научная статья по теме МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА ЗОНЫ РАЗГРУЗКИ ГАЗОНЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ФЛЮИДОВ УЛЬТРАПРЕСНОГО ОЗЕРА БАЙКАЛ Биология

Текст научной статьи на тему «МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА ЗОНЫ РАЗГРУЗКИ ГАЗОНЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ФЛЮИДОВ УЛЬТРАПРЕСНОГО ОЗЕРА БАЙКАЛ»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 83, № 3, с. 355-365

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 579.266:553.981 '982

МИКРОБНЫЕ СООБЩЕСТВА ЗОНЫ РАЗГРУЗКИ ГАЗОНЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ФЛЮИДОВ УЛЬТРАПРЕСНОГО ОЗЕРА БАЙКАЛ

© 2014 г. А. В. Ломакина*, 1, Т. В. Погодаева*, И. В. Морозов**, Т. И. Земская*

*Лимнологический институт СО РАН, Иркутск **Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирск

Поступила в редакцию 15.07.2013 г.

В районе естественного нефтепроявления в Среднем Байкале молекулярно-биологическими методами исследовано разнообразие микроорганизмов в сообществах донных осадков, различающихся по химическому составу поровых вод. В осадках, насыщенных нефтью и метаном, выявлены представители 10 филумов бактерий и двух филумов архей. В окисленном слое осадка обнаружены ме-танотрофные бактерии, принадлежащие классу и-Рго1еоЬас1епа, которые отличались по структуре гена ртоА и формировали отдельный кластер с некультивируемыми метанотрофами из холодных экосистем. В поверхностном осадке также найдены нефтеокисляющие бактерии и а1кВ гены, имеющие наибольшее сходство с а1кВ генами бактерий рода Екойососст. Микробное сообщество восстановленных осадков характеризовалось меньшим разнообразием и было представлено, главным образом, организмами, участвующими в биодеградации углеводородов.

Ключевые слова: микробные сообщества, аэробная деградация углеводородов, а1кВ и ртоА гены, озеро Байкал, естественное нефтепроявление.

DOI: 10.7868/S0026365614030124

Природные нефтепроявления поставляют большие количества углеводородов в окружающую среду. Они подпитываются подземными источниками нефти, из которых нефть мигрирует через каналы в породе и проницаемые осадки в водную толщу. Природные нефтепроявления найдены в различных районах мира — от тропиков до полярных зон [1, 2]. На фоне столь обширного распространения неф-тепроявлений в мире в пресноводных озерах они встречаются крайне редко. В их число входят рифтовое глубоководное озеро Танганьика [3], мелководное озеро Чапала [4], а также глубоководный Байкал [5, 6].

В 2005 г. в Среднем Байкале у м. Горевой Утес был обнаружен новый район, где ежегодно происходит разгрузка нефти (до 4 т в год) и метана. Здесь на поверхности дна формируются битумные постройки, а в приповерхностных слоях донных осадков, пропитанных нефтью, обнаружены газовые гидраты (ГГ) [7]. В этом районе отмечаются потоки минерализованных флюидов различного состава, что характерно для сопутствующих нефти вод [8]. Микробиологические исследования выявили разнообразные культивируемые аэробные углеводородокисляющие микроорганизмы

1 Автор для корреспонденции (e-mail: lomakina@lin.irk.ru).

(УВОМ), которые способны использовать широкий спектр углеводородов [9]. Анализ чистых культур, выделенных из водной толщи и донных осадков, показал наличие в их геномах а1кВ генов [10], кодирующих ключевой фермент окисления алканов алкан-1-монооксигеназу (напр., [11]). В битумных постройках, формирующихся в местах разгрузки нефти, методом пиросеквенирования обнаружены различные группы микроорганизмов, осуществляющие аэробную биодеградацию ароматических соединений и н-алканов, и не отмечены бактерии, способные осуществлять анаэробную деградацию н-алканов [12].

Цель данного исследования — оценить разнообразие микробного сообщества в осадках, насыщенных нефтью, из района естественного нефтепроявления у м. Горевой Утес, а также его метаболический потенциал в окислении углеводородов на основе анализа структуры генов 168 рРНК, ртоА и а1кВ.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Отбор проб. Для исследования было взято три образца донных осадков, полученных с помощью гравитационной трубы в одной координате (53°18'33'' с.ш., 108°23'46" в.д.) в зоне разгрузки уг-

Таблица 1.

Химический состав поровой воды исследованных слоев донных осадков м. Горевой Утес

Станция Горизонт, см Концентрация, мг/л

HCO- NH+ Cl- NO- SO4- Fe Na+ K+ Ca2+ Mg2+ £ ионов

St3 GC-1 (образец № 1) 0-5 183 20 0.6 -* 4.7 15 3 39 4 250

St7 GC-1 (образец № 2) 180-190 108 0.2 0.8 7 2 25 3 146

St24 GC-5 (образец № 3) 170-175 30 4.2 0.6 3 0.2 8 2 4 1 53

Фоновые районы 0-5 67 0.5 0.4 0.1 5.3 0.02 3.5 0.9 16 3 96

* Не обнаружен. ** Не исследован.

леводородов у м. Горевой Утес (10 км от берега, глубина 900 м, Средний Байкал) в летних экспедициях 2006—2007 гг. Все образцы характеризовались наличием нефти и различались по химическому составу поровых вод. Первый образец (далее по тексту № 1) был отобран из окисленного поверхностного слоя осадка (0—5 см) St3 GC-1, второй (№ 2) и третий (№ 3) из глубинных восстановленных осадков: St7 GC-1 (180-190 см) и St24 GC-5 (170-175 см), соответственно. Образец № 3, кроме нефти, содержал ГГ. В слоях донного осадка, откуда были отобраны образцы для молекулярного анализа, был исследован химический состав поровых вод по методике, описанной ранее [13].

Выделение суммарной бактериальной ДНК и амплификация генов 16S рРНК, pmoA и alkß. Выделение ДНК исследованных образцов, содержащих нефть и ГГ, проводили в соответствии с методикой, описанной ранее [14].

Амплификацию генов 16S рРНК проводили с использованием универсальных бактериальных (5001, 1350r) [15] и архейных (20f, 958r) праймеров [16], для детекции планктомицетов использовали прайме-ры P1a58f, P1a926r [17]. Для амплификации гена pmoA использовали праймеры A189f, A682r [18], для alkß гена — a1kB3f, a1kB3r [19]. ПЦР проводили по методике, описанной ранее [14, 20].

Клонирование и секвенирование ПЦР-продук-тов. Очищенные фрагменты генов pmoA, alkß и 16S рРНК бактерий, архей, планктомицетов длиной от 300 до 940 нуклеотидов были клонированы в плазмидный вектор pGEM-T Easy Vectors ("Promega", США). Реакцию Сэнгера с использованием реактива BigDye Terminator Kit v.3.1 ("Applied Biosystems") и анализ ее продуктов осуществляли на генном анализаторе ABl 3130x1 в Центре коллективного пользования "Геномика" СО РАН (г. Новосибирск).

Филогенетический анализ. Последовательности анализировали с использованием программы BLAST сервера NCBI (http://www.nc-bi.n1m.nih.gov/b1ast/). Для исключения химер полученные последовательности проверяли в он-

лайн системе Pintail (http://www.bioinformatics-toolkit.org/Web-Pintail/). Транслирование аминокислотных последовательностей генов pmoA и alkß осуществляли в он-лайн системе http://web.ex-pasy.org/tools/translate/. Редактирование последовательностей проводили с помощью редактора Bio Edit. Для выравнивания последовательностей использовали алгоритм CLUSTALW. Филогенетические деревья были построены, используя метод объединения ближайших соседей (NJ) с Kimura two-parameters алгоритмом в программе MEGA версия 4.0 [21]. Полученные нуклеотидные и аминокислотные последовательности фрагментов генов 16S рРНК, alkß и pmoA депонированы в базу данных GenBank под номерами FJ555263-FJ555281, GU911376—GU911393, GU911408-GU911421, GU911427—GU911451, GU911458, JN832616—JN832669, HQ891150-HQ891193, JQ040551-JQ040569, KF302422-KF302428.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Литология и химический состав в поровых водах. Донные осадки в районе м. Горевой Утес представлены тонкими алеврито-пелитовыми биогенно-терригенными илами. Характеристика состава поровых вод исследуемых образцов приведена в табл. 1. В образце № 2 был обнаружен канал, заполненный нефтью и более жидким (до 85% влажности) осадком.

В поровых водах образца № 1 по сравнению с фоновыми районами озера Байкал отмечены повышенные концентрации НСО- (до 183 мг/л), ионов Na+ (до 15 мг/л), ионов Са2+ (до 39 мг/л). Почти на порядок повышено содержание общего

Fe (4.7 мг/л) и на два порядка NH+ (до 20 мг/л) [13]. В составе поровых вод данного образца не опреде-

— 2-

лялись ионы NO3 и SO4 . В поровых водах образца

№ 2, концентрация НСО- была ниже, чем в образце № 1 (108 мг/л), но выше фоновых значений (67 мг/л). Содержание ионов Cl- не превышало

— 20.2 мг/л, а NO3 и SO4 в поровых водах исследо-

ванного слоя осадка отсутствовали. Концентрация общего Fe (0.8 мг/л) сопоставима с таковой в фоновых районах озера Байкал [13]. Химический состав поровых вод образца № 3 характеризовался

пониженными значениями НСО- (30 мг/л), что, скорее всего, обусловлено разложением ГГ. В этом образце была повышена концентрация

ионов Cl- (до 4.2 мг/л), регистрировались NO-

(0.6 мг/л) и SO4- (3 мг/л) ионы, отсутствовавшие в других исследованных образцах.

Гены 16S рРНК представителей домена Bacteria.

С использованием универсальных бактериальных праймеров для трех исследованных образцов была создана библиотека из 106 клонов.

Из образца № 1 было проанализировано 45 последовательностей, отнесенных к следующим филумам: Proteobacteria (классы в-, y-, 8-), Verru-comicrobia, Nitrospirae, Chloroflexi, Planctomycetes, Acidobacteria, Chlorobi и Actinobacteria. Их ближайшие гомологи были изолированы из донных осадков различных рек и озер мира, почв, загрязненных нефтью и другими органическими соединениями. Среди полученных последовательностей доминировали представители филума Proteobacteria. Среди в-Proteobacteria три последовательности (4.16, 4.24, 4.33) имели 98% сходства с Burkholderia sp., выделенной из почв, загрязненных нефтью (Acc. № DQ777736). Нуклеотидные последовательности (7 клонов), относящиеся к классу у-Proteobacteria, с 98-99% сходства были представлены метанотрофными бактериями Me-thylobacter tundripaludum, участвующими в окислении метана в арктических почвах (AJ414655) и содовых озерах Бурятии (AF152597). Еще одна нук-леотидная последовательность (4.86) этого класса на 97% сходна с некультивируемым представителем, выделенным из водной толщи Берингова моря (GQ850552) (рис. 1). Одна нуклеотидная последовательность (4.35) с 99% сходством была близка некультивируемой бактерии, изолированной из загрязненных нефтью донных осадков (AM882607) и отнесена к классу 8-Proteobacteria. Остальные нуклеотидные последовательности из этого образца были отнесены к филумам Verru-comicrobia (2 клона), Nitrospirae (2), Chloroflexi (3), Planctomycetes (2), Acidobacteria (4), Chlorobi (1) и Actinobacteria (3) (рис. 1). С различным уровнем сходства (87-99%) также выявле

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.

Показать целиком