Введение к работе
Актуальность проблемы
Большая часть территории России находится в бореальной зоне, для которой характерна обильная лесная растительность и гумидный тип климата с преобладанием осадков над испарением. В таких условиях происходит формирование лесо-болотных экосистем, являющихся областью водосбора для большей части пресноводных водоемов этой зоны (реки, озера, болота), со специфической для каждого водоема омброфильной микробиотой [Заварзин, 2009]. Микрофлора озер, которые представляют собой конечные внутриконтинентальные водоемы стока, подробно изучена сотрудниками лаборатории Кузнецова [Горленко, Дубинина, 1977; Кузнецов, Дубинина, 1989]. Бактериальное разнообразие сфагновых болот, как важнейшего компонента гидрологической сети, интенсивно изучается многими исследователями [Добровольская, 2002; Заварзин, Дедыш, 2008].
В лесо-болотных экосистемах основным источником органического вещества является древесина. Масштабы процесса разложения древесного отпада на территории России составляют, по данным Замолодчикова, 254.87 Мт Сорг, что соответствует ежегодному приросту леса по балансу углерода [Кудеяров и др., 2007]. Формирование водной среды в лесо-болотных экосистемах происходит на основе ультрапресной дождевой воды. В условиях избыточного увлажнения за счет дождевого питания и разложения органического вещества, образующегося в процессе деструкции древесины, формируются кислые темноокрашенные дистрофные воды.
Деструкцию древесины, представляющей собой сложный лигно-целлюлозный комплекс, осуществляют различные группы древоразрушающих грибов (ксилотрофов), которые гидролизуют ее с образованием СОг, а также различных органических соединений [Рипачек, 1967; Рабинович, 2001]. В водных экосистемах основными деструкторами древесины являются аскомицеты и несовершенные грибы, относящиеся к группам Deutermycota, Ascomycota и Oomycota [Терехова, 2007].
В настоящее время неизвестно, какие группы диссипотрофных бактерий характерны для ультрапресных кислых дистрофных вод лесо-болотных местообитаний на начальной стадии разложения древесины, при которой концентрация легкодоступных питательных веществ невысока. Г.А. Заварзиным была предложена схема трофических взаимоотношений микроорганизмов в процессе деградации древесины, нуждающаяся в проверке. С этой целью были созданы лабораторные модели (микролизиметры), позволяющие смоделировать в условиях промывного режима твердофазный гидролиз древесины ели ксилотрофным сообществом грибов на начальной кислой стадии разложения [Заварзин, Заварзина, 2009]. Цель работы
Изучение в лабораторной модели омброфильного микробного сообщества
ультрапресной кислой дистрофной воды, формирующейся в процессе деструкции
древесины ели ксилотрофными грибами, и выяснение роли бактерий в утилизации
продуктов гидролиза. ,
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
-
Выделение чистых культур омброфильных бактерий, характерных для ультрапресных кислых дистрофных вод.
-
Изучение морфо-физиологических особенностей и определение таксономического положения выделенных бактерий.
-
Определение экофизиологических характеристик бактерий промывных гумифицированных вод.
-
Выяснение функциональной роли выделенных микроорганизмов в трофической группировке омброфильных диссипотрофных бактерий дистрофных вод.
Научная новизна
Установлено существование диссипотрофной группировки бактерий, которая использует продукты гидролиза древесины ксилотрофным сообществом, и определена ее роль в формировании дистрофных вод.
Выделены и исследованы диссипотрофные бактерии ультрапресных кислых гумифицированных вод, выявлены их основные характеристики.
Подготовлено полное таксономическое описание трех новых видов ацидотолерантных омброфильных диссипотрофных бактерий в составе родов Ancylobacter, Xanthobacter и Singulisphaera как представителей экофизиологической группировки омброфилов.
На основании экофизиологических особенностей микроорганизмов определено их положение в трофической системе ксилотрофного мико-бактериального сообщества. Научно-практическое значение
Создана коллекция омброфильных диссипотрофных бактерий, характерных для начальной стадии разложения древесины, включающая представителей класса Alphaproteobacteria и планктомицетов.
Установлено, что выделенные из сообщества новые виды бактерий родов Ancylobacter, Xanthobacter и Singulisphaera могут рассматриваться как потенциальные продуценты полисахаридов, перспективных для пищевой и медицинской биотехнологии. Выделен экзополисахарид, и проводится тестирование для определения возможности его практического применения в ветеринарии.
Установлена возможность использования ряда выделенных умеренно ацидофильных микроорганизмов в качестве индикаторных форм для определения первой стадии грибной сукцессии разложения древесины и формирования дистрофных вод.
Выявлен механизм деацидификации дистрофных вод: бактерии, используя метаболиты гидролитиков, способствуют переходу кислой стадии в нейтральную. Апробация работы
Материалы, вошедшие в работу, были представлены на следующих конференциях:
-
V Международная конференция «Вулканизм и биосфера и экологические проблемы» (Туапсе, октябрь 2009). «Диссипотрофные бактерии, развивающиеся в сообществе с грибами-ксилолитиками».
-
Всероссийская научная конференция с международным участием «Физиология и генетика микроорганизмов в природных и экспериментальных системах», посвященная 75-летию со дня рождения основателя кафедры физиологии
микроорганизмов профессора М.В.Гусева (Москва, май 2009); «Бактерии-диссипотрофы, развивающиеся в сообществе с грибами-ксилолитиками в ультрапресных условиях».
-
II международная конференция по природоведческой, промышленной и прикладной микробиологии «BioMicroWorld 2009» (Лиссабон, декабрь 2009); «Dissipotrophic bacteria, which develop in community with xylolytic fungi in the ultrafresh conditions».
-
V Молодежная школа-конференция с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, ИНМИ РАН ноябрь 2009). «Диссипотрофные бактерии ксилотрофного сообщества в пресноводных экосистемах».
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 8 работ (из них статей - 4, тезисов на конференциях - 4). Структура диссертации
Диссертация состоит из разделов: Введение, Литературный обзор, Объекты и методы исследований, Результаты и обсуждение, Заключение, Выводы, Список литературы. Работа изложена на//"страницах машинописного текста, включает '/^рисунков и таблиц; список литературы содержит/-^наименований, из них^на русском и^ на английском языке. Место проведения работы и благодарности
Работа выполнена в лаборатории реликтовых микробных сообществ на базе УРАН института им. С.Н. Виноградского с 2007 по 2010 годы под руководством д.б.н. Л.В. Васильевой. Исследованные изоляты микроорганизмов выделены при участии д.б.н. Л.В. Васильевой. Определение филогенетического положения изолятов проводилось к.б.н. В.Н. Акимовым (Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН, г. Пущино).
Автор выражает благодарность д.б.н., академику РАН Г.А. Заварзину за постановку задачи и предоставление исходного материала, д.б.н. Л.В. Васильевой, к.б.н. Ю.Ю. Берестовской и к.б.н. Т.А. Панкратову за поддержку и советы на протяжении всего процесса работы.
Работа выполнена при финансировании в рамках программ Президиума РАН «Научные основы сохранения биоразнообразия России»; «Изменение окружающей среды и климата. Природные катастрофы» в направлении «Изменение природных вод под влиянием деятельности микроорганизмов»; «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт с Роснаукой № 02.740.11.0023).
