Введение к работе
Актуальность проблемы. Последние несколько десятилетий ведутся работы по изучению сообществ микроорганизмов мерзлых осадочных отложений. Многими исследователями получены убедительные доказательства сохранения жизнеспособных микроорганизмов в вечной мерзлоте в течение геологического времени (Звягинцев и др. 1985; Vorobyova et al. 1997; Gilichinsky, Wilson et al. 2007; Gilichinsky, Rivkina 2011). Из проб многолетнемерзлых грунтов были выделены чистые культуры актиномицетов (Карасев и др. 1998; Kochkina et al. 2001), нитрифицирующих бактерий (Соина и др. 1991), метанотрофов (Хмеленина и др. 2002), сульфатредукторов (Vatsurina et al. 2008), зеленых одноклеточных водорослей и цианобактерий (Vishnivetskaya et al. 2005), метаногенных архей (Rivkina et al. 2007; Krivushin et al. 2010; Shcherbakova et al. 2011). Эукариоты, обнаруженные в многолетнемерзлых отложениях Арктики и Антарктиды, представлены дрожжами (Дмитриев и др. 1997; Faizutdinova et al. 2005) мицелиальными грибами (Кочкина и др. 2001; Lydolph et al. 2005), зелеными водорослями (Vishnivetskaya et al. 2005) и простейшими (Шатилович и др. 2005; Шатилович и др. 2010). Несмотря на то, что эти микроорганизмы находятся при отрицательных температурах в мерзлых породах на протяжении длительного времени от нескольких тысяч до нескольких миллионов лет (Gilichinsky et al. 2007), они сохраняют метаболическую активность, обеспечивающую их жизнеспособность (Rivkina et al. 2000; Ривкина 2002; Хмеленина и др. 2002). Многие изоляты и смешанные популяции проявляли метаболическую активность при отрицательных температурах (Ривкина 2002; Хмеленина и др. 2002; Bakermans et al. 2003; Gilichinsky et al. 2003).
В последнее десятилетие внимание исследователей привлекает высокогорная мерзлота (Zhang et al. 2007; Yang et al. 2008), в том числе и вулканического происхождения, как место сохранения экстремофильных микроорганизмов. Многие активные вулканы расположены в зоне распространения вечномерзлых пород. Многолетнемерзлые породы обнаружены на вулканах Камчатки, Россия (Абрамов, Гиличинский 2008), Исландии (Kellerer-Pirklbauer et al. 2007), на вулканах Десепшен и Эребус на Антарктическом континенте и прилегающих островах, а также на вулканах Гавайских о-вов (США) (Woodcock 1974) и Японии (Higuchi, Fujii 1971).
Микробиологические исследования ассоциированных с вулканами термальных мест обитания, таких как фумаролы, горячие источники, гейзеры и сольфатары (Bonch-Osmolovskaya 1994; Stetter 2006; Bonch-Osmolovskaya et al. 2011) показали, что сообщества термальных мест обитания могут существовать автономно и не зависеть от внешней среды. Некоторые микроорганизмы, обитающие в подобных экосистемах, способны питаться автотрофно и получать энергию за счет окисления неорганических источников энергии (Stetter et al. 2006) при высоких температурах, до 122C (Takai et al. 2008).
В тех регионах, где активный вулканизм и геотермальная активность проявляются в зоне распространения мерзлоты, образуются условия для консервации микроорганизмов из термальных источников и фумарол в окружающих мерзлых породах. Такие условия должны возникать либо при прекращении геотермальной активности и переходе геотермальных экосистем в многолетнемерзлое состояние, либо если микроорганизмы попадают за пределы геотермальных оазисов в ходе извержений и фумарольной активности.
В ходе исследований мерзлых пород Арктики и Антарктиды, не ассоциированных с вулканизмом, гипертермофильные микроорганизмы в них не обнаруживались, а термофильные обнаруживались только как минорная составляющая сообществ (Steven et al. 2006; Rodrigues, Tiedje 2008). При этом систематических исследований многолетнемерзлых пород вулканического происхождения не проводилось. А именно они могут представлять наиболее древние хранилища законсервированных в мерзлом состоянии термофильных микроорганизмов.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования было изучение жизнеспособных микроорганизмов, сохранившихся в многолетнемерзлых вулканогенных отложениях п-ова Камчатка и острова Десепшен, Антарктида.
Основные задачи исследования состояли в следующем:
-
Определение общей численности микроорганизмов и численности представителей различных температурных групп, сохранивших жизнеспособность в многолетнемерзлых вулканогенных породах (ММВП).
-
Выделение чистых культур аэробных и анаэробных микроорганизмов из ММВП, изучение их физиолого-биохимических свойств, определение таксономического положения.
-
Выявление в многолетнемерзлых вулканогенных породах жизнеспособных термофильных микроорганизмов.
-
Сравнительный анализ состава микроорганизмов, сохранившихся в многолетнемерзлых вулканогенных породах и окружающих экосистемах.
Научная новизна и значимость работы. В работе впервые исследованы микроорганизмы многолетнемерзлых вулканических отложений п-ова Камчатка и о. Десепшен. Показано, что изученные мерзлые породы содержат жизнеспособные микроорганизмы, среди которых преобладают бактерии с повышенной оптимальной температурой роста, не способные расти при комнатной температуре. Из многолетнемерзлых вулканических пород острова Десепшен выделены и исследованы чистые культуры психрофильной, субтермофильной, и термофильной групп микроорганизмов, представляющие роды Bacillus, Paenibacillus, Geobacillus, Sporosarcina, Rhodoglobus (Leifsonia) и Clostridium.
Впервые в вулканических мерзлых породах наблюдался процесс микробиологической сероредукции при температурах выше 80С.
Практическая значимость. Обнаруженное в настоящей работе явление - сохранение термофильных и гипертермофильных микроорганизмов в мёрзлых породах, может быть использовано для усовершенствования методик криоконсервации культур таких микроорганизмов в коллекциях.
Данная работа является первым этапом изучения вулканогенных термальных сообществ в исторической ретроспективе, горизонты которой определяются временем непрерывного существования вечной мерзлоты (до 3035 млн. лет). Многолетнемерзлые породы Земли с законсервированными в них термофильными и гипертермофильными микроорганизмами являются астробиологической моделью планет и спутников криогенного типа с вулканической активностью в настоящем или прошлом, например Марса.
Большое значение имеет биотехнологический потенциал обнаруженных в мерзлых породах микроорганизмов. Термофильные микроорганизмы могут являться продуцентами уникальных термостабильных ферментов, используемых в промышленности и медицине. Выделенные культуры помещены в Всероссийскую коллекцию микроорганизмов (ВКМ) и доступны для дальнейших исследований разными специалистами.
Усовершенствованная методика отбора проб для микробиологического анализа может быть использована для работы с мерзлыми породами или льдами, характеризующимися крайне низкой численностью микроорганизмов.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на международных конференциях «Astrobiology Science Confrence 2010»; «Young Systematists' Forum 2010»; «38th COSPAR Scientific Assembly 2011»; «Ломоносов-2011»; Астробиологическая школа в Сан Пауло (SPASA 2011) и 1- ой Всероссийской научной школе-конференции «Астробиология: от происхождения жизни на Земле к жизни во Вселенной -2012».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, десяти глав и заключения. Она изложена на 132 страницах текста, сопровождается 30 иллюстрациями и 9 таблицами. Список литературы включает 191 наименование, из которых 161 - на иностранных языках.
Место проведения работы и благодарности. Работа выполнялась в лаборатории криологии почв Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН), и в лаборатории анаэробных микроорганизмов Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН (ИБФМ РАН). Автор выражает благодарность к.г-м.н Ривкиной Е.М и к.б.н Щербаковой В.А. за плодотворное сотрудничество, за конструктивную критику и за помощь в планировании экспериментов. Особую благодарность автор выражает к.б.н. Сузиной Н.Е. (ИБФМ РАН); к.б.н. Переваловой А.А. (ИНМИ им. С.Н. Виноградского); к.б.н. Арискиной Е.В. (ИБФМ РАН); к.б.н. Булату С.А. (ПИЯФ им. Б.П.Константинова, Санкт- Петербург), к.б.н. Вишневецкой Т.А. (Центр микробной экологии Мичигана, США), Гусеву О.А. (Университет Цукубы, Япония) за помощь в проведении ряда анализов и исследований. Автор признателен исследователям гипертермофильных микроорганизмов Штеттеру К.О. (Университет Регенсбурга, Германия) и Блэмэй Д. («Fundacion Biociencia» Сантьяго, Чили) за полезные рекомендации и критику. Спасибо сотрудникам лаборатории Криологии почв ИФХиБПП РАН и лаборатории Анаэробных микроорганизмов ИБФМ РАН за плодотворные и интересные дискуссии, помощь в освоении новых методов, получении и интерпретации результатов экспериментов.
Я выражаю искреннюю благодарность безвременно ушедшему научному руководителю и идейному вдохновителю Давиду Абрамовичу Гиличинскому.
