурных бактерий, гелиобактерий и эритробактерий, обнаруженных в пробах мата из более высокотемпературной зоны IV (табл. ).

Таким образом, с уменьшением температуры в Большереченском сульфидсодержащем источнике состав фототрофного сообщества расширяется и достигает максимального разнообразия при 54-37°C и содержании сульфида около 2.8 мг/л. Во всех зонах цианобактерии доминируют в составе микробного мата. АФБ достигают значительной численности (до 10⁷ кл/мл), но ни в одной из зон источника не доминируют. Особенностью микробного сообщества Большереченского источника является отсутствие видимых микробных обрастаний в зоне I (74-54еС) источника при содержании сульфида 12 мг/л. Скорее всего, это вызвано комбинированым воздействием высокого содержания сульфида, высокого рН и высокой температуры.

.5.2 Биогеохимическая активность

Измерения содержания хлорофилла а в экстрактах микробных матов показывают, что с понижением температуры содержание пигмента в матах постепенно возрастает. Максимальное содержание хлорофилла а обнаруживается при температуре 40°С (555 мг / м²), в то время как при более высоких температурах обнаруживается 55244 мг хл а/ м². При дальнейшем понижении температуры содержание пигмента падает до 240 мг / м² при 32°С.

Результаты экспериментов с использованием 14 С-бикарбоната показали, что с понижением температуры скорость фотосинтеза в матах постепенно возрастает, вместе с увеличением в них содержания хлорофилла а. В зоне излива источника фотосинтез не обнаруживается, несмотря на присутствие в отобранных пробах грунта цианобактерии Synechococcus elongatus. Далее по изливу источника в зоне II при температуре 62-51°С скорость аноксигенного фотосинтеза (0.105 гС/м² сут) существенно превышает скорость оксигенного фотосинтеза (0.004 гС/ м² сут) (рис.). В цианобактериальных матах, развивающихся в зонах III-IV при температуре 54-37°С, скорость оксигенного фотосинтеза (0.737 гС/ м² сут) превышает скорость аноксигенного фотосинтеза (0.556 гС/ м² сут), что, вероятно, связано с доминированием оксигенных цианобактерий в составе фототрофного сообщества. В этой зоне суммарная скорость фотосинтеза максимальна и достигает 1.3 гС/ м² сут. При дальнейшем понижении температуры, в зоне V при температурах ниже 39°С, скорость оксигенного фотосинтеза падает до 0.071 гС/ м² сут и аноксигенный фотосинтез снова преобладает (0.882 гС/ м² сут).

В зоне излива скорость темновой фиксации углекислоты составляет 0.181 гС/ м² сут. При 62°С скорость темновой фиксации углекислоты понижается и достигает 0.0775 гС/ м² сут, с дальнейшим понижением температуры постепенно возрастает и достигает максимума при 32°С (0.806 г С/ м² сут) (рис.12). Этот показатель отражает суммарную активность хемотрофных микроорганизмов.

Скорости терминальных процессов деструкции в микробных матах и осадках по изливу источника были исследованы с применением радиоактивного S³⁵ - сульфата, 14С-бикарбоната и С¹⁴-ацетата. В зоне излива источника происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0.08 tS/м² сут. В этой же точке обнаружен слабый процесс метанобразования со скоростью 0.726 мкгС/ м² сут. Процессы идут, видимо, за счет доноров электронов, поступающих с водой (Н2, органическое вещество). По изливу скорость сульфатредукции в микробных матах постепенно возрастает (рис.12) и достигает максимума при 40°С (0.367 г S/ м² сут). При дальнейшем понижении температуры до 32°С скорость сульфатредукции падает до 0.053 г S/м² сут.

Скорость водородного и ацетокластического метаногенеза по изливу незначительна и достигает максимума (1.188 мкгС/ м² сут)при 51°С в толстом мате зоны IV. Скорость водородного метаногенеза по изливу изменяется (рис.12). В зоне излива достигает 0.381 мкгС/ м² сут, с понижением температуры возрастает и достигает максимума при 51°С (0.555 мкгС/м² сут), далее по изливу падает до 0.398-0.432 мкгС/ м² сут при 32-39°С. Скорость ацетокластического метаногенеза по изливу колеблется в более широких пределах (рис.12). В зоне излива скорость ацетокластического метаногенеза составляет 0.345 мкгС/ м² сут, при 62°С повышается до 0.645 мкгС/ м² сут, затем в температурном диапазоне 51-39°С падает до 0.151-0.271 мкгС/ м² сут, и снова повышается при 32°С С до 0.639 мкгС/ м² сут.

По изливу с понижением температуры до 39°С продуктивность систем резко возрастает. Как следствие, суммарная деструкция в этой же зоне также ускоряется, хотя и не так быстро, как продукция органического вещества. Следовательно, с понижением температуры возрастает диспропорция между этими процессами. В зоне IV, где скорости этих процессов максимальны, через метаногенез и сульфатредукцию минерализуется 21% органического вещества. Большая часть оставшегося органического вещества микробных матов, очевидно, минерализуется в процессах кислородного дыхания. Нельзя исключить заметную роль в минерализации органического вещества сероредуцирующих микроорганизмов, поскольку в пробах грунта и матов обнаружена элементная сера (Табл. 14). Содержание серы в матах постепенно увеличивается с понижением температуры по изливу от 0.174-0.685 tS/м² при 54-39°С до 1.064-1.167 гё/ м² при 39-25°С. Ее содержание соизмеримо с сульфатной серой в протекающей воде источника. Таким образом, в сульфидсодержащем Большереченском источнике наиболее продуктивными являются сообщества развивающиеся при температуре 33-39°С, температуре более низкой чем в источниках Гаргинский, Уринский и Сеюйский с меньшим содержанием сульфида. Также обращает на себя внимание относительно невысокая продуктивность микробных сообществ источника по сравнению с другими исследованными нами источниками (кроме Аллинского). Доминирующим процессом терминальной деструкции является сульфтредукция, роль метаногенеза незначительна.

.5.3 Влияние температуры и рН на микробное сообщество

На примере Большереченского источника с температурой на изливе 84° С и рН 9.8 было исследовано влияние температуры и рН на развитие фототрофных микроорганизмов. В острых опытах установлено, что цианобактерии наиболее активно фиксируют углерод бикарбоната при рН 9 - 9.5 (рис. 13). Это вполне согласуется с тем, что у поверхности мата рН в дневные часы доходит до 9.4, как было показано на примере слабощелочного (рН 8.2) источника Октопус спринг (Revsbech, Ward, 1984). Все исследованные аноксигенные фототрофные бактерии, напротив, являются нейтрофилами (рис. 13), хотя некоторые из них способны активно расти при рН 8.0 - 9.5 (Брянцева и др., 2000). Склонность к росту при нейтральных значениях рН может быть объяснена низкой карбонатной буферностью воды низкоминерализованного источника. Отметим также то, что аноксигенные фототрофные бактерии развиваются в микробных матах в нижних микрозонах в непосредственной близости к зоне активных деструкционных процессов, ведущих к подкислению среды.

При посеве проб из микробных матов Большереченского источника при разных температурах было обнаружено, что диапазон развития мезофильных микроорганизмов в культурах был уже температурного диапазона их обнаружения в микробных матах (Таб. 17). Это может свидетельствовать о сезонных колебаниях температуры воды источника и устойчивости обнаруженных мезофильных бактерий к повышенной температуре. Известно, что снижение температуры изливающейся воды термальных источников может возникать из-за смешания термальных и метеорных вод в период обильных дождей (Ломоносов, 1974).

.6 Источник "Паоха" (Моно Лейк)

.6.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

В отличие от источников Б.р.з. источник "Паоха" обладает повышенной минерализацией (25 г/л). Температура воды на изливе составляет 94°С, рН 9.7, содержание сульфида - 55 мг/л.

В зоне излива при температуре от 94 до 47 °С видимые микробные обрастания отсутствуют. Их отсутствие вызвано одновременным воздействием нескольких экстремальных факторов: температуры, солености, высокого рН и содержания сульфида. Из этой зоны нами была выделена культура Anaerobranca californiensis sp. nov.

Зона I. При температуре 47°С по руслу источника появляется микробный мат пурпурного цвета (рис. 14б). В составе мата доминируют цианобактерии Phormidium sp. и пурпурные бактерии Ectothiorhodospira shaposhnikovi., Спектр поглощения клеток и филогенетическое положение выделенного штамма E. shaposhnikovii приведены на рис. 15). В меньшем количестве обнаружены цианобактерии Aphonotecae sp., диатомеи (рис. 14г,д,е).

.6.2 Биогеохимическая активность

Измерения содержания хлорофиллов и определение интенсивностей микробных процессов в источнике не производилось.

3.7 Биогенное минералообразование в микробных матах щелочных термальных источников

Участие микробного сообщества в минералообразовании изучалось на примере Гаргинского источника, где по изливу образуется травертин в форме купола. Максимальная мощность отложений составляет 2.5 м. По составу травертин близок к чисто карбонатно-кальциевым, в нем также обнаружено относительно высокое содержание SiO₂ (3.61%) и MnO (1.27%). Возраст травертина средневерхнеплейстоценовый, и составляет 19245-25725 лет (Плюснин и др., 2000).

По нашим наблюдениям, процесс травертинообразования тесно связан с деятельностью микробного мата. Так, наибольшая активность процесса обнаруживается в зонах с постоянным доступом воды источника и превышением продукции над деструкцией (зоны I, II, III). Здесь происходит формирование щелочного геохимического барьера в ходе оксигенного фотосинтеза в цианобактериальном мате, на котором и происходит осаждение карбоната кальция. Если же доступ воды из источника уменьшается (зона IV), то деструкция в мате (0.89 гС/м² сут) значительно превышает продукцию (0.24 гС/м² сут). При этом мат высыхает, образуя тонкие постепенно разрушающиеся корки, и литификации микробного мата не происходит. Таким образом, микробное сообщество играет важную роль в травертинообразовании в Гаргинском источнике.