МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 73, № 2, с. 248-257
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.68(285.2)
БАКТЕРИАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛА МЕТАНА В ДОННЫХ ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ
© 2004 г. О. П. Дагурова*1, Б. Б. Намсараев*, Л. П. Козырева*, Т. И. Земская**, Л. Е. Дулов***
*Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, Улан-Удэ **Лимнологический институт СО РАН, Иркутск ***Институт микробиологии РАН, Москва Поступила в редакцию 26.11.02 г.
В донных осадках озера Байкал проведена количественная оценка деятельности метаногенных и метанотрофных бактерий. Содержание метана в донных отложениях озера варьирует от 0.0053 до 81.7 мл/дм3. Скорость бактериального образования метана составляет 0.0004-534.7 мкл СНДдм3 сут), окисления - 0.005-1180 мкл СН4/ (дм3 сут). Максимальная скорость этих процессов измерена в осадках вблизи метанового вента в бухте Фролиха. За сутки с 1 м2 осадков в водную толщу поступает 49.2-4340 мкл СН4. В придонных слоях воды скорость бактериального окисления метана равна 0.002-1.78 мкл/ (л сут). Установлено, что метаногены и метанотрофы играют важную роль в круговороте углерода по всей толще изученных осадков озера и особенно в районах метановых вент и газогидратов.
Ключевые слова: метанобразование, метанокисление, эмиссия метана, озеро Байкал.
Цикл метана состоит из процессов образования и окисления метана, осуществляемых специализированными группами бактерий [1]. Соотношение этих процессов в водных экосистемах характеризует эмиссию метана в атмосферу с поверхности водоема. Ранее проведенные исследования деятельности метаногенных и метанотрофных бактерий в морских и пресных экосистемах показали их значительную роль в биогеохимическом круговороте углерода и газовом режиме [1-9].
В озере Байкал, глубочайшем озере планеты, определена ключевая роль метаногенеза на конечных этапах анаэробной деструкции органического вещества (ОВ) в донных отложениях [10, 11]. Процесс окисления метана в донных отложениях и водной толще не изучался. Особый интерес представляет деятельность бактерий цикла метана в районах озера Байкал, осадки которых отличаются своеобразными физико-химическими условиями. К таким районам относятся выходы низкотемпературных гидротермальных вод в бухте Фролиха и места обнаружения метангидра-тов в Южном Байкале [12, 13].
Цель данной работы - количественная оценка процессов бактериального образования и окисления метана в донных осадках различных участков озера Байкал.
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: dagurova@biol.bsc.bury-
atia.ru).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Микробиологические исследования были проведены в ходе экспедиций по озеру Байкал на научно-исследовательском судне "Верещагин" в августе-сентябре 1991 г., июне 1992 г., сентябре 1997 г. и марте 2000 г.
Пробы донных отложений отбирали при помощи грейфера, геологической трубы и дночерпате-ля. Значения рН и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) определяли потенциомет-рически при помощи портативного иономера БС-82 (Япония).
Содержание карбонатов определяли на жидкостном хроматографе ЭнвайроХром (Япония). Для количественного определения содержания метана использовали десорбционный метод [14]. Для этого пробы донных осадков отбирали в стеклянные пробирки Балча (объем 30 см3) с 5 г КаС1, которые закрывали пробками из газонепроницаемой резины, оставляя 2 см3 воздушной фазы. Концентрацию метана определяли на газовом хроматографе М-3700 (АО Хроматограф, Россия) с пламенно-ионизационным детектором [10, 14].
Скорость процессов бактериального образования и окисления метана определяли радиоизотопным методом [4, 14]. Определение проводили в поверхностных и подповерхностных горизонтах осадков, в Южной котловине - по длине отобранных кернов (максимальная глубина отбора 87 см). Пробы осадков объемом 1-2 см3 отбирали в пе-
нициллиновые флаконы, куда вводили NaH14CO3 (0.25 МБк, 0.8 ГБк/ммоль) или 14CH4 (0.08 МБк, 1.2 ГБк/ммоль). Затем пробы с радиометкой инкубировали 18-24 ч при температуре in situ и фиксировали 2 мл 1 N KOH. Радиоактивность просчитывали на сцинтилляционном счетчике RackBeta (LKB, Швеция). Скорости процессов образования и окисления метана рассчитывали по известным формулам [4, 14].
Численность и видовой состав метанотрофов определяли иммунофлуоресцентным методом [6, 14], используя видоспецифические сыворотки метанотрофов: Methylosinus trichosporium, Methylo-bacter capsulatus, Methylosinus echinoides, Methy-lomonas methanica, Methylobacter bovis, любезно представленные Л.В. Безруковой.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Физико-химическая характеристика донных осадков. Пробы донных осадков отбирали с глубин от 4 до 1530 м в Северной, Средней и Южной котловинах озера Байкал. Глубоководные отложения были представлены илами, в Южной котловине в районе проявлений газогидратов встречались также мелкая галька и серая глина [12]. Черные, коричневые илы и мелкозернистый песок были отобраны в мелководных районах -около г. Байкальска, п. Большие Коты, на Бу-гульдейской перемычке, Селенгинском мелководье и бухтах Фролиха, Хакусы и Сосновка.
Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) в донных осадках варьирует от +225 до -140 мВ, значения рН - от 6.3 до 7.2, температура -от 3.2 до 8.0°С (табл. 1).
Содержание метана в донных осадках. Концентрация метана в донных осадках озера составляет 0.0053-81.7 мл/дм3 сырого ила (табл. 2). Максимальная величина, равная 81.7 мл/дм3, зафиксирована в бухте Фролиха на глубине 415 м (станция 297). Высокая концентрация метана (45 мл/дм3) измерена в осадках со станции 3-97, расположенной в бухте Фролиха на глубине 405 м. Минимальные концентрации метана, равные 0.0053 и 0.0065 мл/дм3, зафиксированы в Северной котловине озера на глубине 820 м и бухте Фролиха на глубине 105 м. Концентрация метана в придонной воде в газоги-дратном районе составляет 0.0059 мл/л (Калмыч-ков Г.В., персональное сообщение).
Бактериальное образование метана в донных осадках. Процесс метаногенеза изучен в донных осадках Южной котловины озера в районах проявления газогидратов и мыса Ивановский (табл. 3). В 1 дм3 донных осадков за сутки образуется от 4.4 до 341.6 мкл СН4. Максимальная скорость процесса образования метана обнаружена в осадках со станции 5-00 (кратер Новый) в поверхностном горизонте. Высокая скорость метаногенеза (до
301.2 мкл) выявлена в осадках станции 3-00 на глубине 25-30 см. В осадках вблизи мыса Ивановский скорость образования метана была равна 4.43-18.9 мкл/(дм3 сут). В этих осадках скорость процесса возрастает к нижним горизонтам изученного керна до глубины 87 см. Такая же закономерность выявлена на станции 1-00, тогда как в осадках со станций 3-00, 4-00, 5-00 и 6-00 наиболее высокие скорости в осадках измерены в поверхностных слоях. На образование метана микробное сообщество использует в дм3 сырого ила за сутки от 9.6 до 734.7 мкг С органического вещества. Результаты определения скорости бактериального образования метана и численности мета-ногенов в 1991-92 гг. в донных осадках бухт Фролиха и Хакусы, Селенгинского мелководья, Бугульдейской перемычки, Южной и Средней котловин, Академического хребта, прибрежных районов вблизи г. Байкальска и п. Большие Коты опубликованы ранее [10, 11].
Бактериальное окисление метана в донных осадках. Скорость бактериального окисления метана была определена в мелководных и глубоководных осадках, Селенгинском мелководье и бухтах (табл. 3). В бухте Фролиха, где проведено большое количество определений, наибольшая скорость окисления метана - до 1180.4 мкл СН/дм3 сырого ила в сутки - отмечена в районе метанового вента (станция 3-97). Высокие скорости (438.4-1083 мкл СН4/(дм3 сут)) выявлены в осадках бухты Фролиха с глубин 400-415 м. В осадках вблизи газогидратов скорость процесса окисления метана составляет 35-273.2 мкл СН4/(дм3 сут). Минимальная скорость процесса, равная 0.004 мкл/(дм3 сут), измерена в осадках Северной котловины озера с глубины 820 м.
В процессе окисления метана в озере Байкал большая часть углерода переходит в С02 (в некоторых пробах до 100%). Однако в районах залегания газовых гидратов значительная часть углерода метана обнаруживается в экзометаболитах и биомассе микроорганизмов (в отложениях - 17-95%, в воде - 29-82%).
Распространение 5 видов метанокисляющих бактерий и их численность были изучены в пробах донных осадков из бухт Фролиха (ст. 2-97), характеризующейся наиболее высокой скоростью процесса метанокисления, и Сосновка (ст. 21-97), уступающей ей в скорости окисления метана почти в 10000 раз (табл. 4). В районе метанового вента в бухте Фролиха общая численность метанотрофов достигает 17360 клеток в см3, что почти в 2 раза выше, чем в осадках бухты Сосновка (8470 кл/см3). Однако в бухте Сосновка выявлены все 5 видов метанотрофов, тогда как в бухте Фролиха - только 3 вида. Максимальное количество клеток одного вида (до 13200 кл/см3) выявлено в поверхностном слое осадков станции 2-97, мини-
Таблица 1. Физико-химическая характеристика донных осадков озера Байкал
Место отбора Станция Глубина, м Горизонт, см Тип осадков г, °С рН ЕЬ, мВ
Бухта Фролиха 2-97* 415 0-3 Темно-серый ил 6.1 7.0 + 10
3-97 405 0-0.5 Серый ил 4.8 7.3 -35
1-5 Темно-серый ил
6-97 400 0-1 Серый ил 5.0 6.9 +33
7-97 215 0-1 Темно-серый ил 6.2 6.9 +5
8-97 105 0-1 Темно-серый ил 6.0 7.3 +6
9-97 685 0-1 Темно-серый жидкий ил 5.9 7.0 -
11-97 22.5 0-5 Темно-коричневый ил, 8.0 7.2 -
растительные остатки
12-97 42 0-3 Темно-коричневый ил, 7.6 7.2 -
растительные остатки
13-97 31.8 0-1 Серый мелкозернистый песок 7.8 6.7 -
16-97 690 0-1 Коричневый ил 5.3 7.1 -
20-97 690 0-1 Коричневый ил 5.4 6.3 -
Мыс Заворотный 1-97 825 0-1 Коричневый ил 5.8 7.5 +78
1-5 Диатомовый ил - - -
5-12 Диатомовый ил - - -
13-20 Желто-коричневая глина - - -
Бухта Сосновка 21-97 300 0-0.5 Коричневый ил 5.5 7.1 -
Южная котловина
Кратер Большой 1-00 1400 0-1 Серый диатомовый ил 5.6 7.2 + 185
1-7 » 5.6 - -
15-18 » 5.6 7.1 -140
23-28 » 5.5 - -
32-36 » 5.9 - -
38-40 » 4.5 7.0 -50
Кратер Маленький 2-00 1380 0-1 Галька с наилком - 7.2 -55
1-3.5 Буро-
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.