Анаэробные бактерії у житті екосистеми Чорного моря

Анаэробные бактерії у житті екосистеми у Чорному морі.

Черноморский сероводород.

Якщо запитати біолога, геолога чи географа, що він знає про глибинах у Чорному морі, то відповідь буде однозначним: Чорне море — величезний резервуар сірководню. Можна почути також фантастичних проектах промислового отримання сірки і сірчаної кислоти з одночасної очищенням чорноморських глубин.

Черное море — це найбільший на планеті меромиктический водойму, водна товща якого глибше 130−150 м заповнена бескислородными водами, що містять отрутний сероводород.

Сегодня увагу до проблеми походження чорноморського сірководню безпосередньо з припущеннями про підвищення рівня сірководневою зони у частині моря, ні з встановленим фактом великого зараження сірководнем придонних вод північно-західного шельфу у період. Дефіцит кисню у тому найпродуктивнішому районі у Чорному морі призвів до масової загибелі бентосных мікроскопічних тварин! У чому причини підвищення рівня сірководневих вод? Які заходи можливо прийняти задля унеможливлення загибелі екосистеми Чорного моря?

Сероводородную зону в Чорному морі відкрив Н.І. Андрусов в 1890 р. Проблема походження цієї зони стала предметом наукових дискусій. Незабаром думки учених звелася до двом головним гіпотезам. Прибічники гіпотези міграційного походження сірководню вважають, що основна частина вступає у море в готовому вигляді з порід дна по тектонічним розламах. Аргументом на користь «геологічної» гіпотези можуть бути містять сірководень підземні води, знайдені на східному узбережжя Чорного моря (район курорту Мацесты) в вапняках юрського віку. Природно, що «геологічна» гіпотеза не розглядає вплив антропогенного чинника освіту сірководню у морі.

Другая гіпотеза, що сьогодні знаходить усе більше прибічників, можна назвати «биогенной». Наприкінці уже минулого століття Н.Д. Зелінський припустив, що чорноморський сірководень утворюється внаслідок діяльності специфічних бактерій, що окислюють органічна речовина киснем з сульфатів, які відновлюються у своїй до сірководню. Органічне речовина, образующееся при фотосинтезі в поверхневих водах, постійно осаджується, а сульфати поповнюються переважно по рахунок придонного припливу солоних вод крізь протоку Босфор з Мармурового моря. Погіршення екологічної обстановки у Чорноморському регіоні «биогенная» гіпотеза пов’язує з додатковим надходженням у складі побутових і річкових стоків органічного речовини і мінеральних солей антропогенної природи. Це активізує все біогеохімічні процеси, у тому числі процес бактеріальної сульфатредукции із заснуванням сірководню у питній воді і осадках.

Начиная з 1980 р. співробітники лабораторії мікробної біогеохімії Інституту мікробіології РАН проводили комплексні дослідження водної товщі і донних опадів у Чорному морі. Однією з основних цілей була кількісну оцінку ролі мікробіологічних процесів освіти чорноморського сероводорода.

Результаты багатьох експедицій незаперечно свідчили на користь її биогенного походження. Було доведено, що чорноморський сірководень утворюється переважно по рахунок діяльності анаеробних сульфатредуцирующих бактерій, котрі живуть як і водної товщі, і у донних опадах. У цьому більшість сірководню утворюється у водної товщі, а чи не мігрує з осадков.

Исследования сильно забруднених опадів на районі виносів річок Дунаю та Дністра підтвердили, причиною сірководневого зараження водної товщі цих районів стала активізація бактеріальної сульфатредукции, і навіть дозволили досить точно датувати початок негативних процесів. Поява сірководневих заморных зон збіглася у часі з різким підйомом в промисловості й сільського господарства причорноморських країн.

При подальшому забруднення у Чорному морі мікробне освіту сірководню посилюватиметься. Це можуть призвести до великої екологічну катастрофу. Ситуація така, що не можна недовраховувати можливість скорочення аеробного зони моря, и навіть прориву сірководню в атмосферу.

Повышение рівня чорноморського сірководню залишило затінена щонайменше важливу проблему анаеробного бактеріального освіти інших газів, і метана.

Что таке чорноморський метан?

Сучасний метан утворюється внаслідок життєдіяльності унікальної групи мікроорганізмів — метанобразующих архебактерий, можливо, найбільш древньої групи організмів на планеті. Метан — кінцевий продукт мікробного розкладання органічного речовини в анаеробних условиях.

Результаты останніх експедицій дуже забруднені приустьевые райони річок Дунаю та Дністра показали, що «перенасичення» поверхневих вод метаном у тому регіоні сягає сотень і тисяч разів. Отже, метан, що надходить з нижніх верств моря, не встигає в водної товщі окислиться аэробными мікроорганізмами, питающимися метаном, і надходить у атмосферу, підвищуючи цим концентрацію парникових газів. І це загрожує потеплінням планети, можливим таненням льодовиків з усіма звідси последствиями.

Однако проблема чорноморського метану не обмежується виключно процесами сучасного мікробного метанобразования.

В квітні 1989 р. в Кримському районі у Чорному морі співробітники Інституту біології південних морів АН УРСР виявили бульбашки газів, поднимающиеся до моря зі швидкістю 12−14 м/мин.

Специальные експедиції виявили численні поля підводних газовыделений у різних ділянках в північно-західній частині у Чорному морі на глибинах 60−650 м, і навіть біля берегів Болгарії, Керченського півострову і Кавказького узбережжя. Головним компонентом що виділяються із глибини газів був метан (до 80%). Масштаби чорноморських газовыделений виявилися такі великі, що було реальним пояснення причин вогненних спалахів під час відомого кримського землетрусу 1928 р. Землетрус могла призвести до крупномасштабному викиду великих обсягів метану в привідні верстви атмосфери, бо як відомо, метан воспламеняется легше сероводорода.

Следует відзначити, що локальні виходи метану з донних відкладень (сипы) виявили в багатьох точках Світового океану, і сьогодні вже можна стверджувати, що це явище носить глобальний характер.

Детальные біогеохімічні дослідження метанових сипів в Чорному морі було виконано на підводного лодке-лаборатории «Бентос» у грудні 1990 р. У районі інтенсивного газовыделения і високого змісту розчиненої метану на глибинах, де кисень повністю був відсутній, знайшли карбонатні будівлі різних типів: горбисті плити округлої форми діаметром 0,5−1,5 м, плити з однією чи декількома коралловидными наростами і плити з башнеобразными чи деревоподібними будівлями заввишки 30−100 див. Коралловидные будівлі зовні було покрито потужними (до 2−3 див) слизуватими бактеріальними обрастаниями. При руйнуванні споруд із внутрішніх порожнин і каналів виділялися струменя пухирців газів. Як виявилося, будівлі на 99,6% складалася з СаСо3 (арагонита).

Пора розповісти одного із найважливіших методів мікробної біогеохімії. Метод грунтується на властивості бактерій вибирати з природного субстрату, що складається з суміші стабільних ізотопів вуглецю (12С і 13С), легший ізотоп (12С). Відповідно, мікробна біомаса і продукти життєдіяльності бактерій виявляються збагаченими легким ізотопом (12С).

Исследования показали, що органічна речовина обрастаний характеризується максимально легким изотопным складом вуглецю, що свідчить про його біогенному происхождении.

Полученные дані дозволили припустити, що освіта карбонатних будівель значною мірою зумовлено активністю бактерій, що окислюють метан.

Проте залишалася незрозумілим, скільки різних і яких саме анаеробних мікроорганізмів утворює коралловидные арагонитовые будівлі у місцях виходу газу. Оскільки коралловидные будівлі знайшли тільки у анаеробної зоні, постало питання про механізм окислення метану за умов повної відсутності кисню. Річ у тім, що мікробіологам відома група аеробних метанокисляющих (метанотрофных) бактерій, проте до сьогодні невідомі мікроорганізми, здатні до анаэробному окислювання і споживання метану. Процес анаеробного споживання метану реєструвався багатьма дослідниками, проте спроби виділити культури мікроорганізмів, вміють це робити, були безуспешными.

В 1993—1994 рр. в сорок четвертому і сорок п’ятому рейсах науково-дослідного судна «Професор Водяницький» було порушено з анаеробних зон коралловидные будівлі. Зовні вони виявилися покритими товстим (до 2−3 див) студнеобразным шаром бактеріальних обрастаний (матів) рожево-коричневого цвета.

В бактеріальних матах поруч із анаэробным окисленням метану було зареєстровано процеси бактеріальної сульфатредукции і метаногенеза. Дані мікробіологічних, спектральних, энзиматических і електронно-мікроскопічних досліджень підтвердили домінування у складі бактеріальних матів анаеробних мікроорганізмів. Є підстави вважати, що основу бактеріального мату становлять метанобразующие архебактерии роду Methanotrix.

Каковы ж можливі механізми анаеробного окислення метану? Припущення, що сульфати можуть бути кінцевими акцепторами електронів у процесі окислення метану, не подтвердилось.

Возможное пояснення було підказано роботами Зендера і Брока, які засвідчили, що чисті культури метаногенів можуть частина метану анаэробно окисляти до СО2 у реакції, зворотної освіті метана:

CH4+2H2O®CO2+4H2.

Принципиально використання води як кінцевого акцептора електронів при окислюванні метану термодинамічно можливо, за вкрай низьких концентраціях Н2 і СО2 або за високих концентраціях метану. Оскільки досі бактеріальні мати виявляли виключно на арагонитовых спорудах в зонах виходу газових струменів, високі концентрації метану серед може бути неодмінною умовою розвитку матів.

.

Таким чином, представляється найімовірнішим, що у досліджених бактеріальних матах анаэробное окислювання метану іде за рахунок механізму, зворотному відновленню СО2, а утворений водень швидко використовують як освіту метану метанобразующими бактеріями, і на відновлення сульфатів сульфатредуцирующими бактериями.

Итак, в анаеробних умовах виникло і активна функціонує співтовариство мікроорганізмів, використовують унікальне природне зону. Масштаби явища такі, що говорити про існування «анаеробного метанового фільтра», що був бактеріальними матами на коралоподібному спорудах. Можна сміливо стверджувати, що бактеріальне співтовариство коралоподібному будівель — нову ланку в екосистемі анаеробної зони у Чорному морі.

Автори М. В. Іванов, Н.В. Піменов, І.І. Русанов, О. С. Саввичев, Інститут мікробіології РАН; О. Ю. Леин, Інститут геохімії і аналітичної хімії їм. В.І. Вернадського РАН.