ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.68(268.45)
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЗЕРА КИСЛО-СЛАДКОЕ -МЕРОМИКТИЧЕСКОГО ВОДОЕМА НА ПОБЕРЕЖЬЕ КАНДАЛАКШСКОГО ЗАЛИВА БЕЛОГО МОРЯ
© 2014 г. А. С. Саввичев, О. Н. Лунина, И. И. Русанов, Е. Е. Захарова, Е. Ф. Веслополова, М. В. Иванов
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва Поступила в редакцию 11.04.2013 г.
В сентябре 2010 г. проведены микробиологические, биогеохимические и изотопно-геохимические исследования оз. Кисло-Сладкое (в ранних публикациях Полусоленое), расположенного на побережье Кандалакшского залива Белого моря. Оз. Кисло-Сладкое образовалось в середине XX века из морского залива за счет поднятия берега. В период проведения исследований поверхностный слой был насыщен кислородом, а придонный содержал до 32 мг л-1 сероводорода. Величина общей численности микроорганизмов была высокой (ср. 12.3 млн кл. мл-1). Величина световой фиксации СО2 имела два явных пика. В аэробной зоне максимальная величина фотосинтеза была зарегистрирована на глубинах 1.0 и 2.0 м. Второй, более выраженный пик световой фиксации СО2, связанный с деятельностью аноксигенных фототрофных бактерий, проявлялся в анаэробном слое на глубине 2.9 м (413 мкг С л-1 сут-1). В верхней части анаэробного слоя (2.7-2.9 м) доминировали зелено-окрашенные зеленые серные бактерии (ЗБС), их максимальная численность достигала 1.12 х 104 кл. мл-1, ниже преобладали коричнево-окрашенные ЗСБ. Интенсивности как сульфатредукции, так и образования метана достигали максимальных значений на горизонте 2.9 м (1690 мкг 8 л-1 сут-1 и 2.9 мкл СН4 л-1 сут-1). Изотопный состав углерода растворенного метана из придонного водного слоя (813С (СН4) = -87.76%о) был заметно легче, чем в вышележащих горизонтах (813С (СН4) = = -77.95%о). Наиболее изотопнотяжелый метан был обнаружен на горизонте 2.9 м (813С (СН4) = -72.61%о), на этом же горизонте был наиболее активен процесс окисления метана. В результате протекающих реакций углерод органического вещества (ОВ) на горизонте 2.9 м облегчается до -36.36%, а минеральный углерод утяжеляется до -7.56%. Таким образом, проведенные нами исследования, показали, что оз. Кисло-Сладкое является стратифицированным меромиктическим водоемом с активно функционирующими микробными циклами углерода и серы. Взвешенное вещество водной толщи имеет преимущественно автохтонный генезис. Значительный вклад в продукцию ОВ вносит процесс аноксигенного фотосинтеза, протекающий с использованием восстановленных соединений серы.
Ключевые слова: меромиктические водоемы, фракционирование изотопов углерода, аноксигенные фототрофные бактерии.
DOI: 10.7868/S002636561401011X
Меромиктические водоемы, имеющие вертикальную стратификацию по температуре и содержанию солей, являются классическими объектами исследований лимнологов, биогеохимиков, микробиологов [1]. Наиболее интересной биологической особенностью таких водоемов является интенсивное развитие процессов сульфатредук-ции в гиполимнионе и участие фото- и хемоавто-трофных бактерий в продукции органического вещества с необычным изотопным составом углерода [2]. Специфичность микробных процессов в
1 Автор для корреспонденции (e-mail: Savvichev@mail.ru).
меромиктических озерах в значительной степени связана с их географическим расположением и генезисом. Состав и функциональная активность микробного сообщества определяется температурой, солевым составом, трофностью, глубиной проникновения света и рядом других параметров. Выраженная сезонность интенсивности микробных процессов показана для бессточных озер Шира и Шунет, расположенных в степной Хакасии [3].
Значительные изменения в изотопном составе углерода органического вещества взвеси, связанные с микробными процессами, осуществляемыми
191
5*
анаэробными фотосинтезирующими бактериями СктотаПыт 8р. и СЫогоЫыт 8р., показаны в Фрамва-рен фиорде (Норвегия) [4]. Измененный состав 813С углерода органического и неорганического вещества характерен для зоны контакта кислород- и сероводородсодержащих вод самого крупного ме-ромиктического водоема — Черного моря [5].
Озеро Кисло-Сладкое (в ранних публикациях оз. Полусоленое [6]) — меромиктический водоем особого типа. Это небольшое (60 м в ширину и 100 м в длину) озеро с максимальной глубиной 4.2 м расположено в 2 км от ББС МГУ в Ругозер-ской губе Кандалакшского залива Белого моря на широте Полярного Круга. Кисло-Сладкое озеро это образец водоема, совсем недавно утратившего связь с морем. Озеро образовалось в середине XX века за счет поднятия морского берега. Ранее на этом месте был узкий морской пролив между материком и небольшим островом, с порогами на входе и выходе. Причина превращения пролива в залив, а затем в изолированный водоем связана с ежегодным поднятием Карельского берега со средней скоростью 4 мм в год [7]. В настоящее время пополнение озера пресной водой осуществляется преимущественно во время таяния снега, а дебет стока пресного ручья в летнее время не превышает 1.5 м3 сут-1. Проникновение в озеро морской воды происходит эпизодически во время сизигийных приливов, а также особо сильных нагонных ветров.
Известно (по данным А.Н. Пантюлина [8]), что к концу летнего сезона водная толща озера резко стратифицирована: подповерхностный слой пересыщен кислородом за счет деятельности водорослей и цианобактерий, а придонный охлажденный слой насыщен сероводородом. В наших ранних работах показано, что интенсивность микробных процессов циклов углерода и серы в прибрежном мелководье Кисло-Сладкого озера (глубина до 20 см) достигает исключительно высоких величин [6, 9].
Актуальность исследования водоемов, отделенных от основного морского бассейна, связана, прежде всего, с необходимостью прогноза негативных последствий сероводородного заражения в искусственно замкнутых морских акваториях, появившихся в результате строительства дамб, плотин, приливных электростанций и т.д.
В этой связи основной целью нашей работы было изучение условий существования и определение масштабов биогеохимической деятельности микробного сообщества меромиктического озера Кисло-Сладкое (определение общей численности микроорганизмов, величины интенсивности автотрофной и гетеротрофной фиксации СО2, образования и окисления метана, сульфатре-дукции, учет численности и выделение основных представителей анаэробных фототрофных бакте-
рий), а также проведение изотопно-геохимических исследований (определение изотопного состава углерода органического вещества взвеси, растворенного метана и углерода бикарбоната) в водной толще и донных отложениях водоема.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Работы на озере Кисло-Сладкое (66°32.87' N, 33°08.14' E; рис. 1) проводили в начале сентября 2010 г. Отбор проб воды и донных осадков осуществляли в точке с наибольшей глубиной (4.2 м). Экспозицию флаконов с образцами проводили in situ на закрепленном капроновом фале.
Пробы воды отбирали с помощью силиконовой трубки, закрепленной на калиброванном тросе, и портативного медицинского насоса Whale Premium Submersible Pump GP1352 (Ирландия). Отобранную воду разливали в 30 мл стеклянные флаконы, закрывали без пузырька воздуха резиновой газонепроницаемой пробкой и обжимали алюминиевой крышкой с отверстием. Донные осадки отбирали лимнологическим стратометром со стеклянной трубкой диаметром 6 см. Из трубки стратометра пробы осадков переносили в 5-мл пластиковые шприцы с резиновым поршнем и обрезанным краем, которые, после наполнения образцом структурно ненарушенного осадка, без доступа воздуха закрывали резиновой газонепроницаемой пробкой.
Содержание кислорода, сероводорода и значение щелочного резерва определяли немедленно после отбора проб стандартными наборами реактивов Аквамерк (Германия).
Для учета общей численности микроорганизмов (ОЧМ) и их биомассы пробы воды фиксировали раствором глутаральдегида, конечная концентрация которого в пробе составляла 2%. Затем 1—5 мл фиксированной пробы фильтровали через черные поликарбонатные фильтры ("Милли-пор") с диаметром пор 0.2 мкм. Клетки на фильтрах окрашивали раствором акридинового оранжевого [10]. Препараты просматривали с помощью люминесцентного микроскопа ЛЮМАМ И-2 с системой визуализации Image Scope Color (M) при увеличении х1000. Учет клеток проводили с экрана монитора в 20 полях зрения. Объем бактериальных клеток вычисляли на основании измерений их длины и ширины, объем кокков вычисляли по формуле для объема шара, палочек — по формуле для объема цилиндра.
Для определения изотопного состава углерода органического вещества взвеси (813С—Сорг) пробы воды фильтровали через предварительно прокаленные стекловолокнистые фильтры GF/F диаметром 47 мм с последующим высушиванием образца при температуре 60°C. Фильтрат использовали для определения изотопного состава угле-
Рис. 1. Меромиктическое оз. Кисло-Сладкое (побережье Ругозерской губы Кандалакшского залива Белого моря).
рода растворенного бикарбоната. Измерения 813С проводили на масс-спектрометре Delta Plus (Германия). Точность измерений 0.1%о.
Интенсивности микробных процессов световой и темновой ассимиляции углекислоты (САУ и ТАУ), сульфатредукции (СР), образования (МГ) и окисления метана (МО) определяли радиоизотопным методом с использованием меченых соединений - NaH14CO3, 14СН4 и Na235SO4. При определении интенсивности САУ и ТАУ на каждом горизонте отбора использовали 2 светлые и 1 темную склянки, в которые добавляли по 0.2 мл (20 мкКи) раствора NaH14CO3. В качестве селективного ингибитора оксигенного фотосинтеза использовали диурон в конечной концентрации 10-7 мМ [11]. Склянки вывешивали на капроновом фале и экспонировали на буйковой станции в течение 1 сут на соответствующих горизонтах в условиях in situ. По завершении экспозиции содержимое флаконов фиксировали 1 мл разбавленной HCl и фильтровали через капроновые мембранные фильтры с размером пор 0.2 мкм. Продукцию фотосинтеза рассчитывали по разнице интенсивностей в светлой и темной склянке. Продукцию оксигенного фотосинтеза рассчитывали по разнице суммарного и аноксигенного (светлая склянка с диуроном) фотосинтеза.
Инкубацию проб вод
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.