МИКРОБИОЛОГИЯ, 2008, том 77, № 6, с. 823-838
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 579.68(268.45)
МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛОВ УГЛЕРОДА И СЕРЫ
В БЕЛОМ МОРЕ
© 2008 г. А. С. Саввичев*' И. И. Русанов*, Е. Е. Захарова*, Е. Ф. Веслополова*, И. Н. Мицкевич*, М. Д. Кравчишина**, А. Ю. Леин**, М. В. Иванов*
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва **Институт океанологии РАН им. П.П. Ширшова, Москва Поступила в редакцию 14.08.2007 г.
В работе представлены результаты микробиологических и биогеохимических исследований Белого моря. Материалы получены в серии экспедиций 2002-2006 гг. Исследования проводили в открытой части Белого моря, Онежском, Двинском и Кандалакшском заливах. В августе 2006 г. в поверхностном водном слое величина продукции фотосинтеза была низкой и варьировала от 47 до 145 мг С м-2 сут-1. Получены количественные характеристики общей численности бактерий и активности микробных процессов в водной толще Белого моря. Общая численность бактерий в поверхностном слое водной толщи за 5 лет наблюдений варьировала от 50 до 600 тыс. кл мл-1. Продукция бактериопланктона (БП) (август 2006 г.) составляла 0.26-3.3 мкг С л-1 сут-1, величина Р/В коэффициента варьировала от 0.22 до 0.93. В составе органического вещества взвеси преобладал изотопно-легкий (-28.0.. .-30.5%е) материал, снесенный с суши в основном водами Северной Двины. Сравниваются межсезонные и межгодовые коэффициенты варьирования продукции фитопланктона и численности БП. Делается вывод о большей стабильности сообщества бактериопланктона глубинных вод Белого моря по сравнению с поверхностным слоем. В поверхностном слое донных осадков концентрация метана составляла 0.2-5.2 мкл дм-3, интенсивность бактериальной сульфатредукции (18-260 мкг S дм-3 сут-1), интенсивность образования метана (24-123 нл СН4 дм-3 сут-1) и окисления метана (6-13 нл СН4 дм-3 сут-1). Делается вывод о низкой активности микробных процессов цикла углерода и серы в осадках основной котловины Белого моря.
Ключевые слова: бактериопланктон, микробные процессы, цикл метана, сульфатредукция, стабильные изотопы углерода (513С), моря Арктики, Белое море.
Среди арктических морей России Белое море относится к наиболее изученным. Накоплен значительный массив данных, характеризующих экосистему Белого моря [1]. После научного затишья 90-х годов XX века начались работы по проекту "Система Белого моря", который является частью проекта "Взаимодействие океан-суша в Российской Арктике" [2]. Важнейшей задачей микробной биогеохимии арктических морей является исследование процессов цикла метана, протекающих как в водной толще, так и в донных осадках [3].
Экосистема Белого моря в значительной мере находится под влиянием речных пресных вод, поступающих в мелководные Двинский и Онежский заливы. Соответственно все биогеохимические процессы, протекающие в водной толще и донных осадках акватории Белого моря, определяются составом минерального и органического вещества речных вод. Другая важная особенность экосистемы Белого моря, характерная для всех арктических морей, ярко выраженная сезонность всех биоген-
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: savvichev@mail.ru).
ных процессов. Обширность прибрежной зоны Белого моря, а также существование пограничной приливно-отливной полосы определили масштабы протекания мощных микробных процессов деструкции органического вещества как аллохтонного, так и автохтонного генезиса с участием сульфатредуци-рующих и метаногенных микроорганизмов [4, 5]. Разнородность пространственно сезонной структуры экосистемы Белого моря объясняет отсутствие единых представлений об уровне трофности водоема [6]. При этом появляются сведения об активности фитопланктона в сезоны, отличные от летнего [7]. Обилие эмпирических данных, варьирующих в значительных пределах, усложняет создание математических моделей, описывающих биогеохимические циклы [8].
Поэтому основной целью настоящей работы явилось получение достоверных количественных характеристик ключевых микробных процессов круговорота углерода: продукции (МГ) и окисления метана (МО), интенсивности сульфатредукции (СР) и темновой ассимиляции СО2 (ТАУ), осуществляемых как автотрофными, так и гетеротрофными микроорганизмами в водной толще и донных осад-
ках, а также определение изотопного состава углерода в водной взвеси в Белом море.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Материалы для исследований получены в августе 2006 г. в 80-м рейсе НИС "Профессор Шток-ман". По отдельным исследованиям (первичная продукция, общая численность микроорганизмов) приводятся данные, полученные авторами в экспедициях Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН на НИС "Профессор Штокман" (2002, 2004, 2005 гг.) и "Иван Петров" (2005 г.). Исследована значительная часть акватории Белого моря, включая Бассейн, Горло, Двинский, Кандалакшский и Онежский заливы.
Пробы воды отбирали 5-литровыми батометрами, установленными на системе Кшей "WoodshoП", США), снабженной датчиками температуры, солености, мутности, флуоресценции и содержания кислорода. Отбор воды из батометров проводили с из-ливом, во избежание захвата кислорода воздуха, в стеклянные флаконы и закрывали газонепроницаемой пробкой.
Пробы донных осадков отбирали трубкой Ние-мисте. На трех 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 помещали в пластиковые шприцы объемом 5 см3с резиновым поршнем и обрезанным краем и закрывали резиновой пробкой. Окислительно-восстановительный потенциал и значения рН определяли параллельно с отбором проб при помощи потенциометра рН 320/8е1-1 (Германия).
Первичную продукцию (ПП) измеряли радиоуглеродным методом [9]. Эксперименты проводили в светлых и темных склянках, в которые добавляли раствор КаЫ14С03 (20 мкКи). На ст. 6042 склянки инкубировали на суточной буйковой станции на горизонтах пробоотбора. Пробы с других станций экспонировали в течение 12 ч в проточном палубном бассейне. Для каждой светлой склянки использовали индивидуальный чехол, калиброванный по степени пропускания фотосинтетически активной радиации (100, 50, 10 и 5%) [10]. Индивидуальный чехол на склянке соответствовал освещенности, измеренной на соответствующем горизонте отбора водной пробы. Температура в проточном бассейне соответствовала температуре поверхностного водного слоя (11-13°С) и на 2-3°С превышала измеренные значения в нижних горизонтах фотического слоя (8-11°С). Известно, что изменение температуры инкубации в таком интервале не является критическим условием для определения величины первичной продукции [10]. По завершении экспозиции содержимое флаконов фильтровали через капроновые
мембранные фильтры с размером пор 0.2 мкм. Для удаления остаточных карбонатов фильтры промывали фильтрованной слабо подкисленной морской водой. При расчете величины ПП учитывали не только продукцию клеточной биомассы, но и включение 14С углекислоты во внеклеточные выделения, для чего фильтрат подвергали сжиганию с персульфатом натрия и последующим учетом включенной метки [11].
Скорости микробных процессов темновой 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 (при расчете 60 мкКи на 1 л воды и 4000 мкКи на 1 дм3 осадка). Инкубацию проб придонной воды и донных осадков проводили в холодильнике при температуре 1-4°С в течение 12-48 часов. После инкубации пробы фиксировали 1 мл 0.2 N раствора КОН. Разделение 14С-продуктов и измерение их радиоактивности (на сцинтилляционном счетчике Rack-Betta 1219, "LKB", Швеция) проводили ранее описанными методами [11]. При расчете интенсивности МО учитывали как углекислоту, образовавшуюся при окисления метана, так и углерод метана, перешедший в биомассу бактерий и внеклеточные органические экзометаболиты. Величину интенсивности образования экзометаболитов определяли по разнице величин, полученных при окислении персульфатом калия общего ОВ и биомассы, осажденной на фильтрах [12]. При расчете продукции бактериопланктона использовали значения темновой СО2 ассимиляции (без учета внеклеточных экзометаболитов) и эмпирический коэффициент 20, выведенный Ю.И. Сорокиным, выражающий отношение продукции бактерий к гетеротрофной ассимиляции СО2 [13].
Для определения изотопного состава углерода органического вещества (513Сорг.) водной взвеси пробы воды фильтровали через предварительно прокаленные стекловолокнистые фильтры GF/F диаметром 47 мм. Измерение 513Сорг. проводили на масс-спектрометре Delta Plus (Германия). Точность определений ± 0.1%е.
Интенсивности процесса сульфатредукции оценивали по образованию меченого сероводорода и суммы пиритной, элементной и органической серы
из Na2SO4 (0.2 мл, 35 мкКи на 5 см3 осадка), обработку проб проводили согласно методикам, описанным ранее [11]. Потенциальную активность деструкции 14С ацетата (гетеротрофный потенциал) измеряли после суточной инкубации проб при температурах близких in situ, с добавлением 0.2 мкл (10 мкКи) меченого субстрата в образец. Для определения содержания метана использовали "head-space" метод. Концентрацию метана измеряли на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным
N
67° И
66°
65° -
64° -
32°Е
34°
36°
38°
40°
42°
Рис. 1. Величина продукции фотосинтеза (первичной продукции) в поверхностном водном слое Белого моря (мкг С л 1 сут х).
детектором Хром-5. Содержание сульфата, хлорида и ацетата определяли на ионном хроматографе ВМготк (Германия).
Для учета общей численности и биомассы бакте-риопланктона (БП) пробы воды отбирали в стеклянные пузырьки объемом 30 мл и фиксировали раствором параформальдегида, конечная концентрация которого в пробе составляла 2%. Фиксированные образцы фильтровали на черные поликарбонатные фильтры "Миллипор" с диаметром пор 0.2 мкм.
Каждый фильтр делили на части, которые окрашивали акридиновым оранжевым [14], БАР1 в концентрации 2 мкг/мл [15], а также флуорескамином в концентрации 4 мкг
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.