Деструкция органических веществ в донных осадках содово-соленых озер Забайкалья

Деструкция органического вещества (ОВ) является важнейшим процессом, определяющим существование биологического круговорота элементов в природе и обеспечивающим устойчивость биоценозов. Благодаря активности различных ферментных систем микроорганизмы играют ведущую роль в деструкции органического вещества. Они являются постоянными компонентами бактериального ценоза естественных илов, активно воздействуют на трансформацию органических и минеральных соединений озерных осадков и имеют важное геохимическое значение [1].

Преобладающей группой микроорганизмов в микробном сообществе донных осадков являются прокариоты. Их численность достигает 106109 микробных клеток. Основную роль в разложении органических веществ играют бактерии – гидролитики. Большой интерес среди них представляют целлюлозоразрушающие (ЦРБ) и протеолитические (ПБ) бактерии. Им принадлежит главная роль в круговороте углерода, так как целлюлоза, составляющая до 50% растительного материала, является самым распространенным органическим полимером в природе. Животные ткани содержат до 80 % белка.

Биологическое сообщество водоемов получает ОВ в виде растворенных веществ и взвешенных частиц, которые составляют основную массу остатков. Большую часть ОВ биота водоемов получает в виде твердофазной мортмассы фотоавтотрофов, в виде биополимеров (белки, полисахариды). Поэтому первой фазой разложения этих крупных, имеющих сложное строение молекул является их деструкция до более простых фрагментов [2].

Целью данной работы являлась оценка деструкции белка и целлюлозы в донных осадках содово-соленых озер Забайкалья.

Объекты исследования

Объектами нашего исследования явились пять содово-соленых озер Бурятии: оз. Верхнее и Нижнее Белое – Джидинский район, оз. Белое – Иволгинский район, оз. Соленое – Кяхтинский район и оз. Сульфатное – Селенгинский район. Отбор проб был проведен в июле 2010г.

Материалы и методы исследования

Для микробиологических исследований пробы осадков отбирали в стерильную посуду. Для оценки деструкции органических полимеров отбирали структурно ненарушенные прибрежные донные осадки озер до глубины 10-12 см. Осадки помещали в отдельные пластиковые емкости для создания микрокосм в лабораторных условиях. В процессе эксперимента температура в помещении варьировала в диапазоне 20-28°С. Во время экспозиции аппликационных стекол емкости закрывали полиэтиленовой пленкой с небольшими отверстиями для доступа воздуха.

Cорг= m ·100% , где Сорг – содержание углерода в осадках; a – содержание углерода, найденное по графику (г); m грунта (г).

Учет численности физиологических групп . Численность аэробных и анаэробных бактерий-деструкторов определяли методом предельных разведений на минеральной среде состава (г/л): KH 2 PO 4 – 0,2; MgCl 2 ∙6H 2 O – 0,1; NH 4 Cl – 0,5; KCl – 0,2; дрожжевой экстракт – 0,01. В качестве субстратов вносили (в %) для протеолитиков пептон (1,5); для целлюлолитиков – полоску фильтровальной бумаги (2). Сапрофитные бактерии определяли на среде Рlate Count Agar:10 (Difco Laboratories, Detroit Michigan USA). Значения рН и минерализации, соответствующие гидрохимии озер, устанавливали с помощью 10

По мере необходимости подливали пробы воды соответствующих озер.

Определение содержания С орг в донных осадках . Содержание органического углерода в навеске донных осадков определяли методом мокрого сжигания по И.В. Тюрину в модификации Б.А. Никитина [3,4].

Содержание углерода вычисляли по формуле:

– навеска

% стерильных растворов NaHCO 3 , Na 2 CO 3 и NaCl. Посевы инкубировали в термостате при 30⁰С.

Определение скорости разложения целлю лозы и белка . Скорость разложения белка и целлюлозы определяли аппликационным методом Мишустина и Петровой in vitro c помощью белкового субстрата- желатины фотобумаги, целлюлозы – фильтровальной бумаги [5,6]. Определения проводили в шести повторностях.

Скорость разложения определяли по формуле:

V = R нач – R кон Х 100%/T,                                     (2)

Rнач где V – скорость разложения (%/сут); Rнач – начальное измерение (г,см); Rкон – конечное измерение (г,см); Т – время аппликации (сут).

Статистическую обработку данных выполняли по формулам:

х ср .                                                                 (3)

" ” (n - 1)     ,                                                            (4)

где хср – среднее арифметическое; хi – варианта; n – объем выборки;    – среднее квадратичное отклонение, происходящее на одном измерении (или стандартное отклонение отдельного измерения).

SKMi ^-хф)

S x =4   ^nl                                     (5)

CV= ^^^^^             ,                                                             (6)

где S_x – среднее квадратичное (стандартное) отклонение для выборки; С V – коэффициент вариации, (%).

где r_xy – эмпирический коэффициент корреляции, x_i и y_i – парные значения сопряженных признаков X и Y; x_ср и y ср – средние арифметические [7].

Д . В . Егорова , Л . П . Козырева Деструкция органических веществ в донных осадках содово-соленых озер Забайкалья

Результаты и обсуждение

На период отбора проб изучаемые озера имели щелочные значения рН 9,0-10,0; значения минерализации варьировали от 2,1 до 12,3 г/л. Температура воды составила от 19,4 до 30,4°С (табл.1).

Таблица 1

Основные физико - химические параметры исследуемых озер

Озеро	Температура, °С	рН	ОМ,г/л
Верхнее Белое	27,6	10,0	9,6
Нижнее Белое	30,4	9,8	4,4
Белое	19,4	9,0	2,1
Соленое	25,6	9,8	9,3
Сульфатное	20,8	9,2	12,3

Важным параметром, влияющим на активность микробного сообщества, является концентрация органического углерода (С орг ), который служит субстратом для гетеротрофных микроорганизмов. Определение содержания С орг в донных осадках показало наибольшее его содержание в илистых осадках оз. Соленое – 7,50%, наименьшее – в песчаных осадках оз.

Верхнее Белое – 0,03% (табл.2). Полученные значения для осадков озер Нижнее Белое, Белое и Соленое отличались незначительно от определений, выполненных в 2002-2010 г. Для осадков оз. Верхнее Белое отмечено сравнительно более низкое содержания С орг в отличие от осадков оз. Сульфатное, где содержание С орг увеличилось [8,9,10].

Таблица 2

Содержание С орг в донных осадках озер

Озеро	Описание пробы	Содержание С орг ,%
Верхнее Белое	крупнозернистый песок	0,03
Нижнее Белое	темно-серый ил	1,15
Белое	мелкозернистый песок	0,90
Соленое	черный ил	7,50
Сульфатное	темно-серый ил	3,06

Определение численности основных физиологических групп бактерий-деструкторов показало, что среди исследуемых групп бактерий-деструкторов наиболее многочисленными являются ПБ (табл.3). Численность данной группы в донных осадках была на 1-2 порядка выше, чем целлюлолитиков. Сравнивая их по величине ко- эффициента вариации, видим, что количество ЦРБ более изменчиво: CVцРБ= 35,9% и CVпб=25,1%. Доминирование группы протеолитических бактерий, скорее всего, обусловлено легкой доступностью белковых субстратов и их утилизацией.

Таблица 3

Оценка численности физиологических групп

Озеро	ПБ, кл/мл		ЦРБ, кл/мл		Сапрофиты
	аэробы	анаэробы	аэробы	анаэробы
Верхнее Белое	108	105	106	107	-
Нижнее Белое	109	106	104	103	-
Белое	107	104	104	102	1,5Ч104
Соленое	109	106	107	107	1,1Ч106
Сульфатное	109	107	105	107	1,6Ч106

Примечание: «-» – не учтено.

Как и в ранее проведенных исследованиях, отмечается доминирование аэробных ПБ над анаэробными на 2-3 порядка и анаэробных ЦРБ над аэробными.

В результате оценки скорости разложения белка и целлюлозы аппликационным методом показано, что наибольшая скорость разложения целлюлозы наблюдается в оз. Соленое (5,26±1,44) (табл.4). Наименьшая скорость – в оз. Белое (0,10±0,02). Определения скорости разложения белка по массе и площади показывают разные данные, но при этом они коррелируют между собой: наибольшая скорость разложения белка и по площади (12,3±2,6) и по массе

(4,95±1,08) наблюдается в осадках оз. Нижнее Белое. Наименьшая скорость разложения белка по площади и массе обнаруживается в оз. Сульфатное (8,6±2,3 и 1,50±0,81 соответственно). Сравнивая по величине коэффициента вариации, видим, что скорости разложения целлюло-зы( CV 1 ) варьируют больше, чем скорость разложения белка( CV 2 ): CV 1 = 86,8% и CV 2 = 56,1%.

По данным предыдущих исследований, были зафиксированы следующие скорости разложения белка ( % ): Верхнее Белое – 2,5; Нижнее Белое – 2,4; целлюлозы – 0,6 и 1,0 соответственно [8,9,10].

Таблица 4

Средние скорости разложения белка и целлюлозы в донных осадках озер

Озеро	Средняя скорость разложения
	целлюлозы по массе,%/сут	белка,%/сут
		по площади	по массе
Верхнее Белое	3,25±0,87	11,6±2,9	1,63±0,32
Нижнее Белое	2,10±1,25	12,3±2,6	4,95±1,08
Белое	0,10±0,02	11,8±3,4	2,45±0,61
Соленое	5,26±1,44	11,5±3,5	2,05±0,86
Сульфатное	0,95±0,13	8,6±2,3	1,50±0,81

Корреляционный анализ между численностью ПБ и скоростью разложения белка показывает положительную связь, при которой коэффициент корреляции равен 0,59. То же можно сказать и в отношении корреляции между численностью ЦРБ и скоростью разложения целлюлозы (r=0,55).

Таким образом, установлено, что в осадках содово-соленых озер, характеризующихся различным содержанием органического вещества, активно протекает его деструкция. Это обусловлено высокими численностями основных групп гидролитических бактерий, о чем свидетельствуют положительные корреляции между численностью и скоростью разложения полимеров.