Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Циано-бактериальные маты 6
1.1. Содовые озера и термальные источники - как места формирования циано-бактериальных матов 7
1.2. Типы и структура циано-бактериальных матов 9
Глава 2. Продукция органического вещества в циано-бактериальных матах 14
Глава 3. Химический состав циано-бактериальных матов и микроорганизмов 17
3.1. Содержание и состав углеводов 18
3.2. Содержание и состав белков 22
3.3. Содержание и состав липидов 24
3.4. Неорганические вещества 27
3.5. Изотопный состав углерода 28
Экспериментальная часть 32
Глава 4. Объекты и методы исследования 32
4.1. Объекты исследования 32
4.2. Методы исследования 35
4.2.1. Методы отбора проб 35
4.2.2. Методы изучения физико-химических условий среды 36
4.2.3. Микробиологические методы 36
4.2.4. Методы изучения скорости микробных процессов 38
4.2.5. Методы изучения химического состава циано-бактериальных матов 39
4.2.6. Методы исследования изотопного состава углерода циано-бактериальных матов 40
Глава 5. Результаты и их обсуждение 41
5.1. Экологические условия развития циано-бактериальных матов 41
5.2. Структура циано-бактериальных матов 49
5.3. Разнообразие продуцентов циано-бактериальных матов 54
5.4. Продукция органического вещества в циано-бактериальных матах 61
5.5. Содержание органического вещества и минеральных соединений в циано-бактериальных матах 66
5.6. Аминокислотный состав циано-бактериальных матов 74
5.7. Углеводный состав циано-бактериальных матов 83
5.8. Изотопный состав углерода циано-бактериальных матов 91
Заключение 99
Выводы 102
Список использованной литературы 103
Приложения 118
- Содовые озера и термальные источники - как места формирования циано-бактериальных матов
- Продукция органического вещества в циано-бактериальных матах
- Содержание и состав углеводов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение циано-бактериальных матов обусловлено их важной ролью в эволюции биосферы на Земле. Накопление кислорода в древней атмосфере и образование строматолитов связано с развитием докембрийских циано-бактерильных сообществ (Заварзин, 1993; Герасименко, 2002; Орлеанский, 2002).
Современные циано-бактериальные маты встречаются в экстремальных водных экосистемах (Brock, 1978; Заварзин и др., 1989; Герасименко и др., 1989). На территории Забайкалья циано-бактериальные маты распространены в содовых озерах и термальных источниках. В циано-бактериальных матах сформирована устойчивая трофическая сеть, представленная функционально различными группами продуцентов и деструкторов. Основными продуцентами органического вещества (ОВ) микробных матов являются цианобактерии, развивающиеся в верхних слоях сообщества, а также фототрофные и литотрофные бактерии (Герасименко, Заварзин, 1993). Циано-бактериальные маты могут представлять собой природные модели для изучения закономерностей образования, захоронения и диагенеза ОВ.
В настоящее время изучены структура и функциональные группы микроорганизмов циано-бактериальных матов, участвующих в круговороте углерода и его соединений. Проведены исследования скорости продукционных и деструкционных процессов в циано-бактериальных матах (Brock, 1978; Горленко и др., 1986; Герасименко и др., 2002; Брянская, 2002; Намсараев, 2003). Однако химический состав ОВ и минеральных солей в циано-бактериальных матах практически не изучен.
Целью работы являлось изучение продукционных процессов и определение содержания и состава ОВ циано-бактериальных матов щелочных водных экосистем Забайкалья.
Задачи исследования: 1. Сравнить структуру и видовой состав циано-бактериальных матов из различных мест обитания.
Определить скорости образования ОВ в циано-бактериальных матах.
Определить содержание ОВ (углеводов, белков, липидов) и неорганических соединений в циано-бактериальных матах.
Изучить углеводный и аминокислотный состав циано-бактериальных матов.
Изучить изотопный состав углерода ОВ циано-бактериальных матов.
Научная новизна
Впервые проведено исследование химического состава циано-бактериальных матов, где основными продуцентами ОВ являются нитчатые цианобактерии. Большая часть ОВ матов представлена углеводами, которые выполняют формообразующую и защитную роль в циано-бактериальном мате.
Впервые исследован углеводный и аминокислотный состав матов. В микробных сообществах идентифицированы дисахарид - целлобиоза и простые сахара - глюкоза, манноза, галактоза, рамноза, ксилоза, рибоза, фруктоза и арабиноза (фукоза).
В составе белков циано-бактериальных матов определены 20 аминокислот. Во всех образцах обнаружена диаминопимелиновая кислота -структурный компонент пептидогликана. Показано, что аминокислотный состав циано-бактериальных матов изученных экосистем схож, а по содержанию Сахаров маты отличаются.
Впервые изучен изотопный состав углерода ОВ и минеральных солей циано-бактериальных матов. Показано, что цианобактерии матов содовых озер для синтеза ОВ используют углекислоту биогенного происхождения. Продуценты щелочных гидротерм фиксируют атмосферную и вулканогенную углекислоту. В образовании ОВ микробных матов метанового источника Сухая участвуют бактерии цикла метана, в результате чего биомасса наиболее обеднена изотопом С относительно состава ОВ матов гидротерм.
5 Практическая значимость
Результаты диссертации расширяют представления о структуре и составе ОВ циано-бактериальных матов содовых озер и термальных источников. Результаты исследований могут быть использованы в биотехнологии для получения микробных биополимеров, бальнеологических исследованиях, учебном процессе при изучении курсов микробиологии и биохимии.
Содовые озера и термальные источники - как места формирования циано-бактериальных матов
Современные микробные ценозы испытывают сильное влияние со стороны окружающей флоры и фауны (Заварзин и др., 1999). Поэтому в настоящее время циано-бактериальные маты встречаются в основном в биотопах, где сохранились экстремальные условия (Заварзин, 2003). К экстремальным местам обитания относятся места активной вулканической деятельности, литоральные части морей, содово-соленые озера, горячие источники (Brock, 1978; Герасименко, Заварзин, 1986).
Согласно классификации озер О.А. Алекина содовые, или карбонатные, озера являются одной разновидностью соляных озер (Никаноров, 1989). Содовые озера широко распространены в природе. В Африке на территории Кении и Египта известны такие содовые озера как Магади и Вади-Натрун (Boone, 1986; Дубинин и др., 1995). В Северной Америке в штате Невада (США) находится оз. Биг Сода Лейк (Oremland, 1982). В Европе содово-соленые озера встречаются на территории Украины, Белоруссии и Калмыкии. На азиатском континенте содовые озера встречаются в Северном Казахстане, Западной и Восточной Сибири, Туве, Монголии и Китае. На территории Забайкалья насчитывается большое количество содовых, соленых и содово-соленых озер, которые разделены на несколько групп: Селенгинской Даурии, Баргузинской долины, долины реки Ингоды и Онон-Борзинского района.
Содовые озера очень разнообразны по гидрохимии. Общая минерализация воды содово-соленых озер составляет 2-67 г/л и более (Посохов, 1969; Алекин, 1970; Толстихин и др., 1975). Концентрация солей в рассоле озера Магади (Восточная Африка) достигала 352,9 г/л (Заварзин др., 1999). Значение водородного показателя воды варьирует от слабощелочного с рН 8,5 до сильнощелочного рН 10. Общая минерализация может испытывать сезонные и межгодовые колебания. Для озер Забайкалья наименьшее значение минерализации определено в весенний период (Власов, Филиппова, 1961; Банзаракцаева, 2002).
Характерная особенность содовых озер - наличие соды (NaHC03, Ка2СОз), которая полностью отсутствует в сульфатных и хлоридных озерах. Доминирующим катионом становится натрий, а анионами служат карбонат/гидрокарбонат и хлорид-ионы примерно в равной пропорции. Присутствует также сульфат, концентрация которого сильно варьирует в разных озерах (Заварзин и др., 1999).
Термальные источники широко представлены в природе. Они расположены на территории Центральной Азии, Индии, Африки, Европы, Восточной Сибири, Камчатки, Южной Америки, запада США. Республика Бурятия богата гидротермальными источниками. Выходы термальных вод обнаружены во многих районах республики, на побережье озера Байкал.
Термальными водами в геологии принято считать воды, если их температура превышает 20 С (Басков, Суриков, 1989). Температура воды гидротерм сильно варьирует и может достигать 300 С и выше. С точки зрения микробиологии важной температурной границей является температура 45 С (Заварзин, Колотилова, 2001). Эта температура позволяет разделить местообитания с доминированием мезофильных (с оптимумом около 30 С и максимумом до 45 С) и термофильных (с оптимумом около 50 С) микроорганизмов (Wiegel, 1998). Значение рН воды минеральных источников колеблется от 2 (сильнокислые) до 10 и более (силыющелочные) (Никаноров, 1989). По содержанию растворенных минеральных солей азотные и метановые термы являются слабоминерализованными. Общая минерализация воды в большинстве случаев не превышает 1 г/л. Концентрация растворенных солей углекислых источников достигает значения до 4-5 г/л. а территории Бурятии распространены слабощелочные и щелочные гидротермы, рН воды которых достигает 10 (Толстихин, Посохов, 1975). По газовому составу минеральные воды Бурятии И.М. Борисенко и Л.В. Заманой (1978) разделены на группы: углекислые, азотные, метановые воды и воды смешанного состава. В группе углекислых терм выделено 2 типа (шумакский, боржомский); в группе азотных гидротерм 4 типа (кремнистые термы — горячинский, питателевский; кремнистые сероводородные термы -аллинский, кульдурский); в группе метановых гидротерм 2 типа (тункинский, истокский) (Толстихин, Посохов, 1975).
Продукция органического вещества в циано-бактериальных матах
Общая продуктивность мата зависит от соотношения продукционных и деструкционных процессов. В благоприятных условиях продукционные процессы преобладают, в неблагоприятных - деструкция выше продукции (Герасименко, 2002).
Исследована фотосинтетическая продукция в микробных матах гиперсоленого озера Солар лейк (до 12 гС/м сут), гиперсоленых лагун Шарк бей и Спенсер Галф (до 6,13 гС/м сут), лагун оз. Сиваша (0,242 гС/м ч). В 1995 г. была определена интенсивность продукционных процессов в циано-бактериальном мате содового озера Хилганта. Фотосинтетическая активность наблюдалась в верхних зонах мата и составляла в среднем 1,5 гС/м ч. При этом 75-95% общей продуктивности приходилось на долю аноксигенного фотосинтеза (Компанцева и др., 2005).
Содержание хлорофилла а в матах соленых озер и гиперсоленых лагун составляло 600-900 мг/м . Скорость первичной продукции микробных матов содовых и соленых озер зависит от минерализации воды. При засолении лагуны оз. Сиваш от 16% до насыщения величина продукции ОВ уменьшается в 20 раз, величина деструкции - в 10 (Заварзин и др., 1993; Герасименко, 2002).
Исследование интенсивности процессов образования ОВ в фототрофных сообществах термальных источников показало, что максимальная фотосинтетическая продукция может достигать несколько грамм углерода на квадратный метр в сутки. Например, в "зеленом" мате источника Термофильный (Камчатка) фотосинтетическая продукция составила 2,3 гС/м сут, в мате источника Октопус спринг (Иеллоустон) равнялась 4,32-5,4 гС/м сут (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989; Revsbech, Ward, 1984; Ferris et al., 1997). Эти данные сопоставимы со значениями, измеренными в матах бухты Кратерной (до 3,7 гС/м сут) и в матах щелочного источника Большереченский (Прибайкалье) (1,78 гС/м сут) (Намсараев, 2003а).
Скорость фотосинтеза термофильных цианобактерий различается у разных видов и зависит от температуры. Отмечено, что эффективность фотосинтеза возрастает при повышении температуры. Максимальная фотосинтетическая продукция определена при температурах 55-45 С (Castenholz, 1984; Revsbech, Ward, 1984; Бонч-Осмоловская, Заварзин, 1989). Однако наличие в мате цианобактерий с различными температурными оптимумами определяет высокую фотосинтетическую способность при любых температурных условиях (Герасименко, 2002).
Максимальная темновая продукция в циано-бактериальных матах нейтрального источника Термофильный достигает 0,29 гС/м сут, в матах Большереченского источника - 0,07 - 0,806 гС/м2 сут (Намсараев, 2003а). Высокие значения темновой продукции определены в матах бухты Кратерной (до 29,7 гС/м сут) (Tarasov et al., 1990).
Наибольшая активность продукционных процессов в микробном мате отмечена в верхнем слое до глубины 2 мм, что в большинстве случаев соответствует максимальной глубине проникновения солнечного света (Castenholz, 1984).
Соотношение оксигенного и аноксигенного фотосинтеза может колебаться в широких пределах. На примере микробных матов источника Термофильный было показано, что с понижением температуры от 62 до 56С доля аноксигенного фотосинтеза уменьшается на 76-40%, при температурах ниже 50 С - на 1-10%. Доля оксигенного фотосинтеза, соответственно, возрастает (Горленко, Бонч-Осмоловская, 1989).
Содержание и состав углеводов
Углеводы являются одним из составных компонентов ОВ организмов и играют важную роль в функционировании микробного сообщества мата. Углеводы служат энергетическим и строительным материалом клетки. Сахара и сахароспирты являются осморегуляторами клеток галофильных микроорганизмов (Stal, Reed, 1987; Заварзин, 2003). Внеклеточные углеводы обеспечивают выживаемость цианобактерий в горячих источниках и содово-соленых озерах. Экзополисахариды цианобактерий микробных матов создают микроусловия для развития других микроорганизмов. Также они выполняют формообразующую роль в мате, предохраняют клетки от высыхания (Герасименко, Заварзин, 1993; Пирог и др., 1998; Rougeaux et al., 2001). Слизеподобные внеклеточные углеводные полимеры способствуют скользящему движению клеток микроорганизмов (Hoiczyk, 1998). Слизистый полисахаридный чехол цианобактерий может стимулировать процесс минерализации (Герасименко, 2002).
В литературе представлены единичные данные о содержании и составе углеводов циано-бактериальных матов. Проведены исследования углеводного состава циано-бактериальных матов гиперсоленых водоемов (Moers, barter, 1993), углеводов-осморегуляторов матов (Stal, Reed, 1987). Изучен состав экзополисахаридов циано-бактериальных матов минерализованных озер Полинезии (Rougeaux et al., 2001). Вместе с тем, в литературе имеются сведения о составе углеводов клеточной стенки и экзополисахаридов цианобактерий.
В циано-бактериальных матах гиперсоленых водных экосистем Абу Даби (Арабские Эмираты) отмечено высокое содержание глюкозы, галактозы, маннозы и фукозы (Moers, barter, 1993). Стэл Л. и Рид P. (Stal,
Reed 1987) исследовали содержание низкомолекулярных углеводов-осморегуляторов микроорганизмов циано-бактериальных микробных матов острова Mellum (Северное море). Цианобактерии родов Nostoc, Anabaena в качестве осмопротекторов накапливали сахарозу, Calothrix sp. - трегалозу. Цианобактерии родов Lyngbya, Plectonema, Phormidium, Gloeocapsa, Synechocystis, Spirulina продуцировали глюкозоглицерид. Кроме того, некоторые представители цианобактерии родов Lyngbya, Plectonema, Phormidium синтезировали сахарозу и трегалозу.
Руже X. с соавторами (Rougeaux et al., 2001) изучили послойное содержание и состав экзополисахаридов циано-бактериальных матов минерализованных озер Полинезии. Наибольшее содержание углеводов (26,8 и 46,8% от сухого вещества) было определено в верхних слоях матов, где преобладали цианобактерии. Количество внеклеточных углеводов в нижних слоях мата составило 1,0 - 9,4%. В составе экзополисахаридов исследованных матов преобладали нейтральные сахара, также определено наличие уроновых кислот. Мольные соотношения глюкозы: галактозы: маннозы:рамнозы:фукозы:арабинозы:ксилозы:глюкуроновой кислоты:галактоуроновой кислоты составили 2:2:1,5:0,5:0,5:0,2:1,4:1:0,6.
Общее количество углеводов в чистых культурах цианобактерии в среднем составляет 30-55%. В ряде случаев отмечены значительные колебания в содержании углеводов. Так, у Anabaena flos-aquae количество углеводов составило 11,5%, a Microcystis aeruginosa - 60 % (Гусев, Никитина, 1979). Углеводы фотобактерий в основном представлены полисахаридами, среди которых присутствуют разнообразные нерастворимые, растворимые в воде и физиологически активные компоненты (Блинов, 1984; Максимова и др., 2004). Общим свойством полисахаридов цианобактерии является их устойчивость к гидролизу в щелочной и кислой средах (Барашков, 1972). Цианобактерии формируют очень сложно организованные клеточные покровы. Снаружи от клеточной стенки обычно последовательно располагаются дополнительные слои - чехол и капсула. Чехол у разных видов цианобактерий составляет от 6 до 30% от сухой массы клеток (Билан, Усов, 2001). В хромоплазме клеток многих видов цианобактерий накапливается крахмалоподобная полиоза, напоминающая гликоген и амилопектин крахмала высших растений (Гусев, Никитина, 1979; Блинов, 1984; Pritzer etal., 1989).
Главными компонентами клеточной оболочки цианобактерий являются нейтральные сахара (глюкоза, галактоза, ксилоза, манноза, рамноза). Также в ее составе обнаружены уроновые кислоты и минорные соединения, такие как аминокислоты, сульфатные и фосфатные группы, жирные кислоты (Jones, Yopp, 1979; Schrader et al., 1982; Tease, Walker, 1987; Hoiczyk, 1998). Из моносахаридов преобладает глюкоза (до 60%). Отмечено высокое содержание галактозы, ксилозы. В составе клеточной оболочки Phormidium uncinatum, Gleoebacter violaceus идентифицирована арабиноза (Schneider, Jiirgens, 1991; Hoiczyk, 1998), у Mastigocladus laminosus - фукоза (Pritzer et al., 1989). В клеточной стенке Phormidium uncinatum не определена манноза (Hoiczyk, 1998).
Много исследований посвящено изучению пептидогликана (муреина) -структурного полисахарида фототрофных организмов (Jiirgens et al., 1983; Weckesser et al., 1987; Hoiczyk, 1998). Состав и строение этого полимера бактерий имеет высокую таксономическую значимость. Пептидогликан составлен из полисахаридных цепей, связанных поперечно тетрапептидами. Пептидогликан цианобактерий относится к А1-у-типу (Schleifer, Kandler, 1972), в состав которого входят глюкозоамин, мурамовая кислота, глутаминовая кислота, аланин, диаминопимелиновая кислота (Jiirgens et al., 1983; Jiirgens, Weckesser, 1986). Мольные соотношения компонентов пептидогликана некоторых цианобактерий представлены в таблице Кроме перечисленных соединений пептидогликан термофильной цианобактерий Synechococcus sp. содержал галактозоамин или маннозу, маннозоамин (Schrader et al., 1981). Из свободных дисахаридов у цианобактерий встречается трегалоза, сахароза.
