МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 83, № 2, с. 180-190
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.2.08
АКТИВНОСТЬ И СТРУКТУРА СООБЩЕСТВА СУЛЬФАТ-РЕДУЦИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ В ОСАДКАХ ЮЖНОЙ КОТЛОВИНЫ ОЗ. БАЙКАЛ
© 2014 г. Н. В. Пименов1, *, Е. Е. Захарова1, А. Л. Брюханов1, 2, В. А. Корнеева1, 2, Б. Б. Кузнецов3, Т. П. Турова1, 2, Т. В. Погодаева4, Г. В. Калмычков5, Т. И. Земская4
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, каф. микробиологии
3"Центр биоинженерии" Российской академии наук, Москва 4Лимнологический институт Сибирского Отделения Российской академии наук, Иркутск 5 Институт геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского Отделения Российской академии наук, Иркутск
Поступила в редакцию 14.06.2013 г.
Исследована активность процесса сульфатредукции (СР) и разнообразие сульфатредуцирующих бактерий (СРБ) в осадках района поднятия "Посольская банка" южной котловины оз. Байкал. Значения скоростей СР на исследованных станциях варьировали от 1.2 до 1641 нмоль/(дм3 сут), причем максимальные скорости этого процесса (более 600 нмоль/(дм3 сут) обнаружены как на мелководных, так и на глубоководных станциях в подповерхностных илах. Расчет интегральной интенсивности СР в верхнем 50-м слое осадочных отложений показал, что во всех исследованных газонасыщенных и газогидрат-содержащих илах интегральная скорость СР выше по сравнению с осадками, где содержание метана невелико. На среде Видделя для пресноводных форм СРБ пресных водоемов получены накопительные культуры. На основе анализа фрагментов гена 168 рРНК из библиотеки клонов накопительных культур установлено, что в осадках полигона "Посольская банка" присутствуют СРБ рода БезШ/озрогозЫт, наиболее близкий представитель которого, Б. \acus, способен к восстановлению сульфатов, сульфитов и тиосульфатов, а также представители порядка С1озМШа!ез.
Ключевые слова: сульфатредукция, сульфатредуцирующие бактерии, газонасыщенные и газогидрат-содержащие осадки, озеро Байкал.
DOI: 10.7868/S0026365614020177
Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) составляют группу анаэробных прокариот, использующих сульфат в качестве терминального акцептора электронов. Донором электронов для дисси-миляционной сульфатредукции могут быть разные органические соединения (преимущественно, низкомолекулярные) и водород, образованные на первом этапе разложения органического вещества (ОВ) сообществом аэробных и анаэробных гетеротрофных микроорганизмов, обладающих необходимым набором гидролитических ферментов. Способность некоторых СРБ к анаэробному дыханию с использованием не только сульфата, но и других акцепторов электронов (элементной S, тиосульфата, нитрата, Mn(IV), Fe(III) и др.) [1, 2], а также наличие эффективных систем антиокислительной защиты [3, 4] обеспечивают широкое распространение
1 Автор для корреспонденции (e-mail: npimenov@mail.ru).
этой группы микроорганизмов в самых разнообразных природных и антропогенных местообитаниях. Установлено, что в восстановленных морских осадках и озерах с высоким содержанием сульфатов (более 1 мМ) СРБ играют основную роль в процессах минерализации ОВ [5, 6]. Устойчивость к низким концентрациям растворенного кислорода способствует активному развитию СРБ уже на границе окисленных и восстановленных вод в меромиктических водоемах [7—9] и осадочных отложениях [10], где численность этих бактерий может достигать 105—108 кл./мл воды или см3 ила. В анаэробных зонах пресных водоемов биогеохимическая активность СРБ ограничивается низким содержанием сульфата, который практически полностью потребляется этой группой микроорганизмов уже в самых верхних горизонтах осадочных отложений [11]. Однако, поскольку Кт потребления сульфата изменяется от 5 до 30 мкМ, СРБ хорошо приспособлены к усло-
виям содержания в среде малых концентрации сульфата и сохраняют жизнеспособность в пресных водоемах с низкой минерализацией.
Воды озера Байкал — самого глубокого пресного водоема Земли, относятся к числу маломинерализованных, с суммарной концентрацией солей около 100 мг/л. По данным многочисленных исследований среднее содержание сульфата в водах разных районов Байкала составляет 5.5 мг/л [12]. Несмотря на большие глубины, воды Байкала даже в придонных горизонтах содержат высокие концентрации кислорода (87—100% от насыщения) [13]. Поэтому активное развитие сообщества СРБ в глубоководной зоне возможно только в подповерхностных осадочных отложениях под слоем окисленных осадков, толщина которого в зависимости от района обычно составляет 3—15 см.
Более 35 лет назад с использованием специфических питательных сред в осадках Байкала было выявлено присутствие жизнеспособных клеток СРБ [14]. Позднее Намсараевым с соавт. [15] радиоизотопным методом было показано, что активность процесса сульфатредукции (СР) достоверно регистрируется в верхних 15—20 см осадочных отложений и изменяется от 0.3 до 1200 нмоль/(дм3 сут), причем наибольшие интенсивности этого процесса отмечались в зоне сброса сточных вод Байкальского целлюлозо-бумажного комбината. В глубоководных осадках максимальные скорости СР не превышали 7 нмоль/(дм3 сут). На среде Постгейта численность СРБ из осадочных отложений разных районов Байкала изменялась от 0.5 х 103 до 2.1 х 105 кл. в см3 сырого ила. Иммуно-флюоресцентным методом в осадках озера обнаружено присутствие (до 3.3 х 104 кл./см3) клеток Лвзы1/оу1Ьг1о desulfuricans и Ве8и1/о1отасы1ит guttoi-deum. Сопоставление расхода Сорг на восстановление сульфатов и образование СН4 указывает на то, что, в целом, в терминальной фазе разложения ОВ в осадках Байкала основную роль играют ме-таногенные археи, в то время как СРБ активно участвуют в деструкционных процессах лишь в отдельных осадочных слоях [15].
Значительные концентрации 804 (до 15 мМ) выявлены в поровых водах осадочных отложений грязевого вулкана "Маленький", расположенного в южной котловине озера на глубине 1370—1393 м [16, 17]. Интенсивности СР в осадках этого вулкана варьировали от 0.001 до 0.7 нмоль/(см3 сут) и заметно превышали скорости процесса СР, измеренные ранее в осадочных отложениях глубоководной зоны Байкала.
Исследования структуры микробного сообщества в глубоководных осадках метанового сипа "Санкт-Петербург" с использованием пиро-секвенирования генов 168 рРНК и анализа функциональных генов показало, что здесь в по-
верхностных осадках доминируют метаногенные археи порядков МеЛапоткгоЫае и ЫеЛапозага-па1ез [18]. Обращает на себя внимание тот факт, что ни в поверхностных осадках, ни в зоне появления газовых гидратов (ГГ) на глубине 80—85 см в осадочной толще не было обнаружено присутствия СРБ, а также известных анаэробных не-культивируемых метанотрофных архей. Однако профиль распределения сульфат-иона в поровых водах с выраженным максимумом (около 0.17 мМ) [18] свидетельствует о том, что в поверхностных осадках должен осуществляться процесс СР, обнаруженный ранее в других геохимически активных районах Байкала [17]. А вот отсутствие анаэробных метанотрофных архей, осуществляющих процесс анаэробного окисления метана в консорциуме с СРБ [19—21], вполне объяснимо для газонасыщенных байкальских осадков, поскольку глубже 20 см содержание сульфата в иловых водах падает практически до нуля. Таким образом, на сегодняшний день в литературе имеется информация об активностях процесса СР в осадках оз. Байкал, но практически отсутствуют данные о структуре микробных сообществ, осуществляющих процесс восстановления сульфатов в осадочных отложениях.
В этой связи целью настоящей работы являлось исследование активности процесса сульфат-редукции и выявление структуры сообщества СРБ в газонасыщенных и гидрат-содержащих осадках южной котловины оз. Байкал.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Отбор проб и измерение скоростей сульфатредукции. Отбор проб донных осадков проводили с борта НИС "Г.Ю. Верещагин" в июле 2012 г. в южной котловине оз. Байкал в районе поднятия "Посольская банка". На рис. 1 представлена карта полигона и точки пробоотбора донных осадков. В таблице даны координаты станций отбора проб, их глубины, а также типы пробоотборников.
Скорость процесса сульфатредукции определяли радиоизотопным методом с использованием 358-сульфата. Немедленно после подъема на борт судна геологического пробоотборника 3 мл осадка с соответствующего горизонта помещали в пластиковый шприц объемом 5 мл с обрезанным концом, который затем закрывали пробкой из газонепроницаемой бутиловой резины. Через пробку в каждую пробу другим шприцом вносили
по 0.2 мл 358-802- (10 мкКи) и инкубировали пробы в холодильнике при температуре 3—5°С в течение 1—2 сут. После завершения инкубации пробы фиксировали 1 мл 2 М раствора КОН и транспортировали в стационарную лабораторию. Дальнейшую обработку проб осуществляли по описанной ранее методике [22].
Рис. 1. Мультибимная батиметрическая карта полигона "Посольская банка", белым цветом показано местоположение станций пробоотбора (карта получена при поддержке проекта 23.7 Программы Президиума РАН и Fonds Weten-schappelijk Onderzoek, проект 1.5.198.09).
Иловые воды получали центрифугированием осадков при 8000 g в течение 10 мин на центрифуге ЦУМ-1 (Россия). Содержание сульфат-иона в поровых водах осадков измеряли на ионном хроматографе "Стайер" (Россия).
Содержание метана в донных отложениях измеряли методом фазово-равновесной дегазации [23], известным в литературе как "headspace analysis", на хроматографе "ЭХО-ПИД" с пламенно-ионизационным детектором (2-х метровая насадочная колонка с внутренним диаметром 2 мм; сорбент — Po-rapak, режим изотермический, Т = 100°C).
Накопительные культуры сульфатредуцирую-щих бактерий из озера Байкал получали в жидкой
среде Видделя для пресноводных форм сульфат-редукторов [24], содержащей полный набор витаминов и дрожжевой экстракт (0,5 г/л).
Питательные среды готовили, используя анаэробную технику Хангейта [25]. О росте сульфат-редуцирующих бактерий судили по увеличению содержания сероводорода по сравнению с контролем. Образование Н28 определяли колориметрическим методом с ^^диметилпарафениле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.