Введение к работе
Актуальность проблемы. Фототрофные пурпурные несерные бактерии (ПНБ) благодаря универсальности обмена и пластичности метаболизма весьма широко распространены в водоемах разного типа [Горленко и др., 1977]. Принято считать, что они обычно не образуют массовых скоплений. ПНБ наиболее быстро растут в фотоорганотрофных условиях. Такие исключительные условия создаются в природе сравнительно редко. В водоемах, где формируется анаэробная зона, наряду с органическими соединениями часто появляется сульфид. Хотя ряд видов ПНБ способен использовать H2S, но они реализуют его с меньшей эффективностью, чем фототрофные серобактерии [Горленко, 2010]. Поэтому в донных осадках и стратифицированных водных массах озер, содержащих сульфид, ПНБ вытесняются на второй план зелеными и пурпурными серобактериями. Поэтому роль ПНБ в микробиологических процессах цикла серы в озерах представляется несущественной. Однако ПНБ здесь могут играть важную роль в микробиологических процессах круговорота азота [Кузнецов и др., 1985]. У чистых культур различных видов ПНБ установлена способность к аммонификации, азотфиксации, нитратредукции или денитрификации [Satoh, 1977; Klemme, 1979; Alef et al., 1982; Castillo, Cardenas, 1982; Madigan et. al., 1984; Shapleigh, 2009].
В последние десятилетия особый научный интерес вызывают прикрепленные формы микроорганизмов в водотоках разного генезиса. Перифитонные сообщества являются традиционным объектом экологических исследований, поскольку в обрастаниях подводных субстратов обитает большинство водных микроорганизмов [Константинов, 1986; Watnick, Kolter, 2000]. Здесь обычно доминируют микроскопические водоросли и бактерии, которые способны быстро реагировать на изменения окружающей среды [Горбунов, Уманская, 2008]. В частности, на примере предгорной реки Сылва (бассейн р.Камы) установлено, что не планктону, а фито- и бактериоперифитону принадлежит ведущая роль в самоочищении и биопродуктивности быстротекущих вод [Беляева и др., 2007]. Часть работ в этом направлении
посвящена изучению активности азотфиксации и денитрификации перифитонных микробоценозов, но преимущественно в озерах и водохранилищах [Steppe et al., 1996; Pinckney, Paerl, 1997; Smith, Lee, 2006; Falcon et. al., 2007; Ishida et. al., 2008; Inglett et al., 2009]. К настоящему времени имеются лишь единичные сведения о распространении ПНБ и их участии в процессах цикла азота в составе перифитонных сообществ проточных природных и антропогенных систем [Finke, Seeley, 1978; Rybakova et al., 2009].
Цель и задачи исследования. Целью данного исследования являлось изучение распространения пурпурных несерных бактерий в перифитоне водотоков разного генезиса, оценка их вклада в процессы цикла азота: азотфиксацию и денитрификапию. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
Провести учет численности ПНБ в планктоне и обрастаниях подводных субстратов водотоков Камского и Байкальского бассейнов.
Установить таксономическую принадлежность ПНБ, доминирующих в перифитонных сообществах.
Оценить способность культур изолятов ПНБ к азотфиксации, нитратредукции и денитрификации.
Определить интенсивность фиксации молекулярного азота и денитрификации микробными сообществами планктона и перифитона в ряде природных и антропогенных водотоков Камского бассейна.
Научная новизна. Впервые выявлено массовое распространение ПНБ в перифитоне (обрастаниях каменистых субстратов и макрофитов) в условиях быстротекущих вод разного генезиса. Обнаружена ведущая роль ПНБ родов Rhodopseudomonas и Rhodobacter в составе речных эпилитонных сообществ и активного ила биологических очистных сооружений (БОС) г.Перми в процессах биологической денитрификации. В обрастаниях макрофитов и в планктоне рек Предуралья гетероцистным цианобактериям (ЦБ) родов Anabaena, Aphanizomenon и ПНБ принадлежит ведущая роль в процессах азотфиксации. В природных и антропогенных водотоках Камского бассейна интенсивность
и масштабы АФ и потенциальной ДЕН перифитонными и планктонными ПНБ и ЦБ сопоставимы с таковыми в водных массах и донных отложениях загрязненных участков продуктивных озер и водохранилищ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Установлена способность выделенных из перифитонных сообществ культур штаммов Rhodobacter spp. к восстановлению токсичных оксианионов теллура и к внутриклеточной аккумуляции ионов меди. Полученные данные позволяют полагать, что перифитонным ПНБ принадлежит важная роль в процессах самоочищения природных и сточных вод от минеральных и органических загрязняющих веществ. Выделенные штаммы активных денитрифицирующих ПНБ (1-3R) целесообразно использовать для повышения эффективности очистки городских сточных вод. Суспензионные и иммобилизованные культуры активного азотфиксирующего штамма 1R, изолированного из перифитона р.Сылвы, перспективны для промышленного получения водорода за счет органических отходов и энергии света.
Основные положения, выносимые на защиту.
В течение летне-осеннего периода в обрастаниях гидрофильной растительности и каменистых субстратов водотоков разного генезиса массовое распространение могут получать ПНБ.
Среди ПНБ перифитонных сообществ обычно доминируют Rhodopseudomonas palustris и различные виды рода Rhodobacter. Все выделенные в чистую культуру штаммы Rhodobacter spp. содержат ген nifli, проявляют повышенную активность азотфиксации на свету. Из них штаммы R. capsulatus 1R, R. azotoformans 2R и R. sphaeroides 3R обладают способностью к активной денитрификации в темноте, а штаммы R. blasticus 4-9R к ассимиляционной нитратредукции на свету и в темноте.
В планктоне и эпифитоне рек Пермского края ПНБ и гетероцистным ЦБ родов АпаЪаепа и Aphanizomenon принадлежит ведущая роль в азотфиксации. На БОС г.Перми и в речном эпилитоне ПНБ, напротив, способны реализовать свой потенциал к денитрификации.
Апробация работы и публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 9 научных работ: 4 статьи, одна из которых в журнале, рекомендованном ВАК Минобрнауки РФ, и 5 тезисов. Материалы диссертации доложены на трех Всероссийских конференциях молодых ученых.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 131 страницах, включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, обсуждение, выводы и список литературы из 263 наименований: 99 на русском и 164 на английском языках.
Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнена при поддержке по Программе фундаментальных исследований Президиума РАН №22 "Молекулярная и клеточная биология", проект № 01200963684, и гранта РФФИ-Урал № 07-04-96027.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю д.б.н. А.И. Саралову за помощь при подготовке диссертации, сотрудникам лаборатории водной микробиологии ИЭГМ УрО РАН (О.М. Банниковой, П.Г. Беляевой, Н.П. Ковалевской, Е.М. Реутских, А.П. Соломенному) за непосредственное участие в проведении полевых и экспериментальных работ, а также заведующему отдела Центра «Биоинженерия» РАН, Москва, к.б.н. Б.Б. Кузнецову за помощь при выполнении молекулярно-генетических исследований.
Принятые сокращения и обозначения. ПНБ - пурпурные несерные бактерии, ЗПБ - зеленые пурпурные бактерии, ПСБ - пурпурные серные бактерии, СВБ - сульфатвосстанавливающие бактерии, ЦБ - цианобактерии, АФ - активность азотфиксации, ДЕН - активность денитрификации, БОС - биологические очистные сооружения.
