Влияния температуры и органических веществ на микробное сообщество прибрежной зоны озера Байкал

Озеро Байкал является одним из величайших озер мира [1–2]. Прибрежная зона озера Байкал является индикаторной, экотонной зоной, которая подвергается автохтонным и аллохтонным воздействиям, где биологические сообщества быстро реагируют на изменения экосистем, в том числе поступление органических веществ [3]. Температура среды является важным физическим фактором, определяющим не только интенсивность развития, но и возможность существования микроорганизмов [4]. В глубинной части озера Байкал температура является стабильно низкой (около 4оС), в прибрежной части температура варьирует в зависимости от сезона года, достигая в июле и августе 18–24оС [5]. Ранее установлена зависимость интенсивности микробных процессов в грунтах мелководных заливов озера Байкал от сезонных изменений температуры [6].

Цель работы: определить влияние изменения температуры и органических легкоразлагаемых веществ на формирование микробных сообществ прибрежной воды озерам Байкал в условиях эксперимента

Объекты и методы исследования

Пробы воды были отобраны в зоне уреза воды озера Байкал на участке туристско-рекреационного пользования у п. Горячинск (восточное побережье озера). Физико-химические показатели воды — температуру, рН, окислительно-восстановительный потенциал, минерализацию, содержание кислорода — определяли соответствующими портативными приборами. Общая численность бактерий определялась подсчетом бактерий на мембранных фильтрах с диаметром пор 0,22 мм, окрашенных эритрозином. Численность орга-нотрофных бактерий определялась по росту колоний на среде РПА, разведенной в 10 раз. Выделение ДНК производили с помощью коммерческого набора AxyPrepBacterialGenomic DNA MiniprepKit (Axygen, США). Параллельное секвенирование ампликонов было проведено в Центре коллективного пользования СО РАН «Геномика» (Новосибирск, Россия). Таксономическое разнообразие микробного сообщества оценивали с помощью пакета программ RDP.

Для постановки эксперимента в колбы объемом 500 мл была помещена отобранная природная вода в объеме 200 мл. Колбы закрывались ватными пробками и инкубировались при температуре 4оС в холодильнике и при температуре 30оС в термостате. Для инкубации проб с органическими добавками в колбы предварительно вносили смесь субстратов — глюкозы в количестве 1% и пептона в количестве 1%. Колбы инкубировали в течение 5 суток, периодически помешивая. Подготовку и анализ проб после эксперимента для определения численности и разнообразия производили так же, как и подготовку и анализ нативного образца (контроля).

Результаты и обсуждение

Значения физико-химических показателей воды в месте отбора были сопоставимы со средними для озера [1–2] (табл.). Температура при отборе составляла 6оС. Величины продукции и деструкции органического вещества были незначительны. Общая численность бактерий составляла 276 тыс. кл/мл, концентрация органотрофных бактерий, потребляющих легкоразла-гаемые органические субстраты, была высока и составляла 94% от общей численности бактерий.

В ходе эксперимента было исследовано изменение общей численности и численности органотрофов после инкубации сообщества при 4оС и при 30оС, а также с добавками органических веществ (рис. 1).

После инкубации при 4оС общая численность бактерий и численность ор-ганотрофов понижалась. При 30оС общая численность бактерий возрастала, численность органотрофных бактерий была сопоставима с таковой после инкубации при 4оС. Добавки органических веществ стимулировали рост численности как при 4оС, так и при 30оС. При 30оС с добавками наблюдались максимальные показатели численности. Таким образом, изменение температуры практически не влияло на показатели численности бактерий, в отличие от изменения условий добавлением органических легкоразлагаемых веществ, что стимулировало рост бактерий, причем при обогащении органическими субстратами больший рост наблюдался при более высокой температуре.

Таблица 1

Физико-химические и функциональные показатели прибрежной воды озера Байкал (п. Горячинск)

Рис. 1. Численность природного бактериального сообщества прибрежной воды озера Байкал (контроль), после инкубации при температурах 4оС и 30оС (обозначения 4 и 30), после инкубации с органическими субстратами (обозначения 4 добавки и 30 добавки)

Структура сообщества после инкубации при температурах 4оС и 30оС без

Рис. 2. Структура природного бактериального сообщества прибрежной воды озера Байкал (контроль), после инкубации при температурах 4оС и 30оС (обозначения 4 и 30), после инкубации с органическими субстратами (обозначения 4д и 30д)

Основу сообщества прибрежной воды составляют представители бактериальных филумов Bacteroidetes (51%) и Proteobacteria (41%). Субдоминантом был представлен филум Firmicutes в количестве 5%. Доля остальных филу-мов в сообществе была незначительна.

Добавление органических веществ значительно меняло структуру сообщества. При 4^оС доля протеобактерий возрастала и составляла основную часть сообщества (85%), доля бактероидов снижалась и составляла около 13%. При 30^оС доля протеобактерий также была очень высока (67%), а бактероиды вытеснялись филумом Firmicutes (около 33%). Вероятно, доля протеобактерий повышается с увеличением поступления субстратов и температуры окружающей среды.

Сложность сообщества также уменьшалась — количество детектированных родов бактерий уменьшилось до 55 при температуре 4оС (при этой же температуре культивирования без добавок — 69), и при температуре 30оС — уменьшилось до 60 (при этой же температуре культивирования без добавок — 86). Состав доминирующих родов также изменялся. При 4оС в сообществе наблюдалось доминирование представителей родов Pseudomonasи Flavobacterium, при 30оС- Aeromonasи Lactococcus.

Таким образом, изменение температуры в условиях эксперимента практически не влияло на показатели численность и состав бактерий прибрежной зоны озера Байкал. Добавление органических легкоразлагаемых веществ стимулировало рост бактерий и изменяло состав сообщества.

Работа выполнена при поддержке Комплексной программы ФНИ СО РАН № П-2II, проект 2П/У1.55-1и гранта РФФИ №16-48-030881 р_а