Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические условия и микробные процессы цикла углерода в стратифицированных озерах Сибири

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологические условия и микробные процессы цикла углерода в стратифицированных озерах Сибири"

На правах рукописи

КОЛОСОВ Руслан Вячеславович

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ И МИКРОБНЫЕ ПРОЦЕССЫ ЦИКЛА УГЛЕРОДА В СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ ОЗЕРАХ СИБИРИ

03.02.08 - экология (биологические науки) 03.02.03 - микробиология (биологические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Улан-Удэ - 2013

005058145

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт общей и экспериментальной биологии Сибирского отделения Российской академии наук» (ИОЭБ СО РАН)

Научный руководитель:

Научный консультант:

Бурюхаев Савелий Петрович,

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН»

Гармаев Ендон Жамьянович,

доктор географических наук, доцент, заведующий лабораторией геоэкологии, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Байкальский институт природопользования СО РАН»

Официальные Попкова София Марковна,

оппоненты: доктор биологических наук, старший научный сотрудник,

руководитель лаборатории микроэкологии, Научный центр проблем здоровья семьи и репродукции человека Сибирского отделения Российской академии медицинских наук

Дмитриева Ольга Михайловна,

кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры органической и неорганической химии, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Бурятский государственный университет»

Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

организация: «Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН»

Защита диссертации состоится 23 мая 2013 г. в 13:00 ч. на заседании Диссертационного совета Д 212.022.03 при ФГБОУ ВПО «Бурятский государственный университет» по адресу: 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, биолого-географический факультет, конференц-зал. Факс: (3012) 210588; E-mail: d21202203@mail.ru. ruslankolosov@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бурятского государственного университета.

Автореферат разослан 9.0 апреля 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук

Гулгенова А.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Меромиктические озера, где наблюдается стратификация водной толщи, отличаются разнообразием экологических условий для микробных сообществ. Стратификация физических, химических и биологических параметров водных экосистем - один из ключевых факторов, определяющих динамику экосистем меромиктических озер. Круговорот углерода в меромиктических водоемах отличается от такового в обычных водоемах умеренной зоны (Горленко и др., 1977; Заварзин, 2004). Уникальный химический состав воды и разнообразие прокариотной жизни дали основание полагать, что подобные водоемы существовали на ранних этапах эволюции биосферы Земли (7оВе11, 1973; Заварзин, 1993; РагпасЬеу, 0е£егтепс12Иу, 2002). На данный момент в научной литературе мало работ, связанных с изучением роли стратификации в функционировании водной экосистемы как единого целого.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния стратификации и сезонных изменений условий среды на пространственное распределение и интенсивность микробных процессов в содово-соленых озерах.

Целью работы являлось изучение пространственно-временных особенностей функциональной активности микробного сообщества цикла углерода в стратифицированных озерах Сибири.

В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Определение физико-химических и гидрохимических условий среды в исследуемых озерах Сибири.

2. Определение общей численности микроорганизмов и численности микроорганизмов различных физиологических групп.

3. Определение скорости микробных процессов продукции и деструкции органического вещества в ледовом покрове, воде и донных осадках исследуемых озер.

4. Выявление пространственного распределения микроорганизмов и микробных процессов в исследуемых озерах.

5. Выявление сезонной и межгодовой динамики микробного сообщества и интенсивности микробных процессов в стратифицированном озере Доронинское.

Научная новизна. Впервые получены и обобщены данные по физико-химическим и биологическим характеристикам стратифицированного озера Доронинское в пространственно-временной динамике и в сравнении с другими меромиктическими и голомиктическими озерами. Выявлено, что в летний период микробные процессы продукции и деструкции органического вещества идут интенсивнее, чем в подледный период. Установлено, что большая часть органического вещества на терминальных этапах деструкции используется для бактериального восстановления сульфатов.

Теоретическая и практическая значимость. Проведенное исследование пространственно-временной динамики физико-химических и биологических параметров стратифицированных озер показывает тесную взаимосвязь абиотических и биотических факторов, определяющих функционирование экосистем озер. Вертикальный градиент температуры и плотности воды в стратифицированных водоемах способствует формированию различных экологических ниш, в связи с чем микробные процессы, протекающие в таких водоемах, существенно отличаются от таковых в мелководных голомиктических озерах. Полученные результаты расширяют представление об интенсивностях микробных процессов в стратифицированных озерах и о роли стратификации в функционировании микробного сообщества. Результаты исследования могут быть использованы в биотехнологии и бальнеологии, а также для экологического мониторинга озерных систем.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы микробиологии Центральной Азии» (Улан-Удэ, 2010), II Международной научной конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии» (Улан-Удэ, 2011), Международной научной конференции «Экология и геохимическая деятельность микроорганизмов экстремальных местообитаний» (Улан-Удэ -Улаанбаатар, 2011), III Республиканской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экологические проблемы Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 13Д страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Диссертация содержит ц таблиц, Ий рисунков. Список литературы состоит из 7-6 отечественных и Чз^ зарубежных источников.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю к.б.н. С.П.Бурюхаеву, д.б.н. Б.Б.Намсараеву, к.б.н. В.Б.Дамбаеву, к.б.н. Т.Г.Багоаракцаевой и всем сотрудникам и аспирантам лаборатории микробиологии ИОЭБ СО РАН за помощь и поддержку. Автор признателен сотрудникам других лабораторий и организаций за помощь на разных этапах полевых и лабораторных исследований, а именно: д.т.н. Е.Ж.Гармаеву, к.г.-м.н. С.В.Борзенко, к.б.н. А.Г.Захарюк, к.ф.-м.н. Д.Ю.Рогозину.

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного гранта Президиума СО РАН № 56, гранта Минобрнауки РФ ФЦП - Кадры Соглашение 8116.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования. Объектами исследования являлись 3 стратифицированных озера: Доронинское (Забайкальский край), Шира и Шунет (Республика Хакасия). В сравнительном плане была изучена физико-химическая, гидрохимическая характеристика и активность микробного сообщества в ледовом покрове голомиктических озер Республики Бурятия: Белое, Алгинское, Нухэ-Нур. Микробиологические и гидрохимические исследования проводились с 2009 по 2012 гг.

Методы исследования.

Методы отбора проб. Пробы воды и льда отбирали из разных горизонтов, включая поверхностный слой. Лед хранили в полиэтиленовых пакетах в темноте при температуре ниже нуля. Лед разделяли по слоям в стерильных условиях. Перед проведением анализов лед стерильно очищали со всех сторон, помещали в стерильную посуду и растапливали при комнатной температуре.

Пробы донных осадков для бактериологических исследований отбирали в сухую стерильную посуду. Фиксацию проб для гидрохимических и микробиологических определений проводили в первые часы, после отбора проб. При послойном исследовании донных осадков пробы отбирали из разных горизонтов, включая поверхностный слой. До проведения анализов пробы хранили в темноте при температуре, соответствующей природным значениям или в холодильнике.

Методы полевых и лабораторных физико-химических исследований. В полевых условиях определение физико-химических параметров воды в местах отбора проб проводили с помощью портативных приборов. Кислотность среды (pH) измеряли рН-метром рНер («Hanna», Италия), минерализацию - кондуктометром DIST 1 («Hanna», Италия), окислительно-восстановительный потенциал (Eh) - Eh-метром HM Digital ORP-200 (США). Температуру воды и осадков определяли ртутным или сенсорным электротермометром Prima (Португалия).

Концентрацию карбонат- и гидрокарбонат-ионов определяли титриметрическим методом (Резников и др., 1970). Содержание сульфид-ионов определяли в лабораторных условиях фотометрическим методом, основанным на реакции сероводорода и сульфид-ионов с М,1Ч'-диметил-пара-фенилендиамином (ДМП) в кислой среде (Волков, Жабина, 1990).

Методы определения численности микроорганизмов. Для определения общей численности микроорганизмов воду из озера либо воду, полученную при растапливании льда, либо грунтовую болтушку, полученную из проб донных осадков, фильтровали через нитро-целлюлозные фильтры с диаметром пор 0,22 мм («Владисарт», Россия), окрашивали 5%-ным раствором эритрозина и просматривали на микроскопе Axiostar Plus («ZEISS», Германия) при увеличении 1,25x10x100 в двадцати полях зрения. Расчет численности бактерий производился по формуле: N=n-K/V, кл/мл, где

п - среднее число бактерий в одном поле зрения; К - отношение фильтрующей площади фильтра S (мкм) к просчитываемой площади поля зрения s; V - объем профильтрованной воды (мл) (Методические рекомендации..., 1984).

Методы_определения скорости микробных процессов. Скорость

фотосинтеза, темновой фиксации СОг и гидрогенотрофного метаногенеза определяли в изолированных пробах с радиоактивным NaHuCO,, сульфатредукцию - с использованием меченного Na235S04 (Иванов, 1956; Сорокин, 1975; Беляев, Иванов, 1975; Кузнецов, Дубинина, 1989). Пробы воды для радиоизотопных работ отбирали в стеклянные флаконы объемом 30-50 мл, закрывали резиновой пробкой и обжимали алюминиевой крышкой, донные осадки отбирали в 5-мл шприцы со срезанным наконечником и закрывали резиновой пробкой. Темновые склянки перед введением радиоизотопа обворачивали фольгой. Для иигибирования оксигенного фотосинтеза и автотрофиой темновой фиксации в пробы перед введением метки добавляли диурон (3-(3,4-дихлорфенил)-1,!-диметилмочевина) и азид натрия (NaN3) соответственно (Саралов и др, 1984; Намсараев и др., 2003). Радиомеченные вещества в количестве 0,1-0,2 мл в пробы вводили с помощью микрошприца. Пробы экспонировали в течение 24-48 часов в световых и температурных условиях in situ.

Подготовку проб воды и донных осадков для определения скоростей микробных процессов проводили сразу после отбора проб, в течение первых 1-2 часов. Для определения потенциальной скорости темновой ассимиляции углекислоты во льду пробы в стерильных условиях доводили до жидкого состояния при температуре 8-10°С. После расплавления пробы воды разливали в пенициллиновые флаконы объемом 30-50 мл и закрывали герметично, без доступа воздуха, резиновыми пробками. Инкубацию радиоизотопных проб проводили в холодильнике, при температуре 4-6°С.

После завершения инкубации фиксацию проб проводили формалином до конечной концентрации 3-4%. Радиоактивность введенных субстратов и образованных продуктов анализировали с помощью сцинтилляционного счетчика RackBeta (Швеция).

Метод изучения изотопного состава углерода. Изучение содержания стабильных изотопов углерода |2С и |3С в донных осадках проводили на масс-спектрометре МИ-1201 (СССР). Осадки предварительно высушивали до воздушно-сухого состояния. Результаты приведены в виде величин 5 i3C в промилле по отношению к общепринятым стандартам PDB.

Статистические методы. Статистическую обработку данных проводили по таблице Мак-Креди (Большой практикум по микробиологии. 1962).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ 1. Физико-химическая и гидрохимическая характеристика исследуемых водоемов.

Физико-химическая характеристика льда и воды озера Доронинское. В озере Доронинское были изучены изменения физико-химических параметров льда (в ходе весенних экспедиций в 2009 и 2012 годах) (табл. 1) и воды (в ходе экспедиций в период с 2009 по 2012 годы).

Табл. 1.

Физико-химические параметры талой воды льда оз. Доронинское

Дата отбора проб Горизонт, см pH Минерал-я, мг/л соД мг/л НСОз, мг/л HS\ мг/л

март 2009 г. 0-5 10,59 5 150 1 260 2 484 Н.д.

5-25 10,00 2 088 240 676 Н.д.

25-55 10,56 2 756 456 1704 Н.д.

55-65 10,76 4 063 960 1656 Н.д.

65-75 10,0 3 700 696 1972 Н.д.

75-85 10,68 3 928 1080 1416 Н.д.

85-95 10,4 3 488 1075 761 Н.д.

95-105 9,9 3 216 876 1624 Н.д.

105-122 10,5 3 730 1152 1537 Н.д.

апрель 2012 г. 0-10 10,6 4073 1164 1074 9,17

10-25 10 3747 900 1454 9,17

25-40 10,44 4373 1200 1330 10

40-55 10,57 4011 1140 1370 9.58

55-77 10,4 3447 810 626 7,5

77-100 9,9 3781 717 1030 5,83

100-115 10 3280 522 744 4,17

115-125 10,72 3788 1050 1678 5,42

«Н.д.» - не определяли.

Межгодовая динамика рН талой воды льда была выражена слабо. Показатель рН варьировал от 9,9 до 10,76. В верхних (до 40 см) и нижних (от 100 см) горизонтах изменения значений рН талой воды совпадали в 2009 и 2012 гг. Изменения минерализации по глубине колонки льда озера Доронинское были более выраженными в 2009 году, чем в 2012. Минерализация ледового покрова, варьировала в 2009 году от 2088 до 5150 мг/л; в 2012 году - от 3280 до 4373 мг/л. В марте 2009 года в верхнем горизонте ледового покрова отмечены наибольшие значения минерализации и содержания карбонат- и гидрокарбонат-ионов, что может быть связано с образованием на поверхности льда солевого налета - гуджира. Однако уже в горизонте 5-25 см наблюдается резкое снижение минерализации и содержания ионов карбонатного комплекса, а также снижение значения рН. В марте 2009 года количество ионов С032* в ледовом покрове варьировало от

7

240 мг/л до 1260 мг/л; НСО," - от 676 мг/л до 2484 мг/л. В апреле 2012 года колебания содержания ионов карбонатного комплекса, как и колебания минерализации, были менее выраженными, чем в марте 2009 года. В целом, показатели минерализации и карбонатного комплекса по глубине колонки льда коррелируют.

В ледовом покрове озера Доронинское отмечено более низкое содержание карбонат- и гидрокарбонат-ионов по сравнению с водной толщей в теплое время года, что связано с особенностями формирования ледового покрова, при котором часть солей переходит в водную толшу.

В марте 2009 года в озере Доронинское наблюдалась отрицательная температура подледной воды (от -1 до -1,4°С) по всей глубине водной толщи (рис. I). Содержание кислорода в подледной воде было низким и не превышало 0,64 мг/л. В июле 2010 года верхние слои водной толщи озера Доронинское хорошо прогревались и достигали температуры 28°С на поверхности (рис. 2). Термоклин (на глубине 3-4 м) в июле 2010 года был более ярко выраженным, чем в августе 2011 года (рис. 3). Полученные результаты показывают, что за весь период исследований в водной толще, начиная с 4 м до самого дна озера, наблюдалась стабильная неперемешиваемая зона - монимолимниои. В 2010 году температура воды в монимолимнионе опускалась до 3,5°С, в 2011 году — до 5,3°С, в 2012 году -до 8,8°С. В летние периоды содержание растворенного кислорода в воде озера Доронинское достигало максимума на глубине 2 м и составляло 14,7 мг/л в июле 2010 года (рис. 2) и 3,9 мг/л в августе 2011 года (рис. 3). Далее наблюдалось резкое снижение содержания кислорода, совпадающее с термоклином и хемоклином. По всей глубине водной толщи в августе 2011 года наблюдалось более низкое содержание кислорода, чем в июле 2010 года.

о2, мг/л.

0 0,1 0.2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7

Т,

Рис. 1. Температура и содержание О? в подледной воде оз. Доронинское 2.03.2009 г.

Рис.2. Температура и содержание 02 в воде оз. Доронинское 2.07.2010 г.

Рис. 3. Температура и содержание От в воде оз. Доронинское 15.08.2011 г.

Рис. 4. Динамика изменений рН воды озера Доронинское

Значение рН воды в озере Доронинское в марте 2009 года изменялось незначительно - от 9,65 до 9,7. В августе 2011 года рН по всей глубине также был практически одинаковым - от 10 до 10,13 (рис. 4). В апреле 2012 года рН подледной воды находился в пределах 9,81-9,83. В августе 2012 года выявлены более щелочные значения рН, а также более выраженные колебания этого показателя - от 10,4 в поверхностном слое до 11,2 в придонном.

Минерализация подледной воды в апреле 2012 года, как и показатель рН, практически не изменялась по всей водной толше и достигала 35454 мг/л. Летом минерализация воды обладает более низкими значениями, чем весной. В августе 2012 года в верхних слоях она варьирует от 6644 до 8022 мг/л. Резкий скачок минерализации выявлен на глубине 3,5 м, что соответствует зоне хемоклина. Наибольший показатель минерализации отмечен в придонном слое - 13511 мг/л.

Озеро Доронинское характеризуется высоким содержанием ионов СО;Г" и НС03". Динамика содержания этих ионов в воде озера Доронинское в период исследования коррелировала с динамикой показателей рН и минерализации. В августе 2012 года по всей глубине водной толщи, за исключением поверхностного слоя, наблюдалась более высокая концентрация этих ионов, как и более высокий рН, чем в 2011 году. Максимальные значения содержания карбонат- и гидрокарбонат-ионов в воде озера Доронинское в августе 2011 года составляли соответственно 7500 и 11707,6 мг/л; в августе 2012 года - 19200 и 21655 мг/л соответственно (рис. 5 ). В подледный период в распределении карбонатного комплекса по глубине озера не прослеживается существенных изменений, как это отмечается в период открытой воды, когда в зоне контакта кислородного и

сероводородного слоев наблюдается увеличение содержаний этих компонентов.

В августе 2011 г. в верхних слоях водной толщи озера сульфид-ионы выявлены не были. С увеличением глубины от 3,25 м до 4 м содержание НБ" практически не менялось и колебалось в пределах от 0,35 до 1,63 мг/л. Резкое увеличение количества сульфид-ионов (26,51 мг/л) зафиксировано на глубине 4,5 м. Концентрация сульфид-ионов была максимальной (31,4 мг/л) на глубине 5 м. Было определено содержание сульфидов в колонке донных отложений, взятых в ходе экспедиции в августе 2011 года. Наибольшее содержание сульфид-ионов (74,4 мг/л) отмечено в верхнем слое и свидетельствует об активной жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий.

Содержание С032+НС03-, мг/л О 20000 40000

Рис. 5. Динамика содержания комплекса С032' +НС03" в воде озера Доронинское

Физико-химическая характеристика воды озер Шира и Шунет. Исследование физико-химических параметров воды стратифицированных озер Шира и Шунет было проведено в июле 2010 года. Значения рН воды достигали в озере Шира 8,87, в озере Шунет - 8,46. На момент отбора проб температура воды на разной глубине варьировала от 0 до 24,18 °С. В озере Шира на глубине 6-8 м наблюдался термоклин, где температура воды упала с 14,56 до 0,79°С. В нижних слоях озера Шира, начиная с 12 м температура воды была близкой к 0°С. В озере Шунет наиболее низкая температура составляла 7,09°С в придонном слое, на глубине 6 м. Показатель рН в озерах Шира и Шунет оставался достаточно однородным по всему водному столбу. Минерализация воды варьировала от 9,79 до 12,3 г/л в озере Шира, и от 7,51 до 58,04 г/л в озере Шунет. Придонные слои характеризовались более высокой минерализацией, чем верхние.

2. Численность микроорганизмов в ледовом покрове, воде и донных осадках исследуемых озер.

Численность микроорганизмов в ледовом покрове озера Доронинское. Весной 2009 года максимальный показатель общей численности микрорганизмов (ОЧМ) - 42-104 кл/мл - в ледовом покрове озера Доронинское был выявлен в верхнем горизонте. С глубиной этот показатель падал, но в нижних горизонтах льда отмечен рост, выражающийся в двух пиках: на глубине 85-95 см (31-104 кл/мл) и на глубине 105-122 см (34-104 кл/мл). В апреле 2012 года ОЧМ по всей колонке льда была почти на порядок ниже, чем в 2009 году, не сильно изменялась и варьировала от 2,4-104 до 4,2-104 кл/мл.

Численность микроорганизмов в воде и донных осадках озера Доронинское. ОЧМ в июле 2010 года в воде озера Доронинское варьировала от 1,1-10 до 31,6-103 кл/мл. Максимальная численность отмечена в поверхностном слое воды. С глубиной наблюдается направленное снижение значений ОЧМ. В 20 N году ОЧМ в верхних слоях воды была значительно ниже, чем в 2010 году, однако с увеличением глубины этот показатель возрастал. Отмечено два пика увеличения ОЧМ: на глубинах 3,25 и 5 м.

Значения ОЧМ в донных осадках озера Доронинское были существенно ниже в 2010, чем в 2011 году. Максимальная численность (196-106 кл/мл) зафиксирована в слое 2-3 см.

Численность микроорганизмов в донных осадках озера Шира. В донных осадках озера Шира ОЧМ варьировала от 8,МО6 до 24-106 кл/мл. Максимальная ОЧМ в донных осадках озера Шира была отмечена в слое 1520 см. Высокая численность также выявлена в верхнем слое донных осадков (17-106 кл/мл).

3. Микробные процессы продукции и деструкции органического вещества в исследуемых озерах.

Микробные процессы в озере Доронинское. Скорость темновой фиксации С02 в пробах талой воды льда озера Доронинское в апреле 2012 года варьировала от 10,51 до 28,97 мкг С л"1 сут'1. Наименьшее значение отмечено в горизонте 55-77 см; наибольшее - в нижнем горизонте.

В подледной воде озера Доронинское в марте 2009 года и апреле 2012 года были изучены скорости микробных процессов продукции (рис. 6, рис. 7). Процессы оксигенного фотосинтеза (ФСокс) наблюдались в поверхностных горизонтах воды. В марте 2009 года выявлено два максимума этих процессов -в подледном горизонте (22,3 мкг С л'1 сут') и на глубине 3,5 м (71,7 мкг С л'1 сут"). В апреле 2012 года процессы оксигенного фотосинтеза (ФСажжс) проходили с максимальной скоростью 23,9 мкг С л'1 сут'1 на глубине 1м. В нижележащих слоях оксигенный фотосинтез постепенно исчезал, и начинал проявлять себя аноксигенный фотосинтез, достигая максимальной скорости на

глубине 3 м - 63,5 мкг С л" сут"' в марте 2009 года и 16,9 мкг С л"1 сут"1 в апреле 2012 года.

Скорость темновой фиксации (ТФ) в подледной воде в марте 2009 года варьировала от 88,8 до 660 мкг С л'1 сут"1, что является максимальным показателем интенсивности темновой фиксации в воде озера Доронинское за весь период исследования. Вклад хемосинтеза (ХС) в темновую фиксацию составлял от 5 до 92%. Наибольшая интенсивность процессов хемосинтеза была выявлена на глубине 4,25-4,5 м, а максимальная доля в темновой ассимиляции углекислоты - в придонном горизонте (рис. 6). В апреле 2012 года скорость темновой фиксации в подледной воде была значительно ниже, чем в марте 2009 года, и варьировала от 4,3 до 30 мкг С л"1 сут"', вклад хемосинтеза в процесс темновой ассимиляции С02 составлял от 49 до 100% (рис. 7).

скорость, мкг С/л сут

О 200 400 600

Ж___ \ -

У _ _

к к >

> .........Фг-

фс оке

■*-ФС

анокс

ХС

Рис. 6. Скорость микробных процессов продукции в подледной воде озера Доронинское в марте 2009 г.

скорость, мкг С/л сут

0 10 20 30

ЧР — ФСокс т-ФСанокс

Рис. 7. Скорость микробных процессов продукции в подледной воде озера Доронинское в апреле 2012 г.

В марте 2009 г. и апреле 2012 г. скорость сульфатредукции определяли, начиная с глубин 3,75 м и 2 м, соответственно. Протекание процессов было выявлено во всех опробованных горизонтах водной толщи. В марте 2009 года скорость сульфатредукции имела наибольшие значения на глубинах 3,75 м (100 мкг 8 л"' сут') и 4,5 м (141 мкг Б л"' сут'), что коррелирует с наибольшими концентрациями сероводорода (Замана, Борзенко, 2011). В апреле 2012 г. наибольшие скорости сульфатредукции выявлены на глубинах 3,5 м и в придонном горизонте - 5 м. Наименьшая скорость (4,8 мкг 5 л"1 сут"1) была отмечена на глубине 3 м. Пик активности сульфатредуцирующих бактерий наблюдался на глубине 3,5 м и составлял 85,6 мкг Б л"' сут"'.

В летний период в воде озера Доронинское микробные процессы продукции обычно идут более интенсивно, чем в подледный период. В

года

-I

максимальная скорость световой

августе 2009 года и в июле 2010

фиксации С02 (150 и 152 мкг С л"1 сут"', соответственно), выявлялась в зоне миксолимниона на глубине 1 м и была обусловлена высокой активностью оксигенных фототрофов (рис. 8, рис. 9). Максимальная скорость аноксигенного фотосинтеза наблюдалась на глубине 3,5-4 м и соответствовала зоне хемоклина. Темновая ассимиляция С02 в августе 2009 года достигала максимальной скорости (575 мкг С л"' сут"1) на глубине 2 м (рис. 8). В июле 2010 года темновая фиксация наиболее активно протекала в поверхностном слое водной толщи (148 мкг С л"1 сут"1) и на глубине 3,75 м (196 мкг С л"' сут"1). В зоне хемоклина был выявлен первый пик хемосинтеза - 309 и 182 мкг С л"1 сут"1 в августе 2009 года и в июле 2010 года, соответственно. В придонном слое наблюдался второй пик хемосинтеза - 313 мкг С л"' сут"1 в 2009 году и 209 мкг С л"1 сут"1 в 2010 году. В августе 2009 года доля хемосинтеза в темновой фиксации варьировала от 18,6 до 95% (рис. 8). В июле 2010 года вклад хемолитотрофных бактерий в темповую фиксацию составлял 100% (рис. 9).

скорость, мкг С/я сут

200 400 600

Рис. 8. Скорость микробных процессов продукции в воде озера Доронинское в августе 2009 г.

Рис. 9. Скорость микробных процессов продукции в воде озера Доронинское в июле 2010 г.

В июле 2010 г ода в воде озера Доронинское скорость сульфатредукции варьировала от 78,75 до 676,321 мкг Б л"' сут"1. Активность сульфатредуцирующих бактерий с глубиной возрастала, достигая максимальных значений в придонном слое. Процесс восстановления сульфатов выявлялся, начиная с глубины 3,5 м, т.е. и в присутствии кислорода, что, вероятно, связано с наличием анаэробных микрозон в водной толще. Имеется ряд работ, подтверждающих распространение и активность

сульфатредукторов в аэробной зоне (КагпасЬик й а!., 2005; Карначук и др., 2006; Брюханов, Нетрусов, 2007; Брюханов и др., 2011).

В донных осадках озера Доронинское в июле 2010 года скорость темновой фиксации С02 увеличивалась от верхних горизонтов к нижним и была максимальной (55,017 мкг С л"' сут"1) на глубине 4 см. По всей глубине колонки донных осадков озера Доронинское вклад хемотрофных бактерий в процессы темновой ассимиляции С02 составлял 100%.

Процесс сульфатредукции в донных осадках озера Доронинское в июле 2010 года достигал наибольшей скорости в горизонте 4 см - 55021 мкг 8 л"1 сут1. Метаногенез так же, как и сульфатредукция, является заключительным процессом терминального этапа деструкции органического вещества. В донных осадках озера Доронинское в июле 2010 года выявлено два пика метаногенеза: в поверхностном слое (0,109 мкл СН4 л"1 сут1) и на глубине 8 см (0,14 мкл СН4 л"' сут"'). Кривые скоростей сульфатредукции и метаногенеза противоположно направлены по отношению друг к другу, поскольку эти два процесса являются конкурентными за донор электронов.

Микробные процессы в воде и донных осадках озер Шира и Шунет. В озере Шира наибольшие значения фотосинтеза наблюдались в верхних слоях водной толщи (рис. 10). С глубиной интенсивность фотосинтеза снижалась. На глубине 10 м наблюдалось небольшое повышение активности фототрофов. Аноксигенный фотосинтез в этом озере выявлен не был. Кривая скорости темновой ассимиляции углекислоты на глубине 10 м также имела пик активности. Наибольших значений скорость фиксации С02 достигала на глубине 15 м- 490 мкг С л'1 сут"1. При этом значительную часть в темновую ассимиляцию С02 (до 79%) на этой глубине вносили хемосинтетики.

Процесс сульфатредукции (СР) в водной толще озера Шира протекал со скоростью 2,2-10,2 мг Б дм"3 сут"' (рис. 11). Скорость сульфатредукции

14

имела несколько пиков. Максимальная скорость бактериального образования сероводорода выявлена в монимолимнионе (17 м). На глубине 10 м скорость сульфатредукции так же, как и продукционных процессов, имела повышенные значения.

СР, мг5/л сут

О 2 4 6 8 10

Рис. 11. Скорость сульфатредукции в Рис. 12. Скорость темновой воде озера Шира в летний период фиксации в донных осадках озера

Шира

Микробное сообщество донных осадков озера Шира в процессе темновой фиксации С02 способно фиксировать от 112,835 до 454,569 мкг С л"1 сут'1 (рис. ¡2). Максимальная скорость процессов темновой фиксации наблюдается в поверхностном слое, при этом вклад хемосинтеза в процессы темновой фиксации составляет 100%, но уже на глубине 5 см это отношение снижается до 27%.

Скорость сульфатредукции в донных осадках озера Шира была значительно ниже, чем в донных осадках озера Доронинское, и варьировала от 622 мкг S л'1 сут"' в поверхностном слое до 114В мкг S л'1 сут"' в слое 15-20 см. В противоположность сульфатредукции, процессы метаногенеза в донных осадках озера Шира имели наибольшую скорость в поверхностном горизонте - 0,015 мкл СН4 л"1 сут"'. С глубиной скорость метаногенеза снижается до 0,008 мкл СН4 л"1 сут'1.

В озере Шунет микробные процессы продукции органического вещества протекали более интенсивно по сравнению с озером Шира. Интенсивность продукционных процессов возрастала с глубиной (рис. 13). Скорость оксигенного фотосинтеза имела максимальные значения над хемоклином - 4,9 м. в то время как аноксигенный фотосинтез наибольшей скорости достигал в верхней границе хемоклина (5 м). На этой же глубине выявлен слой, имеющий интенсивную пурпурную окраску. Скорость темновой фиксации С02 имела два пика активности - в верхней и нижней

границах термо- и хемоклина (рис. 14). Значительную часть (до 100%) в фиксацию углекислоты вносили хемосинтезирующие микроорганизмы.

ФС, мг С/л сут

2 4 6 8

0

1

£

<¡2 х

X

>3

5

10

■н»-ФС

оке •♦■•■• ФС

анокс

Рис. 13. Скорость фотосинтеза в воде оз. Шунет в летний период

Рис. 14. Скорость темн. фиксации в воде оз. Шунет в летний период

Сульфатредукция в воде озера Шунет протекала интенсивно, и ее скорость в воде варьировала от 6,6 до 24 мг Б л"1 сут"1. Наибольших значений скорость достигала в нижней границе хемоклина.

Скорость процессов темновой фиксации в донных осадках озера Шунет достигала 147,421 мкг С л"1 сут'1 на глубине 15 см. Наибольший вклад хемосинтеза в темновую фиксацию С02 (76%) отмечен в поверхностном слое донных осадков. Скорость восстановления сульфатов в донных осадках озера Шунет направленно увеличивалась от верхних горизонтов к нижним, в то время как скорость метаногенеза уменьшалась. Максимальная скорость сульфатредукции (3895 мкг Б л'1 сут"1) отмечена в слое 10 см. Процесс метаногенеза наиболее активно протекал в поверхностном слое донных осадков, со скоростью 2 мкл СН4 л'1 сут"1.

Таким образом, в озерах Доронинское, Шира и Шунет выявлена устойчивая стратификация микробных процессов в градиентной зоне хемоклина и верхних слоях донных отложений.

4. Изотопный состав углерода донных осадков меромиктических озер Сибири.

В донных осадках озер Доронинское и Шира был определен изотопный состав углерода органического вещества и карбонатов. В донных осадках озера Доронинское содержание о |3С органического вещества и 6 13С карбонатов варьировало от -27,51 до -29,41 и от -5.26 до -7,13%о, соответственно (табл. 2). Органический углерод донных осадков от поверхности до 4-5 см обогащается тяжелым углеродом ЬС до 0,8%о, с

дальнейшим уменьшением его содержания. Изотопный состав метана, образуемого в донных осадках озера и собранного на разделе вода-донные осадки, имеет значение 8|3С -68,74%о, что свидетельствует о его бактериальном происхождении в верхних слоях иловых отложений.

В донных осадках озера Шира изменения в изотопном составе углерода имеют прямо противоположную картину, по сравнению с озером Доронинское. Изотопный состав углерода органического вещества варьировал от -21,61 до -28,6%о 513С; изотопный состав карбонатов - от -4,49 до -6,81%0 5|3С (табл. 2). От поверхностных слоев до 10-15 см происходило облегчение углерода карбонатов и утяжеление органического углерода.

Табл. 2.

Изотопный состав углерода в донных осадках озер Доронинское и Шира

Глубина, см Скарбі Соргі

% от сухой % от сухой %0

массы массы

оз. Доронинское

0-1 41,5 6,09 -6,53 -29,08

2-3 41 5,6 -6,86 -28,84

4-5 42 6 -7,13 -27,51

6-7 46,5 6,45 -5,26 -28,94

8-9 47,7 5,37 -6,47 -29,41

оз. Шира

0-5 46,8 6,02 -6,14 -28,55

5-10 45,6 6,47 -5,11 -27,76

10-15 67,2 4,48 -4,49 -21,61

15-20 34,8 4,19 -6 -28,6

20-25 43,2 4,48 -6,81 -28,19

5. Расход органического вещества на терминальных этапах деструкции

Балансовые уравнения и значения интенсивностей сульфатредукции и метаногенеза позволяют рассчитать количество органического вещества, потребляемого бактериями на терминальных этапах деструкции. Результаты определения расхода органического углерода показывают, что в донных осадках озер Доронинское, Шира и Шунет на терминальном этапе деструкции большая часть органического углерода потребляется на восстановление сульфатов (табл. 3). В донных осадках озера Доронинское в процессе сульфатредукции потребляется до 41265 мкг С дм""' сут"1, а в процессе метаногенеза - до 0,56 мкг С дм° сут"1. В донных осадках озера Шира в процессе восстановления сульфатов потребляется 466-861 мкг С дм""'

сут'1, в то время как на образование метана расходуется 0,032-0,06 мкг С дм'3 сут' . В донных осадках озера Шунет в процессе сульфатредукции и метаногенеза расходуется до 2921 и 8 мкг С дм"' сут"1, соответственно. Таким образом, большая часть органического вещества на терминальном этапе деструкции в донных осадках потребляется в процессе сульфатредукции.

Табл. 3.

Расход органического вещества на терминальных этапах деструкции в

донных осадках исследуемых озер

Глубина, см Расход орг. вещества, мкг С дм"3 сут"1

в процессе сульфатредукции в процессе метаногенеза

оз. Доронинское

0-1 3816 0,436

2-3 Н.д. 0,264

4-5 41265 0,088

6-7 2772 0,292

8-9 Н.д. 0,56

оз. Шира

0-5 466 0,06

5-10 671 0,04

10-15 806 0,048

15-20 861 0,036

20-25 653 0,032

оз. Шунет

0 818 8

5 1118 0,488

10 2921 0,2

«Н.д.» - нет данных.

6. Обсуждение

По степени минерализации воды стратифицированные озера в период исследований (март 2009 - август 2012 гг.), в соответствии с классификацией М.Г.Валяшко, относились к солоноватому (озеро Шира) и соленому типам (озера Доронинское и Шунет), по химическому составу озеро Доронинское относится к карбонатному типу, озера Шира и Шунет - к сульфатно-хлоридному. Высокое содержание солей в исследуемых озерах обусловлено характером их водно-солевого питания — в основном за счет фунтовых вод -и климатическими особенностями с резко континентальным климатом и небольшим количеством осадков.

В озере Доронинское наиболее минерализованный горизонт ледового покрова - это поверхностный горизонт, что может быть обусловлено тем, что на поверхности льда озера Доронинское образуется гуджир - солевой налет. Основную часть гуджира составляют карбонаты (Серебренникова и др., 2007), поэтому в поверхностном горизонте льда также отмечено высокое содержание карбонат-ионов, значительно снижающееся уже на глубине 5-10 см.

Вода озера Доронинское в летний период по сравнению с водой озер Шира и Шунет обладала более щелочным показателем рН. В озере Шунет минерализация воды, особенно в придонных слоях, значительно превосходила значения минерализации воды озер Доронинское и Шунет.

Отмечены изменения состояния озера Доронинское, обусловленные сезонными и межгодовыми колебаниями температуры воздуха и количества осадков в Забайкальском крае (Статистика погоды..., 1Щр://уу\у\у.а11а5-vakutia.ru/weather/climate rnssia-III.html'). Значительное выпадение осадков, с одной стороны, приводит к некоторому уменьшению значений минерализации путем разбавления озерной воды, с другой - способствует смыву солей с поверхности прибрежных солончаков и увеличению концентрации ионов в воде озера. В то время как температура воздуха оказывает влияние на скорость испарения воды с поверхности озера.

Более низкое содержание карбонат- и гидрокарбонат-ионов в ледовом покрове озера Доронинское по сравнению с водной толщей в теплое время года обусловлено особенностями формирования ледового покрова, при котором часть солей переходит в водную толщу (Савельев, 1991). Соответственно, в подледный период водная толща озера обладает более высокими значениями минерализации, чем летом.

Весной, к концу ледостава, в подледной воде озера Доронинское наблюдается гомотермия с отрицательными температурами - до -1,5°С. Также происходит выравнивание минерализации по всему водному столбу, что объясняется концентрированием солей подледной воды в процессе образования ледового покрова озера (Винниченко и др., 2007). Вертикальное распределение карбонатного комплекса в толще воды в подледный период так же имеет однородный характер, тогда как в период открытой воды в зоне контакта кислородного и сероводородного слоев наблюдается увеличение содержаний этих компонентов.

Выявлено, что во время всего периода исследований для водной толщи озера Доронинское была характерна стабильная неперемешиваемая зона -монимолимнион, верхняя граница которого находилась на глубине 4 м.

В летние периоды высокое содержание кислорода в верхних горизонтах водной толщи связано с поступлением кислорода из атмосферы и деятельностью фотосинтетиков. Резкое снижение содержания кислорода, совпадающее с зоной термоклина и хемоклина, связано с развитием микроорганизмов, которые используют кислород, расходуя его в процессе дыхания.

Ледовый покров ограничивает проникновение кислорода в водную толщу, что в совокупности со снижением интенсивности оксигенного фотосинтеза обусловливает низкое содержание кислорода в подледной воде озера Доронинское по сравнению с летним периодом.

В теплое время года в толще воды озера Доронинское наблюдается два пика увеличения общей численности микроорганизмов: на глубинах 3,25 и 5 м. Первый пик численности объясняется тем, что на этой глубине находятся нижняя граница проникновения света и хемоклин, что влечет за собой скопление здесь микроорганизмов. Увеличение ОЧМ в придонных слоях водной толщи отражает рост численности микроорганизмов, использующих сульфид и другие восстановленные продукты, поступающие из монимолимниона (Горленко и др., 2010).

Одним из интегрированных показателей активности микробного сообщества является скорость темновой ассимиляции углекислоты. В ледовом покрове озера Доронинское активно протекают микробные процессы темновой фиксации С02. Амплитуда колебаний значений скорости совпадала с распределением ОЧМ в керне льда. Значения показателей ОЧМ и скорости темновой фиксации С02 в пробах талой воды льда озера Доронинское сравнимы со значениями, выявленными во льдах Баренцева моря (Саввичев и др., 2000). Предполагается, что деятельность микроорганизмов продолжается в этот период в микропорах и трещинах льда.

Сравнение значений продукционных процессов в летний и подлёдный периоды в водной толще озера Доронинское показывает, что летняя скорость фотосинтеза превышает весеннюю в 3-6 раз. В вертикальном профиле процессы фотосинтеза в летний период выявлялись в более глубоких горизонтах, чем в подледный период. Очевидно, что ледовый покров ограничивает распространение света в нижележащие слои воды, и, соответственно, весной увеличивается вклад темновой ассимиляции С02 в продукционные процессы. Максимальный показатель скорости темновой фиксации (до 660 мкг С л"1 сут"1) за весь период исследования был выявлен в марте 2009 года. Таким образом, показано, что процессы продукции могут протекать интенсивнее в подледный период, чем в летний.

В летний период в воде озер Шира и Шунет процесс сульфатредукции протекает примерно в 10-40 раз интенсивнее, чем в воде озера Доронинское. Однако в донных осадках озера Доронинское, напротив, скорость сульфатредукции была значительно выше (до 55 мг Б/л сут), чем в других исследуемых стратифицированных озерах (до 1,1 и 4 мг 5/л сут в озерах Шира и Шунет, соответственно). Высокая скорость сульфатредукции в донных осадках озера Доронинское обусловливает высокие значения содержания сульфид-ионов как продукта жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий.

Сравнение значений еще одного деструкционного процесса в донных осадках - процесса метаногенеза - показывает, что в озере Доронинское активность метаногенов была выше, чем в озере Шира, но ниже, чем в озере Шунет. Кривые скоростей сульфатредукции и метаногенеза противоположно направлены по отношению друг к другу, поскольку эти два процесса являются конкурентными за донор электронов. Выявлено, что большая часть органического вещества на терминальных этапах деструкции используется для бактериального восстановления сульфатов, тогда как на образование метана расходуется значительно меньше. Высокая скорость сульфатредукции в воде и донных осадках озер Доронинское, Шира и Шунет свидетельствует о том, что сульфидогенез является главным процессом терминальной деструкции органического вещества.

В озере Доронинское сульфатредукция протекает и в верхних окисленных слоях водной толщи, что может являться причиной наличия здесь ионов гидросульфида - продукта метаболизма сульфатредукции.

Результаты измерения изотопного состава углерода донных осадков озера Доронинское показали, что изотопный состав углерода органического вещества и карбонатов по профилю донных осадков совпадает с кривыми скоростей сульфатредукции и метаногенеза. На глубине 4-5 см, в противофазе этих двух процессов, отмечены максимумы утяжеления изотопного состава углерода органического вещества и облегчения изотопного состава углерода карбонатов. Деятельность сульфатредуцируюших бактерий в донных осадках приводит к обогащению изотопного состава углерода 613С органического вещества путем потребления облегченного органического углерода. В то же время в зоне активности метаногенов наблюдается утяжеление изотопного состава углерода карбонатов, что свидетельствует о потреблении в процессе метаногенеза облегченного углерода карбонатов

В донных осадках озера Шира процесс сульфатредукции также сопровождается утяжелением изотопного состава органического углерода. В поверхностном слое донных осадков отмечен максимум скорости метаногенеза, совпадающий с обогащением углерода карбонатов тяжелым изотопом ЬС. Далее по глубине колонки донных отложений наблюдается снижение содержания тяжелого изотопа карбонатов и активности метаногенов, однако начиная с глубины 15 см, вновь происходит утяжеление изотопного состава углерода карбонатов.

ВЫВОДЫ

I. Исследованные стратифицированные озера являются слабощелочными (Шунет) и щелочными (Доронинское, Шира), относящиеся по типу минерализации к солоноватым и соленым озерам. Термо- и хемоклин наблюдались в озере Доронинское на глубине 3-4 м, в озере Шира - на глубине 5-8 м, в озере Шунет - на глубине 4 м. В водной толще озера

Доронинское, начиная с глубины 4 м, выявлено наличие стабильной неперемешиваемой зоны - монимолимниона, который наблюдался в течение всего периода исследований.

2. Количественная оценка активности микроорганизмов показывает, что в миксолимнионе озёр преобладают аэробные процессы, а в зоне хемоклина и монимолимнионе - анаэробные. По численности микроорганизмов и интенсивностям продукционных процессов озёра Доронинское и Шира соответствуют уровню мезотрофно-эвтрофных водоемов, а Шунет - эвтрофного водоема.

3. В водной толще оз. Доронинское в летний период микробные процессы фотосинтеза и деструкции протекают интенсивнее, чем в подледный, однако процессы темновой фиксации идут интенсивнее весной, чем летом, что связано с низкой активностью фотосинтетиков в этот период.

4. На терминальных этапах анаэробной деструкции в исследуемых озерах большая часть органического вещества используется на восстановление сульфатов (от 466 до 41265 мкг С л"1 сут'1), тогда как на образование биогенного метана расходуется значительно меньше (от 0,032 до 8 мкг С л"1 сут"1).

5. Активная деятельность микробного сообщества оз. Доронинское в подледный период свидетельствует о наличии в сообществе психроактивных микроорганизмов.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Колосов Р.В., Захарюк А.Г., Козырева Л.П., Бурюхаев С.П. Распространение сульфатредуцирующих бактерий в содово-соленых озерах Забайкалья // Вестник Бурятского государственного университета. Серия 2: Биология. Вып. 4, Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2010. - С.96-98.

2. Колосов Р.В., Бурюхаев С.П. Микробиологическая характеристика донных осадков озера Шира (Хакасия) // Вестник Бурятского государственного университета. Серия 2: Биология. Вып. 14а, Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2011. -С.228-230.

3.Колосов Р.В., Бурюхаев С.П. Физико-химическая и микробиологическая характеристика льда озера Белое // Вестник Бурятского государственного университета. Серия 2: Химия. Вып. 3, Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2012. — С.83-86.

4. Колосов Р.В., Бурюхаев С.П. Физико-химическая и микробиологическая характеристика льда озера Доронинское (Забайкалье) //' Вестник Бурятского государственного университета. Серия 2: Химия. Вып. 3, Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2013. - С.56-59.

Материалы докладов конференций:

5. Колосов Р.В. Вертикальное распределение микроорганизмов в минерализованных озерах Забайкалья // Материалы II Международной

конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии», Улан-Удэ, Изд-во БНЦ СО РАН, 2011. - С. 190-191.

6. Бурюхаев С.П., Рогозин Д.Ю., Колосов Р.В. Роль микроорганизмов в круговороте углерода в стратифицированных водоемах Восточной Сибири и Забайкалья // Материалы II Международной конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии», Улан-Удэ, Изд-во БНЦ СО РАН, 2011.-С. 136-138.

7. Колосов Р.В., Бурюхаев С.П. Пространственная динамика микроорганизмов в стратифицированном озере Доронинское // Материалы Международной конференции «Экология и геохимическая деятельность микроорганизмов экстремальных местообитаний», Улан-Удэ - Улаанбаатар, Изд-во Б ГУ, 2011. - С. 105-106.

8. Колосов Р.В., Александров М.Г. Физико-химическая и микробиологическая характеристика льда и воды озера Доронинское // Материалы Всеросс. конф. с междунар. участием «Современные проблемы микробиологии Центральной Азии», Улан-Удэ, Изд-во БГУ, 2010 г. - С.85-89.

9. Колосов Р.В., Бурюхаев С.П. Особенности вертикального распределения физико-химических параметров и микроорганизмов в ледяном покрове озера Белое // Материалы III Республиканской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экологические проблемы Байкальского региона», Улан-Удэ, Изд-во БГУ, 2012. - С.53-56.

Подписано в печать 19.04.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Объем 1,6 печ. л. Тираж 100. Заказ №19.

Отпечатано в типографии Изд-ва Федерального государственного бюджетного учреждения науки БНЦ СО РАН 670047 г. Улан-Удэ ул. Сахьяновой, 6.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Колосов, Руслан Вячеславович, Улан-Удэ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ СО РАН

На правах рукописи

0420135^335

Колосов Руслан Вячеславович

Экологические условия и микробные процессы цикла углерода в стратифицированных озерах Сибири

03.02.08 - экология 03.02.03 - микробиология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук С.П. Бурюхаев

Научный консультант: доктор географических наук Е.Ж. Гармаев

Улан-Удэ, 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9

1. Многообразие озер и их классификация 9

2. Содово-соленые озера 13

2.1. Содово-соленые озера мира 14

2.2. Содово-соленые озера Центральной Азии 15

3. Стратификация водной толщи и донных осадков 21

4. Ледовый покров и особенности его формирования в соленых водоемах 29

5. Распространение и разнообразие микроорганизмов в содово-соленых озерах 30

5.1. Галофильные микроорганизмы 3 0

5.2.Алкалифильные микроорганизмы 32

6. Микробные процессы цикла углерода в содово-соленых озерах 34

6.1. Процессы продукции органического вещества 34

6.2. Процессы деструкции органического вещества 37

7. Круговорот углерода в содово-соленых озерах 42

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 44

1. Объекты исследования 44

2. Методы исследования 48

2.1. Методы отбора проб 48

2.2. Методы полевых и лабораторных физико-химических исследований 48

2.3. Методы культивирования и учета численности бактерий 49

2.4. Методы определения скорости микробных процессов 51

2.5. Метод изучения изотопного состава углерода 52

2.6. Метод измерения содержания жирных кислот 52

2.7. Статистические методы 52

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ 53

1. Физико-химическая и гидрохимическая характеристика исследуемых водоемов 53

1.1. Физико-химическая характеристика льда озер Белое, Алтайское и Нухэ-Нур 53

1.2. Физико-химическая характеристика льда озера Доронинское 56

1.3. Физико-химическая характеристика воды и донных осадков озера Доронинское 60

1.4. Физико-химическая характеристика воды озер Шира и Шунет 66

2. Распределение и активность микроорганизмов в воде, ледовом покрове и донных осадках исследуемых водоемов 68

2.1. Численность микроорганизмов в ледовом покрове озер Белое,

Ал ганское и Нухэ-Нур 68

2.2. Численность микроорганизмов в ледовом покрове озера Доронинское 71

2.3. Численность микроорганизмов в воде и донных осадках озера Доронинское 73

2.4. Численность микроорганизмов в донных осадках озера Шира 76

3. Микробные процессы продукции и деструкции органического вещества в исследуемых озерах 78

3.1. Микробные процессы в ледовом покрове озер Белое, Алгинское и Нухэ-Нур 78

3.2. Микробные процессы в озере Доронинское 80

3.3. Микробные процессы в воде и донных осадках озер Шира и Шунет 88

4. Изотопный состав углерода донных осадков меромиктических озер Сибири 96

5. Состав летучих жирных кислот в донных осадках озера Доронинское 97

6. Расход органического вещества на терминальных этапах деструкции 98

7. Обсуждение 100

ВЫВОДЫ 106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 107

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Меромиктические озера, где наблюдается стратификация водной толщи, отличаются разнообразием экологических условий для микробных сообществ. Стратификация физических, химических и биологических параметров водных экосистем - один из ключевых факторов, определяющих динамику экосистем меромиктических озер. Круговорот углерода в меромиктических водоемах отличается от такового в обычных водоемах умеренной зоны (Горленко и др., 1977; Заварзин, 2004).

Уникальный химический состав воды и разнообразие прокариотной жизни дали основание полагать, что подобные водоемы существовали на ранних этапах эволюции биосферы Земли (2оВе11, 1973; Заварзин, 1993; РагпасЬеу, Degermendzhy, 2002). На данный момент в научной литературе мало работ, связанных с изучением роли стратификации в функционировании водной экосистемы как единого целого.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния стратификации и сезонных изменений условий среды на пространственное распределение и интенсивность микробных процессов в содово-соленых озерах.

Цель работы: Изучить пространственно-временные особенности функциональной активности микробного сообщества цикла углерода в стратифицированных озерах Сибири.

Основные задачи исследования:

1. Определение физико-химических и гидрохимических условий среды в исследуемых озерах Сибири.

2. Определение общей численности микроорганизмов и численности микроорганизмов различных физиологических групп.

3. Определение скорости микробных процессов продукции и деструкции органического вещества в ледовом покрове, воде и донных осадках исследуемых озер.

4. Выявление пространственного распределения микроорганизмов и микробных процессов в исследуемых озерах.

5. Выявление сезонной и межгодовой динамики микробного сообщества и интенсивности микробных процессов в стратифицированном озере Доронинское.

Научная новизна. Впервые получены и обобщены данные по физико-химическим и биологическим характеристикам стратифицированного озера Доронинское в пространственно-временной динамике и в сравнении с другими меромиктическими и голомиктическими озерами. Выявлено, что в летний период микробные процессы продукции и деструкции органического вещества идут интенсивнее, чем в подледный период. Установлено, что большая часть органического вещества на терминальных этапах деструкции используется для бактериального восстановления сульфатов.

Теоретическая и практическая значимость. Проведенное исследование пространственно-временной динамики физико-химических и биологических параметров стратифицированных озер показывает тесную взаимосвязь абиотических и биотических факторов, определяющих функционирование экосистем озер. Вертикальный градиент температуры и плотности воды в стратифицированных водоемах способствует формированию различных экологических ниш, в связи с чем микробные процессы, протекающие в таких водоемах, существенно отличаются от таковых в мелководных голомиктических озерах. Полученные результаты расширяют представление об интенсивностях микробных процессов в стратифицированных озерах и о роли стратификации в функционировании микробного сообщества. Результаты исследования могут быть использованы в биотехнологии и бальнеологии, а также для экологического мониторинга озерных систем.

Положения, выносимые на защиту:

1. Вертикальное распределение интенсивности микробных процессов в ледовом покрове, водной толще и донных осадках исследуемых озер во многом зависит от экологических условий, связанных с временем года и распределением физико-химических параметров. В озере Доронинское микробное сообщество проявляет высокую активность и при отрицательных температурах в подледный период.

2. Большая часть органического вещества на терминальных этапах деструкции в исследуемых озерах расходуется в процессе сульфатредукции. В озере Доронинское сульфатредукция протекает не только в анаэробных условиях в донных осадках и придонных слоях водной толщи, но и в верхних слоях воды, т.е. в окисленных условиях.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на Всероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы микробиологии Центральной Азии» (Улан-Удэ, 2010), II Международной научной конференции «Разнообразие почв и биоты Северной и Центральной Азии» (Улан-Удэ, 2011), Международной научной конференции «Экология и геохимическая деятельность микроорганизмов экстремальных местообитаний» (Улан-Удэ -Улаанбаатар, 2011), III Республиканской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Экологические проблемы Байкальского региона» (Улан-Удэ, 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю к.б.н. С.П.Бурюхаеву, д.б.н. Б.Б.Намсараеву, к.б.н. В.Б.Дамбаеву, к.б.н. Т.Г.Банзаракцаевой и всем сотрудникам и аспирантам лаборатории микробиологии ИОЭБ СО РАН за помощь и поддержку. Автор признателен сотрудникам других лабораторий и организаций за помощь на

разных этапах полевых и лабораторных исследований, а именно: д.г.н. Е.Ж.Гармаеву, к.г.-м.н. С.В.Борзенко, к.б.н. А.Г.Захарюк, к.ф.-м.н. Д.Ю.Рогозину.

Работа выполнена при финансовой поддержке интеграционного гранта Президиума СО РАН № 56, гранта Минобрнауки РФ ФЦП - Кадры Соглашение 8116.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Многообразие озер и их классификация

Озеро - компонент гидросферы, представляющий собой естественно возникший водоём, заполненный в пределах озёрной чаши (озёрного ложа) водой и не имеющий непосредственного соединения с морем (океаном) (Спиридонов, 1980). Как правило, озеро обладает выработанными под воздействием ветрового волнения берегами. Для образования озера необходимы два непременных условия - наличие естественной котловины, то есть замкнутого понижения земной поверхности, и находящегося в этой котловине определенного количества воды.

Разнообразие озер уникально. Среди них можно найти водоемы с практически любыми возможными сочетаниями температурного и кислородного режима, гидродинамики, химического состава воды, величины инсоляции, продуктивности, временной цикличности процессов и т.д.

Озера распространены на поверхности суши повсеместно. Наибольшая озерность (отношение площади озер к общей площади суши) характерна для увлажненных районов древнего оледенения (север Европы, Канада, север США). Много озер в районах многолетней мерзлоты, в некоторых засушливых районах внутреннего стока (юг Западной Сибири, Северный Казахстан), на поймах и в дельтах рек (Михайлов и др., 2005).

В озере выделяются основные морфологические элементы: котловина - естественное понижение земной поверхности, в пределах которой расположено озеро; ложе (или чаша) озера, непосредственно занятое водой; береговая область, включающая береговой уступ, побережье и береговую отмель; последние два элемента озерной котловины часто называют литоралью, которая характеризуется мелководностью и воздействием на нее волнения; пелагиаль — глубоководная часть озера; профундалъ - дно озера; плёс - часть озера, обособленная очертаниями берега и рельефом дна; заливы,

бухты, губы - части озера, более или менее далеко вдающиеся в сушу (Практическая гидробиология, 2006).

Многие особенности режима озера определяются формой его котловины. Так, например, озеро, имеющее большую площадь зеркала и малую глубину, будет легче перемешиваться ветром, вследствие чего тепло и растворенные вещества проникнут в нем на большую глубину, чем в озере того же объема, но более глубоком и соответственно имеющим меньшую площадь. Размеры и форма озерных котловин, а, следовательно, и в некоторой степени режим озер, тесно связаны с их происхождением, которое сравнительно легко определить по рельефу окружающей территории, геологическому строению и геологической истории бассейнов.

Происхождение водоема определяет те основные физико-химические параметры среды, в которых в дальнейшем протекают биологические процессы.

По происхождению озера делятся на плотинные, образующиеся путем перегораживания речной долины, оврага, балки естественной или искусственной плотиной, и котловинные, расположенные в углублениях поверхности суши (Практическая гидробиология, 2006). К последним относятся тектонические, возникшие в результате тектонических движений земной коры, для них характерны большие глубины (Байкал, Танганьика) и крутые склоны. С деятельностью ледников связаны ледниковые котловины. При этом ледник может находиться как в стадии деградации, так и в фазе активного наступания (Гросвальд, 1999).

Водно-эрозионный и водно-аккумулятивный тип котловин имеют озера речного и морского происхождения. Это старицы - широко распространены в долинах рек; плесовые озера - разобщенные в межень плесы пересыхающих рек в районах недостаточного увлажнения; дельтовые - распространены в дельтах крупных рек; лагунные и лиманные озера морских побережий - большей частью это отшнурованные от моря наносами

заливы, часто - устьевые участки рек, отчлененные косами или барами (Практическая гидробиология, 2006).

Карстовые озера образуются в районах залегания известняков, доломитов и гипсов в результате химического растворения этих пород поверхностными и в особенности подземными водами. Образующиеся в районах карстовых просадок или в карстовых пустотах и пещерах озера могут быть, как поверхностными, так и подземными. Таких озер много на Урале, Кавказе и Крыму (Михайлов, 2005). Термокарстовые (якутское название «аласы») озера возникают в районах вечной мерзлоты в местах ее протаивания и связанного с ним оседания грунта (Практическая гидробиология, 2006). Особенностью некоторых карстовых и термокарстовых озер является их периодическое исчезновение и появление, зависящие от своеобразной динамики подземных вод (Обручев, 1947).

Вулканические озера образуются в кратерах потухших вулканов, либо вследствие подпруживания рек продуктами вулканизма - лавой, обломками породы, пеплом (Михайлов, 2005). Основной особенностью этих озер является смешанный характер питания. Наряду с атмосферными осадками в озеро поступают термальные вулканические воды с высокой степенью минерализации и содержанием газов. Вулканические озера отличаются большим разнообразием химического состава, температуры и pH воды (Hutchinson, 1957).

Помимо происхождения котловины, другим важным показателем природных условий озера служит его водообмен. По характеру водообмена выделяются: сточные озера, сбрасывающие часть своих вод в виде речного стока; проточные (частный случай сточных озер), у которых одна из рек, впадающих в озеро, приносит примерно столько же воды, сколько выносит река, вытекающая из озера; временно сточные или озера с периодическим стоком во время наибольшего притока воды в озеро; бессточные озера, лишенные стока воды (Практическая гидробиология, 2006).

По географическому положению озера подразделяют на интразоналъные, которые находятся в той же географической (ландшафтной) зоне, что и водосбор озера, и полизональные, водосбор которых расположен в нескольких географических зонах. Малые озера на равнинах, как правило, интразональны, крупные озера обычно полизональны (Михайлов, 2005).

Основы классификации озер по температурному режиму были заложены Ф. Форелем после того, как в 1880 году он впервые провел измерения температурного профиля воды в озерах. Известно, что вода обладает наибольшей плотностью при 4 °С. С этим свойством воды связано чрезвычайно важное явление в водоемах - стратификация. Сущность этого явления заключается в том, что слои воды в водоеме располагаются соответственно плотности. Используя в качестве критерия температуру максимальной плотности пресной воды, Форель выделил три типа озер -тропические (теплые), с температурой выше 4 °С в течение всего года; озера умеренной зоны, с переходом температуры воды через 4°С; и полярные (холодные), с температурой ниже 4°С в течение всего года (Кузнецов, 1970). Д. Хатчинсон, учтя характер вертикальной плотностной циркуляции в водоеме, обусловленной нагреванием или охлаждением вод, несколько усовершенствовал термическую классификацию Фореля. Хатчинсон выделил озера, во-первых, амиктические, которые, находясь весь год подо льдом, по вертикали никогда не перемешиваются; во-вторых, голомиктические, подверженные вертикальному перемешиванию до самого дна; в-третьих, меромиктические, в которых из-за большой разницы в плотности глубинных и поверхностных слоев, вызванной различием в их минерализации, перемешивание охватывает лишь верхний слой. Голомиктические озера подразделяются, в свою очередь, на мономиктические и димиктические. Мономиктические озера перемешиваются по вертикали лишь один раз в году: либо летом (это теплые озера по классификации Фореля), либо зимой (холодные озера). Димиктические озера перемешиваются дважды в год -весной и осенью; это озера умеренного климата (Михайлов, 2005).

2. Содово-соленые озера

Минеральные озера - озера, соленость (минерализация) которых превышает 1%о. Вода таких водоемов отличается резким вкусом и непригодна для питья без дополнительной обработки. Минеральные озера подразделяются на солоноватые (до 35%о) и соленые (свыше 35%о). Озера с минерализацией выше 50%о называются гиперсолеными (Hammer, 1986). По химическому составу минеральные озера делятся на карбонатные (содовые), сульфатные (горько-солёные) и хлоридные.

В подавляющем большинстве соленые озера - бессточные водоемы, находящиеся в засушливом климате. В озера могут впадать пресные реки, однако при испарении воды наносимые минеральные вещества оседаю