Введение к работе
Актуальность темы. Исследования последних десятилетий показали, что низкотемпературные экосистемы играют важную роль в формировании климата Земли и балансе парниковых газов в атмосфере [Corradi et al., 2005], а тундровая зона является значимым источником биогенного метана. В начале девяностых годов было установлено, что помимо сезонно-талого слоя значительное количество метана находится в вечной мерзлоте и выведено из современного биогеохимического круговорота [Ривкина и др., 1992; Rivkina et al, 2001; Gilichinsky et al., 1997; Wright, et al., 1998]. В многолетнемерзлых породах, наряду с метаном, сохраняются и жизнеспособные анаэробные микроорганизмы, в том числе, метанобразующие археи [Rivkina et al., 1998].
Метан в верхних горизонтах криолитосферы, в отличие от глубинного, способен легко высвободиться в атмосферу при деградации мерзлоты, что сегодня наблюдается, например, при термоабразии Арктического побережья. Кроме того, можно ожидать, что в случае оттаивания мерзлоты палеомикробное сообщество будет активно вовлекаться в биогеохимические процессы, включая продуцирование парниковых газов за счет ставшего доступным органического вещества [Rivkina et al., 2001]. Использование радиоактивно меченых субстратов (NaH14CC>3 и Na14CH3C02) показало, что метанобразование в многолетнемерзлых породах может происходить не только при их оттаивании, но и при отрицательных температурах до -16.5С [Rivkina et al., 2002, 2004, 2005]. Последнее свидетельствует о возможности метаболической активности метаногенов в многолетнемерзлых породах. Для оценки поведения метансодержащих пород при деградации мерзлоты, необходимо знать содержание в них метана и закономерности распределения метанобразущих архей в основных стратиграфических горизонтах мерзлой толщи.
До проведения настоящей работы описано всего несколько видов метаногенов, выделенных из низкотемпературных экотопов: Methanococcoides burtonii [Franzmann et al., 1992], Methanogenium frigidum [Franzmann et al., 1997], Methanomethylovorans hollandica [Lomans et al., 1999], в литературе не встречено описаний штаммов метаногенных архей, выделенных непосредственно из многолетнемерзлых отложений.
Таким образом, очевидна необходимость детального изучения сообщества метаногенов и их распределения в многолетнемерзлых породах.
Цель работы: характеристика сообщества метаногенов в многолетнемерзлых породах разного возраста и генезиса. Основные задачи:
Выявить присутствие жизнеспособных метаногенов и охарактеризовать культуры метанобразующих архей в многолетнемерзлых породах Арктики и Антарктиды.
Определить закономерности распределения метаногенов в горизонтах различного возраста и генезиса.
Определить доминирующую группу в сообществе метаногенов мерзлых отложений.
Объект исследования: многолетнемерзлые осадочные породы Колымской низменности (Арктика) и долины Майерса (Антарктида, Сухие Долины).
Научная новизна:
Впервые: S сообщество метаногенов из многолетнемерзлых пород исследовано с
применением микробиологических и молекулярно-экологических методов; S показано наличие генетических маркеров метаногенов в многолетнемерзлых
породах Колымской низменности и доминирование среди них порядка
Methanosarcinales; f из древних мерзлых пород различного возраста и генезиса Арктики и
Антарктиды выделены и описаны жизнеспособные метаногены.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы в микробной экологии, криобиологии, биотехнологии, моделях поведения многолетнемерзлых пород при глобальных климатических изменениях и астробиологии.
Апробация работы. Отдельные части диссертации докладывались на XII, XIII и XVII Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2005, 2006, 2010), II европейской конференции по мерзлотоведению (Потсдам, ФРГ, 2005); II и III Международных конференциях по полярной микробиологии (Инсбрук, Австрия, 2006; Банфф, Канада, 2008); международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» (Салехард, 2007), летней школе Nordic-NASA: вода, лед и происхождение жизни на Земле
(Рейкьявик, Исландия, 2009), международной Астробиологической конференции: эволюция и жизнь (Лига Сити, США, 2010) и 10ом европейском симпозиуме по астробиологии (Пугцино, Россия, 2010).
Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю к.г.-м.н. Е.М. Ривкинои за возможность принять участие в исследовании уникальной группы микроорганизмов и актуальной проблемы, за полученный опыт, плодотворные дискуссии, помощь в планировании экспериментов и всестороннюю поддержку. Отдельная благодарность - сотрудникам лаборатории анаэробных процессов (ИБФМ РАН) - к.б.н. В.А. Щербаковой, Г.А. Солдатенковой за методическое обеспечение и бесценный опыт анаэробного культивирования. Неоценимую помощь в выполнении работы оказали также проф. Р. Конрад, к.б.н. С. Печерицина (Max Planck Institute for Terrestrial Microbiology, Марбург, Германия) и проф. К. Тиммис, др. О. Дюплекс, др. О.Р. Коцурбенко (Helmholtz Centre for Infection Research, Брауншвейг, Германия).
Я благодарен к.б.н. Т.А. Вишнивецкой (Oak Ridge National Laboratory, Biosciences Division, США) за помощь в описании накопительной культуры, выделенной из Антарктиды, а также к.б.н. С.А. Булату (ПИЯФ РАН) за ценные замечания и дискуссии при планировании схем экспериментов.
Огромное спасибо всем сотрудникам лаборатории и участникам арктических и антарктических экспедиций: к.г-м.н. А.Л. Холодову, к.г-м.н. А.А. Абрамову, Д.Г. Федорову-Давыдову, Е.В. Спириной, Л.А. Шмаковой и остальным сотрудникам лаборатории, и в особенности: д.г-м.н. Д.А. Гиличинскому - заведующему лабораторией криологии почв. Всем им я выражаю глубокую признательность.
Автор выражает благодарность к.б.н. A.M. Лысенко - за определение ГЦ состава, выполнение ДНК-ДНК гибридизации, к.б.н. Н.Е. Сузиной - за электронно-микроскопические снимки культур.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Она изложена на 103 страницах текста, сопровождается 27 иллюстрациями и 12 таблицами. Список литературы включает 180 наименований, из них 171 - на иностранном языке.
