Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 7
1. Разнообразие озер 7
1.1. Классификация озер по их происхождению 7
1.2. Классификация озер по температурному режиму 9
1.3. Классификация озер по степени трофии 11
2. Формирование условий среды в донных осадках 13
3. Основные этапы деструкции органического вещества микрорганизмами 16
3.1. Начальные этапы разложения ОВ 16
3.2. Биохимические особенности процессов разложения ОВ в анаэробных условиях 17
3.3. Терминальные процессы анаэробного разложения ОВ 19
3.4. Разнообразие трофических связей в микробных сообществах 21
3.5. Основные факторы, регулирующие процессы в микробном сообществе 23
3.5.1 Концентрация водорода 23
3.5.2. Концентрация органических метаболитов 23
3.5.3. ВлияниерНсреды 24
3.5.4. Концентрация сероводорода и метана : 25
3.5.5. Концентрация кислорода и величина Eh 26
3.5.6. Образование покоящихся форм и скорость роста 27
3.5.7. Влияние температуры 27
3.5.8. Пространственная организация сообщества 29
4. Бактериальное разложение органического вещества в донных осадках озер исходных с ними экосистемах 30
4.1. Разложение целлюлозы и других полимеров 30
4.2. Разложение глюкозы и других мономеров 34
4.3. Разложение органических кислот 37
4.4. Метаногенез 38
4.5. Литотрофный ацетогенез 40
4.6. Сульфатредукция 42
5. Заключение обзора литературы 45
Экспериментальная часть 46
6. Объект и методы исследований 46
6.1. Характеристика озера Белое 46
6.2. Отбор проб и их предварительная обработка 46
6.3. Определение концентрации веществ в иловой воде 47
6.4. Определение численности бактерий 49
6.4.1. Определение численности бактерий методом посева на элективные среды 49
6.4.2. Десорбция бактерий для прямого счета 50
6.4.3. Определение общей численности бактерий методом прямого счета. 50
6.4.4. Определение численности метанобразующих бактерий иммунофлуоресцентным методом 51
6.5. Измерение интенсивности процессов радиоизотопным методом, 52
6.5.1. Приготовление растворов радиоактивно меченых субстратов 52
6.5.2. Проведение экспериментов 53
6.5.3. Расчеты интенсивностей процессов 55
7. Результаты 56
7.1. Сезонные изменения условий среды 56
7.2. Сезонная динамика микробных процессов 63
7.2.1. Колебания численности бактерий 63
7.2.2. Разложение целлюлозы 67
7.2.3. Разложение глюкозы 71
7.2.4. Разложениелактата 76
7.2.5. Разложение ацетата 78
7.2.6. Сульфатредукция 81
7.2.7. Литотрофные метано- и ацетогенез 83
7.2.8. Окисление метана 86
Обсуждение результатов 88
Выводы 101
Список литературы 102
- Классификация озер по степени трофии
- Разложение целлюлозы и других полимеров
- Сезонные изменения условий среды
- Литотрофные метано- и ацетогенез
Классификация озер по степени трофии
Специалисты, изучающие биологические процессы в озерах пользуются известной классификацией Тинеманна и Науманна (см. работу Rodhe,1974, где подробно излагаются этапы исследований и приводится полная библиография этих авторов с 1909 по 1932 г). В основу этой классификации положены интегрирующие показатели, которые объединяют множество факторов, связанных между собой различными корреляционными связями. На практике, в качестве основных критериев обычно используют такие параметры как прозрачность воды, содержание и распределение кислорода в водной толще, концентрация органического вещества и биогенных элементов, численность микроорганизмов, первичная продукция.
Современная систематика выделяет пять основных типов озер по степени их трофии - олиготрофные, мезотрофные, евтрофные, дистрофирующие и дистрофные (подробные сводки по этому вопросу представлены в работах Кузнецова (1970), Абросова, (1982); Романенко, (1985), Исаченко, (1993)). Сами авторы классификации рассматривали каждый из типов как определенную стадию в развитии озера. Согласно этой теории все ледниковые озера первоначально возникли как олиготрофные. Основной особенностью этих водоемов является низкая минерализация воды. Из-за отсутствия достаточного количества биогенных элементов первичная продукция органического вещества колеблется в пределах 4-40 г С/(м2 год). Образующаяся органика почти полностью минерализуется в течение одного года. Низкая интенсивность биологических процессов не изменяет нейтральных значений рН воды и позволяет кислороду постоянно присутствовать на всех глубинах до самого дна. Со временем озеро переходит в мезотрофную стадию. Приток с водосбора катионов металлов и биогенных элементов приводит к повышению минерализации воды. Следствием этого становится увеличение продукции органического вещества до 40-150 г С/(м2 год) и сдвиг рН в щелочную сторону. Образующаяся органика уже не успевает полностью минерализоваться в течение года и накапливается на дне. При этом в придонных слоях воды периодически возникает дефицит кислорода.
Максимальное развитие отмеченных выше тенденций приводит к переходу озера в евтрофную стадию. В этот период первичная продукция ОВ достигает 150-600 г С/(м2 год). При этом во время максимального развития фитопланктона прозрачность воды по диску Секки падает до 0,5-1 метра, а рН поднимается до 9 единиц и более. В гиполимнионе, вследствие интенсивных биологических процессов возникает резкий дефицит кислорода. В осадках начинают преобладать анаэробные процессы разложения органического вещества и его гумификация.
Переломным этапом в развитии озера является момент, когда сток щелочных эквивалентов с водосбора перестает компенсировать прирост кислых высокомолекулярных органических продуктов биологического происхождения. При этом начинается снижение минерализации воды за счет выпадения в осадок органоминеральных комплексов и одновременно ее закисление. Обе причины приводят к снижению первичной продукции водоема.
Дистрофная стадия является завершающим этапом предыдущей и всего цикла развития озера. Вода становится слабо минерализованной с большим содержанием гуминовых кислот. Ее рН снижается до 4-6, первичная продукция не превышает 10-20 г С/(м2 год), а кислород присутствует по всей водной толще.
Приведенная схема является базовой для озер ледникового типа гумидной зоны умеренных широт. Озера, имеющие другое происхождение, начинают свое развитие с той трофической стадии, которая была при их возникновении. На последующие этапы существенное влияние оказывают такие факторы как размеры и морфология озерной котловины, химический состав окружающих пород, характер водообмена. Особенное значение имеют климатические особенности территории, на которой расположен водоем. Олиготрофные озера в основном сосредоточены в горных районах, мезотрофные и дистрофирующие - в лесной зоне, евтрофные - в лесостепях и степях, дистрофные - в зоне тайги и тундры. Особенный тип лимногенеза имеют озера аридных зон. Точно соотнести тот или иной водоем с одним из выше перечисленных типов удается не всегда. В литературе периодически используют такие термины как ультраолиготрофные и гиперевтрофные озера, а также выделяют различные подтипы озер (Романенко, 1985; Sweerts et al, 1991). Особые проблемы возникают при сравнении водоемов разных климатических поясов. Установлено, что границы биологических параметров, рассчитанные для каждого типа озер умеренных широт, значительно смещаются при оценке трофического статуса тропических и полярных озер (Hobbie, 1964; Beeton, 1965; Coch, 1968; Marshall, Falconer, 1973; Перес Эйрис, 1977). Так, например, в олиготрофных по всем показателям тропических озерах при высоких температурах воды биологические процессы протекают на столько интенсивно, что в гиполимнионе возникает дефицит кислорода, характерный для озер евтрофного типа.
Разложение целлюлозы и других полимеров
Оценка интенсивности процессов начальных этапов разложения ОВ в природных экосистемах связана с некоторыми трудностями, имеющими принципиальный характер. Во-первых, это связано с исключительным разнообразием биополимеров и, соответственно, с множеством вариантов бактериальных процессов. Во-вторых, при их разложении обычно образуется широкий спектр продуктов, полный учет которых in situ практически не возможен. Возникающие проблемы решаются путем исследования процессов разложения "модельных" полимеров, которые позволяют составить представления об основных закономерностях этой группы веществ в природных экосистемах.
Основным объектом большинства исследований является целлюлоза - один из самых распространенных и экологически значимых природных углеводных полимеров. Интенсивность ее разложения обычно определяют одним из двух методов -аппликационным или радиоизотопным. При использовании аппликационного метода интенсивность процесса оценивают по убыли вещества фильтровальной бумаги или другого целлюлозосодержащего материала. Недостатком этого метода является низкая чувствительность и отсутствие возможности анализа образующихся экзометаболитов. Радиоизотопный метод, с использованием 14С- или 3Н-целлюлозы, обладает значительно более высокой чувствительностью и дает возможность анализировать образующиеся продукты метаболизма. Это позволяет проводить эксперименты по влиянию кратковременных изменений условий среды на перераспределение потоков углерода в микробных сообществах in situ. Недостатком этого метода является то, что интенсивность разложения целлюлозы оценивается по образованию продуктов, которые не во всех случаях можно учесть полностью (Намсараев, Иванов, 1982; Stewart etal, 1982).
Одна из самых первых попыток исследования сезонного разложения целлюлозы в озерных осадках была проведена Г.А.Гоманом на Байкале (1973). Интенсивность процесса оценивали аппликационным методом по степени разложения бумажных полосок оставленных на 1 месяц в прибрежных осадках озера. Проведенные исследования показали, что зимой в этом олиготрофном водоеме потери целлюлозы составляли 0,1-0,6% в месяц, в то время как летом 14-24%. Точных сроков проведения работ не сообщается. Кроме указания на сезонные вариации температуры осадков от 0 до 6С какие-либо данные по состоянию условий среды также отсутствуют.
Более подробные исследования были проведены в прибрежных осадках мезотрофного озера Сионское Московской области (Namsaraev, Ivanov, 1992). Отбор проб проводили с апреля по ноябрь с частотой 1 раз в месяц. Интенсивность разложения целлюлозы определяли радиоизотопным методом. Выявлено два максимума этого процесса - до 4 мгС/(г сут). Первый в конце апреля - начале мая был, по мнению авторов, связан с увеличением температуры среды и интенсификацией разложения ОВ уже присутствовавшего в осадках с осени. Второй отмечен в августе -сентябре и был связан с поступлением в осадки новосинтезированного ОВ с отмершим фитопланктоном и листовым опадом. Минимальная интенсивность разложения целлюлозы - 2 мгС/(г сут), отмечена в июне - июле. В целом обнаружена прямая зависимость между содержанием целлюлозы в осадках и интенсивностью ее разложения. Однако в октябре при осеннем похолодании до 2-6С разложение целлюлозы резко замедлилось, хотя ее содержание в осадках оставалось на прежнем высоком уровне.
Среди образующихся при разложении целлюлозы экзометаболитов были обнаружены глюкоза, целлобиоза, С1-С5 летучие жирные кислоты, лактат, сукцинат, СО2 и метан. Основными продуктами были СОг и ацетат, интенсивность образования которых достигала, соответственно, 0,6 и 0,3 мгС/(г сут). Их доля составляла 50-75% от общего количества выявленных экзометаболитов. Из других продуктов разложения наибольшее значение имели лактат и глюкоза, интенсивность образования которых достигала 0,1 мгС/(г сут). Несмотря на представленные данные по динамике условий среды и численности бактерий, авторы не приводят сравнительного анализа этих измерений.
В 1990-93 годах были проведены исследования процессов разложения целлюлозы в илах Рыбинского водохранилища и озера Плещеево в различное время вегетационного периода (Косолапов, 1996). Интенсивность разложения целлюлозы в этих мезотрофных водоемах составляла 2,4-19,3 мг/(л сут), при этом за сутки в осадках разлагалось 1,1-6,8% целлюлозы. Как и в предыдущем случае, между содержанием целлюлозы и интенсивностью ее разложения обнаружена достоверная положительная корреляция. В экзометаболиты переходило 10-68% радиоактивного углерода целлюлозы, причем большая его часть обнаружена в СОг. Суммарное количество 14С в водорастворимых продуктах было на порядок ниже. Значительную долю этой фракции составляли С1-С5 жирные кислоты, интенсивность образования которых достигала 0,154 мгС/(л сут). Образование метана при деструкции целлюлозы достигало 0,075 мкгС/(л сут) и в ряде случаев была сравнима с суммарной продукцией метана из СО2+Н2, ацетата и формиата. Наличие какой-либо сезонной закономерности изменения состава продуктов авторами не обсуждается. Единственным исключением является сообщение, что максимальная скорость включения углерода целлюлозы в биомассу микроорганизмов обнаружена осенью - до 2,5 мгС/(л сут).
Приведенные выше данные сезонных измерений интенсивности разложения целлюлозы можно сопоставить с результатами одномомоментных исследований проведенных в какое-либо одно время года. Так, в летней период в осадках ме-зотрофного озера Черный Кичиер (Марийская АССР) в экзометаболиты переходило 13-80% радиоактивного углерода целлюлозы (Намсараев, 1992). При этом основным продуктом являлся СОг, доля которого составляла 14-51% от общего количества образующихся экзометаболитов. Вторым по значению продуктом разложения являлся ацетат - до 20%. Доля других ЛЖК не превышала 6,5% , а метан отсутствовал.
В различных осадках другого мезотрофного озера Мичиган (США) в летний период за сутки разлагалось 0,2-1,3% целлюлозы, а интенсивность процесса достигала 2,2 мгС/(кг сут) (Намсараев и др, 1994). Максимальные значения отмечены в богатых органическим веществом прибрежных участках озера. Причем основной максимум процесса выявлен в поверхностных и подповерхностных горизонтах осадков. Ниже 10-12 см, где содержание целлюлозы сокращается, интенсивность процессов снижалась в 10 и более раз. Среди основных продуктов разложения выявлен СОг, доля которого колебалась от 1,3 до 58%. Однако в целом преобладала продукция различных водорастворимых экзометаболитов, доля которых составляла 11-99%. В анаэробных осадках среди продуктов разложения целлюлозы выявлен метан - до 1,5%. Около 5% углерода целлюлозы переходило в биомассу микроорганизмов. Какой-либо закономерности в распределении интенсивности процессов разложения целлюлозы от температуры, рН и Eh осадков не выявлено.
Аналогичные исследования пространственного распределения процессов разложения целлюлозы были проведены в осадках озера Байкал (Намсараев, Дулов и др. 1995в; 1995г). Работы проводили в июле-сентябре при температуре воды 6-13С. В это время интенсивность разложения целлюлозы в осадках различного типа варьировала от 0,03 до 60 мгС/(кг сут). При этом максимальные значения отмечены в местах локального скопления древесных остатков и другого целлюлозосодержащего материала, таких как дельты рек, прибрежные участки с неровным рельефом дна, район сброса сточных вод Байкальского целлюлозобумажного комбината. Как и в озере Мичиган, наиболее интенсивные процессы выявлены в " поверхностных и подповерхностных горизонтах осадков. Ниже 10-15 см, где содержание целлюлозы резко падает, интенсивность ее разложения также снижалась. Среди продуктов разложения целлюлозы преобладали водорастворимые экзометабоиты. Интенсивность их образования составляла 0,7-23,2 мгС/(кг сут), в то время как интенсивность образования СО2 не превышала 0,01-2,7 мгС/(кг сут). Как и в предыдущих случаях, какой-либо закономерности распределения интенсивности процессов от температуры, рН и Eh не выявлено.
В искусственных, обогащенных органическим веществом водоемах, таких как рыбоводные пруды, в летнее время за сутки разлагается 0,5-1,7% целлюлозы (Михеев, 1990).
В целом, по оценке разных авторов в поверхностных слоях донных осадков пресных озер за сутки разлагается 0,003-6,8% целлюлозы. При этом следует отметить, что большинство измерений как "сезонных", так и одномоментных, проводили в летнее время, часто без указания даты. Зимние исследования в одном случае показали интенсивность на 1-2 порядка ниже летней (Гоман, 1973), в другом случае полностью совпадающую с ней (Benner et al, 1984).
Сезонные изменения условий среды
За период исследований температура поверхности литоральных осадков варьировала в пределах 0,5-25С. Кривая сезонного изменения температуры сохраняет устойчивый характер на протяжении многих лет (Рис. 1), что позволяет систематизировать полученные нами данные на основе уже разработанной в лимнологии концепции смены фаз озерного цикла (Россолимо, 1930).
Фаза зимнего термического равновесия в озере Белое наступает в конце января и продолжается до второй половины марта. Характерной ее особенностью является отсутствие значительного теплообмена между донными осадками и водной толщей, и, как следствие, отсутствие конвекционных токов воды. Озеро в это время находится в режиме зимней стратификации. Термоклин расположен на глубине 3,5-4 метров. Выше него лежит аэробный эпилимнион с обратным градиентом температуры 0,5-3,5С и концентрацией кислорода 1,5-5 мг/л. Ниже находится гиполимнион с температурой 4С, в верхних слоях которого еще присутствует кислород до 0,5 мг/л, а в придонном слое отмечается наличие сероводорода.
В прибрежных частях озера нижняя граница льда в это время вплотную подходит к поверхности осадков, поэтому условия среды в них сочетают в себе характеристики эпилимниона и гиполимниона. В некоторые годы температура поверхности осадков в январе еще может достигать 3С, но обычно она держится на уровне 1,5С. В начале марта температура опускается до 0,5С. При этом кислород из придонной воды исчезает, a Eh осадков постепенно снижается с +100 до -100 мВ и менее (Рис.2). Таким образом, условия среды в литоральных осадках во второй половине зимы являются психрофильными с температурой близкой к замерзанию воды и микроаэробными, переходящими в анаэробные.
Какого-либо поступления органического вещества в литоральные осадки в это время не происходит. Фото- и хемосинтез в прибрежной воде в этот период не выявляются. Поэтому в осадках в основном идет деструкция того органического вещества, которое поступило предыдущей осенью во время седиментации фитопланктона и с отмершими прибрежными макрофитами.
С наступлением весны относительно стабильное состояние зимней стратификации сменяется периодом интенсивных гидродинамических процессов, характер которых определяются конкретными погодными условиями. Весь период делится на три фазы: 1) подледного прогрева озера, 2) циркуляции воды, 3) установления режима летней стратификации.
Фаза подледного прогрева озера начинается со второй половины марта и заканчивается в апреле в момент вскрытия озера ото льда. В это время температура поверхностных слоев воды и литоральных осадков повышается на 0,5-1С за счет проникновения солнечных лучей через ледовый покров. При этом, еще до освобождения озера ото льда, начинается слабая конвекция воды нарушающая стратификацию. Например, в 1993 году, еще при наличии ледового покрова, конвекционные потоки уже достигали дна во всех частях озера, и по всей толще воды была отмечена гомотермия равная 3С. В придонной воде в этот момент появился кислород в концентрации 0,5 мг/л, а сероводород уже отсутствовал.
Во время этой фазы в центральных частях озера тепловая конвекция оказывается единственным фактором, обеспечивающим перемешивание воды. Поэтому в глубоководных, профундальных осадках эта фаза может быть слабо выраженной или вовсе отсутствовать. В прибрежных частях озера прогрев осадков происходит значительно быстрее. Сюда же с поверхности земли под ледяной щит стекают талые воды. Поэтому здесь эта фаза озерного цикла оказывается хорошо выраженной и очень контрастной - в разные годы в этот период Eh осадков варьирует от -130 до +230 мВ. Таким образом, условия среды в литоральных осадках, при сохранении низкой температуры (1,5-2С), становятся микроаэробными, переходящими в аэробные.
После схода льда эпилимнион и прибрежные осадки начинают прогреваться со скоростью 2-8С в неделю, и в озере наступает фаза весенней циркуляции воды. В центральных частях озера она проходит в конце апреля. Температура по всей водной толще выравнивается (6-7С). Концентрация кислорода в поверхностных слоях воды в это время достигает 8-Ю, а в придонных 6-9 мг/л. В прибрежных частях озера эта фаза наступает в период с середины апреля до первой декады мая. Eh литоральных осадков в этот момент повышается до +210...+270 мВ. Соответственно, условия среды в них можно охарактеризовать как психрофильные, переходящие в мезофильные, и аэробные.
Установление режима летней стратификации начинается с постепенного расслоения водной толщи на прогретый до 17-25 С аэробный эпилимнион, и ниже лежащий анаэробный гиполимнион с температурой 4-6С. При этом перемешивание воды постепенно замедляется и Eh литоральных осадков начинает снижаться, варьируя в зависимости от конкретных погодных условий, примерно от +140 до -ПО мВ. Условия среды в литоральных осадках становятся мезофильными и микроаэробными, переходящими в анаэробные.
Эта фаза завершает период интенсивных гидродинамических процессов связанных с весенним прогревом озера. Однако определить точные сроки ее окончания очень трудно из-за крайней неустойчивости условий среды. На рисунке 1. хорошо видно, что в это время отмечаются самые значительные колебания температуры воды и поверхности осадков. В том случае, если длительное время сохраняется теплая погода, то стратификация в озере может установиться уже в начале июня. При частой смене температуры воздуха происходят периодические возвратные явления, вызывающие перемешивание воды. В этом случае окончательное установление стратификации может задержаться до начала июля, а в некоторые годы и до начала августа.
Характерной особенностью периода летней стратификации является устойчивое разделение водной толщи озера на аэробный эпилимнион и ниже лежащий анаэробный гиполимнион. Термоклин расположен на глубине 3,5-4 метров. Выше него концентрация кислорода держится на уровне 10,5-12,5 мг/л; ниже кислород отсутствует, а в придонной воде отмечается сероводород.
В литоральных осадках момент наступления этой фазы определяется резким снижением Eh до -180...-260 мВ (Рис. 2). В поверхностном слое осадков кислород в это время отсутствует. В придонной воде его концентрация варьирует в пределах 0-0,5 мг/л. Таким образом, условия среды в осадках в это время являются мезофильными и анаэробными.
Начиная со времени подледного прогрева воды и до конца летней стратификации, в водной толще озера идет активное образование органического вещества. Интенсивность фотосинтеза в это время варьирует в пределах 0,008-0,177 мгС/(л сут). Отмечено два максимума этого процесса, соответствующих весеннему и летнему пикам развития фитопланктона (Рис. 3). Первый приходится на апрель - май и соответствует весеннему развитию диатомовых водорослей. Со второй половины мая происходит их массовое отмирание и начинается весенняя седиментации фитопланктона. Второй пик приходится на июль - август и связан с развитием цианобактерий. Летняя седиментация фитопланктона продолжается с середины июля до конца сентября.
Одновременно с фотосинтезом ОВ в водной толще идет процесс его хемосинтеза, интенсивность которого составляет 0,0001-0,006 мгС/(л сут).
Максимальные значения этого процесса отмечены в июле, во время весенней седиментации фитопланктона.
После относительно стабильного периода летней стратификации в озере начинается новый период интенсивных гидродинамических процессов связанных с осенним охлаждением воды. Он продолжается со второй половины сентября до начала февраля и делится на две фазы: 1) осенняя циркуляция воды, 2) подледное перемешивание воды.
Осеннее охлаждение озера начинается со второй половины августа и к октябрю температура литоральных осадков снижается до 4С. Понижение температуры вызывает нарушение стратификации воды. Eh литоральных осадков возрастает до +100 мВ и более, а в придонной воде отмечается кислород в концентрации до 6,5 мг/л. Условия среды становятся психрофильными и микроаэробными переходящими в аэробные.
Новый ледовый покров на озере чаще всего образуется сразу после осенней циркуляции в конце октября - начале ноября. В результате этого циркуляция сливается со следующей фазой озерного цикла - подледным перемешиванием воды.
В это время, из-за неравномерной теплоотдачи донных осадков в озере возникают конвекционные потоки, восходящие в центральных частях озера и нисходящие в прибрежных. Они на 2-3 месяца продлевают период положительных значений Eh, которые могут достигать +290 мВ. Поэтому условия среды в литоральных осадках в это время близки к условиям осенней циркуляции.
Однако в некоторые годы осенняя циркуляция и подледное перемешивание воды могут быть разделены между собой. Например, в 1991 году ледовый покров образовался на месяц позже обычного, поэтому между периодом циркуляции и ледоставом образовался короткий промежуток "осенней" стратификации с отрицательными значениями Eh осадков до -70 мВ.
К началу февраля подледная конвекция воды практически прекращается и в озере начинает устанавливаться режим зимней стратификации.
Литотрофные метано- и ацетогенез
Сезонная динамика образования С1-С4 жирных кислот из целлюлозы и глюкозы свидетельствует о том, что в микробном сообществе осадков периодически возникает проблема утилизации водорода. Возможными процессами, обеспечивающими его биологический сток, являются метаногенез и ацетогенез.
Анализ сезонной динамики образования метана из Н2+СО2 в осадках показывает, что увеличение интенсивности этого процесса происходит в периоды формирования анаэробного микробного сообщества. Наиболее четко это явление прослеживается в летний период, когда снижение Eh после весенней циркуляции воды стимулирует активность первичных анаэробов. В начале летней стратификации, пока в среде сохраняется достаточное количество сульфата, потребление промежуточных экзометаболитов, включая водород, происходит с участием сульфатредуцирующих бактерий. После снижения концентрации сульфата образующийся водород начинает использоваться метаногенами, и интенсивность литотрофного метаногенеза резко возрастает до 10-19 мкг С/(см сут) (Рис. 17 и 18). Однако во второй половине летней стратификации происходит снижение интенсивности литотрофного метаногенеза до 0,5-3,3 мкг С/(см3 сут). Такое изменение интенсивности процесса очевидно связано с возникновением в микробном сообществе осадков синтрофной системы. В это время большая часть водорода, по-видимому, уже используется через межвидовой перенос, в результате чего интенсивность использования 14С-карбоната на образование метана резко снижается, а интенсивность метаногенеза при разложении 14С-целлюлозы и l С-глюкозы столь же резко возрастает.
Рассмотренная выше последовательность процессов повторяется и в период зимней стратификации воды. Однако низкая температура среды и отсутствие притока ОВ, приводят к тому, что зимой смена процессов становится более растянутой во времени, а их интенсивности оказываются ниже летних.
Интенсивность литотрофного ацетогенеза в литоральных осадках озера варьирует в пределах 0,06-4,7 мкг С/(см сут) (Рис. 18). Большую часть года она в несколько раз превышает интенсивность литотрофного метаногенеза. Исключением являются периоды начала летней и зимней стратификации воды, когда соотношение процессов меняется на противоположное. Как и в случае литотрофного метаногенеза, увеличение интенсивности литотрофного ацетогенеза совпадает по времени с периодами максимальной продукции промежуточных экзометаболитов первичными анаэробами и поступлением водорода в среду.
Термодинамические расчеты показывают, что при умеренных температурах литотрофные метаногены выигрывают конкуренцию за водород у гомоацетогенов (Thauer et al, 1977; Dolflng, 1988). Однако имеются данные, которые свидетельствуют, что низкая температура подавляет развитие литотрофного метаногенеза и в этих условиях гомоацетогенные бактерии получают преимущество за счет более быстрого прироста биомассы (Коцюрбенко и др, 1992; Nozhevnikova et al, 1994). Проведенные сезонные исследования в целом подтверждают такую закономерность. Однако низкая температура осадков, очевидно, не является единственным параметром определяющим соотношение процессов. При постоянной температуре, колебания интенсивности ацетогенеза и метаногенеза достигают 1-2 порядков. Причем эти колебания отмечены как при 15-20С, так и при 1-2С. И хотя в зимнее время интенсивность образования метана в целом на порядок ниже, чем летом, но в отдельные моменты, даже при температуре 1,5С, она может превышать интенсивность ацетогенеза.
Следует также отметить, что наряду с ацетатом из 14С-карбоната происходит образование других С1-С4 кислот (Табл.6). Так интенсивность продукции формиата и пропионата на протяжении года варьирует в пределах 0-0,3 и 0-1,9 мкгС/(см сут), соответственно. Динамика образования этих кислот в целом совпадает с динамикой образования ацетата. В начале летней стратификации воды зарегистрировано также образование бутирата - 0,065 мкгС/(см3 сут).
