ОКЕАНОЛОГИЯ, 2010, том 50, № 6, с. 942-957
МОРСКАЯ БИОЛОГИЯ
УДК 579.68(268.45)
МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛОВ УГЛЕРОДА И СЕРЫ
В КАРСКОМ МОРЕ
© 2010 г. А. С. Саввичев1, Е. Е. Захарова1, Е. Ф. Веслополова1, И. И. Русанов1,
А. Ю. Леин2, М. В. Иванов1
Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва 2Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: savvichev@mail.ru Поступила в редакцию 03.12.2008 г., после доработки 27.04.2009 г.
В работе представлены результаты микробиологических, биогеохимических и изотопно-геохимических исследований Карского моря. Материалы для исследований получены в сентябре 2007 г. в 54-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш". Исследования проводили в северной, центральной, юго-западной акватории Карского моря, а также в Обском заливе. Получены количественные характеристики общей численности бактерий и активности микробных процессов в водной толще и донных осадках. Общая численность бактериопланктона (БП) варьировала от 250 тыс. кл. мл-1 в северной акватории до 3 млн кл. мл-1 в Обском заливе. Численность БП зависела от содержания водной взвеси. Чистая продукция БП была минимальной в центральной акватории 0.15-0.2 мкг C л-1 сут-1, максимальной 0.5-0.75 мкг C л-1 сут-1 в Обском заливе. На большинстве станциях Обского разреза в составе органического вещества взвеси преобладал изотопно-легкий (-28.0.. .-30.18%е) органический материал терригенного генезиса. Содержание метана в поверхностном водном слое варьировало от 0.18 до 2.0 мкл СН4 л-1, а интенсивность метанокис-ления от 0.1 до 100 нл СН4 л-1 сут-1. Концентрация метана в поверхностном слое донных осадков колебалась от 30 до 300 мкл СН4 дм-3, интенсивность метанобразования от 44 до 500 нл СН4 дм-3 сут-1, а интенсивность метанокисления от 30 до 2000 нл СН4 дм-3 сут-1. Интенсивность сульфатредукции варьировала от 4 до 184 мкг S дм-3 сут-1.
Начало микробиологических исследований в Карском море связано с именем Б .Л. Исаченко, впервые установившего повсеместное распространение микроорганизмов в воде и донных осадках арктических морей [6]. В работах А.Е. Крисса приводятся данные учетов сапротрофных микроорганизмов в водной толще открытой части Карского моря, полученные путем высевов на питательные среды [8]. По данным Н.Г. Теплинской общая численность бактерий в юго-западной части моря составляет 18— 150 тыс. кл. мл-1 [25]. Высокая концентрация бактериопланктона (более 500 тыс. кл. мл-1) обнаружена в поверхностных водах Байдарацкой губы [9].
В августе—сентябре 1993 г. состоялся 49-й рейс НИС "Дмитрий Менделеев" в Карское море. Полученные во время рейса материалы стали основой для многочисленных публикаций, посвященных комплексной оценке состояния Карского моря, а также эстуариев рек Обь и Енисей [12, 2, 1]. В этом рейсе были также проведены приоритетные исследования, связанные с учетом микроорганизмов и количественной оценкой интенсивности микробных процессов циклов углерода и серы в водной толще и донных осадках Карского моря [13, 16, 10]. Следующий этап в изучении Карского моря связан с экспедициями НИС "Академик Борис Петров" в период 1995—2003 гг., в которых проводились биогеохими-
ческие и радиоэкологические исследования. Получен обширный материал по содержанию и изотопному составу органического и карбонатного углерода осадков, планктону и органическому веществу взвеси [3, 29, 26]. В августе—сентябре 2001 г. были проведены исследования и выполнены расчеты общей численности бактерий и величины бактериальной продукции, с использованием метода меченого лейцина, в акватории Карского моря, а также в эстуариях Оби и Енисея [32].
В XXI веке актуальность проведения биогеохимических и микробиологических исследований в Карском море резко возрастает. Это связано с разведкой и освоением запасов углеводородов как в бассейне реки Обь, так и в акваториях арктического шельфа. Известно, что биотический потенциал самоочищения в экосистемах Арктики не высок. Знание активности микробных процессов трансформации соединений углерода и серы необходимо для понимания биогеохимических особенностей экосистемы Карского моря и Арктики в целом.
Поэтому основной целью настоящей работы явилось получение достоверных количественных характеристик численности бактериопланктона (БП), интенсивности ключевых микробных процессов круговорота углерода и серы: метаногенеза (МГ) и окисления метана (МО), интенсивности сульфат-
76° с.ш.
74°
72°
70°
68°
60° в.д. 70° 80° 88°
Рис. 1. Расположение станций НИС "Академик Мстислав Келдыш" (54-й рейс, сентябрь 2007 г.).
редукции (СР) и темновой ассимиляции СО2 (ТАУ), в воде и донных осадках, а также определение изотопного состава углерода в водной взвеси в Карском море и эстуарии реки Обь.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалы для исследований получены в сентябре 2007 года в 54-м рейсе НИС "Академик Мстислав Келдыш". Исследована значительная часть Карского моря (рис. 1), включая акваторию к западу от п-ва Ямал (далее Ямальский профиль), а также меридиональный профиль от эстуария Оби до желоба Святой Анны в северной части Карского моря (далее Обский профиль).
Методы исследования. Отбор проб воды проводили с поверхностного и придонного горизонтов, а также из области пикноклина и зон максимальных
значений флуоресценции. Для отбора водных проб использовали батометры Нискина объемом от 5 до 30 литров, установленные на системе Rozett (Woods Holle, США). Горизонты отбора выбирали после предварительного гидрофизического зондирования на основании данных, полученных с буксируемого зонда и CTD-зонда SBE-19 Plus (Seabird Electronics), датчиков флуоресценции и мутности, установленных на системе Rozett. Отбор воды из батометров проводили с изливом, во избежание захвата кислорода воздуха, в стеклянные флаконы и закрывали газонепроницаемой пробкой.
Пробы донных осадков отбирали трубкой Ние-мисте. Из вертикально установленной на палубе трубки с осадком отбирали наддонную воду (далее термин наддонная вода будет использоваться только для образцов, отобранных из тубки Ниемисте) в 100 мл шприц с тонкой силиконовой трубкой. Ото-
бранный слой наддонной воды соответствовал 2— 10 — 2—20 см над поверхностью осадка. Подачу керна с осадком осуществляли с помощью поршня в нижней части трубки, что позволяло осуществлять послойный отбор проб без перемешивания образца. На опорных станциях были изучены осадочные отложения на глубину до 3 м. Отбор проб этих осадков проводили из керна геологических труб большого диаметра (ТБД). Ненарушенные образцы осадков отбирали в 5-см3 пластиковые шприцы с резиновым поршнем и обрезанным краем и закрывали резиновой пробкой. Окислительно-восстановительный потенциал и значения рН определяли параллельно с отбором проб при помощи потенциометра "рН WTW/Set-1" (Германия). Все эксперименты с водой и осадками проводили в первые часы после отбора проб при температурах близких in situ, в интервале от 0 до +6°С.
Для учета общей численности и биомассы бакте-риопланктона (БП) пробы воды отбирали в стеклянные пузырьки объемом 30 мл и фиксировали раствором глутаральдегида, конечная концентрация которого в пробе составляла 2%. 5—10 мл фиксированной пробы фильтровали на черные поликарбонатные фильтры (Миллипор) с диаметром пор 0.2 мкм. Фильтры окрашивали раствором акридинового оранжевого [27]. Препараты просматривали с помощью люминесцентного микроскопа ЛЮ-МАМ И-2 с системой визуализации Image Scope Color (M) при увеличении х 1000. Учет клеток проводили c экрана монитора в 20-ти полях зрения. Количество клеток, ассоциированных с частицами детрита, учитывали отдельно. Объемы бактериальных клеток вычисляли на основании измерений их длины и ширины на снимках, сделанных при помощи сканирующего электронного микроскопа JSM-U3 (Япония). Объем кокков вычисляли по формуле для объема шара, палочек — по формуле для объема цилиндра. Было промерено около 200 клеток. При расчетах биомассы бактерий вводили поправочный коэффициент 1.6 [22].
Продукцию бактериопланктона определяли радиоуглеродным методом используя значения интенсивности темновой СО2 ассимиляции в составе клеток, а также внеклеточных экзометаболитов и эмпирический коэффициент 20, выведенный Ю.И. Сорокиным для бактериопланктона морской воды, выражающий отношение продукции бактерий к гетеротрофной ассимиляции СО2 [23]. На основе данных чистой продукции бактериопланктона и биомассы бактерий рассчитывали Р/В коэффициент (отношение чистой продукции к биомассе), известный также как ц = BP/B [28]. При расчете Р/В коэффициента для приведения данных к одним размерностям принимали, что содержание углерода соответствует 10% от сырого веса биомассы [35].
Для определения времени удвоения общей численности бактерий (G) в водных пробах использовали метод, разработанный Ивановым [5]. Для удаления зоо- и фитопланктона свежеотобранную водную пробу фильтровали через мембранный фильтр с
диаметром пор 2 мкм. Из фильтрата по изложенной выше методике готовили образец для микроскопического учета численности БП. Остальной фильтрат разливали в склянки без пузырька воздуха, закрывали газонепроницаемой пробкой и выдерживали в холодильнике при температуре 2.0-2.5°С, т.е. близкой к естественной, после чего образец фиксировали и готовили препарат для учета численности БП. Время экспозиции отличалось от предложенного в оригинальной методике и составляло 3 и 5 суток. Расчет времени удвоения бактерий проводили по формуле
G = t lg2/lg Bf - lg f
где G - время удвоения, сут, t - время экспозиции пробы (сут), Bf - численность бактерий по окончании опыта, bf - исходная численность бактерий в фильтрате.
Интенсивности микробных процессов: темно-вой ассимиляции углекислоты (ТАУ), МГ и МО определяли радиоизотопным методом с использованием NaH14CO3, 14CH4, 14CH3COONa. В шприцы (с образцами осадков) и стеклянные флаконы (с водными образцами) вводили по 0.1 мл меченых соединений (60 мкКи на 1 л воды и 4000 мкКи на 1 дм3 осадка). Инкубацию проб проводили в холодильнике, устанавливая температуру близкую к нативной, в течение 12-72 часов. После инкубации пробы фиксировали 1 мл 2 M раствора КОН. Разделение 14С
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.