Краткая характеристика микрофлоры Арктики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет» (ДВФУ)

Школа Естественных Наук

Кафедра Биохимии, Микробиологии и Биотехнологии

Краткая характеристика микрофлоры Арктики

Выполнил студент гр. С8311

Владимиров А.С.

Проверила д.м.н.,

профессор кафедры Биохимии,

Микробиологии и Биотехнологии

Мартынова А.В.

Владивосток 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПСИХРОФИЛЬНЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ АРКТИКИ

ЖИЗНЕСПОСОБНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ АРКТИКИ

ЧИСЛЕННОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В МЁРЗЛЫХ ТОЛЩАХ АРКТИКИ В СРАВНЕНИИ С АНТАРКТИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АРКТИЧЕСКОЙ МИКРОФЛОРЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Одним из уникальных мест обитания экстремофильных микроорганизмов, является арктическая зона с присущей ей многолетней мерзлотой.

Арктические моря отличаются от остальных акваторий Мирового океана мощным влиянием абиотических факторов, важнейшим из которых является длительный ледовый режим и, как следствие, короткий (3-4 месяца) период вегетации фитопланктона.

Высокая специфичность процессов биосинтеза и биотрансформации органического вещества (ОВ) в полярных водоемах связана с низкой первичной продукцией фитопланктона, поступлением ОВ в составе мощных речных стоков, с густой заселенностью частиц взвеси бактериями и легким изотопным составом органического углерода (С_орг) взвеси и поверхностного слоя донных осадков. Из-за суровых климатических условий и своей территориальной удаленности моря Восточной Арктики изучены слабо.

В арктических морях роль микробных сообществ в трансформации ОВ на границе вода-дно может быть весьма значительной. Накоплению высоких абсолютных масс С_орг при сравнительно низкой продуктивности морей способствует значительное терригенное поступление ОВ и обусловленная низкими температурами малая скорость его деструкции.

В арктических морях в слое осадков 0- 1 см изотопный состав углерода отличается от такового во взвеси, что указывает на активные бактериальные процессы, протекающие как на частицах взвеси, так и на геохимическом барьере вода - осадок.

Первая количественная оценка микробной биомассы в арктических морях была сделана Буткевичем B.C. во время высокоширотной экспедиции в 1935 г. Им отмечено невысокое содержание клеток бактерий в воде Карского моря, подавляющее большинство содержало от 103 до 104 кл/мл.

В 1993 г. сотрудниками Института микробиологии РАН были проведены экспедиционные работы в район Карского моря, подверженный влиянию стока крупных рек - Оби и Енисея. В результате было установлено, что в морской части акватории содержание бактерий в воде колебалось от 2-3 тысяч до 250-280 тысяч клеток в 1 мл, что близко к данным других авторов.

Затем исследования, проведенные Ильинским В.В., показали, что численность евтрофных бактерий превышала в арктическом регионе численность бактерий двух других групп (олиготрофы и углеводородокисляющие) в два раза и более.

Численность евтрофных бактерий - от 0 до 2140 КОЕ/л, в среднем 409 КОЕ/л - примерно на половине станций была на уровне значений 0-160 кл/л. Количество углеводородокисляющих микроорганизмов (УВОМ) в поверхностных водах центральной Арктики в целом невелико (от 20 до 1000 кл/л.).

По современным данным, большинство морских микроорганизмов Арктики имеют психрофильный характер, однако так было не всегда.

Последние исследования биологической активности морского дна, проводимые Университетом Ньюкасла у берегов Шпицбергена, выявили наличие спор термофильных бактерий, проявляющих активность в диапазоне температур от 20 до 55⁰С. Наличие этих спор этих бактерий может служить доказательством теории, говорящей, что примерно 100 млн. лет назад (именно этим возрастом датируются споры термофилов), расположение материков позволяло тёплым океаническим течениям, приходящим с экватора, доходить намного севернее, чем в наше время, обеспечивая на планете более равномерный и мягкий климат.

В целом же, данные о микрофлоре Арктики, как и данные о полярных регионах в целом, в силу суровости местного климата имею недостаточную изученность и высокую степень разрозненности.

Попробуем обобщить данные об арктической микрофлоре, которые мы имеем на сегодняшний день.

ОБЩАЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

АРКТИЧЕСКОГО РЕГИОНА

Арктика - единый физико-географический район Земли, примыкающий к Северному полюсу и включающий окраины материков Евразии и Северной Америки, почти весь Северный Ледовитый океан с островами (кроме прибрежных островов Норвегии), а также прилегающие части Атлантического и Тихого океанов. Южная граница Арктики совпадает с южной границей зоны тундры. Площадь около 27 млн. кв. км; иногда Арктику ограничивают с юга Северным полярным кругом (66° 33? с. ш.), в этом случае её площадь составит 21 млн. кв. км.

По особенностям рельефа в Арктике выделяют: шельф с островами материкового происхождения и прилегающими окраинами материков и Арктический бассейн. Область шельфа занята окраинными морями - Баренцевым, Карским, Лаптевых, Восточно-Сибирским и Чукотским.

Рельеф суши российской Арктики преимущественно равнинный; местами, особенно на островах, гористый. Центральная часть - Арктический бассейн, область глубоководных котловин (до 5527 м) и подводных хребтов.

Особенности природы: низкий радиационный баланс, близкие к 0°C средние температуры воздуха летних месяцев при отрицательной среднегодовой температуре, существование ледников и многолетнемерзлых пород, преобладание тундровой растительности и арктических пустынь.

Ледовитость морских акваторий около 11 млн. кв. км зимой и около 8 млн. кв. км летом.

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПСИХРОФИЛЬНЫХ

МИКРООРГАНИЗМОВ АРКТИКИ

Это криофильные микроорганизмы, способны хорошо расти при 0°С и более низких температуpax (до -10°С). Оптимальная температура роста у облигатных психрофилов 10-15°С и ниже, у факультативных - 25-30°С.

Верхний температурный предел у облигатных психрофилов не превышает 20°С, у факультативных - 30°С, т. е. их температурные диапазоны перекрываются с таковыми у мезофильных микроорганизмов.

Для всех психрофильных микроорганизмов характерны слабая чувствительность метаболических процессов к холоду, в т. ч. низкие температурные оптимумы действия ферментов, особенности липидного обмена (увеличение относительного содержания ненасыщенных жирных кислот) и др.

Известны почти среди всех групп микроорганизмов (кроме актиномицетов). Облигатные психрофилы живут в относительно стабильных температурных условиях, факультативные могут существовать и в средах с резкими перепадами температур. Психрофильные микроорганизмы широко распространены в природе. Часто встречаются в водах Арктики и Антарктики, в пещерах, на поверхности снега и ледников в горах.

Некоторые виды микроскопич. водорослей (чаще Chlamydomonas nivalis) образуют оранжевые или красные пигменты, окрашивая снег в красный цвет (т. н. красный снег).

В водах Арктики на сегодняшний день обнаружены только облигатные психрофилы, поэтому факультативных психрофилов в этом обзоре мы рассматривать не будем.

ЖИЗНЕСПОСОБНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ В ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

АРКТИКИ

К сожалению, в литературных источниках отсутствуют данные, повествующие об истории открытия облигатных психрофилов Арктической зоны, поэтому сразу перейдём к современным исследованиям этой проблемы.

Исследования последних лет показали возможность длительного сохранения жизнеспособных прокариотных и эукариотных микроорганизмов в условиях постоянных отрицательных температур многолетнемерзлых толщ, возраст которых составляет от нескольких тысяч до 2-3 млн. лет. Из многолетнемерзлых отложений выделены аэробные и анаэробные бактерии, зеленые и сине-зеленые микроводоросли, дрожжи и мицелиальные грибы.

Обнаружены споры мхов и семена высших растений, способные к прорастанию после длительной криоконсервации.

В ходе комплексных работ по изучению сообществ палеоорганизмов вечной мерзлоты выделены жизнеспособные цисты свободноживущих простейших, находившиеся в состоянии криптобиоза в течение десятков и сотен тысяч лет.

Простейшие являются полифилетической группой протистов (Protista Haeckel, 1866) и включают гетеротрофные свободноживущие и паразитические, преимущественно одноклеточные организмы.

Свободноживущие простейшие распространены в природе чрезвычайно широко и заселяют практически все возможные для жизни среды обитания. В почвенных биоценозах всех географических зон они являются обязательным компонентом, по разнообразию и численности уступая только бактериям.

Простейшие способны существовать в большом диапазоне температур, адаптируясь к экстремально высоким и низким значениям. Эти эукариотные организмы широко распространены в различных биотопах полярных районов - в составе планктона и бентоса холодных морских и пресных вод, во льдах и талых водах, в наземных экосистемах Антарктиды и высоких широт Арктики.

В ответ на действие низких температур, а также сопутствующего высушивания и изменения химизма среды, протисты используют различные стратегии выживания. Один из путей - переход в состояние физиологического покоя, сопровождающийся образованием особых морфологических структур - цист покоя, которые защищены от неблагоприятных воздействий многослойной водо- и газонепроницаемой оболочкой.

При этом выживание обеспечивается посредством почти полного прекращения метаболической активности, в связи с чем стратегию этого типа нередко называют криптобиозом. В состоянии криптобиоза протисты способны переносить влияние отрицательных температур в диапазоне от -60°С в природе и до -269 °С в условиях эксперимента.

Описаны случаи сохранения жизнеспособности цистами простейших после нескольких десятков лет консервации в замороженном или высушенном состоянии: во льдах Гренландии и Балтийского моря, в сухих почвенных образцах. Из гренландского льда выделены цисты инфузории Colpoda steinii и амебы Vahlkampfia sp., сохранившие способность к эксцистированию после нескольких столетий криоконсервации.

В 30-х гг. прошлого века об обнаружении жизнеспособных цист амеб и инфузорий в мерзлых толщах Забайкалья сообщал П.Н. Каптерев, проводивший исследования на Сковородинской мерзлотной станции. Однако эти находки были приурочены к подошве слоя сезонного оттаивания.

Сведений о находках жизнеспособных цист простейших в мерзлых отложениях нет.

Кроме того, изучение радиолярий в осадках внутренней (не прибрежной) Арктики показало их специфический, эндемичный характер, отразивший относительную устойчивость местной популяции, изолированной от проникновения морской биоты из соседних Атлантического и Тихого океанов.

С другой стороны, комплексы микроорганизмов арктических морей у побережья России, в частности, моря Лаптевых, несут на себе признаки динамичного взаимодействия водных масс различного происхождения: пресноводного стока р. Лены, солоноватых и более соленых шельфовых вод, морских арктических и североатлантических вод.

ЧИСЛЕННОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В МЁРЗЛЫХ ТОЛЩАХ

АРКТИКИ В СРАВНЕНИИ С АНТАРКТИЧЕСКИМИ

ПОКАЗАТЕЛЯМИ

арктика психрофил палеоорганизм микрофлора

Общее число аэробных микроорганизмов в мерзлых толщах, установленное прямым счетом составляет 10⁸ - 10⁹ клеток на 1 г грунта. Это относится и к антарктическим отложениям, со следовым количеством С_орг., накапливавшимся в условиях полярной пустыни, без растительности, и к арктическим осадкам, богатым органикой, растительными и животными остатками, формировавшимися в режиме тундры. Это означает, что необходимым и достаточным фактором постоянного присутствия микроорганизмов в природе является наличие лишь минеральных частиц и воды.

Табл. 1. Общее число аэробных микроорганизмов в мерзлых породах (10⁸ кл/г)

Число культивируемых аэробов клеток в осадочных породах Арктики варьирует от 10³ до 10⁷ в 1 г грунта (0.01 - 1.3% от их общего числа в мерзлых породах), а в Антарктиде падает до 10² - 10³ кл/г (0.001 - 0.1%). Число культивируемых аэробных бактерий определяется длительностью их пребывания в мерзлоте. С увеличением возраста мерзлых пород (а не осадков), число клеток сокращается. Максимум аэробных микроорганизмов связан с голоценовыми осадками, а переход к более древним породам маркируется падением численности микробного населения. Долгое пребывание в мерзлом окружении является биодиагенетическим фактором, сокращающим число аэробов. Сравнение численности культивируемых из мерзлоты клеток, с таковыми за пределами криолитозоны говорит, что отрицательные температуры являются не экстремальным, а стабилизирующим фактором, обеспечивающим сохранение биологических систем.

Табл. 2. Численность жизнеспособной микрофлоры в мерзлых породах

Глубина залегания пород не влияет на жизнеспособные микробные сообщества в криолитосфере. Сегрегационный лед, цементируя дисперсные осадки, формирует из них прочный каркас, что сводит на нет воздействие геостатического давления на клетки.

Сохранность клеточных структур, на 90% состоящих из воды, определяется равновесным состоянием клеточной и пленочной воды внутри и вне клетки, нарушение которого ведет к ее гибели. Поэтому, пленки незамерзшей воды (W_нз) играют решающую роль в сохранении микроорганизмов. Обволакивая органоминеральные частицы, они защищают сорбированные на поверхности частиц жизнеспособные клетки от растущих кристаллов сегрегационного льда.

Численность клеток в суглинках на 2-3 порядка выше, а микробные спектры разнообразнее, чем в песках.

Не установлено прямой связи между численностью микроорганизмов с содержанием органического вещества в мерзлых толщах. Микроорганизмы из вечной мерзлоты Арктики, в отличие от морских арктических микроорганизмов, не являются психрофилами.

Основное микробное население здесь обладает свойствами: T_opt>15^оC, T_max> 20^оC, T_min < 0^оC, с оптимумом роста 4 - 20^оС в антарктических и 10 - 20^оС в арктических осадках.

В присутствии криопротектора рост клеток происходит и при минусовых температурах. При -5^оС колонии появлялись через 6 - 8 месяцев, а при -8^оС лаг-период занимает 1 год. Таким образом, отрицательные температуры не являются запрещающим фактором для сохранения жизнеспособности палеокультур и их метаболической активности при наличии доступного питательного субстрата.

При криоконсервации микроорганизмов в геологическом масштабе времени при температурах пород (t) = (-3) - (-4)^оС на Аляске, (-5) - (-6)^оC в дельте р. Макензи и (-9) - (-12)^оС на Колыме, число жизнеспособных клеток не зависит от температуры мерзлых толщ. Вблизи южной границы мерзлоты в Западной Сибири с (t) =(-1) - (-2)^оС и в Антарктиде при (t) = (-18) - (-25)^оС, численность жизнеспособных микроорганизмов падает на несколько порядков.

Режим переохлажденных и пластичномерзлых пород Западной Сибири не обеспечивает длительной криоконсервации биологических систем, а в Антарктиде падение числа жизнеспособных клеток объясняется переходом большей части микробного комплекса в некультивируемое состояние из-за крайне низких температур вмещающих пород.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АРКТИЧЕСКОЙ МИКРОФЛОРЫ

Из полученного путём бурения мерзлого ненарушенного керна диаметром 50-100 мм отбирают центральную часть с соблюдением условий асептики. Работу с керном проводят в полевом боксе, керн зачищают стерильным скальпелем, поверхность обрабатывают 95%-м этиловым спиртом и помещают в стерильные алюминиевые бюксы или пакеты.

В поле пробы хранят в скважине-“морозильнике” при температуре их естественного залегания -8…-10 °С. В конце полевого сезона образцы в термостатах с криосмесью в мерзлом состоянии доставляют в лабораторию.

Образцы погребенных почв и материал нор ископаемых грызунов отбирают из свежих мерзлых стенок обнажений. Стенки зачищают до слоя, не затронутого оттаиванием, затем в мерзлой породе вырубают нишу глубиной 30-40 см, из которой отбирают образцы, обрабатывают их 95%-м этиловым спиртом, помещают в стерильный пакет и хранят в мерзлом состоянии. В лаборатории образцы хранятся в морозильных камерах при температуре -20 °С.

Для выделения жизнеспособных простейших из многолетнемерзлых отложений используют метод накопительного культивирования. Мерзлые образцы (1-2 г) помещают в стерильные чашки Петри со средой Прескотта и Джеймса (Cerophyl-Prescott infusion): CaCl2 х 2H2O - 0,433 г, KCl - 0,162 г, K2HPO4 -0,512 г, MgSO4 х 7H2O - 0,28 г и культивируют при температуре 5 и 20 °С в течение 4 месяцев.

Для предохранения от высыхания и заражения чашки оборачивают парафилмом. Наблюдения в накопительных культурах проводят в закрытых чашках Петри с использованием инвертированного микроскопа, а также на “стеклах обрастания” - стерильных покровных стеклах, помещенных в накопительную культуру.

При обнаружении простейших образец высевают повторно. Все манипуляции с образцами грунта и высев проб в чашки Петри осуществляют в микробиологическом боксе c соблюдением условий стерильности.

Из накопительной культуры получают клональные и монокультуры простейших. Дальнейшее культивирование проводят на агаризованных и жидких средах Прескотта и Джеймса с добавлением различных пищевых объектов - бактерий Escherichia coli, Klebsiella aerogenes и Pseudomonas fluorescens, церофила, зерен риса.

Морфологическое исследование выделенных простейших выполняют в культурах и на тотальных препаратах.

Для видовой идентификации инфузорий используют методы окраски ядерного аппарата по Фельгену, выявления инфрацилиатуры импрегнацией нитратом серебра по Шаттону-Львову и протеинатом серебра по Фойснеру.

Для определения амебоидных организмов на родовом и видовом уровнях проводят их ультраструктурные исследования, а также окраску цист протеинатом серебра и гематоксилином. Особенности тонкого строения покоящихся стадий простейших изучают с применением трансмиссионного электронного микроскопа, используя ультратонкие срезы, полученные на ультратоме.

Постоянные и временные препараты исследуют с применением светового микроскопа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день исследования полярных и приполярных областей земного шара ведутся очень интенсивно и имеют огромное научное, экономико-политическое и иногда - даже военное значение.

Однако, несмотря на огромную перспективность и актуальность этих исследований, изученность полярных регионов остаётся достаточно низкой в связи с суровыми условиями климата и рельефа местности.

Стоит также отметить, что на сегодняшний день техническая оснащённость российских исследовательских полярных экспедиций далека от идеала и сильно отстаёт от оснащённости европейских и американских коллег, что, безусловно, негативно сказывается на эффективности исследований.

Тем временем, исследования полярных зон имеют большое стратегическое и медицинское значение.

Доказательством этому служит разрабатываемая на сегодняшний день система вакцинаций, связанных с внедрением части генотипа арктических психрофильных непатогенных бактерий в генотип патогенных штаммов микроорганизмов.

Исходя из вышесказанного, можно с уверенностью говорить о том, что интенсивность изучения и освоения полярных регионов будет нарастать ещё не один десяток лет.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Воробьева Е.А. Сине-зеленые и зеленые водоросли из вечномерзлых осадочных пород Арктики // Криосфера Земли, 1997, т. I, №2, с. 71-76.

2. Гиличинский Д.А., Хлебникова Г.М., Звягинцев Д.Г. и др. Микробиологические характеристики при изучении осадочных пород криолитозоны // Изв. АН СССР. Сер. геол., 1989, №6, с. 103-115.

3. Суслова М.Ю., Парфенова В.В., Павлова О.Н., Косторнова Т.Я., Федотов А.П., Ходжер Т.В. Разнообразие культивируемого микробного сообщества в шельфе Карского моря, заливе Гыданская Губа и бассейне реки Енисей // Лимнологический институт СО РАН, Иркутск.

4. Шатилович А.В., Шмакова Л.А.,. Губин С.В, Гиличинский Д.А. Жизнеспособные простейшие в вечной мерзлоте Арктики // Криосфера Земли, 2010, т. XIV, №2, с. 69-78

5. http://encyclopedic-dictionary-biology.zelenka.su/5089

6. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0

7. http://sbio.info/page.php?id=13834

8. http://www.issp.serpukhov.su/mbp_ru/chisl/chisl.html

Размещено на Allbest.ru