Галофильные микроорганизмы озера Мраморное

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Биология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ФГОУ ВПО «АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт биологии и природопользования

Кафедра «Прикладная биология

и микробиология"

Курсовая работа

На тему: «Галофильные микроорганизмы озера Мраморное»

Астрахань 2007

Содержание

  • ВВЕДЕНИЕ
  • Глава 1. Галофильные микроорганизмы, их разнообразие и применение в промышленности.
    • 1.1. Разнообразие галофильных прокариот и места их обитания
    • 1.2. Физиолого-биохимические особенности галофильных микроорганизмов
    • 1.3. Формирование условий среды обитания микроорганизмов
    • 1.4. Продукция и деструкции органического вещества микроорганизмами
    • 1.5. Разнообразие трофических связей в микробном сообществе
    • 1.6. Использование галофильных микроорганизмов в промышленности
    • 1.7. Описание исследуемого водоема
  • Глава 2. Объекты и методы исследования
  • Глава 3. Результаты исследования
  • Выводы
  • Литература
  • ПРИЛОЖЕНИЕ
  • ВВЕДЕНИЕ
  • Соленые озера относятся к малоизученным в гидробиологическом отношении водным объектам. Экстремальные условия соленых озер (физико-химические условия: условия по газу, по обмену, по энергетике, по концентрациям и градиентам) порождают находки уникальных организмов. В этом аспекте актуальным является исследование биоразнообразия соленых озер, механизмов адаптации организмов к экстремальным условиям среды обитания, исследования энергопластического обмена этих организмов. Подобные исследования могут иметь необычный интерес, как вариант доступных на Земле, но экстремальных условий существования или как модели условий существования древних экосистем.
  • Многие соленые озера имеют достаточно бедную функциональную структуру. Например, гиперсоленые озера (соленость < 100 г/л) имеют практически минимальную структуру, состоящую из звена продуцентов и зачастую одновидового (рачок Artemia salina) звена консументов. В этом аспекте соленые озера можно исследовать, как возможную модель функционирования экосистем в случае уменьшения структурного биоразнообразия, вызванного антропогенным воздействием. В Астраханской области существует много озер с повышенной концентрацией соли, поэтому изучение галофильных микроорганизмов, обитающих в экстремально соленых внутренних водоемах в этом регионе, приобретает особую актуальность.
  • Целью исследования явилось выделение галофильных микроорганизмов из вод повышенной солености.
  • В задачи исследования входило:
  • 1. выделение из проб воды оз. Мраморное галофильных микроорганизмов, определение их численности;
  • 2. родовая идентификация чистых культур.

Глава 1. Галофильные микроорганизмы, их разнообразие и применение в промышленности.

1.1. Разнообразие галофильных прокариот и места их обитания.

По своему количеству и разнообразию одноклеточные далеко превосходят всех остальных обитателей нашей планеты. Их находят в почве на глубине в несколько сотен метров, во всей толще Мирового океана, во льдах ледников, в водах систем охлаждения ядерных реакторов.

Среди них ярко выделяются микроорганизмы — экстремофилы, обитающие в настолько неблагоприятных условиях, что на первый взгляд жизнь там кажется невозможной. К ним относятся термофилы (теплолюбивые), которых можно найти даже в одах горячих гейзеров, ацидофилы, развивающиеся только в кислых средах, алкофилы, предпочитающие щелочную среду, галофилы (солелюбивые), обитающие в сильно соленых водах, радиорезистентные, способные жить при радиоактивных излучениях в сотни и тысячи раз более интенсивных, чем может выдержать человек.

Интерес к экстремофильным бактериям в последние годы исключительно высок с точки зрения их биологической уникальности (Заварзин, 1993) и использования в биотехнологии (Гончиков, Намсараев, 2000).

Галофилы занимают особое место среди остальных микроорганизмов. Это единственные бактерии, живущие в средах с высоким содержанием солей. В Мертвом море, например, концентрация соли достигает 26−27% в некоторые годы повышаясь до 31%, а при 36% соль выпадает из раствора в осадок. Галлофилы встречаются на кристаллах соли в прибрежной полосе, на соленой рыбе, на засоленных шкурах животных, на рассольных сырах, в капустных и огуречных рассолах. Большие скопления галофилов благодаря высокому содержанию в них каратиноидов имеют бледно-морковный оттенок (Заварзин, 1993).

Микробное сообщество в соленых водоемах подвергается осмотическому стрессу. Деструкция органического вещества (ОВ) в этих водоемах идет до полного его разложения (Заварзин и др., 1999). При этом главная роль в биогеохимических процессах в соленых озерах принадлежит серному циклу, в котором активные процессы обусловлены сульфатредукцией, а окислительную часть проводят главным образом фототрофные анаэробы (Заварзин, 1996).

Изучение функционального и филогенетического разнообразия галофильных прокариот в озерах было инициировано гипотезой Г. А. Заварзина о том, что микробные сообщества соленых водоемов могут рассматриваться как реликтовые и, возможно могли являться центрами микробного биоразнообразия (Заварзин, 1993). Исследования ряда гиперсоленых озер Кении, Египта, Северного Казахстана, Монголии, а также среднеминерализованных озер Северной Америки, Тывы и Забайкалья показали, что «микробный пейзаж» чрезвычайно богат и разнообразен (Заварзин и др., 1999). Среди них выявлены основные представители функциональных ключевых групп трофической цепи, которые составили новые роды и виды цианобактерий (Герасименко и др., 1996), аноксигениых фототрофных бактерий (Брянцева, 2000), спорообразующих бацилл (Жилина, 2001), ацетогенов (Заварзин, 1993), сульфатредукторов (Кевбрин и др., 1999; Пикута и др., 1997), метилотрофов (Doronina е1 а1, 2003) и метанотрофов (Калюжная и др., 1999; Троценко, Хмеленина, 2002).

Судя по их строению, галофилы — одни из древнейших обитателей нашей планеты. Человечеству они известны довольно давно по красноватому налету на продуктах, консервируемых с использованием больших количеств поваренной соли. Впервые галофилы были выделены в начале нашего столетия из микрофлоры лиманной грязи, однако их систематическое изучение началось только в конце второго десятилетия ХХ века. Известный естествоиспытатель Бекинг в 1928 г. назвал галофильные бактерии организмами, «живущими на грани физиологических возможностей». У них практически нет врагов или конкурентов, способных жить в таких же условиях, и поэтому галофилы свободно эволюционировали на протяжении всей истории развития жизни на Земле.

Галофильные микроорганизмы представлены двумя основными типами: умеренными галлофилами, которые развиваются при содержании соли 1−2%, хорошо растут в среде с 10% соли, но могут выносить даже 20%-ное ее содержание (большинство бактерий не переносят концентрации NaCl выше 5%) и экстремально галофильными бактериями родов Halococcus и Halobacterium, которые требуют около 12−15% солей и способны хорошо расти в насыщенном растворе NaCl- при 32% - ной концентрации соли.

Действие высоких концентраций солей на микроорганизмы может быть обусловлено как самим растворенным веществом, так и его влиянием на активность воды.

В живых клетках вода служит средой, в которой молекулы разных размеров взаимодействуют между собой. Структура воды, в которой находятся растворенные вещества, контролирует все жизненно важные процессы в клетке: действие ферментов и регуляцию их активности, ассоциацию и диссоциацию органелл, структуру мембран и их функционирование. Небольшие изменения в концентрации растворенных веществ и активности воды могут приводить к значительным физиологическим изменениям. Многоклеточные организмы выработали специальные физиологические механизмы для поддержания постоянного состава не только жидкостей тела, но и внутриклеточной среды (Самарина, 1977).

Однако микробные клетки должны самостоятельно приспосабливаться к внешней водной среде. Клетки, растущие при высоких концентрациях растворенных веществ, не способны поддерживать цитоплазму в более разбавленном состоянии. Хотя внутриклеточная среда микроорганизмов по химическому составу сильно отличается от внешней, не известно ни одного вида, который был бы способен поддерживать внутри клеток общую концентрацию растворенных веществ на более низком уровне, чем в окружающей среде (Заварзин и др., 1999).

Источником галофильных бактерий служат природные соленые озера. Экосистемы соленых озер, как правило, обладают низким биоразнообразием по сравнению с другими водными и наземными экосистемами. В то же время, поддержание устойчивого биотического круговорота требует определенного минимального уровня биоразнообразия. Поэтому соленые озера, возможно, являются примерами экосистем с биоразнообразием, близким к минимально возможному для устойчивого функционирования биотического круговорота. Например, Мертвое море, откуда было получено несколько штаммов, используемых учеными Израиля со времени первых исследований микрофлоры этого водоема (Агре, 1988). Следует отметить, что не во всех озерах такого рода NaCl является главным солевым компонентом: в Мертвом море содержание Мg2+ выше, чем содержание Na+. Существуют и другие интересные соленые озера, которые, однако, в микробиологическом отношении либо мало, либо совсем не изучены. В этих озерах, по-видимому, нет никаких форм жизни, кроме бактерий и других микроорганизмов, встречающихся в них в большом изобилии. Это не означает, что такие микроорганизмы относятся к постоянным обитателям данных озер. Так, например, в озере Ассал, находящемся в отдаленной и почти недоступной части Французского Сомали, был выявлен ряд бактерий, среди которых преобладали пресноводные и эвригалинные виды (растущие в среде, содержащей Na концентрации от 1 до 5%); были также найдены умеренные и экстремальные галлофилы. Большинство выделенных видов не могло развиваться при тех концентрациях соли, которые были обнаружены в этом озере. Поэтому кажется наиболее вероятным, что к природным обитателям озера относятся только галофилы, остальные же микроорганизмы приносятся несколькими впадающими в него реками. Значительную часть обнаруженных микроорганизмов составляют бациллы. Это говорит о хорошей выживаемости данных видов в очень соленой воде (Громов, 1989). Некоторое время считали, что бактерии могут расти в незамерзающем пруду Дон-Жуан в Антарктике, где вода, активность которой (QW) близка к 0,45, представляет собой насыщенный раствор хлорида кальция. Полученные позже результаты убедительно свидетельствуют в пользу того, что найденные в этом пруду бактерии были принесены внешними потоками. Поэтому величина, равная 0,62, может по-прежнему рассматриваться как минимальная активность воды, при которой еще возможен рост микроорганизмов (Летунова, Ковальский, 1978).

Организмы, толерантные к солям и другим растворенным веществам, широко распространены среди бактерий, грибов, дрожжей, водорослей и простейших, а также среди вирусов, специфичных для некоторых из этих организмов. К наиболее характерным для этой группы организмам относятся экстремально галофильные бактерии родов Наlobaсterium и Наlососсus, способные к росту на насыщенном растворе NаС1 (около 32% или 5,2М). Они характеризуются тем, что нижний, критический для их роста предел содержания NаCl составляет 12--15%, в то же время целый ряд других организмов, способных к росту в насыщенном растворе NaС1, нуждается в значительно меньших его количествах, чем экстремальные галофилы, галобактерии и галококки обладают многими биохимическим свойствами, отличающими их от других форм микроорганизмов. Не давно открытый актиномицет Аctinopoliispora halophila, для которого минимальная потребность в NaС1 составляет 10% на твердой среде и 12% на жидкой, также может рассматриваться как экстремальный галофил, правда занимающий пограничное положение, так как у него отсутствуют некоторые из биохимических «маркеров», характерных для других экстремальных галофилов. Статус пограничного организма должен быть также присвоен фотосинтезирующей бактерии Есtothiorhodospira halophila, которая может расти при несколько более низкой концентрации NaCl, чем экстремальные галофилы (Летунова, Ковальский, 1978).

К умеренным галофилам было отнесено несколько организмов, вызывающих порчу пищевых продуктов и способных расти при концентрациях NaCl от 0,5 до 3,5 М (приблизительно 3--20%) (Агре, 1988). Это определение относится также ко многим морским бактериям, которые нуждаются для своего роста в присутствии NаС1 в концентрации около 0,5 М (3%), но, как было установлено при дальнейшем исследовании, выдерживают значительно более высокие концентрации NаС1, например 20, 25 и даже 30% (Дзюба, 1997). Полученные в последнее время данные показывают, что точное определение нижней концентрации соли, необходимой для роста умеренно галофильных бактерий, невозможно, если при этом не указывается температура. При 20 °C описанный недавно вид Рlanococcus halophilus растет при почти полном отсутствии в среде ионов Nа+ (0,01 М). При повышении температуры до 25 °C или выше концентрация NаС1 должна быть увеличена по крайней мере до 0,5 М, причем NаС1 не может быть заменен КС1 или какими-либо ионными веществами. Таким образом, если эксперименты проводятся при 25 °C, то данный организм (способный расти в присутствии 4,0 М NаС1) можно классифицировать как высокотолерантный к соли, тогда как при 20 °C его следует рассматривать как умеренный галлофил (Ляликова, 1970).

Большая часть галофильных организмов, то есть «любящих» высокую концентрацию солей (лат. Halo- соль) входят в класс Archeobacteria. К этому классу относятся бактерии (называемые архебактериями), обладающие уникальными физиологическими, биохимическими свойствами и экологией, резко отличающими их от остальных прокариот. В частности, они отличаются от других бактерий составом и первичной структурой рибосомальных 16 S и 5 S РНК; составом мембранных липидов и образованием однослойной липидной мембраны (у других бактерий липидные мембраны двухслойные); составом клеточных стенок (они состоят не из муреина, а из других биополимеров, кислых полисахаридов, белков и псевдомуреина). К группе галобактерий отнесены роды Halococcus, Halobacterium, «квадратная бактерия» и другие, отличающиеся способностью развиваться на средах с высокими концентрациями NaCl (20−25%). Это так называемые экстремальные галлофилы. Среди них имеются аэробы и факультативные анаэробы. Участвуют в превращении углерода и азота в засоленных почвах, водоемах и других субстратах (Мишустин, 1987).

1.2. Физиолого-биохимические особенности галофильных микроорганизмов

Галофильные архебактерии распространены там, где есть подходящие для этого условия с высоким содержанием NaС1 и других необходимых ионов: в природных соленых водоемах, бассейнах для выпаривания соли, белковых материалах, консервируемых с помощью соли (рыба, мясо, шкуры). Могут расти в насыщенном растворе NаС1 (30%). Нижний предел концентрации соли для роста большинства видов составляет 12--15% (2--2,5 М); оптимальнее содержание -- между 20 и 26% (3,5--4,5 М). Высоки потребносш галобактерий и в других ионах: оптимальный уровень Мg2+ в среде — 0,1--0,5 М, К+ — примерно 0,025 М (Гусев, 2003).

Влияние ионов на галобактерий достаточно специфично. Для поддержания клеточной стабильности в первую очередь требуется хлористый натрий. Ионы Na+ взаимодействуют с отрицательнш заряженными молекулами клеточной стенки галобактерий и предают ей необходимую жесткость. Внутри клетки концентрация NaCl невысока. Основной внутриклеточный ион -- К+, содержание которого может составлять от 30 до 40% сухого вещества клеток, а градиент между внеклеточной и внутриклеточной концентрациями достигать 1: 1000. Ионы К+ (наряду с другими) необходима для поддержания ионного равновесия вне и внутри клетки, стабилизации ферментов, мембран и других клеточных структур.

В Определителя бактерий (Берги, 1989) экстремально галофильные архебактерии объединены в порядок Halobacteriales семейство Наlоbасtеriaсеае и включает 6 родов и более 20 видов, различающихся формой клеток (палочки, кокки, квадраты), способностью к движению, отношением к кислотности среди, устойчивостью к NaСl и другими признаками.

В составе клеточных стенок не обнаружен пептидогликан. У представителей рода Наlоbасtеriит клеточная стенка толщиной 15 -- 20 нм построена из регулярно расположенных гексагональных субъединиц, состоящих в основном из гликопротеинов. Клеточная стенка галобактерий рода Наlососсиs имеет толщину 50- 60 нм и состоит из гетерополисахаридов (Егоров, 1976).

ЦПМ содержит около 1/3 липидов и 2/3 разных белков, включая обычные для эубактериальных мембран наборы флавопротеинов и цитохромов. Основная масса липидов экстремальных галофилов отличается от характерных для эубактерий липидов тем, что в их молекуле глицерин связан не с остатками жирных кислот, а с С20-терпеноидным спиртом -- фитанолом. Фосфолипидные и гликолипидные производные глицеринового диэфира могут в определенных условиях составлять до 80% общего содержания липидов в клетках. Помимо уникальных липидов клеточные мембраны экстремальных галофилов содержат много каротиноидных пигментов (основной -- бактериоруберин), обусловливающих окраску колоний от розового до красного цвета, что имеет для галофилов немаловажное значение как средство защиты против избыточной радиации, поскольку для их мест обитания характерна обычно высокая освещенность.

При недостатке в среде О2 в ЦПМ галобактерий индуцируется синтез хромопротеина -- бактериородопсина, белка, соединенного ковалентной связью с С20-каротиноидом ретиналем. Свое название хромопротеин получил из-за сходства с родопсином -- зрительным пигментом сетчатки позвоночных. Оба белка содержат в качестве хромофорной группы ретиналь, различаясь строением полипептидной цепи. Бактериородопсин откладывается в виде отдельных пурпурных областей (бляшек) на ЦПМ красного цвета, обусловленного высоким содержанием каротиноидов. При выращивании клеток на свету в условиях недостатка О2 пурпурные участки могут составлять до 50% поверхности мембраны. В них содержится от 20 до 25% липидов и только один белок -- бактериородопсин. При удалении из среды солей клеточная стенка растворяется, а ЦПМ распадается на мелкие фрагменты, при этом участки мембраны красного цвета диссоциируют, а пурпурные бляшки сохраняются и могут быть получены в виде отдельной фракции (Кузнецов, 1970).

Генетический материал экстремальных галофилов представлен в виде основной и сателлитных ДНК. Последние составляют от 11 до 30% всей содержащейся в клетках ДНК и состоят из замкнутых кольцевых молекул. Основная и сателлитные ДНК различаются нуклеотидным составом: молярное ГЦ-содержание основной ДНК -- порядка 66--68, а сателлитных -- 57--60%. Высокий уровень сателлитных ДНК -- уникальная черта организации генетического материала экстремальных галофилов, значение которой пока не ясно. Предполагается, что сателлитные ДНК -- не эписомы, а составная часть генома этих бактерий (Овчинников, 1982).

Экстремальные галофилы имеют сложные пищевые потребности. Для роста большинства видов в состав сред должны входить дрожжевой экстракт, пептон, гидролизат казеина, набор витаминов. Высокой требовательностью к среде отличаются представители родов Наlоbacterium и Наlососсus. Основным источником энергии и углерода служат аминокислоты и углеводы. Метаболизм глюкозы осуществляется по модифицированному пути Энтнера--Дудорова, отличающемуся тем, что глюкоза без фосфорилирования окисляется в глюконовую кислоту. Последняя превращается в 2-кето-З-дезоксиглюконовую кислоту, которая расщепляется на два С3-фрагмента: пировиноградную кислоту и глицериновый альдегид. Из глицеринового альдегида в результате нескольких ферментативных преобразований также образуется пировиноградная кислота. Дальнейшее ее окисление происходит в замкнутом ЦТК.

Основной способ получения энергии экстремальными галофилами -- аэробное дыхание. В ЦПМ обнаружены цитохромы b, с, а также цитохромоксидаза о-типа (Ляликова, 1970). Электроны в дыхательную цепь поступают с НАД-зависимых дегидрогеназ. В анаэробных условиях в темноте источником энергии может служить анаэробное дыхание с использованием NO3- в качестве конечного акцептора электронов, а также процесс сбраживания аргинина и цитрулина. Свет служит дополнительным источником энергии, аппарат для использования которого подключается при недостатке O2.

Используемый галобактериями механизм преобразования солнечной энергии в энергию химических связей, пригодную для использования в биологических процессах, отличается от механизма фотосинтеза в растениях и зеленых водорослях, содержащих хлорофилл. Для этой цели в галобактериях используется бактериородопсин — вещество, сходное с родопсином, обеспечивающим зрительное восприятие у человека и животных. В клетках Н. salinarium и некоторых других галобактерий обнаружены 3 фотоактивных пигмента, все они ретинальсодержащие белки. Один из них, названный сенсорным родопсином (5-родопсин), обеспечивает фототактическую реакцию бактерий. Красный и желто-синий свет действуют на них как аттрактанты, синий и УФ -- как репелленты. S-родопсин существует в двух спектрально различных формах, каждая из которых претерпевает фотохимические превращения. Поглощение фотона красного света приводит к генерированию сигнала, по которому бактерии начинают перемещаться в направлении к источнику света. При поглощении фотона синего света наблюдается противоположная реакция. Максимальный эффект в обоих случаях достигается при длине волны 565 и 370 нм соответственно. Фотосенсорная реакция обеспечивает оптимальную для клеток галобактерий пространственную ориентацию. Клетки покидают области, в которые проникает губительное коротковолновое излучение и с помощью жгутиков или газовых вакуолей концентрируются в зонах с благоприятным для них световым режимом. Этим достигаются и оптимальные условия для фотофосфорилирования, так как область спектра, вызывающая положительную тактическую реакцию, и спектр поглощения фотосинтетического пигмента совпадают (Шлегель, 1987).

Длительное время считали, что без участия хлорофилла фотосинтез не возможен. Способность некоторых экстремально галофильных археобактерий осуществлять фотосинтез бесхлорофилльного типа была обнаружена в начале 70-х гг. XX в. Д. Остерхельтом и В. Стокениусом, идентифицировавшими в ЦПМ Halobacterium salinarium бактериородопсин — белок, ковалентно связанный с каратиноидом, и показавшими способность этого белка к светозависимому переносу протонов через мембрану, приводящему в конечном итоге к синтезу АТФ. Фотофосфорилирование, обнаруженное у этих архебактерий, — единственный пример превращения энергии света в химическую энергию АТФ без участия электронтранспортной цепи.

Использование световой энергии для создания трансмембранного градиента протонов происходит с участием бактериородопсина и не связано с переносом электронов по цепи переносчиков. Этот хромопротеин с молекулярной массой 26 кДа содержит полипептидную цепь, построенную из 248 аминокислотных остатков и на 75% состоящую из а-спиральных участков. Последние образуют 7 тяжей, ориентированных перпендикулярно плоскости мембраны. Ретиналь расположен параллельно плоскости мембраны и, следовательно, перпендикулярно белковым тяжам. Связь между ретиналем и полипептидной цепью осуществляется через Шиффово основание, образованное в результате взаимодействия альдегидной группы ретиналя с е-аминогруппой 216-го лизинового остатка.

Шиффово основание в темноте находится в протонированной форме. Поглощение кванта света бактериородопсином вызывает изменение конформации ретиналя и приводит к отщеплению Н+ от Шиффова основания.

Бактериородопсин, в молекуле которого Шиффово основание находится в протонированной форме, поглощает свет с длиной волны 570 нм, а в депротонированной -- при 412 нм. Протон, отделившийся на свету от Шиффова основания, переходит во внеклеточное пространство, а Н+, протонирующий Шиффово основание, поглощается из цитоплазмы. Таким образом, под действием света бактериородопсин «перебрасывает» протоны с одной стороны мембраны на другую. В результате работы циклического механизма, получившего название бактериородопсиновой протонной помпы, при освещении по разные стороны мембраны возникает градиент концентрации Н+, достигающий 200 мВ, в создании которого участвуют электрический и химический компоненты. Разрядка А (1H+ с помощью Н+ -- АТФ-синтазьг приводит к синтезу АТФ (Гусев, 2003).

Несмотря на кажущуюся простоту, очевидно, что бактериородопсиновая протонная помпа представляет собой сложную систему. Прежде всего, путь, который должен пройти Н+, чтобы пересечь мембрану, составляет не менее 5 нм, т. е. значительно превышает расстояние, на которое он может быть перенесен при любом конформационном изменении ретиналя. Это означает, что поглощение кванта света должно приводить к возникновению напряженной конформации всего бактериородопсинового комплекса, служащей в дальнейшем источником энергии для переноса Н+ против электрохимического градиента. В организации такого переноса принимают участие ориентированные поперек мембраны а-спиральные тяжи и мембранные липиды, формирующие протонные каналы, природа и механизм действия которых пока не известны.

Все эти данные говорят об обособленности группы галофильных микроорганизмов, их особом эволюционном пути, об их уникальности и необходимости изучения данных микроорганизмов, обитающих в соленых озерах, почвах и других субстратах (Власов, 1973).

1.3 Формирование условий среды обитания микроорганизмов

Средой обитания для микроорганизмов в водоемах является вода и донные осадки. Между ними существует постоянный обмен вещества и энергии. Поэтому формирование условий среды носит взаимозависимый характер (Кузнецов, 1970; Горленко и др., 1977; Романенко, 1985).

Формирование природной воды определяется взаимодействием ряда факторов: геоструктурных особенностей отдельных участков земной коры, образовавшейся в течение длительной геологической истории, современной физико-географической обстановки, взаимодействием породы, воды, газа и живых организмов (Самарина, 1977; Крамаренко, 1983). Испытывая влияние комплекса физико-географических факторов и гравитационного поля Земли, все воды подчиняются закону гидрохимической зональности, проявляющуюся как по площади, так и по вертикали водного слоя (Самарина, 1977). Суть данного закона заключается в том, что с переходом от климатических зон избыточного и нормального увлажнения (гумидный климат) к зонам скудного и малого увлажнения (аридный климат) изменяются параметры химического состава озерной воды. В степной и полупустынной зонах, где отмечается более засушливый климат, чем в лесной и тундровой зонах, вместо пресных озер встречаются солоноватые и соленые озера (Алабышев, 1932; Кузнецов, 1970).

Большое значение на формирование состава озерных вод оказывают кристаллические породы, слагающие положительные формы рельефа (Горленко и др., 1999). В процессе их химического выветривания, протекающих непрерывно и в огромных масштабах в природе, образуются растворимые соли. Наибольшей растворимостью обладают плагиоклазы, затем калиево-полевые шпаты и наименьшей — кварц (Самарина, 1977). В аридной и полуаридной зоне (рН> 7) в процессе химического выветривания полевых шпатов ряд катионов (К+, Ка+, Са2+ и др.) частично удаляются в системе, где образуется глинистый материал. Образующиеся карбонатные и гидрокарбонатные соли щелочей и щелочеземель переходят в раствор, придающие воде соответствующую реакцию.

Состав озерных вод во многом определяется типом его питания. Водно-солевое питание озера получают за счет грунтовых вод и временных дождевых потоков. Грунтовые воды по составу различны, чаще преобладают гидрокарбонатные. Общая сумма солей достигает до 2,5 г/л.

Большое влияние на формирование и режим озер оказывает многолетняя и сезонная мерзлота. Она повышает уровень грунтовых вод, ускоряет процесс засоления почв, а, следовательно, и накопление солей в озерах.

Для бессточных водоемов степных районов роль атмосферных осадков в составе озерных вод оказывается лишь в многолетнем цикле (Богданова, 1973). Воды этих осадков имеют низкую минерализацию. Количество солей, вносимых атмосферными осадками на зеркало озер, составляет 0,01−0,50%. Незначительная мощность снежного покрова в степях предопределяет малую роль снега в водно-солевом балансе бессточных озер. Свежевыпавший снег имеет минерализацию 0,01−0,03 г/л. Талые воды и временные вешние потоки функционируют очень короткое время, чаще во второй половине апреля, и наблюдаются не каждый год. Эти воды характеризуются содержанием солей до 0,01−0,60 г/л. Состав их гидрокарбонатно-натриевый и кальциевый.

Дождевые воды более концентрированы, чем снеговые осадки. Они имеют гидрокарбонатно-натриевый, кальциевый или магниевый тип (Богданова, 1973). Общая сумма солей их составляет 6−150 мг/л.

В условиях аридного климата формирование химического состава воды и осадков характеризуется сложностью процессов, протекающих в водоемах. В этих бессточных озерах расход воды осуществляется путем испарения и превалирует над его притоком, что обуславливает концентрирование раствора. Общая сумма солей, формирующихся рассольных озер, нередко достигает сотен грамм на 1 литр. Наиболее важным в гидрохимии этих озер является насыщение их в процессе концентрирования рядом легко воднорастворимых солей, вследствие чего соли переходят в твердую фазу, и устанавливается равновесие.

При кристаллизации выделяются в первую очередь наименее растворимые соли. Состав солей рассольных озер весьма разнообразен, поскольку формируются соли (минералы) с неодинаковым количеством кристаллической воды, двойные и тройные соли и т. д. Наиболее распространенными являются NaС1 — галит, NаСl*Н2O — гидрогалит, Nа24*10Н2O — мирабилит, Nа2СO3 — сода, Na2СO3*NаНСO3*3Н2O — трона, КСl*MgСl2 -карналлит, Nа2SO4— тенардит, МgSO4*7Н2O — эпсолит, СаSO4-2Н2O — гипс и др. (Алабышев, 1932; Кузнецов, 1970).

Важная роль в формировании химического состава воды принадлежит биогенным процессам. Живые организмы извлекают соли из воды даже при очень малых его концентрациях или осаждают такие элементы, как Са2+, в виде карбонатов путем изменения физико-химических свойств самой озерной воды. Интенсивнее всего биологические процессы осуществляются в «малых озерах». В таких водоемах, хорошо прогреваемых и аэрируемых, наиболее активны биохимические процессы, обусловленные живыми организмами. Основная часть привноса биогенных веществ в водоемы связана с круговоротом углерода и серы, в процессе которого вовлекаются, прежде всего, главные компоненты воды — SO42-, СОз2- и НСОз2-. В результате биологического круговорота в водоемах присутствуют различные формы углерода (СО2, Сорг, СОз2-, НСОз-, СН4) и серы (SO42-, сера белка, Н2S, свободная S), изменчивы карбонатное и сульфидное равновесие, а также содержание связанных с ними равновесиями веществ. Образующиеся продукты в процессе деструкции ОВ (Н2S, S, СН4, СO2) частично выходят из общего круговорота веществ — поступают в атмосферу или консервируются в виде минералов, например FеS, либо участвуют в дальнейшем круговороте веществ, определяя особенности газового состава воды (Самарина, 1977).

В газовом составе озерных вод основную роль играют газы атмосферы, с которыми озерные воды находятся в тесном контакте, и газы биохимического происхождения. В озерах Забайкалья, различающихся по трофности, интенсивность газовыделения была 400 мл газа/(м2 сут.) (озеро Иван) и более 2 400 мл/(м сут.) (озеро Иргень) (Тополов, 1991). Компонентный состав газа в озерах был одинаков и состоял из N2, СН4, Н2, СO2, O2. Концентрация N2 и СН4 в исследованных озерах преобладала над остальными газами. Содержание СO2 и O2 определялось сезонными изменениями. Концентрация Н2 в газовом составе было наименьшим, либо отсутствовало в определенные сезоны года. Сезонный ход газоотделения во всех исследованных Иваново-Арахлейских озерах было одинаковым: в конце периода открытой воды и в начале подледного периода (август-декабрь) присутствовал метаново-азотный газ. Содержание СН4 в пробах достигало до 90%. В конце подледного периода и в начале периода открытой воды (декабрь-май) — азотно-метановый газ. Интенсивность газоотделения в Иваново-Арахлейских озерах коррелировала с численностью бактерий в осадках и содержанием в них ОВ. В прибрежной зоне озер плотность бактериального населения и интенсивность газообразования были выше, чем в центральной части озера. Межгодовые изменения состава газа были несущественными.

В пределах одной географической зоны солевой состав озерной воды в течение года не является постоянной величиной, т.к. почти каждый элемент в той или иной мере участвует в круговороте веществ в водоеме. Поступление солей в водоем зависит не только от подтока извне с поверхностными и грунтовыми водами, но и во многом определяется диффузией из ила (Тополов, 1991).

Активность бактериальных процессов и солевой состав рассольных озер во многом определяется температурой окружающей среды. С понижением температуры воды осенью и до полного его замораживания зимой происходит осаждение солей согласно их эвтектическим точкам.

Природная вода является многокомпонентной системой, в которой точки кристаллизации, стадии метаморфизации химического состава могут более или менее смещаться от эмпирических данных для простой системы. Так, Na2SO4 и КСl кристаллизуются из простых растворов при t=-1,2°С и t=-10,6С, а из морской при t=-8,2 С и t=-34,2 С соответственно. Таким образом, в рассольных озерах на температуру кристаллизации солей оказывают влияние соли с болeе низкими их значениями, что в целом определяет снижение температуры замерзания всего раствора (Власов, Филиппова, 1973; Стрижова, Орлик, 1991).

С повышением температуры весной и таянием льдов на озерах многие соли (сода, гидрогалит и др.) переходят в раствор. В результате годичных изменений в озерах протекает циклический процесс: садка — растворение, растворение -- садка и т. д. Нередко цикл полностью не замыкается, и часть солей, как правило, это мирабилит, остается не растворенной, в виде твердой фазы. Новосадка — свежеосажденная соль, выпавшая в течение данного года — очень рыхлая и иногда выбрасывается волнами, образуя вдоль побережья озера валы соли (Власов, Филиппова, 1973).

При длительной аридности климата новосадка уплотняется и переходит в старосадку, которая при дальнейшей перекристаллизации (образование более устойчивых минералов) и уплотнении превращается в корневую соль. Пластовые отложения солей, в составе которых выявлены мирабилит и гидрогалит имеются на озерах Дабас-нур, Борзинское, Цаган-Нор, Бабье и др. Мощность корневого слоя достигает до 1,05 м (Власов, Филиппова, 1973)

Периодическое осаждение и растворение солей в разные сезоны года, несомненно, влияют на физико-химические показатели воды, такие как минерализация, рН, соленость, общая щелочность и т. д. В зимний период -ноябрь — март — происходит подледная садка солей. Озеро Горбунка зимой 1994−1995гг до дна не промерзало (Кулырова, 1999). Вследствие осаждения СОз2- и НСОз- -ионов и высокой концентрации СО2 в воде значения рН были низкими по сравнению с другими сезонами года. Показатель кислотности воды в озере Горбунка в январе составляла 8,7, в озере Ножей — 7,3 (Кулырова, 1999). Весной с апреля по май с переходом водорастворимых солей повышается общая щелочность, значения рН воды и соленость. Летом и в начале осени на исследуемой территории наблюдается повышение минерализации озерных вод, обусловленное высокой температурой воздуха и незначительным количеством осадков. В августе наблюдается опреснение озер и снижение общей суммы солей в воде. В начале октября начинается период ледового покрытия, сопровождающегося садкой мирабилита и других солей (Франк-Каменецкий, 1932; Власов, Филиппова, 1973).

Насыщенность воды рассольных озер рядом солей и наличие твердой фазы, сравнительная бедность их живыми организмами приводят к тому, что главными в гидрохимии рассольных озер являются процессы, связанные с равновесиями типа твердое вещество (соли) -- раствор, при подчиненном значении биохимических реакций (Самарина, 1977).

Биохимические процессы, протекающие в «малых» озерах в разные сезоны года неодинаковы и обуславливают вертикальную стратификацию воды. Небольшая глубина и хорошая прогреваемость в летнее время засушливом сезоне, начинается выпадение солей из рапы. Таким образом, донные отложения соленых озер формируются под воздействием трех факторов одновременно: геологического, биохимического и физико-химического. Они проявляют себя по-разному в разное время. Весной в образовании осадков преобладает геологический фактор, летом — доминирует биохимический фактор, ближе к осени обычно на первое место выдвигается физико-химический фактор. В зимнее же время значение геологического и биохимического факторов ничтожно (Перфильев, 1972).

Таким образом, как солеобразование, так и илообразование протекают закономерно, последовательно сменяющимися фазами в течение годового цикла. Следовательно, каждый год характеризуется сменой визуально различимых сезонных прослоек — микрозон: минеральной, органической и солевой, а в совокупности они образуют отложение одного года. Эта тройственная природа годового слоя не всегда выступает с достаточной ясностью, так как не во всех озерах проявляют себя все три фактора. Чередование в осадках минеральных озер иловых и солевых отложений свидетельствует о периодической смене климата. Образование илов связано с увлажнением климата; накопление корневой соли указывает на наступление длительного или более кратковременного периода сухого и жаркого климата. Таким образом, можно определить возраст водоема, так как процесс илообразования осуществляется путем формирования сезонных слоев -микрозон, а в основе процесса галогенеза лежит образование годовых прослоек соли, толщина которых измеряется в сантиметрах.

1.4. Продукция и деструкции органического вещества микроорганизмами

В соленых озерах непрерывно протекают процессы образования и разложения ОВ при участии различных физиологических групп бактерий. В таких водоемах высокие значения минерализации ограничивают развитие высших форм жизни (Заварзин и др., 2000). Первичными продуцентами в них являются цианобактерии, фототрофные и хемолитотрофные бактерии (Герасименко и др., 1993). В синтезе автохтонного ОВ в высокоминерализованных озерах Африканского рифта, в солоноватых щелочных озерах Тувы и Бурятии участвуют цианобактерии рода Synechocyctis, Рhormidium, Оscillatoria, Spirulina, Aphanothece, Rhabdonema и др (Дубинин, 1995; Герасименко, 1996; Заварзин и др., 1999).

При благоприятных экологических условиях бентосные сообщества микроорганизмов образуют слоистые образования — микробные маты. Высокая плотность мата (1,383 ±0. 007 г/см3) исключает его всплытие со дна. Плотная кожистая пленка галофильного мата ограничивает взмучивание, и вода остается прозрачной при самых сильных волнениях (Герасименко, Заварзин, 1993). В циано-бактериальном мате солоноватого озера Хилганта, толщиной 10 мм, различают 4 слоя, разделенных минеральными прослойками. В верхнем слое выявлены цианобактерий рода Phormidium molle и Мicrocoleus, Aphanothece salina и Веggiatoa, в 3-ем слое -доминировали Chromatium, Rhodopseudomonas, в 4 слое — бактерии встречались редко, но сохранившиеся клетки цианобактерий имели нормальную ультраструктуру (Заварзин и др., 1999). Минеральные прослойки в основном были представлены СаСОз, СаSO4, гидротроилитом.

В цианобактериальных матах лагун Арабатской косы (озеро Сивгш) с соленостью от 16 до 20%, доминирует Мicrocoleus chtonoplaster, а при повышении солености — Aphanocapsa salina и зеленая микроводоросль (Бонч-Осмоловская и др., 1988).

Развитие пурпурных бактерий является одной из характерных черт микробного сообщества соленых озер. Они образуют анаэробный окислительный фильтр, работающий на свету в отсутствии O2. Массовое развитие их делает наиболее значительными во вторичной продукции ОВ, сопряженного с регенерацией сульфата путем окисления H2S, который образуют сульфатредукторы (Заварзин, 2000). Типичными представителями пурпурных бактерий алкалофильных и галофильных сообществ являются бактерии рода Ectothiorhodospira, откладывающих капли серы вне клетки в процессе окисления Н2S до сульфатов. Кроме Н2S они могут окислять также Н2 и ацетат.

Одним из постоянных показателей биологической продуктивности водоемов является концентрация фотосинтетических пигментов в планктоне.

Так, по концентрации хлорофилла «а» можно судить об общей биомассе и о продукции фитопланктона, которая обычно коррелирует с первичной продукцией (Герасименко, Заварзин, 1993). В соответствии с концентрацией хлорофилла «а» различают следующие группы озер (Бульон, 1983).

Помимо автохтонного ОВ в водоемы поступает аллохтонное ОВ с прибрежных участков в виде растительного опада. Аллохтонное и автохтонное ОВ в дальнейшем подвергается разнообразным превращениям, общим итогом которого является постепенное разрушение ОВ — его деструкция.

Процесс деструкции ОВ является важнейшим процессом, определяющим существование биологического круговорота элементов в природ и обеспечивающим устойчивость биоценозов.

Микробное сообщество водоемов получает ОВ в виде растворенных веществ и взвешенных частиц, которые составляют основную массу остатков. В аэробной зоне, прежде всего, используются легкодоступные ОВ: мономеры углеводов, аминокислот, пептиды. Основными конечными продуктами процесса являются углекислота, вода и бактериальная биомасса.

Большую часть ОВ микробные сообщества водоемов получают в виде твердофазной мортмассы фотоавтотрофов, находящихся в виде биополимеров (белки, липиды, полисахариды, нуклеиновые кислоты и др. соединения). Эти крупные, имеющие сложное строение молекулы не могут быть утилизированы микроорганизмами, поскольку они не способны проникать через клеточную мембрану. Поэтому первой фазой разложения ОВ является деструкция биополимеров до более простых фрагментов.

Процесс деструкции осуществляют специализированные группы микроорганизмов, получивших название гидролитических. Стратегией гидролитиков является заселение поверхности субстрата и перевод веществ твердой фазы в раствор, гидролизуя их вне клетки под действием соответствующих экзоферментов — гидролаз: протеаз, липаз, целлюлаз. В поверхностном слое ила биополимеры минерализуются разными видами микроорганизмов Caulobacter, Spirillum, Flexibacter и т. д. (Кузнецов и др., 1985). В результате процесса «твердофазной ферментации» вместо индивидуальных полимеров появляются унифицированные мономеры (аминокислоты, жирные кислоты, углеводы и др.), поступающие в общий резервуар растворенных веществ. Полученные таким образом мономеры усваиваются как самими гидролитиками, так и другими группами микроорганизмов (Пристл, 1987).

Концентрация образующихся олиго- и мономеров в большинстве случаев контролируется синтезом экзоферментов бактерий. При низких концентрациях они являются индукторами синтеза соответствующих экзоферментов, а при высоких -- репрессорами. Поэтому, более эффективное разложение полимеров осуществляется микробными консорциями, которые состоят из гидролитических и диссипотрофных микроорганизмов. Диссипотрофы обладают сходной с гидролитиками физиологией и метаболизмом, но не способны к гидролизу полимеров. В микробном сообществе диссипотрофы используют образовавшиеся мономеры и снижают их концентрацию ниже порогового уровня, останавливающего синтез гидролаз (Заварзин, 2000).

Выделенные протеолитические организмы из высокоминерализованных щелочных озер Восточно-Африканского рифта группировались вместе с грамотрицательными родами Deleya -- Наlоmonas -- Paracoccus на уровне самостоятельных видов в гамма ветви Proteobacteria. Липолитические организмы относились к псевдомонадам и были близки на уровне самостоятельных видов к Pseudomonas, а штамм из озера Натрон принадлежал к роду Stenotrophomonas. Небольшая группа штаммов была отнесена к группе энтеробактерий Vibrio/Alteromonas. Грамположительные организмы, в том числе липолитические, относились к роду Васillus (Заварзин и др., 1999).

Для соляных чеков содового комбината озера Магади выделены галоалкалофильные археи Natronobacterium и Natronococcus, занимающих определенную трофическую позицию, пользуясь концентрированием ОВ при испарении рассола с его погибающим микробным населением (Заварзин и др., 1999). Они являются обитателями содовых водоемов и содовых солончаков. Мелководные бессточные водоемы испытывают огромное влияние изменения климатических условий, и большинство из них являются пересыхающими водоемами. В таких озерах встречаются споровые организмы т.к. они имеют переживающие стадии, выдерживающие высушивание в сильноминерализованном почвенном растворе. Это, прежде всего, спорообразующие бациллы — В. lentus — В. firmus, среди алкалофильных — грамотрицательный вид В. horti.

Также в разложении ОВ в аэробной зоне участвуют алкалофильные стрептомицеты, коринебактерии, микрококки, псевдомонады. Выделенные органотрофные копиотрофы используют все природные субстраты, среди них пептон, глюкоза, дрожжевой экстракт, казеин, оливковое масло, целлюпоза, крахмал (Заварзин и др., 1999).

В мелководных соленых озерах аэробы полностью поглощают кислород в 2−3 мм от поверхности осадка, обеспечивая анаэробные условия (Заварзин, 2000). Поэтому в этих водоемах анаэробная деструкция играет первостепенную роль в разложении мортмассы цианобактерий. Облигатные анаэробы условно можно разделить на 2 группы: первичные анаэробы, которые не нуждаются во внешнем стоке электронов, и вторичные анаэробы, которые могут использовать внешние акцепторы электронов.

Группа первичных анаэробов — анаэробные гидролитики и диссипотрофы осуществляют кислотогенную (водородную) фазу в процессе брожения за счет веществ, получаемых исключительно из субстрата. Поэтому большинство из них способно к выбросу молекулярного водорода, катализируемому выделяющей гидрогеназой. Особенности брожения связаны с вариациями в использовании разных внутренних акцепторов водорода, имеющих термодинамическую обусловленность.

В аэробных условиях полное окисление ОВ до СО2 и воды может осуществляться самими гидролитиками и диссипотрофами. В анаэробных условиях полное разложение ОВ одной группой микроорганизмов термодинамически невозможно, т.к. в отсутствии такого эффективного акцептора электронов как О2 возникает проблема регенерации НАД (Ф)Н. Окисление НАД (Ф)Н происходит только при низких концентрациях водорода в среде. У анаэробных микроорганизмов этот процесс реализуется разными способами.

У некоторых групп бактерий (молочнокислых, пропионовокислых) процесс брожения ОВ идет без образования Н2. Центральным метаболитом биохимических процессов является пируват, трансформация которого приводит к образованию низкомолекулярных продуктов, преимущественно органических кислот. Такие бактерии обладают стабильным метаболизмом, не зависящим от концентрации Н2 в среде. Однако, при благоприятных условиях (обилие доступных веществ) для развития первичных анаэробов может происходить накопление органических кислот, что приводит к резкому снижению рН среды, являющимся консервирующим фактором для анаэробов (Пристл, 1987).

Другой способ анаэробного окисления субстратов с удалением Н2 из сферы реакции и регенерации НАД (Ф)Н осуществляется синтрофными бактериями. Из несбраживаемых соединений они образуют ацетат и водород. Эти микроорганизмы не способны использовать какие-либо другие акцепторы электронов кроме Н+. Соответственно, их метаболизм полностью зависит от концентрации этого продукта в среде. Синтрофы развиваются совместно только с Н2 — использующими анаэробными бактериями, которые способны потреблять Н2 и тем самым поддерживать его концентрацию в среде на низком уровне. Для разных групп бактерий существует свои пороговые значения, до которых они могут снижать содержание Н2 (Заварзин, Колотилова, 2001). Среди них важны две группы бактерий: литотрофные метаногены и сульфидогены. Развитие синтрофов обусловлено выигрышем свободной энергии за счет уменьшения концентрации продукта. Синтрофные отношения наиболее часто встречаются при разложении малодоступных веществ анаэробными бактериями (Симанькова, Ножевникова, 1989).

Радиоизотопные исследования в щелочных озерах Забайкалья показали высокую активность и водородного метаногенеза, но не ацетатного (Намсараев и др., 1999), тогда как в гиперсоленых озерах доминирует метилотрофныи метаногенез (Жилина, 1992). В озерах Южного Забайкалья и северных районов Монголии на образование СН4 бактериальным сообществом используется до 14.0 мг С/м2 сут (Намсараев, 2003).

Мелководные соленые водоемы, несмотря на отсутствие стабильной окислительно-восстановительной обстановки вследствие ветрового перемешивания водной массы, характеризуются высокой интенсивностью процессов круговорота серы. Сульфатредукция в них является доминирующим анаэробным терминальным процессом в разрушении ОВ. Как правило, процесс протекает в иловых отложениях, и лишь на участках, находящихся в ветровой тени, там, где возникают анаэробные условия, кроме того, наблюдается и в водной толще. За счет восстановления сульфатов минерализуется от 0,3 до 35,0 мг Сорг/дм3 ила в сутки (Кузнецов и др., 1985).

1.5. Разнообразие трофических связей в микробном сообществе

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой