Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микробные процессы цикла углерода на гидротермальных полях и холодных метановых сипах

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Пименов, Николай Викторович

ВЫВОДЫ

1. Сообщество хемоавтотрофных микроорганизмов в глубоководных гидротермальных шпомах осуществляет синтез ОВ по масштабам сопоставимый с продукцией ОВ в процессе фотосинтеза в фотической зоне мезотрофных вод океана. Количественные оценки вклада хемосинтетической продукции на глубоководных гидротермальных полях в общий баланс ОВ в океане, дают величину 0,06 Гт в год или 0,1% годовой продукции фотосинтеза.

2. Исследована активность метанотрофных микроорганизмов на гидротермальных полях Тихого и Атлантического океанов. Показано, что в районах глубоководных гидротерм суммарная продукция ОВ за счет окисления метана составляет менее 1% от величины продукции ОВ за счет деятельности хемоавтотрофных тионовых бактерий.

3. На гидротермальных полях Тихого и Атлантического океанов, а также в зоне разгрузки глубоководных метановых сипов (грязевой вулкан Хакон Мосби, Норвежское море) выявлены животные, способные использовать энергию восстановленных соединений серы и метана за счет хемоавтотрофных и метанотрофных симбионтов.

В жаберных тканях гастропод. собранных на гидротермальных полях Манус и Лау (Тихий океан) впервые для гидротермальных сообществ доказано одновременное присутствие двух типов бактериальных эндосимбионтов - метаноокисляющих и хемоавтотрофных. тионовых бактерий.

У креветок - брезелеид. наиболее массовых животных гидротермальных полей Срединно-Атлантического хребта, обнаружен и исследован новый тип симбиоза - экзосимбиоз, позволяющий креветкам питаться биомассой нитчатых бесцветных серобактерий (предположительно рода ТЫойх), плотным чехлом покрывающих их ротовые конечности и внутреннюю поверхность карапакса.

Метанокисдяющие и тоновые бакгерии-эндосимбионты обнаружены в тканях трубчатых червей погонофор, образующих массовые скопления в зоне разгрузки газовых флюидов на грязевом вулкане Хаакон Мосби в Норвежском море.

4. Установлено, что поверхность газонасьтщенных осадках из районов метановых сипов Северной Атлантики покрыта бактериальными матами несколько типов, структурную основу которых составляют бесцветные нитчатые серобактерии. Под слоем матов располагаются сшьновоссгановленные осадки с экстремально высокими интенсивностями сульфатредукции и анаэробным окислением метана. Именно сообщество сульфатредуцирующих бактерий и метавсотрофных архей обеспечивает устойчивый поток сероводорода в поверхностные слои донных осадков, способствующий развитию на поверхности осадочных отложений микробных матов и бентосных животных, имеющих эвдосимбионтных бактерий.

5. На основании результатов радиоизотолных и изотопно-геохимических исследований в анаэробной зоне Черного моря в районах разгрузки метановых сипов впервые выявлены масштабные процессы анаэробного окисления метана, что сопровождается образованием гак называемых «methane-derivated" карбонатов.

6. Анаэробное окисление метана осуществляется при участии консорциума архей, относящихся к кластеру ANME 1, и сульфатредуцирукжцих бактерий. На основании измерений изотопного состава кислорода 5180 предполагается, что анаэробное окисление метана может осуществляться при участии ацетокластических метаногенов с образованием воды и ацетата, который затем потребляется сульфатредукторами.

7. Измерение активности микроорганизмов цикла углерода (в первую очередь скоростей темновой фиксации углекислоты, образования и окисления метана, а также сульфатредукции), может использоваться в качестве поискового фактора зон разгрузки глубоководных гвдротерм и углеводородных высачиваний на дне океана.

Благодарности.

Автор выражает глубокую благодарность своим учителям академику РАН М.В.Иванову и докт. геол.-минерал. наук профессору А.Ю.Леин за постоянную поддержку, внимание и интерес к работе. Хотелось бы выразить искреннюю благодарность член-корр. РАН

B.Ф.Гальченко, под руководством которого прошли первые морские экспедиции и который оказал неоценимую помощь в освоении необходимых методик при работе на борту научно-исследовательского судна, а также при обработке экспедиционных проб в лаборатории. Искренняя благодарность также многим сотрудникам Института океанологии им. П.ПА.Ширшова РАН, Института биологии южных морей HAH Украины, Ассоциации Севморгеология, экипажам судов ни с «Академик Мстислав Келдыш», нис «Профессор Логачев», нис «Профессор Водяницкий», отряду глубоководных обитаемых аппаратов «Мир» под руководством д.т.н. А.М.Сагалевича, которые оказали неоценимую помощь при отборе проб и обсуждении полученных результатов. Особо хотелось бы отметить огромную помощь и доброжелательное отношение академиков РАН

A.П.Лисицина и М.Е.Виноградова, д.т.н. А.М.Сагалевича, д.ф.-м.н. В.Н.Егорова, д.б.н.

C.Б.Гулина, которые неоднократно возглавляли морские экспедиции, где приходилось участвовать автору. Большую помощь при исследовании собранных образцов оказали также мои коллеги - сотрудники Института микробиологии им. С.Н.Виноградского РАН -д.бл. Е.А.Бонч-Осмоловская, д.б.н. М.Л.Мирошниченко, И.И.Русанов, к.б.н. Л.Е.Дулов, к.б.н, Т.П.Турова, К.6.Е. А.С.Саввичев, С.К.Юсупов, , Л.Л.Митюшина, сотрудники Института физиологии и биохимии микроорганизмов - д.б.н. Ю.А.Троценко, к.б.н.

B.М.Хмеленина, а также «Центра биоинженерии РАН» - Б.В.Кузнецов, Т.В.Колганова, Е.М.Спиридонова.

Перечень основных публикаций по тематике диссертации. Главы в монографиях.

1. А.Ю. Леин, В.Ф. Гальченко, H.S. Пименов, Г. А. Павлова. Биогеохимические процессы в районе активного гидротермального поля в рифтовой зоне ТАГ. В книге: Гидротермальные системы и осадочные формации срединно океанических хребтов Атлантики. М. Наука. 1993. С. 113-146.

2. А.Ю.Леин, Н.В.Пименов. Роль бактериальной продукции на активных гидротермальных полях в общем балансе органического углерода в океане. В кн.: Биология гидротермальных систем. Под. ред. A.B. Гебрука. M., КМК Press. 2002. С.320-328.

3. Hein JR., Е.Т.Barker, J.P. Cowen, C.R.German, E.Holzbecher, R.A.Koski, M.J. Mottl, N.V.Pimenov, S.D. Scott, and A.M. Thurnherr. How important are the Material and Energy Fluxes from Hydrothermal Circulation to the Осеая? In: Halbach P.E., V.Tumicliffe and J.R. Hein (eds) Energy and Mass Transfer in Marine Hydrothermal Systems. Dahlem Workshop Report89. 2003. Berlin, Dahlem Univ. Press, pp.337-355.

4. Н.В.Пименов. Микробные процессы в зонах разгрузки газосодержащих флюидов на дне океана. В книге:Труды Института микробиологии им.С.Н.Виноградского, выпуск XII. Юбилейный сборник к 70-легию Института. Под. ред. В.Ф.Гальченко. М. Наука. 2004. С. 337-360

5. Н.В.Пименов, В. Ф. Гальченко. Черноморские метановые сипы. В книге:Труды Института микробиологии им.С.Н.Виноградского, выпускXIII. Под. ред. В.Ф.Гальченко. М. Наука. 2005. (в печати)

6. В. Ф. Гальченко, Н.В.Пименов. Метанотрофные симбионты морских животных. В книге:Труды Института микробиологии им.С.Н.Виноградского, выпуск XIII. Под. ред. В.Ф.Гальченко. М. Наука. 2005. (в печати)

Статьи

1. В.Ф.Гальченко, Н.В.Пименое, Лет А.Ю., Галкин C.B., Москалев Л.И., Иванов М.В. Автотрофная СОг-ассимиляция в тканях креветки Rimicaris exoculata из гидротермального района Средшшо-Атлантического хребта. Доклады АН СССР, 1989, Т.306, №6, С.1478-1480.

2. Пименов Н.В., Нестеров А.И., Гальченко В.Ф., Соколова E.H. Действие ингибиторов на ассимиляцию углекислоты культурами различных микроорганизмов. Микробиология. 1990, Xsl, С.26-33.

3. В.Ф.Гальченко, Н.В.Пименов, А.Ю.Леин, С.В.Галкин, Ю.М.Миллер, М.В.Иванов. Миксотрофный тип питания Olgaconcha tufari beck (Gastropoda: Prosobranchia) из активного гидротермального поля бассейна Манус (Море Бисмарка). Доклады АН. 1992. Т.323, №3, С.776-781.

4. Н.В.Пименов, А.С.Саввичев, А.В.Гебрук, Л.И.Москалев, А.Ю.Леин, М.В.Иванов. Трофическая специализация креветок-брезелеид в гидротермальном сообществе ТАГ. Доклады АН. 1992. Т.323, №3, С.567-571.

5. А.В.Гебрук, Н.В.Пименов, А.С.Саввичев. Бактериальный «огород» на ротовых конечностях креветок. Природа. 1992, Т.6.С.37-39.

6. А.Ю. Лет, В.Ф. Гальченко, Н.В. Пименов; М.В. Иванов. Роль процессов бактериального хемосинтеза и метанотрофии в биогеохимии океана. Геохимия 1993, 2, с. 252-261,

7. A.V. Gebruk, N.V. Pimenov, A.S. Sawichev. Feeding specialization of bresiliid shrimps in the TAG site hydrothermal community. Marine Ecology Prog. Ser., 1993, V. 98, pp. 247-253

8. НИ Русанов, В.Ф. Гальченко, H.B. Пименов, M.B. Иванов. Микробиологические процессы цикла углерода в районе черноморского метанового сипа, Микробиология, 1994, 63-5, с. 890-895.

9. А.Ю. Леин, Н.В. Пименов, В.Ф. Гальченко, М.В. Иванов. Биогеохимия гидротермальных экосистем бассейнов Манус и Лау, Микробиология, 1994, 63-69, с. 1088-1098

0. А.Ю. Леин, В.Ф. Гмьченко, КВ. Пименов, Ю.М. Миллер, М.В. Иванов. Геохимические и биогеохимические особенности донной фауны гидротермального сообщества бассейна Макус, 1994, Геохимия, 8-9, с. 1295-1309.

11. А.Ю.Лет, В.И.Егоров, Н.В.Пименов, М.Б.Гулпн, К.Лют, У.Лют, ЮТ. Артемов, Г.Г.Поликарпов, ХТидъ, М.В.Иванов. Сульфидные постройки со дна Черного моря. Док. Акад. Наук. 1995, Т.340, №5, С.676-680.

12. А.Ю.Леин, Н.В.Пименов, М.Е.Виноградов, М.В.Иванов. Скорость СОг-ассимиляции и бактериальная продукция органического вещества на гидротермальных полях 26° с.ш. и 29° с.ш. Срединно-Атлантического хребта. Океанология 1997, Т.37, №3, С.396-407.

33. А.Ю.Леин, С.В.Галкш, ГебрукА.В., Н.В.Пименов, Миллер Ю.М., Москалев ЛМ, Иванов М.В. Роль бактериального хемосинтеза в питании сообщества животных активного гидротермального поля Брокен Спур (29° с.ш., Срединно-Атлантический хребет). Докл.Акац.Наук 1997, Т.357, №3, С.410-413.

14.Н.В.Пименов, И.И.Русанов, М.Н.Погпазова,Л.Л.Митюшина, Д.Ю.Сорокин,

B.Н.Хжлтина, Ю.А.Гроценко Бактериальные обрастания на коралловидных постройках в местах выхода метановых газовьщелений в Черном море. Микробиология 1997, Т.66, №3,

C.421-428.

15. A. V.Gebruk, A.Yn.Lein, S.V.Galkin, Y.M.Miller, N.V.Pimenov, LI.Moskalev & M.V.lvanov. Trophic Structure of the Broken Spur Hydrothermal Community shown by Carbon Stable Isotope and C:H:N:S Data. // Bridge Newsletter 12 - Spring 1997. P.40-44.

16. A. YuLein, KV.Pimenov, V.F.Galchenko. Bacterial chemosynthesis and methanotrophy in the Manns and Lau basins ecosystems. Marine Geology 1997. V.l 42. P.47-56.---------- ---------- ------------------

17. Vogt PR, Cherkashev G, Ginsburg G., Pimenev N. et al. Haakon Mosby Mud Volcano provides unusual example of venting. EOS. 1997. V.78,N549, P.549, 556-557.

18. Pimenov N.V., Rusaaov 1.1., Poglazova M.N., Mityushina L.L., Sorokin D.Yu., Khmelenina V.N., Trotsenko Y.A. Bacterial mats on coral-shaped carbonate structures in methane seep areas of the Black Sea. In: Luth U., Luth C., Thiel H.(eds) Methane Gas Seep Explorations in. the Black Sea (MEGASEEBS) Project Report. Ber. Zentrum Meeres-u. Klimaforsch., Reihe E 14 Univ. Hamburg. P.37-50

19. ИИ.Русапое, A.C.Caeemee, С.К.Юсупов, Н.В.Пименов, М.В.Иванов. Образование эхзометаболитов в процессе микробного окисления метана в морских экосистемах. Микробиология, 1998, том 67, N2 5, С. 710-717.

20. Gebruk А.У., Pimenov N.V. Stable carbon isotopes in bentic macrofauna from a methane seep area in the Black Sea (MEGASEBS), Project report. Ber. Zentrum Meeres-u. Klimaforsch., University of Hamburg, E., 14,127-128.

21. Иванов M.B., Пименов H.B., Русанов И.К, Саввичев А.С., Лет А.Ю. Роль анаэробных бактерий в экосистемах Черного моря. Природа 1998, №6, С. 97-103.

22. Леин А.Ю., Вогт П., Крейн К, Егоров А.В., Пименов КВ., Саввичев А.С., Гинсбург Г.Д., Иванов Г.И., Черкашев Г.А., Иванов М.В. Геохимические особенности газоносных (СН4) отложений подводного грязевого вулкана в Норвежском море. Геохимия. 1998. № 3. С.230-249.

23. Е.А.Бот-Осмоловская, М.Л.Мирошниченко, А.И.Слободкин, И.И.Русанов, Н.В.Пшенов и др. // Биоразнообразие анаэробных лиготрофяых прокариот в наземных гвдротермах Камчатки. Микробиология, 1999, Т.68, №3, С.398-406.

24. Pimenov N., Savvichev А., Rusanovl, LeinA., EgorovA., Gebruk A., Moskalev L., Vogt P. Microbial processes of carbon cycle as the base of food chain of Haakon Mosby Mud Volcano benthic community// Geo-Marine Letters (1999) 19: 89-96.

25. Богданов Ю.А., Сагаяевич A.M., Гурвич Е.Г., ВикентъевКВ., ЛеинА.Ю., Пименов Н.В., Руденхо М.В., Пересыпкин В.И., Гордеев В.Ю., Войтов В.И. Подводные геологические исследования гидротермального поля Рейнбоу (Срединно-Атлантический хребет) // Доклады Академии наук. 1999. Т.365. №2. С.657-662.

26. Леин А.Ю., Пименов Н.В., Саввичее А.С., ПавловаГ.А., ВогтП., Богданов Ю.А., Сагалееич

A.M., Иванов М.В. Метан как источник органического вещества и углекислоты карбонатов на холодном сипе в Норвежском море. Геохимия. 2000. № 3. С.268-281.

27. Леш А.Ю., Горшков А.И., Пименов КВ., Богданов Ю.А., Вогт П., Богданов О.Ю., Купцов

B.М., Ульянова Н.В., Сагалееич A.M., Иванов М.В. Аутигенные карбонаты на метановых сипах в Норвежском море: минералогия, геохимия, генезис. Литология и полезные ископаемые. 2000. №4. С.339-354.

28. Пименов Н.Б., Леин А.Ю., Сагалееич A.M., Иванов М.В. Ассимиляция углекислоты и окисление метана в различных зонах гидротермального поля Рейнбоу. Микробиология 2000. Том 69, № 6. С.810-818.

29. Пименов Н.Б., Саввичев А.С., РусановИ.И., Леин А.Ю., Иванов М.В. Микробиологические процессы цикла углерода и серы на холодных метановых сипах северной Атлантики. Микробиология. 2000. Том 69. № 6. С.831-843.

30. Леин А.Ю., Пименов Н.В., Гебрук А.В., Москалев Л.И., Багиров Н.А., Иванов М.В. Трофическая структура и состав гидротермального сообщества Рейнбоу (36° с.ш., Срединно-АТлантический хребет). Доклады АН 2001. Том 376. № 1. С. 120-123.

31. Леин А.Ю., Ульянова Н.В., Пименов Н.В. Черноморские «кораллы» - продукт минерализации микробных матов. Природа. 2001. № 12. С.48-53.

32. Michaelis W., Seifert R., Nauhaus К., Treude Т., Thiel V., Blumenberg M„ KnittelK, Gieseke A., Peterknecht K., Pope Т., BoetiusA., Amann A, Jorgensen В. В., Widdel F., Peckmann J., Pimenov N.V., GulinM.B. Microbial Reefs in the Black Sea Fueled by Anaerobic Oxidation of Methane. Science. 2002. Vol. 297. P.1013-1015.

33. Пименов КВ., Калюжная М.Г., Хмелениьа B.M., Митюшина Л. J!., Троценко Ю.А. Потребление метана и углекислоты симбиотрофными бактериями в жабрах митилид (Bathymodiolus) гидротермальных полей Рейнбоу и Логачев Срединно-Аглантического хребта//Микробиология. 2002. Том 71. № 5. С. 681-689.

ЗА.ЛеинА.Ю., Иванов М.В., Пименов Н.В., Гулин М.Б. Геохимические особенности карбонатных построек, образующихся при микробном окислении метана в анаэробных условиях // Микробиология. 2002. Том 71. № 1. С.89-102. Ъ5.ЛетА,Ю., М.В.Иванов, Н.В.Пименов. Генезис метана холодных метановых сипов

Днепровского каньона в Черном море. Доклады академии наук. 2002. Т.387(2). С.242-244.

36. Русанов И.И., А.Ю.Леин, Н.В.Пименов, С.К.Юсупов, М.В.Иванов. Биогеохимический цикл метана на северо-западном шельфе Черного моря. Микробиология 2002, Т.71(4). С.558-566.

37. Турова Т.П., Колганови Т.В., Кузнецов Б.Б., Пименов Н.В. Филогенетическое разнообразие архейного компонента бактериальных обрастаний на коралловидных постройках в зонах выхода метана в Черном море // Микробиология. 2002. Том 71. № 2. С. 230-236.

38. М. V.lvanov, N. V.Pimenov, I.l.Rusanov, A.Yu. Lein. Microbial processes of the methane cycle at the north-western shelf of the Black Sea. Estuarine. Coastal and Shelf Science. 2002. V.54. P.589-599.

3 9. Margarita L. Miroshnichenko, Nadezhda A. Kostrikina, Nikolai A. Chernyh, Nikolai VPimenov, Tatyana P. Tourova, Alexei N. Antipov, Stefan Spring, Erko Stackebrandt, and Elizaveta A. Bonch-Osmolovskaya. Caldithrix abyssi gen.nov., sp.nov., a nitrate-reducing, thermophilic, anaerobic bacterium isolated from a Mid-Atlantic Ridge hydrothermal vent, represents a novel bacterial lineage. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2003.V.53. P. 323-329.

40. GebrukA. V., E.M.Krylova, A.Yu.Lein, G.MVinogradov, E.Andersen, N.V.Pimenov,

G.A. Cherkashev and K.Crane. Methane seep community of the Haakon Mosby mud volcano (the Norwegian Sea): Composition and trophic aspects. Sarsia. 2003. Vol. 88 (6). P. 394-403.

41. Пименов H.B., Иванова A.E. Анаэробное окисление метана и сульфатредукция в бактериальных матах на коралловидных карбонатных постройках в Черном море. Микробиология 2005, том. 74(3). С.420-429.

42. Дулов Л.Е., А.Ю.Леин, Г.А.Дубинина, Н.В.Пыменов, Микробиологические процессы на гидротермальном поле Лост Сита, Срединно-Атлантический хребет. Микробиология 2005. Т.74(1). С.111-118.

43. Спиридонова ЕМ., Кузнецов Б.Б., Пименов Н. В., Турова Т.П. Комплексный филогенетический анализ эвдосимбионгов моллюсков гидротерм ВаЛупкхНоЬв агопсш. Микробиология. 2006 (в печати).

1. Н. В.Пименов, В. Ф. Галъченко. Микробиологические процессы в гидротермальных районах Атлантического океана. Тезисы доклада 9-го международного симпозиума по биогеохимии окружающей среды. Москва. 1989. С.181

2. М. V.Ivanov, A. Yu.Lein, N. V.Pimenov. Oceanic cycle of methane. Abstracts of Third Workshop on Land Ocean Interactions in the Russian Arctic (Loira) devoted to 100-th anniversary of G.A.Ushakov. Moscow. December5-8, 2000.P.53-54

3. Luth U„ GebrukA., GulinM., LuthC., PimenovN. Occurrence of carbonate cemented rocks and bacterial mats along oxic-anoxic gradient in a methane seep area of the Crimean coast in the Black Sea. 7th Deep Sea Biol. Symp., Inst.Mar.Biol, Crete. 1994

4. PimenovN., Sawichev A., Rusanov L, LeitiA., EgorovA., GebrukA., MoskalevL., Vogt P. Microbial processes of carbon cycle as the base of food chain of Haakon Mosby mud volcano benthic community. American Geophysical Union Spring Meeting. 1997 27-30 May, Baltimor.

5. Pimenov N., Lein A., Mlvanov. Microbiology of North Atlantic cold seeps. Abstracts of VI International Conference on Gas in Marine Sediments. St.-Petersburg. 5-9 September, 2000.

6. A.Lein, N.Pimenov, M.Ivanov. Carbon and sulphur isotope composition of organisms and habitat (fluid, plume, deposits) at the active hydrothermal fields. Abstracts of 2n<1 International Symposium on. deep-sea hydrothermal vent biology. Brest. October 8-12,2001. P.25

7. Mlvanov, Lein A., N.Pimenov Microbiology and Biogeochemistry of cold methane seeps. Abstracts of 2nd International Symposium on deep-sea hydrothermal vent biology. Brest. October 8-12,2001. P.71

8. Bonch-Osmolovskaya E.F., U.V.Pimenov, Rusanov I.]., Jeanthon C. Distribution and activity of anaerobic thermophilic prokaiyotes in deep-sea hot vents of east Pasific Rise. Abstracts of 2nd International Symposium on deep-sea hydrothermal vent biology. Brest. October 8-12,2001. P.70

9. PimenovN., Lein A., M.Ivanov. Middle Atlantic Ridge: Vent microbiology and biogeochemistry of free-living and symbiotic bacteria. Abstracts of 2nd International Symposium on deep-sea hydrothermal vent biology. Brest. October 8-12,2001. P.213

10.M.V.Ivanov, I.l.Rusanov, A.Yu.Lein, N.V.Pimenov, S.KYusupov, V.F.Galchenko (2003) Biogeochemictry of Methane Cycle in the Anaerobic zone of the Black Sea. "Past and Present Water Columne Anoxia", Proc. NATO ADV. Res. Workshop, 4-8 October 2003, Crimea, Ukraine, Sevastopol, 2003: 42-43.

11. A.Yu.Lein, N. V. Pimenov a. M. V.Ivanov (2003) The Isotopic Composition of Methane and of the Products of Its Anaerobic Microbial Oxidation in the Black Sea. "Past and Present Water Columne Anoxia", Proc. NATO ADV. Res. Workshop, 4-8 October 2003, Crimea, Ukraine, Sevastopol, 2003:53-54.

12. Pimenov N. V., Rusanov LI., Dulov X. E., Lein A. Yu. Microbial processes in the deep-sea hydrothermal fluids. Abstracts of International Workshop "Biosphere Origin and Evolution". 2629 июня 2005. Новосибирск. Россия. PP-50. C.207.

Тезисы.

MD .USA.

P.lll.