Углеводный состав цианобактериальных матов содовых озер и термальных источников Байкальского региона

Цианобактериальные сообщества относятся к наиболее древним биоценозам. Цианобактерии в сообществах с другими бактериями определили жизнь на Земле и динамику всех химических и физических процессов на планете более чем 3 млрд лет назад. При благоприятных экологических условиях бентосные сообщества микроорганизмов образуют слоистые обрастания, которые принято называть цианобактериальными матами.

В настоящее время цианобактериальные маты встречаются в основном в биотопах, где сохранились экстремальные условия – содово-соленые озера, термальные источники и др. [1, 2]. Высокие значения температуры, рН и высокие концентрации минеральных солей ограничивают развитие высшей растительности и сопутствующих ей животных. Многие микроорганизмы характеризуются высокой устойчивостью к экстремальным условиям среды [3]. Способность микроорганизмов выживать в этих условиях связана с формированием у них механизмов адаптации к неблагоприятным факторам среды обитания. Изменение содержания органического вещества микроорганизмов и его качественного состава, возможно, является одной из защитных реакций организмов.

Наше исследование направлено на изучение углеводного состава цианобактериальных матов водных экосистем Байкальского региона.

O бъекты и методы исследования

Объектами исследования являлись цианобактериальные маты содовых озер (Белое, Соленое, Верхнее Белое, Хилганта) и щелочных гидротерм (Алла, Сея, Гарга, Кучигер, Уро) Байкальского региона.

Температуру воды измеряли сенсорным электротермометром Prima (Португалия), значения pH – потенциометрически портативным рН-метром (pHep2, Португалия). Минерализацию вод определяли портативным тестер-кондуктометром TDS-4. Концентрацию гидрокарбонатов, карбонатов, хлоридов определяли титриметрическими методами. Содержание сульфатов в воде определяли турбидиметри- ческим методом [4-8]. Содержание органического углерода микробных матов исследовали по методу Тюрина в модификации Никитина [9]. Идентификацию моносахаридов и редуцирующих олигосахаридов проводили с помощью углеводного анализатора LC 2000 (Биотроник, Германия; хроматография на анионите «Durrum DAx8-11»). В качестве стандарта использовали хроматографически чистые препараты. Стандартные растворы углеводов в боратном буфере (рН 8,55) готовили по точной навеске.

Результаты исследований

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

Таблица 1

Физико-химическая характеристика воды содовых озер (г/дм3)

Озеро	Т, ˚С	рН	М	НСО 3 -	СО 3 2-	Cl -	SO 4 2-
Хилганта	29	9,5	40,0	1,37	2,45	13,80	12,20
Верхнее Белое	27	9,7	9,0	4,20	1,30	1,06	1,53
Белое	20	9,5	2,5	0,11	0,24	0,34	0,17
Соленое	23	9,9	5,6	2,17	0,98	0,15	0,24

М – минерализация

Среди физико-химических показателей гидротерм наиболее значимым является температура воды. При выходе на поверхность и по изливу она изменялась в широких пределах (табл. 2). Наиболее высокая температура отмечена на выходе вод источника Уро. Значения рН источников изменялись в пределах от 8,8 до 10,2. Воды исследованных термальных источников являлись слабоминерализованными. В воде большинства источников гидрокарбонаты преобладали над остальными анионами.

Таблица 2

Физико-химическая характеристика воды термальных источников (г/дм3)

Источник	Т,˚С	рН	М	НСО 3 -	СО 3 2-	Cl -	SO 4 2-
Уро, ст. 2	52,1	8,8	0,50	76,25	12,00	17,75	67,90
ст. 5	64,0	8,9	0,52	76,15	15,00	15,09	47,30
Гарга	52,0	9,0	0,75	23,18	64,80	9,83	32,53
Сея	47,0	9,7	0,30	97,60	24,00	16,51	47,40
Алла	38,0	9,0	0,30	122,00	0	14,20	67,00
Кучигер	35,5	10,2	0,80	127,01	0	17,70	92,20

В исследованных содовых озерах и термальных источниках отобраны слоистые цианобактериальные маты. В матах содовых озер зоны развития микроорганизмов чередовались с минеральными слоями. Цианобактериальные маты гидротерм, как правило, представляли собой плотные слоистые структуры. Большинство матов имели студневидную консистенцию. Основу матов в большинстве случаев составляли цианобактерии рода Phormidium . Для матов высоко минерализованного озера Хилганта также было характерно развитие Microcoleus . В матах гидротерм вместе с формидиумами в большом количестве встречались цианобактерии родов Oscillatoria, Mastigocladus, Anabaena . Исследование химического состава показало, что цианобактериальные маты являются высокопродуктивными системами. Они характеризовались достаточно высоким содержанием Сорг (рис. 1). Процессы образования ОВ более интенсивно протекают в цианобактериальных сообществах гидротерм, чем в матах содовых озер. Содержание органического углерода в матах содовых озер находилось в пределах от 12,62 до 19,07%, в матах гидротерм – от 16,10 до 23,86%. Следует отметить, что методика определения Сорг предусматривает расчет углерода по глюкозе. Учитывая, что содержание углерода в глюкозе составляет порядка 40%, можно предположить, что общее содержание ОВ в исследованных матах будет находиться в пределах 25-75%.

Большая часть ОВ матов представлена углеводами. На долю последних приходится более половины ОВ микробных сообществ. Содержание углеводов в матах составляло 10-24%. При этом количество углеводов в матах содовых озер варьировало незначительно, тогда как содержание углеводов в матах гидротерм изменялось в более широких пределах.

□ Сорг

□ К арбонаты

ЕЗ Зола

□ Углеводы

Рис. 1. Химический состав цианобактериальных матов содовых озер и гидротерм (в % от сухого веса)

Содержание углеводов в матах, основу которых составляли цианобактерии, совпадает с содержанием углеводов в накопительных культурах цианобактерий. Согласно литературным данным, цианобактерии могут накапливать от 17 до 43% углеводов. В отдельных случаях общее содержание углеводов в цианобактериях достигало 70% [10, 11]. Высокое содержание углеводов в матах исследованных водоемов может быть обусловлено их важной ролью в функционировании и развитии микробных сообществ. Углеводы входят в состав чехла, клеточной стенки цианобактерий. Кроме того, углеводы могут накапливаться в старых культурах и при действии неблагоприятных факторов. При неблагоприятных условиях окружающей среды (высоких значениях температуры, рН, минерализации) наблюдается ослизнение микробных матов за счет образования микроорганизмами экзополимеров. В состав экзополимеров входят соединения углеводной природы [12, 13].

Изучение углеводного состава (в мольных соотношениях относительно рамнозы) цианобактериальных матов водных экосистем Байкальского региона позволило идентифицировать сахара, которые также присутствуют в составе углеводов цианобактерий [14, 15]. В составе углеводов матов содовых озер, термальных источников и в культурах цианобактерий Ph. frigidum и O. Brevis определены глюкоза, рамноза, галатоза, манноза, ксилоза, арабиноза (фукоза), фруктоза и рибоза. Также в цианобактериальных матах выявлено неидентифицированное соединение, концентрация которого была невелика. При выбранных условиях хроматографирования соединение по времени удерживания было близко к рамнозе. Также следует отметить, что с применением хроматографического метода анализа не удалось разделить арабинозу и фукозу. Время удерживания данных моносахаридов совпадало. По литературным данным, оба сахара могут входить в состав углеводов цианобактерий.

Как в матах, так и чистых культурах цианобактерий глюкоза, галактоза, арабиноза, манноза и ксилоза были наиболее распространенными сахарами, что соответствует ранее проведенным исследованиям. Эти моносахариды обнаружены в составе клеточной стенки, чехлов и экзополисахаридов цианобактерий [15-17] (табл. 3, 4, рис. 2). Рибоза и фруктоза были выявлены не во всех образцах. Рибоза определена в матах озер Белое, Верхнее Белое, в матах гидротермы Сея. Фруктоза не выявлена в образцах озер Соленое и Белое, минеральных источников Сея (плавающий мат), Уро (ст. 5).

Анализ углеводного состава цианобактериальных матов содовых озер и минеральных источников показал, что из простых углеводов преобладали глюкоза и галактоза. Высокое содержание глюкозы, видимо, связано с тем, что данный моносахарид является важным структурным и метаболическим компонентом клетки [10, 11]. Галактозамин входит в состав пептидогликана цианобактерий [13, 16]. Целлобиоза идентифицирована в составе углеводов цианобактериального мата источника Кучигер и культуры цианобактерии O. brevis . Осциллаториевые цианобактерии являлись содоминантами фор-мидиума в матах гидротерм Кучигер, Сея (придонный мат) и оз. Верхнее Белое. Однако наличие дисахарида выявлено только в мате источника Кучигер. Возможно, целлобиоза может продуцироваться цианобактериями рода Oscillatoria. Также наличие целлобиозы только в составе мата гидротермы Кучигер может свидетельствовать о достаточно высокой активности целлюлозообразующих бактерий мата.

Таблица 3

Углеводный состав цианобактериальных матов содовых озер (в мольных соотношениях относительно рамнозы)

Белое Соленое Верхнее Белое Хилганта рамноза 1 1 1 1 манноза 0,98 0,83 0,86 1,15 галактоза 3,99 1,92 3,01 3,19 ксилоза 1,48 0 1,05 0,37 глюкоза 8,5 10,79 4,27 9,57 арабиноза (фукоза) 4,61 н.о. 4,49 2,54 фруктоза н.о. н.о. 0,13 0,59 рибоза 0,34 н.о. 0,35 н.о. н.о. – не обнаружено

Углеводный состав цианобактериальных матов гидротерм (в мольных соотношениях относительно рамнозы)

Рис. 2. Углеводный состав Phormidium frigidum и Oscillatoria brevis

Мо но сахариды

Таблица 4

Алла Сея_____________ еяпридон. мат Сея____ еяплав. мат Гарга Кучигер Уро, ст. 2 Уро, ст. 5 Рамноза 1 1 1 1 1 1 1 Манноза 0,72 6,48 4,45 4,23 1 11,27 5,37 Галактоза 1,47 3,87 4,77 5,42 1,06 14,44 5,96 Ксилоза 0,73 2,22 2,56 5,6 0,14 9,75 4,94 Глюкоза 4,23 4,96 5,51 5,84 6,25 19,31 5,43 Арабиноза (фукоза) 0,84 н.о. 1,17 1,32 0,52 н.о. 0,83 Фруктоза 0,21 0,42 н.о. 0,46 0,84 0,86 н.о. Рибоза н.о. 0,14 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о. Целлобиоза н.о. н.о. н.о. н.о. 0,61 н.о. н.о. н.о. – не обнаружено

Несмотря на сходство видового состава, исследованные маты щелочных гидротерм и содовых озер отличались по количественному составу углеводов. В цианобактериальных матах содовых озер определено наиболее высокое содержание галактозы и арабинозы (фукозы). Кроме того, мольное соотношение маннозы в матах содовых озер было близко к единице. В сообществах гидротерм отмечены более высокие мольные соотношения ксилозы.

В содовых озерах Верхнее Белое и Хилганта, гидротермах Сея и Уро отобраны маты с двух станций. Сравнительное изучение углеводного состава матов показало, что количественные соотношения и качественный состав матов из одного водоема отличались. Углеводный состав исследованных культур цианобактерий Ph. frigidum и O. brevis различался. Изучение углеводного состава показало, что культуры цианобактерий и маты содовых озер и гидротерм также различались по составу углеводов.

Таким образом, развитие цианобактериальных матов зависит от экологических условий среды. В термальных источниках главным физико-химическим фактором среды, оказывающим влияние на формирование матов, является температура [3]. Формирование цианобактериальных матов в содовосоленых озерах определяется минерализацией, соленостью и рН. Для цианобактериальных матов щелочных озер и гидротерм характерно высокое содержание углеводов. Это обусловлено тем, что углеводы являются структурным компонентом клетки, а также выполняют формообразующую и защитную роль в микробных матах экстремальных экосистем [1]. Содержание углеводов наиболее высоко в матах гидротерм, что, возможно, обусловлено экологическими условиями их развития. Цианобактериальные маты значительно различались по углеводному составу. Также следует отметить, что Ph. frigidum и O. brevis различались по составу и содержанию сахаров. Ранее проведенные исследования цианобактериальных матов минерализованных водоемов Арабских Эмиратов [14] и Полинезии [15] показали, что углеводный состав цианобактериальных матов не зависит от видового состава микроорганизмов. Следует отметить, что в исследованных матах щелочных экосистем преобладали глюкоза и галактоза.