Сравнительное исследование микробных сообществ щелочных слабоминерализованных гидротерм Байкальской рифтовой зоны и щелочных минерализованных гидротерм озера Моно-Лейк на острове Паоха

2.3.4 Методы определения скорости микробных процессов

Пробы воды и почвы для радиоизотопных работ отбирали в стерильные флаконы, которые закрывали пробками и обжимали алюминиевыми крышками. Радиомеченные вещества вводили в пробу с помощью шприца. При этом лишний объем воды из флакона вытесняли через иголку. Инкубацию проводили на свету и в темноте, поместив в воду источника на месте отбора пробы на 6-24 ч. Радиоактивность меченных соединений определяли на жидкостном сцинтилляционном счетчике Rackbetta (Швеция).

Для определения световой и темновой продукции использовали NaH¹⁴СO₃ (Иванов, 1956; Кузнецов, Романенко, 1963). В пробы вносили радиометку с активностью 25 мкк. Пробы фиксировали 10 N NaOH. Диурон (3-(3,4-дихлорофенил)-1,1-диметилмочевина) в конечной концентрации 7 дМ применяли для ингибирования оксигенного фотосинтеза. В ряде экспериментов проводилось стимулирование продукционных процессов цитратом железа в конечной концентрации 0-5 г/л железа. Пробы обрабатывали на установке УЗДН-2 с частотой 22 МГц и мощностью 0,4 мА в течение 2 минут. Фильтровали через мембранные фильтры с диаметром пор 0,2 мкм. Фильтры промывали тремя объемами воды с рН 2-3, высушивали и измеряли радиоактивность. При определении интенсивности сульфатредукции использовали метод Иванова (1956). Для этого в пробу вносили 0,1-0,2 мл Na₂³⁵SO₄ с активностью 0,1-1 мКюри и инкубировали в течение 0,4-2 суток. Фиксацию интенсивности сульфатредукции производили путем введения в пробу 10-25 % раствора ацетата Cd.

Интенсивность метаногенеза измеряли с помощью №¹⁴НСО₂ (Лауринавичус, Беляев, 1978). Пробы фиксировали 10 N NaOH. Образовавшийся меченный метан продували и сжигали до ¹⁴СО2 при температуре 700⁰С. Образовавшийся после сжигания ¹⁴СН4 ¹⁴СО2 улавливали сцинтилляционным раствором, одним из основных компонентов которого был Р-дифенилэтиламин.

Для расчета интенсивности микробных процессов применяли следующую формулу:

А = гЩ

R-t

где А - интенсивность процесса, C - концентрация субстрата, r - радиоактивность продукта реакции, R - радиоактивность введенного в пробу меченного субстрата, t - время инкубации.

Результаты определения скоростей микробиологических процессов радиоизотопным методом и балансовые уравнения реакции позволяют рассчитать количество использованного бактериями органического углерода:

Сульфатредукция Коэффициент расчета расхода С

2Сорг + SO4^2- -- S^2- + CO2 24 г С32 г S0,75

Метаногенез

4Н2 + 4CO2 -- СН4 + Н2О + 3CO2

48 г С 12 г С4

2.3.5 Методы определения содержания пигментов в микробных матах

Определение содержания хлорофилла а в микробных матах гидротерм Б.р.з. проводилось спектрофотометрически в этанольных экстрактах. Для расчетов содержания хлорофилла а использовали формулу:

мг (хл a) = 11.9*OD₆₆₅*(v/l),

где OD₆₆₅ - оптическая плотность при длине волны 665 нм, v - объем экстракта в мл, l - длина кюветы (A manual..., 1969). Присутствие бактериохлорофилла с в образцах микробных матов определялось по наличию длинноволнового максимума на спектрах in vivo при 740 нм.

3. Исследование микробных сообществ щелочных гидротерм

В данном разделе рассматриваются микробные сообщества исследованных нами термальных источников Б.р.з. и минерализованного озера Моно Лейк в порядке повышения рН воды на изливе источников.

3.1 Гаргинский источник

3.1.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

Выход источника покрыт серым песком. Температура воды на выходе составляет 75°С, в воде источника присутствует менее 0.1 мг/л сульфида, рН воды на выходе 7.7.

Таблица 2. Физико-химические условия в биологических зонах Гаргинского источника

На расстоянии 3 метров от выхода (при температуре 74-70°С) дно русла покрыто черным осадком MnO. Микробные маты появляются на расстоянии 7-10 метров от выхода, при температуре 57°С (таб. 2, рис. 2а). По нашим наблюдениям расположение русла в этой области периодически изменяется. Вероятно, это связано с литификацией микробных матов, либо с хемогенным осаждением карбоната кальция. Далее по изливу источника рН воды повышается с 7.7 до 9.1 в результате дегазации СО2 и фотосинтетической активности микробных сообществ.

Во время наблюдений проведенных в 1997, 1999, 2000, 2001, 2002 годы расположение микробных матов было различным в связи с периодическими изменениям русла источника и литификацией микробного мата, тем не менее типы микробных сообществ в различных температурных зонах источника были неизменными. На выходе источника (Т 75°С) и в зоне выпадения черного осадка MnO видимых микробных обрастаний нет, что может быть объяснено высокой скоростью минералообразования в источнике (рис. 2б).

При температуре 57°С, рН 8.4 и при практическом отсутствии сульфида в воде по дну русла источника появляется тонкий зеленый налет (Зона I). Доминирует цианобактерия Phormidium angustissimum. В меньшем количестве встречются цианобактерии Anabaena contorta и Synechococcus lividus и аноксигенная фототрофная бактерия Chloroflexus aurantiacus (таб.3). Из проб мата была выделена культура сульфатредуцирующей бактерии. По краям мата, выступающим над поверхностью воды, происходит выпадение карбоната кальция.

При температуре 54-45°С и рН 8.4 развивается желто-зеленый двуслойный мат толщиной до 1 см (Зона II). На участках не покрытых термальными водами поверхность мата желто-зеленая. Верхний желто-зеленый слой пронизан газовыми полостями с доминированием Phormidium angustissimum (рис. 2г). В нижнем темно-зеленом слое также доминирует Phormidium angustissimum, в меньшем количестве встречаются Anabaena contorta, Anabaena minutissima, Synechococcus lividus и нитчатые зеленые бактерии Chloroflexus aurantiacus. На участках мата покрытых термальными водами поверхность мата темно-зеленая. Видовой состав аналогичен, хотя доминирует цианобактерия Anabaena contorta (рис 2д). На участках мата периодически подвергающихся воздействию более высокой температуры в поверхностных слоях мата отмечается большое количество пустых чехлов нитчатых цианобактерий рода Phormidium (температура поверхностных слоев может доходить до 65°С, тогда как температура внутри мата составляет 50-35°С). Из проб микробных матов зоны II был выделен штамм аноксигенной фототрофной бактерии Chloroflexus aurantiacus. На выступающих над поверхностью мата участках выпадает карбонат кальция. Площадь литифицированных участков в разные годы различается. Можно предположить, что с течением времени площадь литифицированных участков увеличивается и они сливаются в сплошную поверхность. Затем, при сдвиге русла источника, по литифицированной поверхности происходит образование нового микробного мата.

При температуре 44-30°С и рН 8.8 развивается двуслойный мат толщиной до 5 мм (Зона III). Поверхность мата ярко оранжевого цвета, в ней доминируют Phormidium angustissimum и Anabaena minutissima. Толща мата светло-зеленого цвета. В ней встречается Chloroflexus aurantiacus. В этой зоне наибольшее видовое разнообразие цианобактерий. Встречаются также Phormidium valderie f. tenue, Phormidiun molle, Oscillatoria tambi f. uralescens, Lyngbia aestuarii, Anabaena contorta, Gloeocapsa minuta и Microcystis pulverea. Из проб микробных матов был выделен штамм аноксигенной фототрофной бактерии Chloroflexus aurantiacus. На выступающих над поверхностью мата участках выпадает карбонат кальция.

Зона IV. Кроме проб отобранных из русла источника были отобраны пробы мата находящегося в стороне от основного русла. В этой зоне поступление воды из источника ограничено, при прохождении через мат вся вода испаряется с поверхности или просачивается в породу под матом (рис. 2в). Температура воды понижается с 44 до 30°С. Содержание сульфата в воде возрастает до 400 мг/л (по сравнению с 270 мг/л в основном русле), что, вероятно, связано с концентрированием в результате испарения и уменьшением вымывания из мата. Толщина мата около 1 см. Поверхность оранжево-бурого цвета, толща мата обесцвеченная. В поверхностном слое доминирует Phormidium angustissimum. В толще мата также доминирует Phormidium angustissimum, но обесцвеченный и с более толстыми чехлами. Также в мате встречаются Anabaena contorta и Anabaena minutissima. Литификация микробного мата не происходит. Микробный мат высыхает и образует тонкие постепенно разрушающиеся корки

Таким образом, по изливу источника происходит смена микробных сообществ, вызванная изменением физико-химических параметров среды обитания. С уменьшением температуры состав фототрофного сообщества расширяется и достигает максимального разнообразия при 40°C. При уменьшении поступления воды источника происходит снижение видового разнообразия фототрофного сообщества. Во всех зонах цианобактерии доминируют в составе микробного мата. Особенностью видового состава микробного сообщества источника является доминирование цианобактерий рода Anabaena в некоторых точках. Аноксигенные фототрофные бактерии встречаются в меньшем количестве, чем цианобактерии.

Таблица 3. Распространение цианобактерий в микробных матах Гаргинского источника

Примечание: "++" - доминирующий вид, "+" - вид присутствует.

3.1.2 Биогеохимическая активность

Исследование содержания пигментов в микробных матах источника было проведено в 1997 и 2000 годах. Анализ спектров in vivo микробных матов показывает, что в них доминирует хлорофилл а, что указывает на преобладание цианобактерий в составе мата. Измерение содержания хлорофилла а в этанольных экстрактах показывает, что с понижением температуры содержание пигмента в матах постепенно возрастает. В зоне I содержание хлорофилла а 7-108 мг/м², тогда как в зонах II и III достигает 429 мг/м² и 420 мг/м² соответственно. В зоне IV - 32 мг хл а/м². В различные годы содержание хлорофилла а колеблется в широком диапазоне. Так, указанное максимальное содержание хлорофилла было зафиксировано в 1997 году, тогда как в 2000 году содержание хлорофилла не превышало 35 мг/м². Подобные колебания могут быть объяснены литификацией и захоронением микробного мата.

Определение скоростей продукционно-деструкционных процессов было проведено в 1997, 2000, 2001, 2002 годах. Результаты экспериментов с использованием 14 С-бикарбоната показали, что с понижением температуры скорость фотосинтеза в матах постепенно возрастает (таб. 4, рис. 3).

В зоне излива источника фотосинтез не обнаруживается. Далее по изливу источника в зоне I при температуре 57-54°С скорость оксигенного фотосинтеза составляла в различные годы от 0.01 гС/м² до 0.303 гС/м². Скорость аноксигенного фотосинтеза (от 0.032 до 0.2 гС/м² сут) практически равна скорости оксигенного фотосинтеза. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 24 до 60%, доля аноксигенного колеблется от 40 до 76%. В цианобактериальных матах, развивающихся в зоне II при температуре от 53 до 45°С, скорость оксигенного фотосинтеза составляет от 0.13 до 1.27 гС/м² сут. Скорости аноксигенного фотосинтеза в значительно ниже (от 0.047 до 0.459 гС/м² сут). Доля оксигенного фотосинеза составляет от 69 до 90%. Доля аноксигенного от 10 до 31%. При понижении температуры до 44°N в зоне III скорость оксигенного фотосинтеза понижается и составляет 0.86 гС/м² сут. Скорость аноксигенного фотосинтеза составляет 0.102 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза составляет 89%, доля аноксигенного 11%. В зоне IV при температуре 44 до 30°С скорость оксигенного фотосинтеза падает до 0.128 гС/м² сут, скорость аноксигенного фотосинтеза составляет 0.112 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза составляет 53%, аноксигенного 47%.

Скорость темновой фиксации в зоне излива составляет 0.19 гС/м² сут. С дальнейшим понижением температуры постепенно возрастает и достигает максимума в зоне III при 40°С (1.2 гС/м² сут).

Скорость сульфатредукции в микробных матах вдоль русла источника была исследована с применением 35S - сульфата. В зоне излива источника происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0.013 tS/м² сут. Процессы идут, видимо, за счет доноров электронов, поступающих с водой (Н2, органическое вещество). По изливу скорость сульфатредукции в микробных матах постепенно возрастает (рис. ) и достигает максимума при 45°С (2.13 tS/м² сут). При дальнейшем понижении температуры до 40°С скорость сульфатредукции падает до 0.293 tS/м² сут. В зоне IV при температуре 36°С скорость сульфатредукции составляет 1.19 tS/м² сут.

Скорость водородного метаногенеза незначительна. В зоне излива достигает 169 мкгС/м² сут и достигает максимума (398 мкгС/м² сут) при 45°С.

Доминирующим процессом терминальной деструкции в микробных матах источника является сульфатредукция. Максимальная величина расхода органического вещества через сульфатредукцию составляет 1.6 гС/м² сут, тогда как через метаногенез расходуется максимум 1.4 мгС/м² сут.

С понижением температуры продуктивность систем резко возрастает. Как следствие, суммарная деструкция также ускоряется, хотя и не так быстро, как продукция органического вещества. В зоне II, где скорости этих процессов максимальны, через метаногенез и сульфатредукцию минерализуется до 60% органического вещества. Большая часть оставшегося органического вещества микробных матов, очевидно, используется в процессах кислородного дыхания или захоранивается в процессе литификации мата. Обращает на себя внимание значительное превышение деструкции над продукционными процессами в зоне IV, где расход органического вещества составляет 370%. Это может быть объяснено временным снижением скоростей продукционных процессов в микробном мате вследствие уменьшения дебита поступающей в мат воды и последующим дисбалансом системы.

Таким образом, в Гаргинском источнике наиболее продуктивными являются сообщества развивающиеся при температуре 53-45°С (зона II). Доминирующим продукционным процессом является оксигенный фотосинтез. Высокой скорости достигает темновая фиксация углекислоты. Доминирующим процессом терминальной деструкции является сульфтредукция, роль метаногенеза незначительна.

3.2 Уринский источник

3.2.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

В Уринском источнике, в воде которого отсутствует сульфид, невозможно выделить несколько биологических зон последовательно сменяющих друг друга вдоль русла источника. Термальные воды изливаются между глыбами биотитовых гранитов в нескольких, хаотично расположенных местах. Поэтому мы выделяем 8 типов микробных сообществ и объединяем их в 4 группы согласно температуре их обитания (таб.5).

Таблица 5. Физико-химические условия в биологических зонах Уринского источника.

Примечание: * - на поверхности мата.

Зона излива

В зоне излива при температуре 66-69°С значительные микробные обрастания отсутствуют (ст. Уро-8). Дно источника покрыто серым песком, микробные обрастания обнаруживаются только на поверхности занесенного человеком органического вещества (остатки макарон). Обрастания оранжевого цвета, занимают незначительную площадь.

В составе обрастаний обнаружены Chloroflexus aurantiacus и цианобактерии Phormidium laminosum (таб. 6).

Группа 65-60°С.

При температуре 64°С у одного из выходов вдоль русла источника развивается двуслойный плотный мат желто-зеленого цвета толщиной около 1 см (ст. Уро-5). Верхний слой желто-зеленого цвета толщиной около 1 мм. В нем доминируют Phormidium laminosum и встречаются Synechococcus lividus, Oscillatoria sp., (2.5-3 мкм толщиной), Pleurocapsa sp. и Chloroflexus aurantiacus. Нижний слой толщиной 1 см многослойный, зеленого цвета с прожилками. В воде источника мат теряет зеленый цвет и образует розовый многослойный хрящ толщиной около 1 см. Из проб микробных матов был выделен штамм аноксигенной фототрофной бактерии Chloroflexus aurantiacus. При температуре 63°С у одного из выходов источника в русле развиваются длинные белые космы со слабо-розовым оттенком (ст. Уро-6.). Thermothrix sp. при микроскопировании не обнаружен. В обрастаниях преобладают пустые чехлы нитчатых цианобактерий (рис. 4д). Среди цианобактерий доминирует Phormidiym laminosum, встречается Mastigocladus laminosus, реже Phormidium fragile, Oscillatoria limosa, Synechococcus lividus .

На дне русла в большом количестве встречаются остатки пищи (ст. Уро-7). По остаткам макарон и по дну ручья при температуре 61°С развивается ярко-оранжевый налет Chloroflexus aurantiacus и цианобактерии Phormidiym laminosum. Из проб микробных обрастаний был выделен штамм аноксигенной фототрофной бактерии Chloroflexus sp. Анализ спектра in vivo микробного мата показывает доминирование хлорофилла а.

Группа 45-50°С. При температуре 47°С вдоль русла источника развивается трехслойный мат оранжевого цвета (ст.Уро-2). Верхний слой желтого цвета толщиной около 2 мм. В составе доминирует Phormidium laminosum и Synechococcus lividus, в меньшем количестве встречается Mastigocladus laminosus, Chloroflexus aurantiacus, диатомеи. Между верхним и средним слоями в большом количестве небольшие полости. Средний слой толщиной 4 мм светло-зеленого цвета, доминирует Phormidium laminosum, часто встречается Synechococcus lividus, в небольших количествах Mastigocladus laminosus. Нижний слой темно-зеленого цвета толщиной 3 мм. Под нижним слоем находится серая масса толщиной около 7 мм.

При температуре 46°С в русле источника развивается двуслойный мат изумрудно-зеленого цвета толщиной около 2 мм (ст. Уро-1). Верхний слой темный, толщиной 1 мм. Доминирует Phormidium laminosum (до 90 % по объему), в большом количестве встречается Synechococcus lividus, Oscillatoria limosa, Phormidium fragile, Chloroflexus aurantiacus. Единично встречаются Mastigocladus laminosus и Calothrix elenkinii. Нижний слой светлый, толщиной 1 мм, видовой состав и соотношение видов аналогично верхнему слою.

Группа 40-35°С.

При температуре 40°С развивается широкое поле матов. Мат двуслойный. Верхний слой толщиной 2-3 мм желтого цвета (ст. Уро-4). Доминирует Phormidium laminosum, часто встречается Phormidium phragile, реже Oscillatoria chalybea, Oscillatoria limosa, Anabaena sp., Calotrix Elenkinii и Mastigocladus laminosus. Нижний слой толщиной 5-6 мм темно-зеленого цвета. Доминируют Mastigocladus laminosus и Phormidium laminosum. Часто встречаются Gloecapsa minor. Редко встречается Oscillatoria limosa, Phormidium fragile и Calotrix parietina.

Уро-3. При температуре 38°С развиваются темно-коричневые, почти черные космы толщиной 2-3 мм. Доминирует Oscillatoria limosa (рис. 4а). Встречаются Mastigocladus laminosus и Phormidium laminosum.

Таким образом, с уменьшением температуры в Уринском бессульфидном источнике состав фототрофного сообщества расширяется и достигает максимального разнообразия при 40-35°C. Исключение составляет станция Уро-3. В этой точке видовое разнообразие фототрофного сообщества резко снижается, что может быть объяснено затенением микробного мата нитями Oscillatoria limosa с высоким содержанием пигмента. Во всех зонах цианобактерии доминируют в составе микробного мата. Аноксигенные фототрофные бактерии встречаются в меньшем количестве, чем цианобактерии. Особенностью видового состава микробного сообщества источника является присутствие цианобактерий Mastigocladus laminosus, не встречающихся более в других источниках.

Таблица 6. Распространение фототрофных бактерий в биологических зонах Уринского источника

3.2.2 Биогеохимическая активность

Исследование содержания пигментов и определение скоростей продукционно-деструкционных процессов в микробных матах источника было проведено в 1997, 2000 и 2002 годах. Анализ спектров in vivo микробных матов показывает, что в них доминирует хлорофилл а, что указывает на преобладание цианобактерий в составе мата. Максимальное содержание хлорофилла а обнаруживается при температуре 45-50°С (892 мг/м²), при более высоких температурах (60-65°С) обнаруживается 35-82 мг/м². При температуре 35-40°С содержание хлорофилла а достигает 463 мг/м² (таб. 7).

Результаты экспериментов с использованием 14 С-бикарбоната показали, что с понижением температуры скорость фотосинтеза в матах постепенно возрастает (рис. 5). Доля оксигенного фотосинтеза увеличивается, а аноксигенного падает. В зоне излива источника скорость оксигенного фотосинтеза составляет 0.01-0.07 гС/м² сут, скорость аноксигенного 0.05-0.14 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 26 до 36%, доля аноксигенного от 64 до 74%.

При температуре 65-60°С скорость оксигенного фотосинтеза составляет от 0.002 до 0.16 гС/м² сут, аноксигенного от 0.0076 до 1.16 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 2 до 92%, доля аноксигенного от 8 до 98%. При температуре 45-50°С скорость оксигенного фотосинтеза составляет от 0.89 до 2.64 гС/м² сут, аноксигенного от 0.14 до 0.6 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 80 до 94%, доля аноксигенного от 6 до 20%. При температуре 35-40°С скорость оксигенного фотосинтеза составляет от 0.04 до 3.35 гС/м² сут, аноксигенного от 0.04 до 0.51 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 50 до 94%, доля аноксигенного от 6 до 50%. Высокая скорость аноксигенного фотосинтеза в высокотемпературных микробных матах может быть объяснена достаточно высокими величинами скорости сульфатредукции.

Скорость темновой фиксации в зоне излива составляет 0.31 гС/м² сут. С понижением температуры возрастает и достигает максимума при 45-50°С (1.95 гС/м² сут). При понижении температуры до 35-40°С скорость темновой фиксации падает до 0.2-0.45 гС/м² сут.

Скорость сульфатредукции в микробных матах по изливу источника была исследована с применением радиоактивного 35S - сульфата. В зоне излива источника происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0.1-1.7 гё/ м² сут. Процессы идут, видимо, за счет доноров электронов, поступающих с водой (Н2, органическое вещество) и за счет органического вещества накопленного в отложениях на дне русла. По изливу скорость сульфатредукции в микробных матах возрастает и достигает максимума при 65-60°С (0.0082-5.53 tS/м² сут). При дальнейшем понижении температуры скорость сульфатредукции падает до 0.0041-1.49 г S/м² сут, с небольшим максимумом при 45°С. Скорость водородного метаногенеза незначительна. В зоне излива достигает 131-562 мкгС/м² сут, с понижением температуры падает до 14-18.3 мкгС/м² сут при 35-40°С. Таким образом, доминирующим процессом терминальной деструкции в микробных матах Уринского источника является сульфатредукция. Максимальная величина расхода органического вещества через сульфатредукцию составляет 4.15 гС/м² сут, тогда как через метаногенез расходуется максимум 2.2 мгС/м² сут.

По изливу с понижением температуры продуктивность систем резко возрастает. Как следствие, суммарная деструкция также ускоряется, хотя и не так быстро, как продукция органического вещества. В зонах с температурами 35-40, 45-50°С где скорости продукционно-деструкционных процессов максимальны, через метаногенез и сульфатредукцию минерализуется до 61% органического вещества. Большая часть оставшегося органического вещества микробных матов, очевидно, минерализуется в процессах кислородного дыхания или захоранивается. Обращает на себя внимание значительное превышение деструкции над продукционными процессами в зоне излива и при температурах 65-60°С, где расход органического вещества составляет до 400% от продукции. Это дисбаланс может быть объяснен прекращением поступления доноров электронов при инкубировании изолированной пробы и занижением скорости темновой фиксации углекислоты, тогда как процесс сульфатредукции в пробе, скорее всего, продолжается за счет деструкции накопленного органического вещества. Таким образом, в Уринском источнике наиболее продуктивными являются сообщества развивающиеся при температуре 45-50°С. Следует отметить, что в этой зоне микробные маты Уринского источника обладают наибольшим содержанием хлорофилла а из всех исследованных нами источников (892 мг/м²). Доминирующим процессом терминальной деструкции является сульфтредукция, при этом в Уринском источнике было обнаружено максимальное значение скорости сульфатредукции из всех исследованных источников (до 5.53 tS/м² сут). Роль метаногенеза в деструкции органического вещества незначительна.

3.3 Сеюйский источник

3.3.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

Выход источника приурочен к озеру размером 4*7 метров и глубиной 1.5 метра. Температура воды в озере 49.7°, содержание сульфида 5 мг/л, рН воды на изливе 9.6. На дне озера и по поверхности воды озера развиваются микробные обрастания. Далее по изливу развиваются многослойные микробные маты, происходит уменьшение температуры и содержание сульфида.

Таблица 8. Физико-химические условия в биологических зонах Сеюйского источника.

По дну озера, образованного на выходе источника, развиваются микробные обрастания темно-зеленого цвета. В составе мата доминирует Phormidium valderie f. pseudovalderianum, также присутствуют Synechococcus lividus и Chloroflexus aurantiacus. (рис. 6г, таб. 9).

Кроме того, на поверхности озера находится буро-зеленый плавающий мат, температура которого на поверхности составляет 30-40°С (рис. 6а). В прогибах этого мата обнаруживается белесый налет, образованный в результате развития редко встречаемых бесцветных серобактерий Thiophysa sp (рис. 6ж). При температуре 49-47еС в протоке изливающегося из озера источника развивается двухслойный мат толщиной до 3 мм (Зона I). Верхний слой оливкового цвета, толщиной около 1 мм. Нижний слой темно-зеленого цвета, толщиной до 2 мм. В составе мата доминирует Phormidium valderie f. pseudovalderianum, в небольшом количестве представлены колониальные цианобактерии. Из проб микробных матов был выделен штамм аноксигенной фототрофной бактерии Chloroflexus aurantiacus.

При температуре 47-43°С развивается обширное поле микробных матов площадью до 40 м² (Зона II). Толщина матов достигает 13 см. Поверхность мата покрыта небольшими пурпурными пятнами. Видовой состав микроорганизмов, формирующих пурпурные пятна, определить не удалось. Но при микроскопировании были обнаружены крупные (1.5*3 мкм) палочковидные бактерии неизвестной физиологии.

Из проб микробных матов был выделен штамм аноксигенной фототрофной бактерии Chloroflexus aurantiacus. В мате различается до 6 слоев (2000 год). В разных точках зоны и в различные годы может выделяться меньшее число слоев, но общие закономерности структуры мата остаются неизменными.

Первый слой (0-6 мм), темно-зеленого цвета. В верхнем слое мата доминирует Phormidium Woronichinii, редко встречаются Lyngbya aestuarii, единично Gloeocapsa minuta и Gloeocapsa minor. Часто Phormidium valderie f. Pseudovalderianum, Gloeocapsa punctata. и Oscillatoria sp. Много диатомовых водорослей. По объему биомассы в этом слое 80% составляет Phormidium Woronichinii, 10% Phormidium valderie f. pseudovalderianum, 5% Lyngbya aestuarii и 5% - диатомовые водоросли.

Второй слой (6-17 мм), зеленого цвета, с полостями. В составе мата доминирует Phormidium Woronichinii, часто встречается (до 20% биомассы) Phormidium valderie f. pseudovalderianum, единично Lyngbya aestuarii, Calothrix sp1, Gloeocapsa minor.

Третий слой (17-27 мм), темно-зеленого цвета. Видовой состав и соотношение между видами аналогично второму слою.

Четвертый слой (27-32 мм), темно-зеленого цвета. Доминирует Phormidium Woronichinii, его цвет становится интенсивнее, возрастает доля Phormidium valderie f. pseudovalderianum (до 30%). Обнаруживаются также Gloeocapsa minor, Calothrix sp1, Gloeocapsa punctata,. Gloeocapsa minima, редко Calothrix sp2, Lyngbya aestuarii.

Пятый слой (32-57 мм), светло-зеленого цвета. Видовой состав и соотношение между видами аналогично четвертому слою.

Шестой слой (57-67 мм), серая плотная масса, по нижней поверхности покрыта слоем серы. При микроскопировании серобактерии не обнаружены, но в большом количестве обнаруживаются палочковидные бактерии, размерами около 0.5*3 мкм, вероятно деструкторы. Под матом на глубине ниже 67 мм ил черного цвета.

Ниже по течению источника развивается обширное поле низкотемпературного (35-40°С) цианобактериального мата буро-зеленого цвета, по поверхности которого вырастают белесые скопления нитей серобактерий Thiothrix sp.

Таким образом, с уменьшением температуры в Сеюйском сульфидсодержащем источнике состав фототрофного сообщества расширяется и достигает максимального разнообразия при 47-43°C. В этой зоне развивается цианобактериальный мат толщиной до 13 см. Во всех зонах цианобактерии доминируют в составе микробного мата. Аноксигенные фототрофные бактерии встречаются в меньшем количестве, чем цианобактерии. Особенностью видового состава микробного сообщества источника является массовое развитие бесцветных серобактерий Thiophysa sp. и Thiothrix sp.

Таблица 9. Фототрофные бактерии в биологических зонах Сеюйского источника

3.3.2 Биогеохимическая активность

Исследование содержания пигментов и определение скоростей продукционно-деструкционных процессов в микробных матах источника было проведено в 2000 и 2002 годах (рис. 7, таб. 10). Анализ спектров in vivo микробных матов показывает, что в них доминирует хлорофилл а, что указывает на преобладание цианобактерий в составе мата. Максимальное содержание хлорофилла а обнаруживается в зоне II источника при температуре 45еС (169 мг/м²), при более высоких температурах обнаруживается 28-61 мг/м2.

Результаты экспериментов с использованием 14 С-бикарбоната показали, что с понижением температуры скорость фотосинтеза в матах постепенно возрастает. Доля оксигенного фотосинтеза увеличивается, а аноксигенного падает. В матах на дне озера скорость оксигенного фотосинтеза составляет 0.065-0.22 гС/м² сут, скорость аноксигенного 0.18-1.18 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 6 до 55%, доля аноксигенного от 45 до 94%. В зоне I скорость оксигенного фотосинтеза составляет 1.09-1.17 гС/м² сут, аноксигенного 0.1-0.67гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 63 до 91%, доля аноксигенного от 9 до 37%. В зоне II скорость оксигенного фотосинтеза составляет от 1.1 до 3.65 гС/м² сут, аноксигенного от 0.16 до 5.48 гС/м² сут. Доля оксигенного фотосинтеза колеблется от 40 до 94%, доля аноксигенного от 6 до 60%.

Скорость темновой фиксации в матах на дне озера составляет 0.21-4.4 гС/м² сут. С понижением температуры скорость темновой фиксации падает до 0.1 гС/м² сут при 47 С в зоне I и снова возрастает достигая максимума при 45°С (12.1 гС/м² сут). Наибольшая скорость темновой фиксации наблюдается в самом нижнем серосодержащем слое мата.

Скорость сульфатредукции в микробных матах по изливу источника была исследована с применением радиоактивного 35S - сульфата. В матах на дне озера происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0.096-1.29 tS/м² сут. Процессы идут, видимо, за счет доноров электронов, поступающих с водой (Н₂, органическое вещество). По изливу скорость сульфатредукции в микробных матах падает до 0.06-0.38 tS/м² сут при 47°С и возрастает до 0.86 г S/м² сут в зоне II.

Скорость водородного метаногенеза незначительна. В матах на дне озера достигает 17.2-191 мкгС/м² сут, с понижением температуры возрастает до 250 мкгС/м² сут в зоне II. Скорость ацетокластического метаногенеза незначительна. В матах на дне озера достигает 0.27-4.08 мкгС/м² сут, в зоне II - 0.39 мкгС/м² сут.

Таким образом, доминирующим процессом терминальной деструкции в микробных матах источника является сульфатредукция. Максимальная величина расхода органического вещества через сульфатредукцию составляет 0.97 гС/м² сут, тогда как через метаногенез расходуется максимум 833 мкгС/м² сут. По изливу с понижением температуры продуктивность систем резко возрастает. Как следствие, суммарная деструкция также ускоряется, хотя и не так быстро, как продукция органического вещества. В зоне II, где скорости продукционных процессов максимальны, через метаногенез и сульфатредукцию минерализуется до 30% органического вещества. Большая часть оставшегося органического вещества микробных матов, очевидно, минерализуется в процессах кислородного дыхания или захоранивается. Обращает на себя внимание значительное превышение деструкции над продукционными процессами в матах на дне озера, где расход органического вещества составляет до 129% от продукции. Как и в случае с Уринским источником этот дисбаланс может быть объяснен занижением скорости темновой фиксации при инкубировании пробы, тогда как процесс сульфатредукции продолжается за счет деструкции органического вещества.

Таким образом, в сульфидсодержащем Сеюйском источнике наиболее продуктивными являются сообщества развивающиеся при температуре 47-43°С (зона II). В этой зоне обнаружена максимальная скорость оксигенного, аноксигенного фотосинтеза и темновой фиксации углекислоты из всех исследованных нами источников (3.65; 5.48; 12.1 гС/м² сут соответственно). Высокая скорость аноксигенного фотосинтеза при доминировании в составе мата цианобактерий может быть объяснена использованием ими сульфида в качестве донора электронов. Высокая интенсивность темновой фиксации может быть объяснена деятельностью бесцветных серобактерий. Обращает на себя внимание относительно низкое содержание хлорофилла а в цианобактериальных матах источниках на фоне значительной толщины мата и высокой скорости оксигенного фотосинтеза (169 мг/м²). Доминирующим процессом терминальной деструкции является сульфтредукция, роль метаногенеза незначительна.

Таблица 10. Изменение некоторых микробиологических показателей по изливу Сеюйского источника

3.4 Аллинский источник

3.4.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

Нами был исследован источник, изливающийся непосредственно в правую боковую протоку реки на каменистой отмели около подножья террасы высотой в 15-20 м. Максимальная температура на выходе 70-79°С, рН 9.0-9.9, содержание сульфида 12 мг/л. Минерализация 0.5 г/л. Физико-химические параметры источника изливающегося на дне протоки, скорее всего, определяются смешиванием термальных вод с речными водами (таб. 11). Температура речной воды обычно составляет 2-7°С, рН речной воды 8.3.

Таблица 11. Физико-химические условия в биологических зонах Аллинского источника.

В зоне излива при температуре от 79-70°С до 65°С видимые микробные обрастания отсутствуют, дно покрыто песком и мелким гравием. Тем не менее при посевах проб песка из этой точки была выделена культура Chloroflexus aurantiacus.

Микробные маты оливкового цвета начинаются при 65°С, толщина мата до 5 мм (Зона I). В 1999 году, когда уровень речных вод был минимальным и, вероятно, содержание сульфида в воде было максимальным, микробный мат в этой зоне состоял из одного слоя, в его составе доминировал Chloroflexus aurantiacus (рис. 8а,б, таб. 12). В остальные годы микробный мат не обнаруживался, либо состоял из двух слоев. В верхнем слое мата преобладают Chloroflexus aurantiacus, цианобактерии почти не наблюдаются. В нижнем слое мата доминирует Synechococcus elongatus, в меньшем количестве встречается Phormidium laminosum. При микроскопировании в пробах мата обнаруживаются диатомовые водоросли, вероятнее всего они были занесены течением реки. Из проб мата были выделены культуры Chloroflexus aurantiacus и Meiothermus ruber.

При температуре ниже 45°С развивается микробный мат зеленого цвета с толщиной до 2 см (Зона II). При 40°С в толще мата появляться хорошо различимый слой пурпурных бактерий. При температурах ниже 35°С поверхность мата покрывается белым слоем тионовых бактерий и элементной серы. Под ним находится зеленый слой цианобактерий, еще ниже пурпурный. В составе мата доминирует Phormidium Woronichinii, в меньшем количестве встречается аноксигенная фототрофная бактерия Oscillohloris sp., цианобактерии Phormidium laminosum, диатомеи и серная бактерия Thiothrix sp. Единично встречается цианобактерии Gloeocapsa minuta, Microcystis firma, Phormidium frigidum, Oscillatoria amphibia. В пурпурном слое в большом количестве встречается серная пурпурная бактерия Chromatium sp. Из проб мата были выделены культуры мезофильных аноксигенных фототрофных бактерий Heliobacterium sp., Chromatium sp., Thiocapsa sp., несерные пурпурные бактерии Rhodopseudomonas palustris и Rhodobacter sp., использующие сульфид и откладываюшие внеклеточную серу, и культуры сульфатредукторов.

При температуре ниже 35°С (Зона III) в русле протоки в виде длинных белых нитей, прикрепляющихся к камням, развивается обрастания серных бактерий Thiothrix sp., Beggiatoa sp. и цианобактерий Phormidium Woronichinii (рис. 8д).

Также был исследован источник изливающийся из склона правобережной террасы на высоте около 1.5 метров над уровнем протоки. Температура воды на выходе достигает 55°С, рН около 9.6, содержание сульфида около 15.6 мг/л (таб. 11).

При температуре 55°С развивается тонкий (толщина до 0.5 см) микробный мат темно-коричневого цвета (Зона IV). Мат литифицируется. В составе мата доминирует Synechococcus elongatus, в меньшем количестве встречается Chloroflexus aurantiacus и цианобактерии Phormidium Woronichinii, Phormidium laminosum.

На 30 см ниже зоны IV при температуре 45°С развивается микробный мат желто-зеленого цвета толщиной до 0.5 см (Зона V). В верхнем слое толщиной до 1 мм доминирует Chloroflexus - подобный организм, по способности к доминированию в аэробных условиях может быть близким к аноксигенной фототрофной бактерии Heliothrix oregonensis. В более глубоких слоях мата доминируют цианобактерии Phormidium Woronichinii и Synechococcus elongatus. Также в составе мата обнаружены цианобактерии Lyngbya holsatica, Gloeocapsa minuta, Calothrix sp., Lyngbya Martensiana f. minor, единично Microcystis firma, гетеротрофная бактерия Isosphaerapallida (рис. 8г).

Цианобактерии обнаруживаются в значительном количестве, либо доминируют в микробных матах Аллинского источника. Но обращает на себя внимание доминирование, либо массовое развитие термофильной АФБ Chloroflexus aurantiacus в высокотемпературной зоне источника. Также, обращает на себя внимание массовое развитие пурпурных АФБ в мезофильной зоне источника с образованием визуально различимого слоя в мате, и развитие Chloroflexus - подобного организма в поверхностном слое мата развивающегося в зоне V. Столь массовое развитие АФБ в исследованных нами источниках обнаружено только в Аллинском источнике.

Таблица 12. Фототрофные бактерии в биологических зонах Аллинского источника

3.4.2 Биогеохимическая активность

Скорость водородного метаногенеза незначительна. В зоне излива скорость составляет 0.39 мкгС/м² сут. В зоне I достигает 0.28-0.41 мкгС/м² сут, с понижением температуры возрастает до 1.7 мкгС/м² сут в зоне II и падает до 0.79 мкгС/м² сут.

Доминирующим процессом терминальной деструкции в микробных матах источника является сульфатредукция. Максимальная величина расхода органического вещества через сульфатредукцию составляет 3.09 гС/м² сут, тогда как через метаногенез расходуется максимум 6.8 мкгС/м² сут.

Таким образом, в сульфидсодержащем Аллинском источнике микробное сообщество обладает относительно высокой продуктивностью (содержание хлорофилла а до 351.39 мг/м²). Представляет интерес обнаружение аноксигенного фотосинтеза протекающего с значительной скоростью (0.279 гС/м² сут) при температуре около 70°С. Темновая фиксация углекислоты достигает значительной величины (1.69 гС/м² сут). Доминирующим процессом терминальной деструкции является сульфатредукция (до 4.12 tS/м² сут), роль метаногенеза незначительна.

3.5 Большереченский источник

3.5.1 Распространение и видовой состав микробных сообществ в связи с изменением физико-химических условий среды

Источник N 6 выходит двумя грифонами в 3.5 м один от другого (рис.10а). Температура, содержание сульфида, рН и дебет воды в грифонах одинаковые. Вышедшие на поверхность воды сходятся в один ручей через 5.5 м. При слиянии рукавов происходит смешение горячих вод с более высоким содержанием сульфида из короткого рукава и остывающих вод с пониженным содержанием сульфида из более длинного рукава, в котором вода успевает остыть и лишиться части растворенного сульфида. Таким образом, по изливу источника появляются зоны с различными комбинациями температуры и содержания сульфида, что позволяет детально исследовать влияние лимитирующих факторов среды на микробное сообщество. Во время четырех наблюдений, проведенных в различные годы наших исследований, типы микробных сообществ в различных температурных зонах источника N 6 были неизменными. Из каждой температурной зоны отбиралось до 5 проб из точек с различной температурой.

Микроскопирование проб показало, что в зоне излива (зона I) при температуре от 74 до 54°С и содержании сульфида 6 - 13.4 мг/л видимые микробные пленки не развиваются. Отсутствие микробных матов в этой части русла источника может быть объяснено влиянием сразу нескольких ограничивающих рост микроорганизмов факторов: высокой температурой, высоким значением рН и высокой концентрацией сульфида. В зоне II при температуре от 62 до 51°С и содержании сульфида от 3 до 5.9 мг/л развивается тонкий рыхлый желто-зеленый микробный мат толщиной 1-2 мм. В этой зоне происходит разбавление воды из короткого рукава источника остывающими водами из более длинной протоки. При смешении создаются условия для развития мата, в котором представлены аноксигенные фототрофные бактерии Chloroflexus aurantiacus, нитчатые цианобактерии рода Phormidium и Oscillatoria, и одноклеточные цианобактерии Synechoccus elongatus (рис. 10б,в,г).

В зоне III при температуре 54-37°С и содержании сульфида 2.8 мг/л развивается толстый хрящеватый микробный мат толщиной до 1 -1.5 см. Мат расположен на берегу русла ручья, при этом в толще мата создается значительный градиент температур: от 37°С на поверхности до 54°С в глубине. По результатам исследования под световым и сканирующим электронным микроскопом стекол обрастания инкубированных в толще мата (рис. 10е, 11) верхнюю микрозону занимают Synechococcus elongatus, тогда как Phormidium sp. дислоцируются в более глубоких слоях мата (рис. 10ж, 11). Chloroflexus aurantiacus обнаруживается примерно в равном количестве во всей толще мата (рис. 11). В пробах мата при посеве на элективные среды также обнаружены несерные пурпурные бактерии Rhodopseudomonas palustris, Rubrivivax gelatinosus, Blastohloris viridis, Blastohloris sulfoviridis, Rhodomicrobium vannielii, цианобактерия Synechocystis minuscula, Chloroflexus aurantiacus, гелиобактерии и эритробактерии (табл. 15).

В зоне IV при температуре 51-39°С и содержании сульфида 2.9 мг/л в русле ручья развивается тонкий микробный мат толщиной до 3 - 4 мм. Доминируют Phormidium valderiae f. medium, Synechococcus elongatus и Chloroflexus aurantiacus. В пробах этого мата при посеве на элективные среды также обнаружены несерные пурпурные бактерии Rhodopseudomonas palustris, Rubrivivax gelatinosus, Blastohloris viridis, Blastohloris sulfoviridis, Rhodomicrobium vannielii, цианобактерия Synechocystis minuscula, Chloroflexus aurantiacus, гелиобактерии и эритробактерии (табл. 15). Образцы этого мата имеют in vivo спектр поглощения, указывающий на преобладание в сообществе цианобактерий. Этот мат занимает максимальную площадь по изливу (до 10-12 метров в длину) и может считаться типичным для Большереченского источника.

Микробные маты развивающиеся в зонах III и IV отличаются по толщине и структуре. Тем не менее, физико-химические условия среды в данных зонах практически совпадают. Видовой состав обнаруженных и выделенных нами из проб мата организмов также одинаков, что свидетельствует о сходстве микробных сообществ в этих двух зонах. Различия между структурами матов могут быть объяснены различным расположением матов относительно русла ручья и, следовательно, различием в температурном режиме и в режиме увлажнения.

В низкотемпературной зоне V в диапазоне температур 38-25°С мат приобретает более рыхлую структуру, легко разрушающуюся при отборе. Доминирует Phormidium valderiae f. medium. Цианобактерии также представлены одноклеточными Synechocystis sp. и мезофильной нитчатой Oscillatoria subcapitata не встречающейся в зонах с более высокими температурами. В большом количестве встречаются диатомовые водоросли (рис.10д). Также здесь появляются видимые микробные обрастания фототрофных пурпурных серобактерий Allochromatium sp., развивающиеся отдельными пурпурными пятнами, и обрастания бесцветных серобактерий Thiothrix sp. При посеве проб мата на элективные среды обнаруживаются пурпурные серобактерии Thiocapsa roseopersicina, и мезофильные нитчатые зеленые бактерии Oscillohloris sp. (10³ кл/мл), не встречающиеся при более высоких температурах. Термофильный Chloroflexus aurantiacus, встречается в значительно меньшем количестве, чем в высокотемпературных зонах. Также в пробах мата присутствует ряд несерных пурпурных бактерий, гелиобактерий и эритробактерий, обнаруженных в пробах мата из более высокотемпературной зоны IV (табл. ).

Таким образом, с уменьшением температуры в Большереченском сульфидсодержащем источнике состав фототрофного сообщества расширяется и достигает максимального разнообразия при 54-37°C и содержании сульфида около 2.8 мг/л. Во всех зонах цианобактерии доминируют в составе микробного мата. АФБ достигают значительной численности (до 10⁷ кл/мл), но ни в одной из зон источника не доминируют. Особенностью микробного сообщества Большереченского источника является отсутствие видимых микробных обрастаний в зоне I (74-54еС) источника при содержании сульфида 12 мг/л. Скорее всего, это вызвано комбинированым воздействием высокого содержания сульфида, высокого рН и высокой температуры.

3.5.2 Биогеохимическая активность

Измерения содержания хлорофилла а в экстрактах микробных матов показывают, что с понижением температуры содержание пигмента в матах постепенно возрастает. Максимальное содержание хлорофилла а обнаруживается при температуре 40°С (555 мг / м²), в то время как при более высоких температурах обнаруживается 55244 мг хл а/ м². При дальнейшем понижении температуры содержание пигмента падает до 240 мг / м² при 32°С.

Результаты экспериментов с использованием 14 С-бикарбоната показали, что с понижением температуры скорость фотосинтеза в матах постепенно возрастает, вместе с увеличением в них содержания хлорофилла а. В зоне излива источника фотосинтез не обнаруживается, несмотря на присутствие в отобранных пробах грунта цианобактерии Synechococcus elongatus. Далее по изливу источника в зоне II при температуре 62-51°С скорость аноксигенного фотосинтеза (0.105 гС/м² сут) существенно превышает скорость оксигенного фотосинтеза (0.004 гС/ м² сут) (рис.). В цианобактериальных матах, развивающихся в зонах III-IV при температуре 54-37°С, скорость оксигенного фотосинтеза (0.737 гС/ м² сут) превышает скорость аноксигенного фотосинтеза (0.556 гС/ м² сут), что, вероятно, связано с доминированием оксигенных цианобактерий в составе фототрофного сообщества. В этой зоне суммарная скорость фотосинтеза максимальна и достигает 1.3 гС/ м² сут. При дальнейшем понижении температуры, в зоне V при температурах ниже 39°С, скорость оксигенного фотосинтеза падает до 0.071 гС/ м² сут и аноксигенный фотосинтез снова преобладает (0.882 гС/ м² сут).

В зоне излива скорость темновой фиксации углекислоты составляет 0.181 гС/ м² сут. При 62°С скорость темновой фиксации углекислоты понижается и достигает 0.0775 гС/ м² сут, с дальнейшим понижением температуры постепенно возрастает и достигает максимума при 32°С (0.806 г С/ м² сут) (рис.12). Этот показатель отражает суммарную активность хемотрофных микроорганизмов.

Скорости терминальных процессов деструкции в микробных матах и осадках по изливу источника были исследованы с применением радиоактивного S³⁵ - сульфата, 14С-бикарбоната и С¹⁴-ацетата. В зоне излива источника происходит образование сероводорода за счет сульфатредукции со скоростью 0.08 tS/м² сут. В этой же точке обнаружен слабый процесс метанобразования со скоростью 0.726 мкгС/ м² сут. Процессы идут, видимо, за счет доноров электронов, поступающих с водой (Н2, органическое вещество). По изливу скорость сульфатредукции в микробных матах постепенно возрастает (рис.12) и достигает максимума при 40°С (0.367 г S/ м² сут). При дальнейшем понижении температуры до 32°С скорость сульфатредукции падает до 0.053 г S/м² сут.