Влияние температуры на активность микробного сообщества озера Байкал

Экологические факторы среды обитания влияют на распространение и активность микроорганизмов [1, 2]. Температура, минерализация, рН, содержание кислорода, органического и неорганического веществ в основном определяют функциональное разнообразие микроорганизмов, их численность и скорость, проводимых ими процессов.

Стабильно низкие температуры (от +3 до +6,2 °С) в придонных слоях воды верхних слоях осадков глубоководных районов озера Байкал определяют развитие и функционирование психрофильного микробного сообщества, которое участвует в круговороте веществ и энергии [3, 4].

Объекты и методы исследования

Пробы осадков отбирали на мелководье в стерильную посуду, пелиагали – при помощи грейфера, прямоточных геологических трубок и подводного обитаемого аппарата «Мир».

Температуру воды и донных осадков измеряли с помощью сенсорного электротермометра Prima (Португалия). Скорость процессов продукции и деструкции в воде и осадках определяли по методу Винберга. Скорость образования метана и сульфатредукции определена радиоизотопным методом [5]. Пробы воды отбирали в 25 мл пенициллиновые флаконы с резиновыми пробками, которые закатывали алюминиевыми крышками, осадков – в пластиковые шприцы с резиновыми пробками. В пробы вводили 0,1–0,2 мл раствора NаН¹⁴СО 3 и Na³⁵SO 4 , инкубировали в течение 1–2 суток и фиксировали формалином. Обработку фиксированных проб производили по известным методикам.

Результаты и обсуждение

Пробы донных отложений были отобраны в различных районах оз. Байкал с глубин от 2 до 1571 м. В мелководных станциях осадки были представлены илистым или мелкозернистым песком, в глубоководных станциях – различными типами илов. Температура воды и поверхностных слоев осадков мелководья исследованных районов варьировала от 0,2 (зима) до 24,1 °С (лето). В весенне-летне-осенний период температура изменялась в зависимости от погодных условий. Температура придонной воды и осадков глубоководных районов была более стабильной и составляла 3,1–6,4 °С. Значения рН были нейтральными или слабощелочными (6,7–8,2).

Определение скорости микробных процессов продукции и деструкции органического вещества в водной толще и донных осадках залива Провал было проведено в весенне-летне-осенний период (табл. 1). Полученные результаты показывает прямую зависимость микробной активности от температуры. Наибольшие скорости выявлены при летнем прогреве воды до 14–22 °С. В июле 2008 г. при температуре воды от 17 до 22 °С скорость продукции и деструкции достигает 168 и 152 мкг С/л сут. Высокие скорости фотосинтеза и темновой фиксации (86,65 и 4,25 мкг С/л сут. соответственно) измерены в августе 2009 г. при температуре 18,8 °С.

Таблица 1

Продукция и деструкция органического вещества в воде залива Провал (мкг С/л сут.)

Повышение температуры в верхних слоях осадков в весенне-летне-осенний период влияет на активность микробного сообщества. Высокие скорости фотосинтеза и темновой фиксации СО₂ в поверхностных слоях осадков мелководных заливов наблюдаются в летних пробах, когда температура осадков поднимается до 13–15 °С. Максимальная скорость фотосинтеза (0,55 мкг С/дм³ сут.) и темновой фиксации СО 2 измерена в пробах, отобранных при температурах 12,6 и 13,8 ^оС соответственно. Высокая скорость аэробной деструкции (110,6 мкг С/дм³ сут.) зафиксирована в пробах, отобранных в сентябре при температуре 12,9 ^оС. В анаэробных условиях при температуре 13,8 °С скорость деструкции достигает 64,74 мкг С/дм³ сут. (табл. 2).

Таблица 2

Фотосинтез и темновая фиксация СО 2 в осадках залива Провал (мкг С/дм³ сут.)

Количественная оценка активности микроорганизмов показывает, что температура является важным фактором регуляции микробной деятельности в мелководных участках озера. Весенний прогрев воды и относительно высокие температуры в течение лета и ранней осени в прибрежных водах и осадках, особенно в заливах, благоприятствуют активной деятельности микробного сообщества. Высокие скорости продукции и деструкции органического вещества измерены в водах залива Провал в июле – сентябре. В донных осадках этого залива высокие скорости процессов продукции и деструкции зафиксированы при относительно высоких температурах в августе и сентябре.

В глубоководных осадках, где измерены низкие температуры в пределах 3,1–5,7 оС, развиваются психрофильные прокариоты. Это сообщество, адаптированное к низким температурам, активно участвует в процессах круговорота биогенных элементов. В этих осадках зафиксированы максимальные значения скорости аэробной и анаэробной деструкции, равные 24,3 и 59,7 мг С/см3 сут. соответственно (табл. 3).

Таблица 3

Расход С орг в микробных процессах в осадках озера Байкал ( мг С/см³ сут.)

Определение скорости микробных процессов показывает, что бактериальное образование метана является основным терминальным процессом разложения органического вещества в глубоководных и мелководных осадках Байкала. В 1 кг ила за сутки на образование биогенного метана расходуется до 15,63 мг С, тогда как на восстановление сульфатов – только до 0,099 мг С. Активная деятельность метаногенных архей оказывает ключевое влияние на потоки вещества и энергии в биоценозе донных отложений озера Байкал, особенно в районах термальных проявлений в бухте Фролиха.

Таким образом, экологические условия в донных осадках озера Байкал благоприятствуют деятельности анаэробного психрофильного сообщества. Хемолитотрофы и фототрофы участвуют в продукции органического вещества. Процесс деструкции осуществляется органо- и хемолитотрофными анаэробами. Низкая концентрация сульфатов в воде и осадках озера ограничивает активность суль-фатредукторов – конкурентов метаногенов на терминальных этапах анаэробной деструкции органического вещества. Поэтому большая часть органического вещества на конечных этапах анаэробной деструкции используется для синтеза метана. Проведенные исследования показывают, что психро-фильное микробное сообщество играет важную роль в круговороте веществ и энергии при низких температурах, характерных для озера Байкал.