ЭКОЛОГИЯ, 2015, № 3, с. 229-236
УДК 674.587
СТРУКТУРА БИОЦЕНОЗОВ БИТУМНЫХ ПОСТРОЕК ГЛУБОКОВОДНОЙ ЗОНЫ ОЗ. БАЙКАЛ
© 2015 г. Т. Я. Ситникова*, Т. И. Земская*, С. М. Черницына*, А. В. Лихошвай*,
И. В. Клименков*, **, Т. В. Наумова*
*Лимнологический институт СО РАН 664033 Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 e-mail: sit@lin.irk.ru **Иркутский государственный университет 664003 Иркутск, ул. Карла Маркса, 1 Поступила в редакцию 27.01.2014 г.
Впервые на битумных постройках, формирующихся в районе естественных выходов нефти в глубоководной зоне оз. Байкал, исследованы своеобразные, небольшие по размеру биоценозы, состоящие из диатомового детрита, водных грибов, архей, бактерий, нематод и остракод. Грибы и бактерии, разрушая нефтяные углеводороды, способствуют биодеградации сырой нефти. Микроорганизмы совместно с осаждающимися планктонными диатомовыми водорослями образуют на битуме субстрат, необходимый для жизнедеятельности беспозвоночных животных. Высказано предположение о том, что сосуществование в одном битумном биоценозе нематод трех специфичных видов (Eutobrilus mirandus, Monhystera naphthera и Eumonhystera abyssalis) обеспечивается их различными пищевыми стратегиями и наличием бактериальных симбионтов.
Ключевые слова: оз. Байкал, нефтепроявление, битум, микроорганизмы, нематоды.
DOI: 10.7868/S0367059715030117
Природные разгрузки нефти и других углеводородов известны во многих районах Мирового океана. Разгружающиеся углеводороды влияют на филогенетический состав микробных сообществ (Orcutt et al., 2011) и способствуют развитию специфических зоологических сообществ на нефтяных сипах. Например, в районе нефтяного сипа у берегов Санта Барбары (Калифорния, США) плотность поселения нематод положительно коррелирует с количеством нефти в донных осадках (Steichen et al., 1996).
Естественные нефтепроявления обнаружены также на дне пресных озер. Например, в рифто-вом оз. Танганьика на один из участков берега постоянно выбрасываются битумные шары различного размера (Simoneit et al., 2000), а в мексиканском оз. Чапала (Zárate-del Valle, Simoneit, 2005) существуют небольшие острова, образованные битумом.
Однако о биологических сообществах, населяющих битум в водных экосистемах, практически ничего не известно.
Природные нефтепроявления в древнем и глубоководном оз. Байкал известны с XVIII столетия. Район естественного нефтепроявления в
средней котловине Байкала у мыса Горевой Утес начали активно исследовать с 2005 г. сначала геофизическими методами, а затем с помощью глубоководных обитаемых аппаратов (ГОА) "Мир" в 2008—2009 гг. (Хлыстов и др., 2009). В этом районе на глубинах около 900 м найдены геоморфологические структуры (=постройки), состоящие из битума коричневого цвета (рис. 1а). На битумных постройках обнаружены макробентосные животные (губки, гигантские плоские черви, разного размера амфиподы и олигохеты), из мелких беспозвоночных — нематоды, остракоды и брюхоногие моллюски. При более тщательном осмотре кусков битумных построек найдены желто-белые сгустки, внутри которых присутствовали нематоды (Хлыстов и др., 2009), описанные как новые для науки виды (Гагарин, Наумова, 2010; Gagarin, Naumova, 2010, 2011).
Цель данной работы — исследование небольших по размеру биоценозов, обнаруженных на битумных постройках в глубоководной зоне оз. Байкал, состава обитающих в них живых организмов и возможных источников их жизнедеятельности.
230
CИTHИKOВA и др.
Рис. 1. Внешний вид битумной постройки с ГОА "Мир" (а), кусок битума с мицелиальными грибами (б, показаны стрелкой). Масштабная линейка соответствует 2 мм.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Верхние части битумных построек собраны с помощью манипуляторов ГОА "Мир" в зоне естественной разгрузки нефти у мыса Горевой Утес (восточное побережье средней котловины оз. Байкал, координаты 53°1Г06"—53°1Г09" с.ш., 108°14'00"—108°14'09" в.д.). Образцы битумных построек подняты с глубин 912 м (здесь и далее приведены показания приборов ГОА "Мир", 06.07.2008), 884 м (19.08.2009) и 897 м (20.08.2009). Кроме того, с помощью бентосной трубки взят образец окисленного жидкого ила у основания одной из построек на глубине 850 м (17.08.2009). Из кусков битума отобрано свыше 50 сгустков желто-белого вещества, при осмотре которых выловлены около 80 экз. мелких беспозвоночных животных. Из поднятого бентосной трубкой грунта отобрано 58 экз. нематод. Образцы фиксировали 80%-ным этиловым спиртом и 4%-ным формалином, а также 2.5%-ным глутар-альдегидом на фосфатном буфере. Для исследований структуры сгустков и морфологии беспозвоночных использо-
вали стерео- (МБС-10, LOMO, Россия) и просвечивающий (Axiovert 200, Karl Zeiss, Германия) световые микроскопы (СМ), а также сканирующий (СЭМ, Quanta 200, FEI, Czech Republic) и трансмиссионный (ТЕМ, LEO 906E, Karl Zeiss, Germany) электронные микроскопы. Для СЭМ фиксированные спиртом беспозвоночные проводили через гексаметилдисилазан, высушивали на воздухе и напыляли золотом (Laforsch, Tollrian, 2000). Для ТЭМ подготовку образцов проводили согласно методике, описанной A.A. Мироновым с соавт. (1994).
Образцы для микробиологического анализа отбирали в стерильных условиях и хранили в жидком азоте до проведения анализов. Выделение суммарной ДНК и ПЦР проводили по методике, описанной О.В. Шубенковой с соавт. (2005). Фрагменты генов 16S рРНК бактерий и архей длиной около 900 пар нуклеотидов клонированы в плазмидный вектор pGEM-T Easy Vector ("Promega", CШA). Реакцию Сэнгера с использованием реактива BigDye Terminator Kit v.3.1. (Applied Biosystems) и анализ ее продуктов на генном анализаторе ABJ 3130 x 1 осуществляли в Межинститутском центре секвенирования (г. Новосибирск).
Полученные нуклеотидные последовательности сравнивали с последовательностями из международного банка данных NCBI с помощью пакета программ BLAST (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/ blast) и базы данных RDP (http://rdp.cme.msu.edu). Последовательности проанализированы с использованием пакета программ CLUSTALW v. 1.4 (http : //www. ebi.ac .uk/clustalw). Филогенетический анализ проведен с использованием программы MEGA версия 4.0, Neighbour-Joining кластерного метода и Kimura 2 parameters алгоритма. Статистическую достоверность ветвления оценивали с помощью "bootstrap" анализа 100 альтернативных деревьев. Полученные в ходе работы нуклео-тидные последовательности фрагментов генов 16S рРНК депонированы в базе данных GenBank под номерами: JF523342-JF523345 и HM191754-HM191759.
РЕЗУЛЬТЛТЫ
Грибы и бактерии. Обнаруженные на битумных постройках желто-белые сгустки имели неровные края, часто с одной уплощенной поверхностью, площадь которой не превышала 20 мм2. Выявлено, что одним из компонентов сгустков являются водные мицелиальные грибы (рис. 1б). Мицелий разделен перегородками на клетки, длина которых составила 150—270 мкм, ширина — от 6 до 16 мкм. Типичное вегетативное тело представлено системой ветвящихся гифов с апикальным ро-
стом и боковым ветвлением. Спорангии цилиндрической формы. Обнаруженные водные грибы морфологически сходны с представителями рода РуАшт (Оотусо1а: Оотусе1ез: Регопозрога1ез).
Кроме мицелиальных грибов, обнаружены многочисленные бактериальные клетки (рис. 2) и разрушенные в разной степени панцири планктонных диатомей родовЛыЬсозеш и Бупе^а (рис. 3а, б, д).
В результате исследований ультратонких срезов с помощью ТЭМ выявлены разнообразные по размерам (от 0.56 до 2.8 мкм) и форме клетки бактерий — кокковидные, эллипсовидные и прямоугольные. В центре и по краям некоторых клеток обнаружены включения (100—250 нм), являющиеся, вероятно, полифосфатными гранулами (рис. 2б). В большинстве случаев бактериальные клетки заключены в капсулу толщиной от 60 до 125 нм (рис. 2а), края капсулы зубчатого строения с короткими или длинными фибриллами. Клеточная стенка имела типичное для грамотрица-тельных бактерий трехслойное строение. В большинстве клеток отмечено наличие внутрицито-плазматических электронно--плотных структур — внутрицитоплазматических мембран (см. рис. 2б), характерных для метанотрофных бактерий. Присутствие метанокисляющих бактерий подтверждено молекулярным анализом суммарной ДНК, выделенной из сгустков. В результате анализа нук-леотидных последовательностей фрагментов гена 168 рРНК выявлены 9 сиквенс-типов, относящихся к 7 филумам: Вас1его1йе1е8, Уегтысот1сгоЫа, СЫо-гоАех1, Р1апс1отусе1ез, Еыгуагскаео1а и Рго1еоЬас1епа (БеНарго1еоЬас1ег1а и Оаттарго1еоЬас1епа).
Наибольшее количество клонов с высоким процентом сходства (98%) отнесено к филуму Вас1его1йе1е8 (байкальские последовательности под номерами JF523345 и НМ191754). Ближайшие их гомологи выделены из пресноводных осадков, в том числе из осадков оз. Гурон (GQ406154), почв одного из национальных парков Испании (FJ517034), бактериального сообщества, участвующего в анаэробном окислении сточных вод (Си926334). Гомологи последовательности Gr2 (НМ191755), отнесенной к филуму УетгысотютоЫа, выделены из сельскохозяйственных почв и ризосферы (АУ960772, FJ822636, FJ822643), ассоциаций бактерий с диатомовыми водорослями в оз. Констанц (Еи580497) и др. Последовательность Gr61 (JF523343) наиболее близка (98% сходства) последовательностям филума Р1апс1отусе1ез, порядка Р1апс1отусе1а1ез, обнаруженных в подземных водах Сибири (AJ534691) и меромиктическом оз. Грин (FJ437924, Нью-Йорк, США). Последовательность Gr3 (НМ 191756) сходна на 92% с ближайшими гомологами, выделенными из сточных вод (Си918269) и биопленок камней пресноводного сероводородного источ-
Рис. 2. Ультратонкий срез (ТЭМ) различных клеток метанотрофных бактерий (а, б): вцм — внутрицито-плазматические мембраны, мк — микрокапсула, кс — клеточная стенка, пф — полифосфатные гранулы. Масштабные линейки соответствуют 500 нм.
ника с высоким содержанием железа в Альпах (AB425067). В результате филогенетического анализа данная последовательность отнесена к филуму Chloroflexi. Последовательность Gr5 (HM191757) на 99% гомологична сульфатредуцирующей бактерии рода Desulfocapsa sp., выделенной из хемокли-на меромиктического оз. Кадагно (AJ511275, Швейцария). Одна последовательность (Gr6, HM191758) н
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.