Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Продукция и состав органического вещества циано-бактериальных матов щелочных водных экосистем Забайкалья

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Продукция и состав органического вещества циано-бактериальных матов щелочных водных экосистем Забайкалья"

На правах рукописи

КАЛАШНИКОВА Ольга Михайловна

ПРОДУКЦИЯ И СОСТАВ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ЦИАНО-БАКТЕРИАЛЬНЫХ МАТОВ ЩЕЛОЧНЫХ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ ЗАБАЙКАЛЬЯ

03.00.16 - экология 03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискании ученой степени кандидата биологических наук

Улан-Удэ, 2006

Работа выполнена в Бурятском государственном университете

Научный руководитель:

кандидат биологических наук Бархутова Дарима Дондоковна

Научный консультант:

доктор биологических наук, профессор Намсараев Баир Бадмабазарович

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор

Вайнштейн Михаил Борисович

кандидат биологических наук Данилова Эржена Викторовна

Ведущая организация: Восточно-Сибирский государственный

технологический университет

Защита состоится «27» апреля 2006 г. в 11.00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.022.03 при Бурятском государственном университете по адресу: 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, биолого-географический факультет, конференц-зал Факс: (3012) 210588.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бурятского государственного университета.

Автореферат разослан -¿г 2006 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук Н. А. Шорноева

¿qvLL.

Актуальность проблемы. Изучение циано-бактериальных матов обусловлено их важной ролью в эволюции биосферы на Земле. Накопление кислорода в древней атмосфере и образование строматолитов связано с развитием докембрийских циано-бактерильных сообществ (Заварзин, 1993; Герасименко, 2002; Орлеанский, 2002).

Современные циано-бактериальные маты встречаются в экстремальных водных экосистемах (Brock, 1978; Заварзин и др., 1989; Герасименко и др., 1989). На территории Забайкалья циано-бактериальные маты распространены в содовых озерах и термальных источниках. В циано-бактериальных матах сформирована устойчивая трофическая сеть, представленная функционально различными группами продуцентов и деструкторов. Основными продуцентами органического вещества (ОВ) микробных матов являются цианобактерии, развивающиеся в верхних слоях сообщества, а также фототрофные и лиготрофные бактерии (Герасименко, Заварзин, 1993). Циано-бактериальные маты могут представлять собой природные модели для изучения закономерностей образования, захоронения и диагенеза ОВ.

В настоящее время изучены структура и функциональные группы микроорганизмов циано-бактериальных матов, участвующих в круговороте углерода и его соединений. Проведены исследования скорости продукционных и деструкционных процессов в циано-бактериальных матах (Brock, 1978; Горленко, 1986; Герасименко и др., 2002; Брянская, 2002; Намсараев, 2003). Однако химический состав ОВ и минеральных солей в циано-бактериальных матах практически не изучен.

Целью работы являлось изучение продукционных процессов и определение содержания и состава ОВ циано-бактериальных матов щелочных водных экосистем Забайкалья.

Задачи исследования:

1. Сравнить структуру и видовой состав циано-бактериальных матов из различных мест обитания.

2. Определить скорости образования ОВ в циано-бактериальных матах.

3. Определить содержание ОВ (углеводов, белков, липидов) и неорганических соединений в циано-бактериальных матах.

4. Изучить углеводный и аминокислотный состав циано-бактериальных матов.

5. Изучить изотопный состав углерода ОВ циано-бактериальных матов.

Научная новизна и практическая значимость. Впервые проведено исследование химического состава циано-бактериальных матов, где основными продуцентами ОВ являются нитчатые цианобактерии. Большая часть ОВ матов представлена углеводами, которые выполняет формообразующую и защитную роль в циано-бактериальномматб"^^^"^^ I

I СВг------ *

5 О»

Впервые исследован углеводный и аминокислотный

состав матов. В микробных сообществах идентифицированы дисахарид -целлобиоза и простые сахара - глюкоза, манноза, галактоза, рамноза, ксилоза, рибоза, фруктоза и арабиноза (фукоза).

В составе белков циано-бактериальных матов определены 20 аминокислот. Во всех образцах обнаружена диаминопимелиновая кислота -структурный компонент пептидогликана. Показано, что аминокислотный состав циано-бактериальных матов изученных экосистем схож, а по содержанию Сахаров маты отличаются.

Впервые изучен изотопный состав углерода ОВ и минеральных солей циано-бактериальных матов. Показано, что цианобгктерии матов содовых озер для синтеза ОВ используют углекислоту биогенного происхождения. Продуценты щелочных гидротерм фиксируют атмосферную и вулканогенную углекислоту. В образовании ОВ микробных матов метанового источника Сухая участвуют бактерии цикла метана, в результате чего биомасса наиболее обеднена изотопом 13С относительно состава ОВ матов гидротерм и содовых озер.

Результаты диссертации расширяют представления о структуре и составе ОВ циано-бактериальных матов содовых озер и термальных источников. Результаты исследований могут бьггь использованы в биотехнологии для получения микробных биополимеров, бальнеологических исследованиях, в учебном процессе при изучении курсов микробиологии и биохимии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на: научно-практической конференции «Наука и преподавание дисциплин естественного цикла в образовательных учреждениях», Улан-Удэ, 2002; Всероссийской конференции «Биоразнообразие и функционирование микробных сообществ водных и наземных систем Центральной Азии», Улан-Удэ, 2003; Международной конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2003; научно-практической конференции «Структура и функционирование экосистем Байкальского региона», Улан-Удэ, 2003; Всероссийской школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии», Москва, 2005; ежегодной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов БГУ, Улан-Удэ, 2004, 2006.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 научных работ, 2 работы находятся в печати.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на т^гграни-цах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка использованной литературы и приложения. Список литературы содержит^ отечественных и €9_ зарубежных источников.

Благодарности. Автор признателен сотрудникам ИБФМ им. Г.К. Скрябина д.б.н., профессору A.M. Зякуну, В.Я. Лысанской; д.х.н., доценту кафедры органической химии БГУ В.В. Хахинову, а также сотрудникам кафедры аналитической химии МГУ им. М.В. Ломоносова: д.х.н., профессору O.A. Шпигуну и к.х.н., доценту E.H. Шаповаловой за помощь в работе и поддержку.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю к.б н. Д.Д. Бархутовой и научному консультанту дб.н., профессору Б.Б. Намсараеву.

Диссертация выполнена при финансовой поддержке гранта ФЦП «Интеграция», 2003 г.; гранта Правительства республики Бурятия для молодых ученых, 2004 г; гранта РФ РНП 2.1.1.4566, 2006.

Экспериментальная часть Материалы и методы исследования.

Объектами исследования являлись содовые озера (Хилганта, Верхнее Белое, Соленое и Белое) и термальные источники (Уро, Гусиха, Гарга, Сея, Алла, Кучигер) Забайкалья. Предметом исследования служили циано-бактериальные маты. Также были исследованы изотопный состав углерода матов источников Хойто-Гол и Сухая, OB мата ист. Шарагулжит (Монголия). Отбор проб и полевые исследования проведены в летний период 19982003 гг.

Методы исследования. Определение физико-химических параметров воды в местах отбора проб проводили общепринятыми методами (Trüper, Schlegel, 1964; Алекин, 1973; Романенко, Кузнецов, 1974; Методы гидрохимических исследований..., 1988; Кузнецов, Дубинина, 1989).

Содержание органического углерода микробных матов определяли по методу Тюрина в модификации Никитина (Аринушкина, 1980) Определение содержания белка проводили по реакции с кумаси синим (Методы общей бактериологии, 1984). Углеводы определяли по реакции с дифениламином и соляной кислотой (Методы химии углеводов, 1967; Захарова, Ко-сенко, 1982). Определение липидов проводили по модифицированной методике Блайя и Дайэра хлороформно-метанольным способом (Кейтс, 1975). Для определения содержания зольных элементов микробные маты сжигали в печи при температуре 550°С (Аринушкина, 1980). Содержание карбонатов в микробных матах определяли титриметрическим методом (Аринушкина, 1972; 1980).

Исследование аминокислотного состава проводили с помощью аминокислотного анализатора (Т-339, Чехия; хроматография на катионообмен-

ной смоле тип ДС 6А). Идентификацию Сахаров проводили с помощью углеводного анализатора ЬС 2000 («Биотроник», Германия; хроматография на анионите «Оштит О А х 8-11»),

Измерение содержания стабильных изотопов углерода 12С и 13С в виде газообразной формы С02 проводили на масс-спектрометре МИ-1201 (СССР). Результаты приведены в виде величин б 13С в промилле по отношению к общепринятым стандартам РБВ (белемнит из формации Пи Ди).

Определение видовой принадлежности цианобактерий микробных матов проводили на основании морфологических признаков по определителям (Голлербах и др., 1953; Виноградова и др., 1980; Мошкова, Голлербах, 1986). Выделение и культивирование цианобактерий РИогтгс/шт /гщгс/ит и ОясИШогха Ьгемя проводили при температуре 20-25 °С на средах Бенеке и Кастенхольца соответственно (Дрю, 1983; Панкратова и др., 1998).

Определение содержания хлорофилла а в микробных матах проводили спектрофотометрически в этанольных экстрактах. Интенсивность микробных процессов определяли радиоизотопными методами (Романенко, Кузнецов, 1974). Для определения световой и темнотой продукции использовали ИаН14СОз. Диурон в концентрации 7 цМ применяли для ингибиро-вания оксигенного фотосинтеза. Инкубацию проводили на свету и в темноте, поместив флаконы в воду источника на месте отбора пробы на 6-24ч. Радиоактивность меченых соединений определяли на жидкостном сцинтил-ляционном счетчике Лаквейа (Швеция).

Физико-химическая характеристика воды в местах отбора проб.

Исследованные содовые озера характеризовались высокими значениями водородного показателя - от 9.5 до 9,9, но различались по степени минерализации и по ионному составу воды (табл. 1).

Наиболее значимым показателем для гидротерм является температура воды. При выходе на поверхность и по изливу она изменялась в широких пределах (табл. 2). Наиболее высокая температура отмечена на выходе вод источников Гусиха (71,5 °С) и Уро, ст. 6 (69,1 °С). Минеральные воды гидротерм Кучигер и Хойто-Гол имели температуру 35,5 °С и 30,8 °С соответственно. Температура воды в гидротермах Гусиха и Сея по изливу ручья снижалась. Значения рН источников изменялись от слабо-щелочных (рН 8,0 - 8,4) досильно-щелочных (рН 10,2). Воды исследованных термальных источников являлись слабоминерализованными В воде большинства источников гидрокарбонаты преобладали над остальными анионами. Наиболее высокое содержание гидрокарбонатов определено в углекислом источнике Хойто-Гол.

Таблица 1

Физико-химическая характеристика воды содовых озер Забайкалья.

Озеро Год отбора проб т, •с РН Е11, мВ м, г/л нсо3- мг/л СОз 2- мг/л сг, мг/л 8042 мг/л мг/л

Хилганта 1998 29 9,5 +70 40,0 1370 2450 13800 12200 46

Верхнее Белое 1998 27 9,7 +54 9,0 4200 1300 1060 1530 < 1,0

Белое 2003 20 9,5 +192 2,5 106,7 21,4 335,5 170,2 н.о.

Соленое 2002 23 9,9 +177 5,6 2171,6 980 153,0 244,0 2,50

М - минерализация, н.о. - не определяли

Структура и основные продуценты ОВ циано-бактериальных матов содовых озер и гидротерм. В содовых озерах развитие типичных слоистых циано-бактериальных матов наблюдалось в оз. Хилганта, где зоны развития микроорганизмов чередовались с минеральными слоями. В других исследованных озерах маты представляли собой тонкие легко разрушающиеся пленки.

Циано-бактериальные маты гидротерм, как правило, представляли собой плотные слоистые структуры Большинство матов имели студневидную консистенцию. Верхние слои матов были плотными и окрашены в зеленый и желто-зеленый цвет. Нижние слои - более рыхлые, имели серо-зелсный и темно-серый цвета. Верхние слои матов гидротерм Сея (ст. 3), Гусиха (ст. 1) были сильно ослизнены. Маты гидротерм были разделены на слои по окраске и консистенции.

В матах содовых озер и гидротерм доминировали нитчатые циано-бактерии. Основу матов в большинстве случаев составляли цианобактерии рода Ркогт1сИит (табл. 3, 4). Для матов высоко минерализованного озера Хилганта также было характерно развитие ЛЛсгосокия. В циано-бактериальных матах менее минерализованных озер представители этого рода отсутствовали. В матах гидротерм вместе с формидиумами в большом количестве встречались цианобактерии родов ОвсИШопа, Mastigo-

с1а((т, АпаЬаепа.

Известно, что в гидротермах температура влияет на видовой состав матов (Горленко и др.,1985; Брянская, 2002; Намсараев, 2003). Оптимальная температура для развития цианобактерии изученных сообществ была равна 35-52 С. Более высокая температура ограничивала рост цианобактерий. Поэтому в высокотемпературных зонах наблюдалось обильное развитие анок-сигенных фоютрофов.

В термах Гусиха, Сея вниз по течению источника наблюдалось понижение температуры. Температура воды шести выходов ист. Уро изменялась от 69,1 до 38,5 °С. Понижение температуры привело к расширению

Физико-химическая характеристика воды термальных источников Забайкалья и Центральной Монголии

Источник Стан т, рн ЕЙ, м, НС03\ СО/, СГ, во/".

ция •С мВ мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л

Гусиха 1 71,5 8,4 +154 н о. н.о НО. 36,39 130,93 <0,1

2 66,9 н.о. н.о. 0,95 н.о. Н.О. 33,73 117,26 <0,1

3 51,0 8,2 +108 0,93 Н.О. Н.О. 33,73 130,60 <0,1

4 46,5 8,2 +128 0,97 Н.о. н.о. н.о. но. <0,1

Уро 1 47,6 8,6 н.о н.о. 61,00 9,00 14,20 35,76 <0,1

2 52,1 8,8 +178 0,50 76,25 12,00 17,75 67,90 <0,1

3 38,5 8,6 +168 но 30,00 21,35 12,43 40,23 <0,1

4 44,2 9,1 +199 0,55 70,15 6,00 17,75 48,83 <0,1

5 64,0 8,9 +70 0,52 76,15 15,00 15,09 47,30 <0,1

6 69,1 9,0 +28 н.о. 85,40 н.о. 17,75 47,83 <0,1

Гарга 4 52,0 9,0 +145 0,75 23,18 64,80 9,83 32,53 <0,1

10 52,0 8,9 но. 0,95 48,80 34,80 13,47 45,72 <0,1

Сея 1 49,0 9,7 -45 0,25 73,20 42,00 н.о. н о. 7 00

2 47,0 9,7 +16 0,30 97,60 24,00 16,51 47,40 1,80

3 45,0 9,7 +22 0,30 97,60 36,00 н.о. н о. 0,60

4 41,0 9,4 +75 0,25 73,20 36,00 5,33 32,53 н о

Алла - 38,0 9,0 +28 0,30 122,00 0 14,20 67,00 2,12

Кучигер - 35,5 10,2 -52 0,80 127,01 0 17,70 92,20 16,00

Шарагулжит - 52,0 8,0 +103 0,23 95,20 24,00 10,60 53,20 15,00

Хойго-Гол - 30,8 8,1 -16 0,148 610,80 0 н.о. 11,10 15,20

Сухая - 48,0 9,0 Н.О. 0,55 469,7 0 56,45 17,80 но

Таблица 3

Структура и видовой состав циано-бактериальных матов содовых озер

Озеро М, г/л Описание мата Доминирующие виды

Хилганта 40,0 плотные маты: придонный каменистый (ст. 1), прибрежный волокнистый (ст. 2), толщина матов - 2,0 - 2,5 см. Phormidium molle, Microcoleus chthonoplastes

Верхнее Белое 9,0 ст. 1 - зеленый мат с белесым налетом, 0,6 см; Phormidium tenue, Oscillatoria terebri-formis

ст. 2 - зеленый мат, 0,7 см.

ст. 3 - мат пурпурного цвета, 0,6 см.

ст. 4 - серо-зеленый мат, 0,7 см.

Белое 2,5 рыхлый пурпурный мат, не имеющей слоистой структуры. Phormidium kama-rovii, пурпурные бактерии

Соленое 5,6 рыхлый зеленый мат без слоистой структуры. Spirulina major

видового состава циано-бактериальных матов. Исследования видового со-

става матов гидротерм показали, что представители рода Ркогт1(Иит наиболее устойчивы к колебаниям температуры (рис.1). Их развитие отмечено в диапазоне 35-65 °С. Более узкий температурный диапазон (35 - 49°С) распространения отмечен для ОзсШаЮпа. Циа-нобактерии родов АпаЬаепа, Бсу^пета и СакяИпх определены при температуре воды 5052 °С. При температуре 45 °С выявлены Mastigocladus, аоесаряа. Фототрофные бактерии преобладали в матах при более высоких температурах 65-70 С.

Продуктивность циано-бактериальных матов содовых озер и гидротерм. В матах содовых озер Хилганта и Соленое определена интенсивность продукционных процессов (табл. 5). Фотосинтетическая продуктивность в циано-бактериальных матах оз. Хилганта изменялась в пределах от 1,50 гС/м2сут до 1,85 гС/м2сут. Доля оксигенного фотосинтеза колебалась в пределах от 59% до 84%. В мате оз. Соленое скорость продукции ОВ достигала 0,307 гС/м2сут, на долю оксигенного фотосинтеза приходилось 88%.

Рис 1 Температурные границы распространения фототрофов микробных матов термальных источников

Phormidium АпаЬаепа Oscillatona Gloecapsa Scylonema Фототрофные бактерии

25 35 45 55 65 Температура, 4С

Структура и видовой состав циано-бактериальных матов

_термальных источников_

Источ ник Ста нц. т, °с Описание мата Доминирующие виды

Уро 1 47,6 тонкий темно-зеленый мат с серо-зелеными включениями, 0,2-0,3 см Phormidium laminosum

2 52,1 рыхлый серо-зеленый мат, 2 см Phormidium laminosum

3 38,5 желто-зеленый мат толщиной 1 см Phormidium laminosum

4 44,2 желто-зеленый мат толщиной 1 см Phormidium laminosum, Oscilla-toria limosa

5 64,0 плотный мат толщиной 2-2,5 см Phormidium laminosum, Chloro-flexus aurantiacus

6 69,1 плотный темно-зеленый мат толщиной 2 см Phormidium laminosum, Chloro-flexus aurantiacus

Сея 1 49,0 поверхностный - изумрудно-зеленый, 0,5-1,5 см; придонный -более плотный, светло-зеленый, 11,2 см. Phormidium laminosum, Oscilla-toria limosa

2 47,0 мат ярко-зеленого цвета толщиной 1,5-2 см. Phormidium valderie f. pseu-dovalderianum

3 45,0 толстый (до 8 см) студневидный мат, мат ислизнен Phormidium valderie f. pseu-dovalderianum, Gloeocapsa punctata

4 41,0 темно-зеленые маты толщиной до 1,5 см Phormidium Woronichinii, Phormidium valderie f. pseudovalderi-anum, Gloeocapsa punctata

Гарга 4 52,0 студенистый мат, 1,5-2,0 см Phormidium angustissimum

10 52,0 студенистый мат толщиной 1,5-2,0 см Phormidium angustissimum, Anabaena contorta

Шара- гул- жит 52,0 плотный желто-зеленый мат, 3 см. Phormidium tenue, Calothrix sp., Scytonema mirabile и Gloecapsa punctata

Алла - 38,0 плотные маты изумрудно-зеленого цвета, 0,8-1 см. Phormidium Woronichinii

В матах гидротерм Уро, Сея, Алла и Гарта определена фотосинтетическая продукция, темновая фиксация углекислоты и содержание хлорофилла а (табл. 6). В источнике Уро выходы термальной воды по значению температуры разделены на 3 термальные зоны: 1-ая зона (ст. 3, 4) -33,8 и 44,2 С; 2-ая зона (ст. 1, 2) - 47,6 и 52,1 °С; 3-я зона (ст. 5, 6) - 64 и 69,1 °С.

Таблица 5

Интенсивность продукционных процессов в циано-бактериальных ___матах содовых озер_

Озеро Ста Фотосинтез

нци Общий Оксигенный Аноксигенный

я г С/Лут г С/м^сут % г С/м^сут %

Хилганга 1 1,850 1,550 84 0,300 16

2 1,500 0,890 59 0,600 41

Соленое - 0,307 0,270 88 0,036 12

Таблица 6

Интенсивность продукционных процессов в циано-бактериальных __матах термальных источников__

Источ Стан Фотосинтез Темновая Содержа

ник ЦИЯ, Общий Оксигенный Аноксигенный фиксация, ние хлоро

зона г С/м* сут гС/м2 сут % гС/м2 сут % г С/м2сут филлаа, мг/м2

Уро 1 0,095 - 0,047- 49,5 0,048- 51,5 одоо- 49,40 -

3,860 3,350 -87 0,510 -13 0,457 463Д0

2 1,030- 0,890- 86- 0,140- 14- 0,417- 94,77 -

3,240 2,640 81 0,600 19 1,957 892,38

3 0,071 - 0,018- 25- 0,053 - 75- 0,312 - 44,73

0,220 0,078 35 0,142 65 0,318

Сея 1 1,098 0,608 55,4 0,490 44,6 0,245 51,09

2 1,100 0,524 47,6 0,577 52,4 0,427 38,00

3 2,593 1,613 62,2 0,981 37,8 0,312 167,60

4 3,242 2,830 87,3 0,412 12,7 0,253 183,00

Алла - 0,371 0,278 75 0,092 25 н.о. н.о.

Гарта 4 1,647 0,604 93,3 0,041 6,7 0,430 115,50

Максимальное количество хлорофилла а в матах гидротерм было отмечено при температуре 47-52 °С (892,38 мг/м2), при более высоких температурах (64-69°С) его значения были невелики (44,73 мг/м2). При температуре 34-45 °С содержание хлорофилла а достигало 463,2 мг/м2. Более высокие значения скорости оксигенного фотосинтеза зарегистрированы в матах термальных источников Сея, ст. 4 (2,83 гС/м2сут) и Уро, зона 1, (3,35 гС/м2сут). Максимальная скорость темновой фиксации углекислоты в циано-бактериальных матах источников составляла 1,957 гС/м2сут.

С понижением температуры скорость продукционных процессов в матах гидротерм возрастала. Наибольшей продуктивностью в источниках Забайкалья характеризовались маты гидротерм, развивающиеся при 40-50°С. По изливу ист. Сея и в 3-х термальных зонах ист. Уро изменялось соотношение оксигенного и аноксигенного фотосинтеза. Доля оксигенного

фотосинтеза была наибольшей при температуре менее 50 °С. С увеличением температуры воды доля аноксигенного фотосинтеза возрастала, что обусловлено изменением видового состава продуцентов ОВ.

Химический состав циано-бактериальных матов. В циано-бактериальных матах щелочных озер и гидротерм определено содержание органического углерода (Сорг), золы, карбонатов, углеводов, белка и ли-пидов (табл. 7, 8).

Таблица 7

Химический состав циано-бактериальных матов содовых озер (в % от сухого веса)__

Озеро Сорг Зола Карбонаты Углеводы Белок

Верхнее Белое 10,27-15,32 53,42 -64,95 17,73-20,58 12,50-14,36 6,10-7,02

Хилганта 14,8-19,07 44,39-67,35 22,68-25,14 13,10-14,80 6,89-10,80

Белое 13,29 60,77 9,14 11,18 4,97

Соленое 12,62 65,79 11,27 10,05 12,81

Циано-бактериальные маты характеризовались достаточно высоким содержанием Сорг. Сравнительный анализ содержания Сорг матов содовых озер и термальных источников показал, что процессы образования ОВ более интенсивно протекают в циано-бактериальных сообществах гидротерм.

Количество Сорг в матах гидротерм достигало 31,35%. Максимальное количество Сорг отмечено в матах ист. Гусиха, развивающихся при высоких температурах (71,5 и 66,9°С). Содержание органического углерода в матах содовых озер находилось в пределах от 10,27% до 19,07%. Следует отметить, что методика определения Сорг предусматривает расчет углерода по глюкозе. Учитывая, что содержание углерода в глюкозе составляет порядка 40%, можно предположить, что общее содержание ОВ в исследованных матах будет находиться в пределах 25-75%.

Большая часть ОВ матов представлена углеводами. Это обусловлено накоплением их в составе клеточных стенок, слизистых чехлах циано-бактерий и в виде экзополимеров, которые являются структурообразующим компонентом матов и обеспечивают выживаемость микроорганизмов при высоких температурах и значениях рН. Содержание углеводов в матах составляло 10-24%. При этом количество углеводов в матах содовых озер варьировало незначительно, тогда как содержание углеводов в матах гидротерм изменялось в широких пределах. Значительных колебаний в содержании белка в циано-бактериальных матах озер и термальных источников не отмечено. Максимальное содержание белка достигало 15,79%.

Циано-бактериальные маты, как и цианобактерии, характеризовались низким содержанием липидов. Их количество не превышало 2% от сухой массы мата.

Химический состав циано-бактериальных матов гидротерм (в % от сухого веса)

Термаль источник Сорг Зола Карбо наты Углеводы Белок

Гусиха 16,83-31,35 12,12-75,10 4,48-5,86 13,03-24,77 4,31-12,43

Уро 16,35-26ДО 29,73-68,73 8,04-13,52 9,72-24,70 7,48-13,42

Гарга 17,04-25,78 60,08-64,22 14,18-16,01 16,58-21,15 7,24-11,12

Сея 15,37-25,15 55,29-64,31 7,05-9,03 12,42-24,73 5,92-15,79

Алла 16,10 64,22 8,08 16,78 6,72

Кучигер 23,86 57,34 н.о. 20,23 н.о.

Шарагулжит 13,09 68,72 6,81 18,05 5,61

Исследовано послойное содержание OB (углеводов и белков) в циано-бактериальных матах (рис. 2). Их количество было выше в верхних слоях матов, чем в нижних.

Исследованные маты характеризовались высоким содержанием золы (до 70%) при зольности цианобактерий менее 15-20% (Гусев, Никитина, 1979). В процессе жизнедеятельности цианобактерий и бактерий мата происходит отложение внеклеточных минеральных солей (Билан, Усов, 2001; Visscher, Stolz, 2005). В циано-бактериальных матах определено высокое содержание карбонатов. Их количество составляло 4,48-25,14%. Наибольшее накопление карбонатов определено в матах содовых озер, воды которых отличались высоким содержанием карбонатов и гидрокарбонатов.

Аминокислотный состав циано-бактериальных матов. Исследован аминокислотный состав матов содовых озер (Соленое, Хилганта. Верхнее Белое), гидротерм (Алла, Сея, Гарга, Кучигер, Шарагулжит) и чистой культуры цианобактерии Oscillatoria brevis, выделенной из оз. Верхнее Белое (табл. 9,10; рис. 3).

В гидролизатах матов и О. brevis идентифицированы 20 аминокислот. Аспарагиновая и глутаминовая кислоты определены совместно с их амидами - аспарагином и глутамином. Во всех образцах микробных матов

о 0.5 ä 1 !

в I

2,5

Рис. 2. Послойное содержание белка и углеводов в циано-бактериальных матах гидротермы Уро

Белок, ст. 3

Ж

-Углеводы, ст 3

- Белок, ст. 5

- Углеводы, ст.5

выявлено наличие диаминопимелиновой кислоты

(ДАП), которая является обязательным компонентом пегггидогликана клеточной стенки (Schleifer, Kandier, 1972; Weckesser et al., 1987; Hoiczyk, 1998).

Таблица 9

Аминокислотный состав циано-бактериальных матов содовых озер и Oscillatoria brevis (в % от общего содержания аминокислот)

Озеро Соленое Хилганга, ст.1 Хилганш, ст. 2 Верхнее Белое Oscillatoria brevis

А/к

гаи 4,06 6,53 5,92 5,77 4,50

ала 6,40 6,53 5,77 6,80 7,06

сер 4,60 4,47 4,93 4,12 4,03

про 5,86 6,53 7,46 6,39 5,79

вал 5,86 4,64 5,77 5,57 5Д4

тре 5,00 5,50 5,77 4,54 5,03

цис 4,40 2,41 2,82 2,68 и.о.

илей 4,46 4,47 4,37 4,33 5,16

лей 7,53 7,04 7,04 8,04 8,43

асп 9,86 13,75 13,10 10,31 13,16

лиз 3,06 3,78 4,08 4,12 3,87

гау 18,85 14,43 14,65 13,20 14,38

мет 1,93 1,89 1,41 2,47 3,12

гис 2,20 2ДЗ 2,11 3,30 1,17

фен 4,26 4,64 5,21 5,98 4,03

арг 6,40 6,01 4,65 4,54 10,09

тир 3,93 3,26 3,24 4,74 3,01

ДАП 1,33 1,89 1,69 3,09 1,93

Циано-бактерильные маты содовых озер, гидротерм и О. Ъгемв характеризовались высоким содержанием глугаминовой и аспарагиновой

кислот, лейцина и аланина. В аминокислотном составе О. Ъге\п$ количество аргинина достигало 10,09% (табл. 9). В гидролизатах матов и биомассы культуры О. ЬгеУ1.$ отмечено низкое содержание метионина и гистидина.

По количе-

Рис 3 Аминокислотный состав циано-бактер иального мата оз. Соленое и цианобактерии рода Sptrulina sp

q Г i ~ ' □ оз Соленое

ственному содержанию аминокислот циано-бактериальные

маты и цианобактерия О. Ьгеу/я схожи и согласуются с ранее проведенными исследованиями аминокислотного состава цианобакгерий (Ро\у<1еп, 1951; Ма§ее, Вите, 1954; Барашков, 1972; Неп(1епск80п, 1989).

Сравнительный анализ аминокислотного состава циано-бактериальных сообществ содовых озер и гидротерм показал, что маты исследованных водных экосистем по составу и содержанию большинства аминокислот близки. Однако, несмотря на это, определены различия в содержании отдельных аминокислот. Для матов содовых озер и гидротерм отмечены колебания в содержании глутаминовой кислоты и цистеина. Кроме того, маты озер различались содержанием аспарагиновой кислоты, а маты термальных источников - аргинина, валина и пролина. По составу аминокислот мат оз. Соленое, основу которого составляла спирулина, наиболее близок к цианобактерии рода Ър^пйта ер., аминокислотный состав которой изучен ранее (Непскпсквоп, 1989), (рис. 3).

Таблица 10

Аминокислотный состав циано-бактериальных матов термальных

источников (в % от общего содержания аминокислот)

Термаль. источник Алла Сея, ст. 3 Гарта, ст. 4 Кучигер Шара-гулжит

А/к

гли 5,05 6,04 5,78 6,80 6,05

ала 6,58 6,52 6,65 7,51 7,78

сер 4,33 4,44 4,62 4,59 4,03

про 7,93 5,91 6,35 5,89 5,19

вал 7,47 8,34 5,49 5,79 6,63

тре 5,80 6,89 5,78 6,78 6,05

цис 1,19 2,52 2,89 0,80 1,73

илей 4,74 4,91 4,34 4,15 5,76

лей 8,22 7,87 8,09 7,48 7,49

асп 12,02 10,38 13,00 12,82 12,39

лиз 3,45 3,68 3,18 2,83 4,03

глу 12,23 11,43 12,14 9,05 13,83

мет 2,36 1,63 1,73 2,54 1,15

гис 1,75 2,56 2,17 2,69 2,59

фен 5,35 5,37 4,05 6,15 5,48

арг 6,01 5,42 8,09 6,86 3,46

тир 3,72 4,29 3,47 4,48 4,61

ДАЛ 1,79 1,80 2,31 2,78 1,73

Это свидетельствует о том, что состав ОВ мата определяется доминирующими микроорганизмами, образующих сообщество. Однако выявлены различия в содержании цистеина, глутаминовой кислоты и пролина в микробном мате и цианобактерии рода Ярп-иПпа. Эти различия могут быть

к

обусловлены тем, что кроме цианобактерий вклад в образование ОВ матов также вносят другие группы микроорганизмов.

д Углеводный состав

циано-бактериальных матов. Исследован углеводный состав циано-бактериальных матов содовых озер (Хилганта, Верхнее Белое, Соленое, Белое), гидротерм (Алла, Сея, Гарга, Кучигер, Уро, Шарагулжит) (рис.4, 5) и чистых культур цианобактерий РкогтгсИит frigidum и ОэсПШо-па Ъгетз (рис. 6). Во всех образцах матов и культур цианобактерий определены простые сахара - глюкоза, манноза, галактоза, рамноза, ксилоза, ара-биноза и (или) фукоза.

J

Рис. 4. Хроматограмма гидролизата циано-бактерильного мата оз. Хилганта, ст. 1 (1 -рамноза; 2 - соединение «X»; 3 - манноза; 4 -фруктоза; 5-арабиноза (фукоза); 6 - галактоза, 7 - ксилоза; 8 - глюкоза)

Фруктоза обнаружена в восьми образцах, рибоза - в шести. Цел-лобиоза определена в составе углеводов циано-бактериального мата ист. Кучигер и цианобакте-рии О. Ьгеугя. При выбранных условиях хроматографирования не удалось разделить арабинозу и фукозу. Время удерживания данных моносахаридов совпадало. По литературным данным циано- оба сахара могут входить в состав углеводов цианобактерий. В составе матов обнаружено неидентифициро-ванное соединение («X»), концентрация которого была невелика. Время удерживания неизвестного соединения было близко к рамнозе.

Рис. 5. Хроматограмма гидролизата бактерильного мата ист. Уро, ст. 5 (1 - рамноза; 2 - соединение «X»; 3 - манноза; 4 - арабиноза (фукоза); 5 - галактоза; 6 - ксилоза; 7 - глюкоза)

Исследованные образцы характеризовались высокими

мольными соотношениями глюкозы, галактозы и маннозы, что сравнимо с углеводным составом цианобактерий и циано-бактериальных матов минерализованных водоемов Полинезии и Арабских Эмиратов (Moers, barter, 1993; Rougeaux Н. et al., 2001). Мольные соотношения глюкозы находились в пределах 4,15-19,31; галактозы - 1,06-14,14; маннозы - 0,73-11,27. Наиболее высокие мольные соотношения углеводов отмечены для микробного мата гидротермы Уро, ст.5 (рис.5).

^ Исследованные маты

щелочных гидротерм и содовых озер отличались по количественному составу углеводов. Циано-бактериальные маты содовых озер характеризовались более высоким содержанием галактозы и арабинозы (фукозы), чем маты термальных источников. Мольное соотношение маннозы в матах содовых озер было близко к единице. В матах гидротерм отмечены более высокие мольные соотношения ксилозы. Количественный и качественный состав матов разных станций одного водоема отличался. Кроме того, раз-f личался углеводный состав исследбванных цианобактерий и матов.

Изотопный состав углерода циано-бактериальных матов. Исследован изотопный состав углерода OB и карбонатов циано-бактериальных матов содовых озер Хилганта, Верхнее Белое и термальных источников Гарга, Сея, Алла, Кучигер, Хойто-Гол и Сухая (табл. 11, 12). Рассчитаны значения фракционирования изотопов углерода матов (Д5). Для матов содовых озер Д5 составляло + 14,88 - + 25,54%о. Для матов минеральных источников значения Д8 варьировали в широких пределах от + 8,62 - +25,25 %о.

Изучение изотопного состава углерода показало, что фототроф-ные микроорганизмы матов используют в продукционных процессах, в первую очередь, изотопно-легкий 12С. В связи с этим органический углерод матов обеднен изотопно-тяжелой формой |3С. Сравнительный анализ изотопного состава углерода циано-бактериальных матов содовых озер и гидротерм показал (рис. 7), что OB матов исследованных озер более обеднено изотопом |3С. Цианобактерии матов содовых озер для синтеза OB используют углекислоту биогенного происхождения. Продуценты щелоч-

Рис 6 Углеводный состав Osallatoria brevt\ и Phorm idium frigkium

I'h fhgldum

ных терм фиксируют атмосферную и вулканогенную углекислоту. ОВ микробных матов источника Сухая наиболее обеднено изотопом 13С

Таблица 11

Изотопный состав углерода циано-бактериальных матов содовых озер Забайкалья (в %о)

Озеро Станция 513С б13С бикар- Дб

общее ОВ бонатов

Хилганта 1 -15,27 -15,60 -0,72 +14,88

2 -19,80 -19,21 -1,89 +17,32

Верхнее Белое 1 -20,47 -24,19 -7,90 +16,29

2 -21,5 -23,6 +1,94 +25,54

3 -20,91 -25,35 -2,12 +23,23

4 -19,39 -21,24 -0,72 +20,52

Таблица 12

Изотопный состав углерода циано-бактериальных матов термальных источников Забайкалья (в %о)

Термальный Станция 613С б13С 613С кар- Дб

источник общее ОВ бонатов

Гарга 4 -9,84 -9,99 +2,96 +12,95

10 -10,58 -15,29 +0,21 +15,50

Сея придонн мат -5,93 -6,92 +1,70 +8,62

Сея поверхн мат -11,93 -13,28 +1,70 +14,98

Алла - -16,23 -15,62 + 1,73 +17,35

Кучигер - -8,14 -8,94 +1,70 +10,64

Хойто-Гол - - 20,25 - 21,79 + 3,46 + 25,25

Сухая 1 -21,28 -22,34 0« + 22,34

2 -18,25 -19,69 0* +19,69

*- значение близкое к 0. относительно состава ОВ матов гидротерм и содовых озер. Это связано с тем, что источник Сухая является метановым, и в образовании ОВ мата участвовали бактерии цикла метана. Известно, что метанотрофы потребляют углеродсодержащие субстраты с изотопно-легкой формой углерода, в результате чего биомасса матов обеднена изотопом 13С (Ивлев, 1976; Зя-кун, 1994).

Карбонаты микробных матов исследованных озер и термальных источников отяжелены углеродом 13С. Карбонатов матов содовых озер отличались более низким содержанием 13С, чем маты гидротерм.

В экспериментах по фракционированию изотопов

углерода фотосинтезирующими микроорганизмами было отмечено, что клетки, способные накапливать углеводы, содержат больше 1ЭС по сравнению с изотопным составом углерода биомассы (Бондарь И рис 7 Изотопный состав углерода биогенных и др., 1976). абиогенных компонентов Для циано-бактериальных матов щелочных гидротерм опре- ^^^

Карбонаты михробньк ютов ^^НВ

делена прямая зависимость между изотопным составом углерода ОВ и содержанием углеводов (рис. 8). С увеличе-^ нием содержания углеводов наблюдалось обогащение ОВ матов изотопом ,3С.

Заключение

Исследование процессов продукции ОВ и изучение его состава проведено в циано-бактериальных матах щелочных озер и термальных источников Забайкалья. Результаты исследо-^ ваний показывают, что развитие циано-бактериальных матов зависит от экологических условий среды.

Циано-бактериальные маты обнаружены в лагунах и на мелководье содово-соленых озер степени минерализации и ионному составу воды, что, по-видимому, влияет на структуру и видовой состав циано-бактериального мата. В период проведения исследований только в оз. Хилганта мат представлял плотную стратифицированную структуру с хорошо выраженными прослоями минералов В остальных озерах наблюдалось развитие тонких матов, не имеющих слоистой структуры. В отличие от содовых озер в гидротермах развивались циано-бактериальные маты, которые имели хорошо выраженную слоистость и отличались большей толщиной Развитие таких матов, вероятно, связано с тем, что в течение года физико-химические условия в гидротермах остаются практически неизменными (температура, дебит, ионный состав воды). В основном циано-бактериальные маты термальных ис-

1

■¡I,

г. Ы

Осадочные карбонаты Атмосферная С02 Биогенная СО? I ОВ матов содовых озер OS матсе метан источника ОВ матов пшротерм

-20 -10 0 Содержание 15С, в 9ьо

Рис 8 Зависимость содержания углеводов и изотопного состава углерода ОВ циано-бактериальных матов гидротерм

-18 -16 -14 --12 ■ -10 -8 -6 ' -4 -21

Содержание упкводов, %

Исследованные озера отличаются по

точников имели студневидную консистенцию и верхние слои, как правило, были ослизнены.

В гидротермах температура воды варьирует в широких пределах (от 30,8 до 71°С). С повышением температуры происходит изменение состава доминирующих микроорганизмов мата Так, при температуре 40-50°С в матах доминируют цианобактерии, при 60°С преобладают анокси-генные фотобактерии.

Исследованные циано-бактериальные маты являются высокопродуктивными системами. Максимальная продукция в матах содовых озер составляет 1,85 гС/м2, термальных источников - 3,86 гС/м2. Большее содержание органического углерода отмечено в матах гидротерм, и количество хлорофилла а достигает в них 892,38 мг/м2.

В продукционных процессах микроорганизмы циано-бактериальных матов щелочных гидротерм используют атмосферную и вулканогенную ССК В сравнении с матами гидротерм фототрофы матов содовых озер поглощают биогенную ССЬ, обедненную изотопом 13С. В результате этого изотопный состав углерода ОВ матов также отличается. В образовании ОВ мата метанового источника Сухая участвуют бактерии, которые используют продукты окисления метана. Поэтому среди матов гидротерм ОВ матов ист. Сухая наиболее обеднено изотопом 13С.

Для циано-бактериальных матов щелочных озер и гидротерм характерно более высокое содержание углеводов по сравнению с содержанием белков. Это обусловлено тем, что углеводы являются структурным компонентом клетки, а также выполняют формообразующую и защитную роль в микробных матах экстремальных экосистем (Заварзин, 2003). Содержание углеводов наиболее высоко в матах гидротерм.

В матах гидротерм выявлена прямая зависимость между изотопным составом ОВ матов и содержанием в них углеводов. Исследования показали, что с увеличением содержания углеводов наблюдается обогащение ОВ изотопно-тяжелой формой 13С. Это обусловлено спецификой биохимических реакций в клетках (Бондарь и др., 1976).

Циано-бактериальные маты значительно различались по содержанию и составу Сахаров. Также следует отметить, что РИ. /п&сНт и О. Ъге-у/5- различались по составу и содержанию углеводов. Ранее проведенные исследования циано-бактериальных матов минерализованных водоемов Полинезии (Яо^еаих Н. е1 а1, 2001) и Арабских Эмиратов (Моете, ЬаПег, 1993) показали, что углеводный состав циано-бактериальных матов не зависит от видового состава микроорганизмов. Следует отметить, что в исследованных матах щелочных экосистем Забайкалья преобладали глюкоза и галактоза.

Аминокислотный состав гидролизатов циано-бактериальных матов содовых озер и гидротерм, культуры О. Ьге\ч5 (наши данные) и культуры спирулина (Непс1епск80п, 1989) схож по качественному и количественному составу. Полученные данные свидетельствуют о том, что аминокислотный состав мата зависит от доминирующих в нем микроорганизмов Незначительные различия в содержании отдельных аминокислот, по-видимому, обусловлены различием в видовым составе микроорганизмов, образующих циано-бактериальные маты.

Циано-бактериальные маты характеризуются высокой зольностью. В составе золы высоким содержанием отличаются карбонаты. В сравнении с матами гидротерм наибольшее количество карбонатов отмечено в матах высокоминерализованных озер.

Выводы

1. В содово-соленых озерах и гидротермах развиваются циано-бактериальные маты, различающиеся по структуре, видовому составу и содержанию ОВ и минеральных веществ.

2. Циано-бактериальные маты являются высокопродуктивными системами. Наиболее интенсивно продукционные процессы протекают в циано-бактериальных матах гидротерм, в которых максимальное содержание Сорг достигает 30%. Показано, что при температуре более 50°С скорость продукции ОВ в матах гидротерм уменьшается.

3. Циано-бактериальные маты содовых озер и гидротерм близки по аминокислотному составу. В циано-бактериальных матах преобладают глутаминовая и аспарагиновая кислоты, лейцин и аланин. Аминокислотный состав определяется доминирующими микроорганизмами.

4. В составе углеводов циано-бактериальных матов преобладают глюкоза и галактоза. В матах содовых озер отмечены более высокие мольные соотношения галактозы и арабинозы (фукозы), в матах термальных источников - ксилозы.

5. Показано, что цианобактерии матов содовых озер для синтеза ОВ используют углекислоту биогенного происхождения, фототрофы щелочных гидротерм фиксируют атмосферную и вулканогенную углекислоту. Выявлена прямая зависимость изотопного состава углерода ОВ матов гидротерм от содержания углеводов.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации:

1. Калашникова О.М. Микробные сообщества щелочных водных экосистем Забайкалья// Экология Южной Сибири. Сб. статей Международной научной конференции студентов и молодых ученых. - Абакан, 2000. - Т. 1. -С. 170-171.

2. Калашникова О.М. Органическое вещество микробных матов термальных источников Баргузинской долины/ Калашникова О.М., Бархутова Д.Д. // Вестник БГУ. Серия 2. Биология. - Вып. 4. - Улан-Удэ, 2003 - С. 140-143.

3. Калашникова О.М. Микробиологические и гидрохимические исследования экстремальных водных экосистем Байкальского региона / Бархутова Д.Д., Козырева Л.П., Калашникова О.М., Хахинов В.В., Намсараев Б.Б.// Наука и преподавание дисциплин естественного цикла в образовательных учреждениях. Материалы региональной научно-практической конференции - Улан-Удэ, 2002. - С. 85.

4. Калашникова О.М. Микробные сообщества термального источника Уро (Баргузинская долина)/ Калашникова О.М., Брянская A.B., Бархутова Д. Д // Вестник БГУ. Серия 2. Биология. - Вып. 5. - Улан-Удэ, 2002. - С. 120126.

5. Калашникова О.М. Влияние экологических условий на химический состав микробных матов гидротерм Бурятии/ Калашникова О.М , Бархутова Д.Д. // Актуальные проблемы современной науки. Сб. статей 4-ой Международной конференции молодых ученых и студентов. Ч. П. Экология. - Самара, 2003.-С. 59-62.

6. Калашникова О.М. Полимеры и изотопный состав углерода органического вещества микробных матов термальных источников Бурятии/ Калашникова О.М., Зякун A.M. // Биоразнообразие и функционирование микробных сообществ водных и наземных систем Центральной Азии. Материалы Всероссийской конференции. - Улан-Удэ, 2003. - С. 67-69.

7. Калашникова О.М. Химический состав циано-бакгериальных матов минерального источника Уро (Бурятия)/ Калашникова О.М., Бархутова Д.Д. // Биология - наука XXI века. 7-ая Пущинская школа-конференция молодых ученых. - Пущино, 2003. - С. 276.

8. Калашникова О.М. Биополимеры микробных сообществ гидротерм Прибайкалья/ Калашникова О.М., Бархутова Д.Д., Брянская A.B., Намсараев Б.Б. // Структура и функционирование экосистем Байкальского региона. Материалы региональной научно-практической конференции. - Улан-Удэ, 2003. - С. 78 - 79.

9. Калашникова О.М. Определение аминокислотного состава микробных матов водных экосистем Байкальского региона с помощью тонкослойной хроматографии/ Калашникова О.М., Шаповалова E.H., Бархутова Д.Д.,

Хахинов В.В., Шпигун O.A. // Вестник МГУ. Серия 2. Химия. -Москва, 2004. - Т. 45. - № 6. - С. 393-398.

10. Калашникова О.М. Аминокислотный состав микробных матов содовых озер Забайкалья.// Актуальные аспекты современной микробиологии. Сб. тезисов Всероссийской школы-конференции. - Москва, 2005. - С. 32-33.

11. Калашникова О.М. Зависимость биогеохимических процессов альгобакте-риальных матов щелочных гидротерм Уринского источника от видового состава фототрофных микроорганизмов/ Брянская A.B., Намсараев З.Б., Калашникова О.М., Намсараев Б.Б., Горленко В.М. // Микробиология (в печати).

12. Калашникова О.М. Состав и геохимическая активность микробного сообщества Сеюйского термального источника/ Зайцева C.B., Калашникова О.М., Брянская A.B.// Проблемы геологии и освоения недр. Материалы X международного симпозиума студентов и молодых ученых. - Томск (в печати).

Подписано в печать 20.03.06. Формат 60x84/16 Усл. печ. л. 1.33. тираж 130. Заказ 1648

Издательство Бурятского госуниверситета 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а

¿¿гл.

66B7.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Калашникова, Ольга Михайловна

Введение.

Литературный обзор.

Глава 1. Циано-бактериальные маты.

1.1.Содовые озера и термальные источники - как места формирования циано-бактериальных матов.

1.2. Типы и структура циано-бактериальных матов.

Глава 2. Продукция органического вещества в циано-бактериальных матах.

Глава 3. Химический состав циано-бактериальных матов и микроорганизмов.

3.1. Содержание и состав углеводов.

3.2. Содержание и состав белков.

3.3. Содержание и состав липидов.

3.4. Неорганические вещества.

3.5. Изотопный состав углерода.

Экспериментальная часть.

Глава 4. Объекты и методы исследования.

4.1. Объекты исследования.

4.2. Методы исследования.

4.2.1. Методы отбора проб.

Ш 4.2.2. Методы изучения физико-химических условий среды.

4.2.3. Микробиологические методы.

4.2.4. Методы изучения скорости микробных процессов.

4.2.5. Методы изучения химического состава циано-бактериальных матов.

4.2.6. Методы исследования изотопного состава углерода цианобактериальных матов.

Глава 5. Результаты и их обсуждение.

5.1. Экологические условия развития циано-бактериальных матов

5.2. Структура циано-бактериальных матов.

5.3. Разнообразие продуцентов циано-бактериальных матов.

5.4. Продукция органического вещества в циано-бактериальных матах.

5.5. Содержание органического вещества и минеральных соединений в циано-бактериальных матах.

5.6. Аминокислотный состав циано-бактериальных матов.

5.7. Углеводный состав циано-бактериальных матов.

5.8. Изотопный состав углерода циано-бактериальных матов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Продукция и состав органического вещества циано-бактериальных матов щелочных водных экосистем Забайкалья"

Актуальность проблемы. Изучение циано-бактериальных матов обусловлено их важной ролью в эволюции биосферы на Земле. Накопление кислорода в древней атмосфере и образование строматолитов связано с развитием докембрийских циано-бактерильных сообществ (Заварзин, 1993; Герасименко, 2002; Орлеанский, 2002).

Современные циано-бактериальные маты встречаются в экстремальных водных экосистемах (Brock, 1978; Заварзин и др., 1989; Герасименко и др., 1989). На территории Забайкалья циано-бактериальные маты распространены в содовых озерах и термальных источниках. В циано-бактериальных матах сформирована устойчивая трофическая сеть, представленная функционально различными группами продуцентов и деструкторов. Основными продуцентами органического вещества (ОВ) микробных матов являются цианобактерии, развивающиеся в верхних слоях сообщества, а также фототрофные и литотрофные бактерии (Герасименко, Заварзин, 1993). Циано-бактериальные маты могут представлять собой природные модели для изучения закономерностей образования, захоронения и диагенеза ОВ.

В настоящее время изучены структура и функциональные группы микроорганизмов циано-бактериальных матов, участвующих в круговороте углерода и его соединений. Проведены исследования скорости продукционных и деструкционных процессов в циано-бактериальных матах (Brock, 1978; Горленко и др., 1986; Герасименко и др., 2002; Брянская, 2002; Намсараев, 2003). Однако химический состав ОВ и минеральных солей в циано-бактериальных матах практически не изучен.

Целью работы являлось изучение продукционных процессов и определение содержания и состава ОВ циано-бактериальных матов щелочных водных экосистем Забайкалья.

Задачи исследования: 1. Сравнить структуру и видовой состав циано-бактериальных матов из различных мест обитания.

2. Определить скорости образования ОВ в циано-бактериальных матах.

3. Определить содержание ОВ (углеводов, белков, липидов) и неорганических соединений в циано-бактериальных матах.

4. Изучить углеводный и аминокислотный состав циано-бактериальных матов.

5. Изучить изотопный состав углерода ОВ циано-бактериальных матов.

Научная новизна

Впервые проведено исследование химического состава циано-бактериальных матов, где основными продуцентами ОВ являются нитчатые цианобактерии. Большая часть ОВ матов представлена углеводами, которые выполняют формообразующую и защитную роль в циано-бактериальном мате.

Впервые исследован углеводный и аминокислотный состав матов. В микробных сообществах идентифицированы дисахарид - целлобиоза и простые сахара - глюкоза, манноза, галактоза, рамноза, ксилоза, рибоза, фруктоза и арабиноза (фукоза).

В составе белков циано-бактериальных матов определены 20 аминокислот. Во всех образцах обнаружена диаминопимелиновая кислота -структурный компонент пептидогликана. Показано, что аминокислотный состав циано-бактериальных матов изученных экосистем схож, а по содержанию Сахаров маты отличаются.

Впервые изучен изотопный состав углерода ОВ и минеральных солей циано-бактериальных матов. Показано, что цианобактерии матов содовых озер для синтеза ОВ используют углекислоту биогенного происхождения. Продуценты щелочных гидротерм фиксируют атмосферную и вулканогенную углекислоту. В образовании ОВ микробных матов метанового источника Сухая участвуют бактерии цикла метана, в результате чего биомасса наиболее обеднена изотопом |3С относительно состава ОВ матов гидротерм.

Практическая значимость

Результаты диссертации расширяют представления о структуре и составе ОВ циано-бактериальных матов содовых озер и термальных источников. Результаты исследований могут быть использованы в биотехнологии для получения микробных биополимеров, бальнеологических исследованиях, учебном процессе при изучении курсов микробиологии и биохимии.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение Диссертация по теме "Экология", Калашникова, Ольга Михайловна

1. в содово-соленых озерах и гидротермах развиваются циано бактериальные маты, различающиеся по структуре, видовому составу и

содержанию ОВ и минеральных веществ. 2. Циано-бактериальные маты являются высокопродуктивными

системами. Наиболее интенсивно продукционные процессы протекают

в циано-бактериальных матах гидротерм, в которых максимальное

содержание Сорг достигает 30%. Показано, что при температуре более

50^С скорость продукции ОВ в матах гидротерм уменьшается. 3. Циано-бактериальные маты содовых озер и гидротерм близки по

аминокислотному составу. В циано-бактериальных матах преобладают

глутаминовая и аспараги1ювая кислоты, лейцин и аланин. Аминокислотный состав определяется доминирующими

микроорганизмами. 4. В составе углеводов циано-бактериальных матов преобладают глюкоза

и галактоза. В матах содовых озер отмечены более высокие мольные

соотношения галактозы и арабинозы (фукозы), в матах термальных

источников - ксилозы. 5. Показано, что цианобактерии матов содовых озер для синтеза ОВ

используют углекислоту биогенного происхождения, фототрофы

щелочных гидротерм фиксируют атмосферную и вулканогенную

углекислоту. Выявлена прямая зависимость изотопного состава

углерода ОВ матов гидротерм от содержания углеводов.