Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние условий среды обитания на распространение и активность микроорганизмов содовых озер Южного Забайкалья

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кулырова, Анна Валеровна, Улан-Удэ

ь/ — Ч / / <? V

V1 / I I «

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БИОЛОГИИ

На правах рукописи

КУЛЫРОВА Анна Валеровна

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ И АКТИВНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ СОДОВЫХ ОЗЕР ЮЖНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ. ( 03.00.16 - экология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Б. Б. Намсараев.

Улан-Удэ, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение—-------------------------------------------------------------------------------5

Глава I. Литературный обзор:

1.1. Краткая история исследования содовых озер Забайкалья-----------------7

1.2. Географическое описание содовых озер

1.2.1.Содовые озера различных континентов-------------------------------------9

1.2.2. Содовые озера Забайкалья-----------------------------------------------------11

2. Влияние физико-химических процессов на деятельность

микробных сообществ в содовых озерах

2.1. Температурный режим содовых озер------------------------------------------13

2.2. Химический состав вод содовых озер-----------------------------------------14

2.3. Основные типы вод в озерах в озерах Забайкалья---------------------------19

2.4. Биогенные элементы в водах озер Южного Забайкалья--------------------20

2.5. Содержание растворенного в воде кислорода в содовых озерах Забайкалья----------------------------------------------------------------------------22

2.6. Химический состав донных осадков в озерах Забайкалья-----------------23

2.7. Органическое вещество в озерах Забайкалья--------------------------------23

3. Микробиологическая характеристика содовых озер.

3.1.Бактериопланктон в озерах Южного Забайкалья-----------------------------25

3.2. Алкалофильные микроорганизмы в щелочных озерах----------------------26

3.2.1. Алкалофильные цианобактерии------------------------------------------------26

3.2.2. Алкалофильные метилотрофные бактерии----------------------------------30

3.2.3. Алкалофильные сульфатредуцирующие бактерии-------------------------32

3.2.4. Алкалофильные гомоацетатные бактерии------------------------------------34

3.2.5. Алкалофильные виды спирохет------------------------------------------------34

3.2.6. Алкалофильные хемоорганогетеротрофные бактерии--------------------35

3.3. Микробные маты--------------------------------------------------------------------36

3.3.1. Структура мата--------------------------------------------------------------------37

3.4. Лечебный фактор содово-соленых озер----------------------------------------40

4. Круговорот углерода в содовых озерах.-----------------------------------------43

Выводы-----------------------------------------------------------------------------------46

Глава II. Экспериментальная часть

5.1. Методы работы----------------------------------------------------------------------48

5.2. Методы отбора проб----------------------------------------------------------------48

5.3. Методы исследования природной среды---------------------------------------49

5.4. Учет численности микроорганизмов--------------------------------------------49

5.5. Радиоизотопные методы-----------------------------------------------------------51

5.6. Глава III. Объекты исследования бЛ.Эколого-географическое описание исследованных озер

Южного Забайкалья-------------------------------------------------------------------53

Глава IV. Результаты исследований. Физико- химические параметры воды и донных осадков содовых озер Южного Забайкалья

7.1. Физико- химические параметры воды--------------------------------------------56

7.2. Сезонная динамика физико-химических параметров в

содовых озерах-----------------------------------------------------------------------57

7.3. Суточная динамика изменений температуры ила и воды-------------------61

7.4. Суточная динамика изменений концентрации общей щелочности,

ионов С03" и НС03" в содовых озерах------------------------------------------63

7.5. Суточная динамика изменений концентрации растворенного в

воде кислорода в содовых озерах------------------------------------------------66

7.6. Химический состав вод содовых озер--------------------------------------------70

7.7. Химический состав донных осадков содовых озер---------------------------73

7.8. Содержание органического вещества в содовых озерах---------------------76

8. Микробиологическая характеристика исследованных озер

Южного Забайкалья 8.1. Численность микроорганизмов различных физиологических групп в

водной толще содовых озер-------------------------------------------------------78

8.2. Численность микроорганизмов различных физиологических групп в донных осадках содовых озер---------------------------------------------------80

8.3. Сезонная динамика численности микроорганизмов в содовых озерах

8.3.1.Сезонная динамика численности психрофильных бактерий в водной толще и в донных осадках содовых озер-------------------------------------84

8.3.2. Сезонная динамика численности мезофильных бактерий в водной толще и в донных осадках содовых озер------------------------------------87

8.4. Численность микроорганизмов в донных осадках

содовых озер по слоям-------------------------------------------------------------91

9. Микробная деструкция органического вещества в содовых

озерах Южного Забайкалья

9.1. Скорость разложения белка и целлюлозы в донных осадках

содовых озер-------------------------------------------------------------------------94

9.2. Бактериальное восстановление сульфатов и продукция сероводорода в донных осадках содовых озер-----------------------------------------------------97

9.3. Бактериальное образование метана в иловых отложениях

содовых озер-------------------------------------------------------------------------99

10. Микробные маты содовых озер Южного Забайкалья

10.1. Описание микробных матов----------------------------------------------------104

10.2. Химический состав микробных матов---------------------------------------106

10.3. Численность микроорганизмов в микробных матах содовых озер— 107

10.4. Сезонная динамика численности алкалофильных бактерий

мезофилов в бактериальных матах содовых озер-------------------------109

10.5. Численность микроорганизмов в микробных матах

содовых озер по слоям---------------------------------------------------------109

Глава V. 11. Обсуждение.----------------------------------------------------------------111

Заключение-------------------------------------------------------------------------------127

Выводы-----------------------------------------------------------------------------------128

Список литературы.---------------------------------------------------------------------131

Приложения ----------------------------------------------------------------------------141

Введение.

В аридных зонах нашей планеты, таких как Южное Забайкалье, насчитывается большое количество содовых озер. Данные озера относятся к экстремальным экосистемам, где большая минерализация, высокие значения щелочности и рН воды обуславливают развитие алкалофильных микроорганизмов. Эта группа микроорганизмов эволюционно приспособлена к развитию при рН более 9. Алкалофильные бактерии участвуют в круговороте биогенных элементов, продукции и деструкции органических веществ, образовании и растворении минералов, выделении и потреблении биогенных газов, изменении физико-химических параметров в водной толще и донных осадках содовых озер.

Экосистемы с экстремальными средами обитания, такие как содовые озера, имеют в своей среде ограничивающие условия для развития высших форм жизни. К ним относятся - высокие значения рН, солености, минерализации, щелочности и часто низкий окислительно-восстановительный потенциал. Именно эти условия являются для прокариотных организмов нормальной средой обитания, где они способны существовать за счет поступающей извне солнечной и химической энергии. Содовые озера в данное время являются местом активного развития алкалофильных прокариотных сообществ. Глобальные экологические изменения среды на Земле, связанные с климатическими и другими катастрофами, мало изменили данное сообщество в связи с их гибкой системой. В содовых озерах изначально было сформировано устойчивое прокариотное сообщество, сохранившее реликтовые формы микроорганизмов. Биогеохимическая роль сообщества алкалофильных микроорганизмов остается еще неизученной в экосистеме содовых озер. Распространение и активность алкалофильных микроорганизмов зависят от условий среды обитания, физико-химических параметров в водной толще и донных осадках этих щелочных экосистем.

В содовых озерах южных районов Республики Бурятия, Читинской области и Агинского Бурятского автономного округа микробиологические исследования практически не проведены, хотя важность биологической роли алкалофильных микроорганизмов в экосистеме этих озер очевидна. Об этом свидетельствуют видимые невооруженным глазом кожистые образования -микробные маты, где основными продуцентами и деструкторами органического вещества являются алкалофильные микроорганизмы.

Изучение деятельности алкалофильных микроорганизмов содовых озер Южного Забайкалья необходимо для оценки их роли в круговороте химических элементов и в настоящее время является актуальной задачей. Этапами этой исследовательской работы являются изучение условий среды обитания микроорганизмов, определение физико-химических параметров воды, донных осадков и микробных матов в содовых озерах Южного Забайкалья, исследование их влияния ее на распространение и активность алкалофильных бактерий, определение численности и активности алкалофильных бактерий, что позволит выявить закономерности деятельности микроорганизмов в различных типах содовых озер Забайкалья.

Глава I. Обзор литературы.

1.1. Краткая история исследования содовых озер Забайкалья.

Первые сведения об озерах Южного Забайкалья относятся ко второй половине 18 века. В основном они касались Борзинского самосадочного озера, как основного источника добычи поваренной соли для местного населения с момента включения его в пределы Российской империи в1722 году (Власов и др., 1973). В 1768 -83 г.г. академик Паллас С.П. совершает поездку в Восточное Забайкалье и в своих отчетах упоминает о соленых озерах Цаган - Нор, Зун и Барун -Торей, Селенгинское, а также описывает Борзинское озеро (Паллас, 1788).

Упоминания о содово - соленых озерах Забайкалья встречаются в официальных отчетах командировок, совершенных Озерецковским Н.О., Гессе Г., Титовым B.C. Герасимовым А.П. Шредом И.Ф. и другими в начале прошлого столетия (Власов и др., 1973). В 1861 году выходит в свет работа Озерского А. «Очерк геологии, минеральных богатств и горного промысла Забайкалья», где даны сведения о некоторых озерах Южного Забайкалья (Озерского, 1861).

В 1897 году впервые Герасимов А.П. высказал предположение о том, что единственным источником солеродности озер Борзинской долины являются соленосные отложения (Герасимов, 1898). Позднее Обручев В.А., доказал континентальный характер соляных отложений озер Селенгинской Даурии (Обручев, 1914).

А.Г. Франк - Каменецкий провел в 1922 году исследования Дороненского озера, дал их описание и высказал гипотезу о биохимическом происхождении в нем соды (Франк - Каменецкий, 1927).

В 1923 году Суворов И. Н. проводит описание ряда содовых озер, таких как Борзинские, Баин-Цаган, Цаган-Нор (Мальцокский), Цаган - Нор (Былейсумский). Зверев В.Н. при составлении списка горько- соленых озер

Забайкальской губернии в 1924 году упоминает об озерах Кука- Азарга, Ганга -Нор, Хара -Нор, Умыкей и другие.

Бутырин Н. Н. в 1925 году в своей статье « Горько-соленые озера Бурят -Монгольской республики и их промышленное значение » дает оценку промышленному значению соляных озер и упоминает об озере Горбунка (Агинский аймак), где в 1922 году была проведена выварка поваренной соли.

С 1925 по 1929 г.г. Гладилиным И.Н. и Бобиным Е.С. были произведены детальные исследования озер Селенгинской долины (Боргойских), Киранского и Дороненского. Ими были даны характеристики геологического строения озерных котловин, высказаны суждения о происхождении солей и определены их запасы (Дзен - Литовский, 1938).

С 1926 по 1950 годы проводится ряд экспедиций, в результате которых были открыты и описаны содовые озера, а также определены запасы солей в них, физико-химические параметры и химические анализы вод и донных осадков (Власов и др., 1973). В эти годы Дзенс-Литовский А.И. впервые дает характеристику засоленности озер, где особое внимание уделяет влиянию вечной мерзлоты на формирование и режим озер (Дзен - Литовский, 1938). Также было изучено геологическое строение районов размещения озер и их режим (Власов и др., 1973).

С 1958 по 1973 годы ученые Иркутского университета проводят исследования по содово - соленым озерам юго-восточного Забайкалья, где основное внимание уделяют физико-химическим характеристикам вод и донных осадков содово-соленых озер южного Забайкалья (Власов и др., 1973).

В 1991 году опубликована монография ученых Читинского института природных ресурсов « Содовые озера Забайкалья: экология и продуктивность», где приведены результаты лимнологических исследований и впервые кратко упоминается о бактериопланктоне, в частности, об общей численности микроорганизмов данных озер.

1.2. Географическое описание содовых озер.

1.2.1. Содовые озера различных континентов.

Содово-соленые озера встречаются во всех аридных зонах нашей планеты. Засушливый климат, высокая солнечная активность благоприятствуют испарению воды и образованию высокоминерализованных озер. В Африке на территории Кении и Египта известны такие содовые озера как Магади и Вади-Натрум (Boone., 1982).В северной Америке штате Невада (США) находится Биг Сода Лейк (Oremland .,1982).В Европе содово-соленые озера встречаются на территории Украины, Белоруссии и Калмыкии. На азиатском континенте содовые озера встречаются в Северном Казахстане, Западной и Восточной Сибири, Туве, Монголии и Китае.

Озеро Вади - Натрун расположено на территории Египта, к западу от дельты Нила. Озеро занимает тектоническую трещину, углубленную древней речной эрозией и дефляцией. Представляет собой классический тип содового озера, значение рН который более 9. В настоящее время в этом озере происходит осаждение троны и ведется его добыча. Гидрохимия и геохимия озера Вади - Натрун хорошо изучена (Boone, 1982).

Следующим уникальным водоемом является озеро Магади (Кения). В этом африканском озере происходит современное осаждение соды. Гидрохимия этого озера также подробно изучена (Euqster,1980). Характерной особенностью озера является высокое значение рН 10-11, высокая концентрация NaCl и Na2C03 (суммарная соленость до 30%) при полном отсутствии ионов кальция и магния. Но в разные сезоны как общее содержание этих компонентов и их соотношение могут меняться. В сухой сезон года происходит засоление и выпадение троны (Na2C03 ЫаНСОз Н20), в сезон дождей - опреснение, что благоприятно для цианобактерий, которые представляют собой продукционное звено в экосистеме Магади (Дубинин и др., 1995).

В Северной Америке в штате Невада расположено озеро Биг Сода Лейк. Это меромиктический водоем, где значение рН воды достигает 9,7. Придонные

воды этого озера содержат около 500 мг/л сульфидов, 50 мг/л аммония, 6,5 г/л сульфатов и 1,2 мл/л метана. Суммарная суточная продукция органического вещества достигает 2830 мг С/м . Из осадков озера получена активная метаногенная культура, преобладающими компонентами которой были мелкие кокки (Огет1апс1,1982).

Самым крупным водоемом центральной части Припятского Полесья является озеро Червонное (Белоруссия), где рН воды составляет 9,0. Экосистема данного озера складывалась в условиях мелководности котловины и при большой площади в объеме. Максимальная глубина его 2,9 м, а средняя -0,7 м. Общая площадь 40 км2. Водный режим озера нестабильный и зависит от климатических условий (Самойленко,1994).

Крупнейшие содово-соленые озера Монголии расположены на территории Гобийской, Восточно-Степной, Хангайско-Хэнтэйской и Алтайской областях. Эти озера характеризуются как континентальные водоемы, для них свойственны мелководность, овально-яйцеобразная форма котловин и устланное илами дно. Водно-солевое питание сходно с озерами Забайкалья. Соленакопление в них происходит в течение тысячелетий за счет растворенных веществ, приносимых поверхностными и подземными стоками, осадками и в результате процессов метаморфизации солей (Егоров, 1993).

Содово-соленые озера Тувы расположены в двух котловинах: Улук-Хемской (Верхний Енисей) и Убсу-Нурской, в этих озерах активно протекают процессы континентального засоления из-за засушливого климата. Размеры, состав и минерализация озер чрезвычайно разнообразны. Всего обследовано 9 озер (Заварзин и др., 1996). В 6 озерах из 9 исследованных состав воды имеет хлоридно-натриевый тип. Озера Чедер и Кач - Холь являются горько-солеными с выраженным сульфатно-натриевым составом. На поверхности рапы озера Кач - Холь выкристаллизовывается мирабилит (Ма2804* 10Н2О). Озеро Свастиково характеризуется смешанным хлоридно-натриево-магниевым составом. Таким образом, состав воды в данных озерах в высокой степени

ю

зависит от локальных геологических условий и поэтому очень изменяются. Первичными продуцентами органических веществ в содовых озерах Тувы большей частью служат цианобактерии (Герасименко и др., 1996).

1.2.2. Содовые озера Забайкалья.

На территории Забайкалья насчитывается несколько групп озер: Селенгинской Даурии, Баргузинской долины, долины реки Ингоды и Онон-Борзинского района и т.д.

Содовые озера, расположенные на территории Республики Бурятия, делятся на несколько групп: Селенгинской Даурии и Баргузинской долины. Озера Селенгинской Даурии расположены в долине реки Селенги и ее притоков Джиды, Чикоя и Уды. Котловины содовых озер сложены преимущественно песками и песчаниками юрского - мелового периода и кристаллическими породами (б�