Видовой состав и экофизиология цианобактерий солоноватых и соленых озер южного забайкалья
На правах рукописи
Цыренова Дулма Доржиевна
ВИДОВОЙ СОСТАВ И ЭКОФИЗИОЛОГИЯ
ЦИАНОБАКТЕРИЙ СОЛОНОВАТЫХ И СОЛЕНЫХ ОЗЕР
ЮЖНОГО ЗАБАЙКАЛЬЯ
03.00.16 - экология
03.00.07 - микробиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Улан-Удэ – 2009
Работа выполнена
в Институте общей и экспериментальной биологии СО РАН
| Научный руководитель: | кандидат биологических наук Брянская Алла Викторовна |
| Научный консультант: | кандидат биологических наук Намсараев Зоригто Баирович |
| Официальные оппоненты: | доктор биологических наук, профессор Горленко Владимир Михайлович |
| кандидат биологических наук Буянтуева Любовь Батомункуевна | |
| Ведущая организация: | Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН |
Защита диссертации состоится «14» мая 2009 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.022.03 в Бурятском государственном университете по адресу: 670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24 а, конференц. зал.
Факс: (3012)210588
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бурятского научного центра СО РАН и Бурятского государственного университета
Автореферат разослан «13» апреля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат биологических наук Шорноева Н.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Солоноватые и соленые озера, сочетающие экстремально высокие значения рН с повышенными концентрациями солей вплоть до насыщения, стали в последнее время объектом интенсивного изучения. Это связано, прежде всего, с тем, что такие озера считаются центрами возникновения микробного разнообразия и местами сохранения уникальных реликтовых микробных сообществ, основными доминантами в которых являются цианобактерии (Заварзин, 1993; Герасименко и др., 1996; Заварзин, Жилина, 2000). Цианобактерии играют ключевую роль в геохимии галинных систем и вносят значительный вклад в циклы основных биогенных элементов, поскольку являются главным источником органического вещества (Дубинин и др., 1995; Заварзин, 2007; Герасименко, 2007).
Южное Забайкалье богато многочисленными солоноватыми и солеными озерами. Формированию этих озер благоприятствует мелкосопочный рельеф с большим количеством депрессий и полуаридный климат, способствующий испарительному концентрированию поверхностных вод (Содовые озера…, 1991; Власов, Филиппова, 1993; Кулырова, 1999; Дзюба и др., 2005). Многие из этих озер изучены в геохимическом, гидрологическом и микробиологическом отношении (Содовые озера…, 1991; Брянцева, 2000; Намсараев, Намсараев, 2007; Сорокин, 2007; Болдарева, 2008). В некоторых из этих озер исследовано разнообразие цианобактерий, изучены скорости продукционных и деструкционных процессов в цианобактериальных матах (Герасименко и др., 2002; Брянская, 2002; Компанцева и др., 2005). Однако выделение чистых культур цианобактерий и изучение их систематического положения молекулярно-биологическими методами ранее для озер Южного Забайкалья не проводилось.
Целью настоящей работы являлось изучение видового состава и экофизиологии цианобактерий солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья.
В связи с этим были поставлены следующие задачи:
- Изучить физико-химические характеристики среды обитания цианобактерий.
- Определить видовой состав и продуктивность цианобактериальных сообществ.
- Выделить монокультуры цианобактерий, определить их таксономическое и филогенетическое положение.
- Изучить влияние физико-химических факторов на рост и развитие цианобактерий.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование видового разнообразия и экофизиологии цианобактерий солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья. Выявлено 28 видов цианобактерий, 10 из которых ранее не были отмечены. Показано, что в зависимости от физико-химических условий, существующих в исследованных озерах, формируются разнотипные микробные сообщества, отличия между которыми выявляются на родовом уровне. Для более точного определения систематического положения цианобактерий озер Южного Забайкалья впервые в совокупности были использованы микроскопические, культуральные и молекулярно-биологические методы.
Теоретическая значимость. Полученные результаты расширяют представление о разнообразии цианобактерий в озерах Южного Забайкалья и их функциональной роли в этих экосистемах. Выявленные закономерности распространения и физиологической активности цианобактерий предоставляют возможность прогнозировать изменения в составе и структуре микробных сообществ исследованных озер.
Практическая ценность. Результаты исследований физико-химических характеристик озерных вод могут быть использованы для проведения экологического мониторинга солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья, а также для бальнеологической оценки озерных систем. Выделенные и описанные культуры цианобактерий дополнят коллекцию микроорганизмов-экстремофилов экосистем Забайкалья и могут быть использованы в биотехнологии в качестве продуцентов биологически активных веществ.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены автором на V межрегиональной научной конференции молодых ученых «Научный и инновационный потенциал Байкальского региона», Улан-Удэ, 2005; Всероссийской конференции с международным участием «Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии», Улан-Удэ, 2006; Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи», Улан-Удэ, 2007; Втором Байкальском микробиологическом симпозиуме с международным участием «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек и водохранилищ», Иркутск, 2007; Молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии», Москва, 2008.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 работ, 2 в печати.
Работа выполнена при поддержке грантов: Программа Минобразования и науки РФ № РНП 2.1.1/2165, НОЦ «Байкал», Президиума СО РАН № 38 и 95.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов, объектов и предмета исследования, результатов и обсуждения, заключения, выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Работа содержит 124 страниц машинописного текста, иллюстрирована 24 таблицами, 22 рисунками и 15 фотографиями. Список литературы включает 122 отечественных и зарубежных источников.
Основное содержание работы
Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
В литературном обзоре приведена история исследования, оценка состояния изученности, биологическая и физико-химическая характеристика солоноватых и соленых озер аридных зон нашей планеты, в том числе и Южного Забайкалья. Рассмотрены структура и функционирование микробных сообществ экстремальных экосистем. Приведены данные об основных свойствах цианобактерий, их морфологии, физиологии и биохимии. Обобщены и проанализированы методы изучения цианобактерий.
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Физико-химические методы исследования водоемов. Непосредственно на месте отбора проб измеряли температуру, рН, общую минерализацию воды. Температуру измеряли сенсорным электротермометром Prima (Португалия), рН среды - потенциометрическим портативным рН-метром (рНер2, Португалия), общую минерализацию - портативным рефрактометром MASTER-PM (Atago, Япония). Концентрацию основных ионов определяли общепринятыми титриметрическими методами (Алекин и др., 1973).
Пробы воды, микробных матов, донных осадков и илов отбирали в стерильные емкости по общепринятой методике (Водоросли…, 1989). Введение радиоизотопов и фиксацию проб проводили непосредственно на берегу озера. Для определения хлорофилла а в пробы добавляли глицерин или 96% спирт (Thompson et al., 1999). Для определения видового состава цианобактерий и общей численности микроорганизмов пробы фиксировали 4% формалином. Микроскопирование проб на месте отбора проб проводили с помощью микроскопа МБИ-15 (Россия). Пробы воды и микробных матов для радиоизотопного анализа набирали в пенициллиновые флаконы.
Скорости общего и аноксигенного фотосинтеза, темновой фиксации CO2 определяли радиоизотопным методом (Кузнецов, Дубинина, 1989; Полевой практикум …, 2006). Определение изотопного состава углерода в микробных матах и донных осадках проводилось при помощи масс-спектрометра МИ-1201 (Есиков, 1980).
Определение видового состава цианобактерий. Микроскопирование цианобактерий проводили с помощью микроскопов МБИ-15 (Россия), PZO (Польша) и Axiostar plus (Carl Zeiss, Германия). Определение таксономической принадлежности цианобактерий на основании морфологических признаков проводили по Еленкину, Голлербаху (Еленкин, 1949; Голлербах и др., 1953) и уточняли по Комареку и Анагностидису (Komrek&Anagnostidis 1999, 2007). Для оценки сходства или различия таксономического спектра цианобактерий был применен коэффициент флористической общности Жаккара, модифицированный Малышевым (Малышев, 1972).
Методы выделения культур. Для получения активных накопительных культур цианобактерий была выбрана модифицированная среда «M» следующего состава (г/л): Na2CO3 – 5.0, NaHCO3 – 5.0, NaCl – 5.0, K2HPO4 – 0.5, MgSO4·7H2O – 0.5, NaNO3 – 1.5, KCl – 0.5, Na2SO4 – 2.0, FeCl3 – 0.5, раствор микроэлементов «А5» - 1 мл, витамина В12- 20 мкг. Раствор микроэлементов «А5» содержал H3BrO3 – 2.86, MnCl2·4H2O – 1.81, ZnSO4·7H2O – 0.222, Na2Mo4·2H2O – 0.39, CuSO4·5H2O – 0.079, Co(NO3)2·6H2O – 0.0494.
Выделение монокультур цианобактерий проводили на агаризованных средах с помощью стереоскопического микроскопа МС-2 (Россия) с увеличением 7х-90х. Культивирование проводили в условиях лабораторного люминостата в непрерывном режиме при температуре 20-25оС и освещенности 2000 лк. Чистоту культур контролировали микроскопически.
Молекулярно-биологические методы. Для разрушения клеточной стенки цианобактерий биомассу культур обрабатывали 10% саркозилом и жидким азотом. Затем добавляли додецилсульфат натрия (СДС) и протеиназу К. Выделение ДНК проводили смесью фенол/хлороформ и хлороформом. Осаждение ДНК проводили 96% этанолом. Были проанализированы нуклеотидные последовательности фрагментов генов 16S рРНК длиной около 1400 нуклеотидов. Ген 16S рРНК амплифицировали со специфичным цианобактериальным праймером CYA 27f (5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’) и универсальным эубактериальным праймером 1492r (5'-TACGGYTACCTTGTTACGACTT-3’) (Lane, 1991). Полимеразно-цепную реакцию (ПЦР) проводили на приборе GeneAmp PCR System 2700 (Applied Biosystems, США). Продукты ПЦР разделялись в 1% агарозном геле. Рестрикционный анализ проводили с использованием рестриктазы Hin61. Определение нуклеотидных последовательностей генов 16S рРНК проводили на автоматическом секвенаторе CEQ 2000 XL (Beckman Coulter, США) в соответствии с инструкцией. Для нахождения близкородственных организмов к культурам цианобактерий использовали базы данных RDBII - http://rdp.cme.msu.edu и NCBI - http://www.ncbi.nlm.nih.gov. Последовательности генов 16S рРНК выравнивали с помощью программы CLUSTALX (Thompson et al., 1994). Построение филогенетических деревьев производили с помощью пакета программ TREECON (Van de Peer and De Wachter, 1994).
Изучение особенностей роста цианобактерий в градиенте рН – минерализация. Эксперимент был проведен в лабораторных условиях на цианобактериальном мате озера Хилганта, отобранном в период пересыхания озера (2006 г.) и на выделенных из озерных проб монокультурах цианобактерий. Градиент рН - минерализация задавали в диапазоне рН от 7,5 до 9,5 и концентрации NaCl (г/л): 0, 1, 5, 10, 20, 50, 100, 150, 200, 250, 300. Значения рН устанавливали, используя рассчитанные соотношения 10% растворов карбоната и бикарбоната натрия. рН контролировали при помощи рН-метра Hanna Instrument pH 211 (Россия). Выращивание цианобактерий проводили в условиях лабораторного люминостата с освещением на поверхности среды 2000 лк. Накопление биомассы культурами определяли по оптической плотности на спектрофотометре CECIL 1021 (США). Продолжительность эксперимента составила от 4 до 8 недель. Статистическую обработку данных проводили с помощью программ Microsoft Excel и Statistica 6.0.
Глава 3. ОБЪЕКТЫ И ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследований являлись солоноватые и соленые озера Южного Забайкалья, географически делящиеся на две группы: озера Селенгинской Даурии (Республика Бурятия) и озера Онон-Борзинского бассейна (Забайкальский край). В Селенгинской Даурии расположены озера Сульфатное, Белое (Оронгойское), Верхнее Белое, Соленое (Киран). Озера Онон-Борзинского бассейна делятся на три подгруппы: Ононские, Борзинские и Агинские. К Агинской подгруппе относятся Горбунка, Хилганта, Зун Холво, Ехэ Тором; к Ононской – Зун Торей; к Борзинской – Борзинское, Бабье, Цаган Нуур. Исследования озер были проведены с 2001 по 2007 гг.
Предметом исследований являлись цианобактерии - особая группа фототрофных прокариотных организмов.
Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Физико-химическая характеристика исследованных водоемов
Большинство исследованных озер являлись мелководными водоемами с относительно небольшой площадью (табл. 1). По значению минерализации (Алекин, 1970) озера Белое, Сульфатное, Соленое, Верхнее Белое, Ехэ Тором, Зун Холво и Зун Торей являлись солоноватыми (содержание солей 1-25 г/л). Вода озера Хилганта в водный период (1998 г.) относилась к водам с морской соленостью (25-50 г/л). Озера Цаган Нуур, Борзинское, Бабье и иловые воды озер Горбунка и Хилганта являлись рассолами (свыше 50 г/л). Значения рН воды озер были щелочными. Все озера в большинстве случаев характеризовались нестабильным водным режимом, обусловленным резко континентальным климатом Южного Забайкалья, что отличает данные озера от более стабильных содовых озер Восточно-Африканской рифтовой зоны (Заварзин, 2007).
Более детально влияние климатических условий было изучено на примере оз. Хилганта. Анализ физико-химических параметров озера, полученных в разные годы, показал, что в водный период (1998 г.) минерализация воды озера Хилганта была равна 40 г/л, рН 9,5, глубина составляла 37 см. В засушливый период (2001 г.) минерализация повышалась до 82 г/л, рН до 9,0, глубина была 10 см. В 2006 г. озеро пересыхало, наполняясь водой лишь эпизодически во время дождей. Иловая вода, обнаруженная в раскопках дна озера на глубине 35-80 см, являлась рассолом (128-152 г/л), рН 8,4-8,6.
Таблица 1
Физико-химические параметры исследованных водоемов
| Месторасположение | Озеро | Дата | h, м | S, км2 | Т, 0С | М, г/л | рН |
| Республика Бурятия | Белое | 05.2006 | 2,0 | 0,6 | 12 | 1,7 | 9,0 |
| Сульфатное | 07.2001 | 8,0 | 9,0 12 | 24 | 5,8 | 9,0 | |
| 07.2005 | 7,0 | 17 | 7,5 | 9,1 | |||
| Соленое | 06.2004 | 3,0 | 1,0 | 22 | 5,6 | 9,9 | |
| Верхнее Белое | 05.2001 | 2,0 | 4,5 | 17 | 7,05 | 9,8 | |
| Забайкальский край | Ехэ Тором | 07.2005 | 5,0 | 2,5 | 18 | 9,7 | 8,4 |
| Зун Холво | 08.2006 | 1,5 | 150 | 20 | 10,0 | 9,2 | |
| Зун Торей | 08.2006 | 4,0 | 300 | 28 | 5,0 | 9,7 | |
| Горбунка* | 08.2006 | * | * | 27 | 90,0 | 7,5 | |
| Цаган Нуур | « « | 2,0 | 150 | 26 | 268,0 | 9,9 | |
| Борзинское | « « | 3,0 | 110 | 27 | 155,0 | 9,9 | |
| Бабье | 08.2006 | 2,0 | 85 | 25 | 276,0 | 8,7 | |
| Хилганта** | 08.1998 | 0,37 | 0,5 | 25 | 40,0 | 9,5 | |
| Хилганта** | 08.2001 | 0,1 | 0,15 | 26 | 82,0 | 9,0 | |
| Хилганта*Ст.1 | 08.2006 | * | * | 34 | 128,0 | 8,6 | |
| Ст. 2 | 20 | 152,0 | 8,4 |
Здесь и далее: h – максимальная глубина озера; S – площадь водного зеркала; М – общая минерализация; «Ст.» - станция; «*» – в период исследований озеро было пересохшим, для анализа брали иловую воду; «**» - данные Б.Б. Намсараева (1998, 2001).
Исследование катионного и анионного состава воды озер
Типизация вод по О.А. Алекину (Алекин, 1970) показала, что большинство исследованных озер относятся к хлоридно–натриевому и гидрокарбонатно-натриевому типам (табл. 2).
Таблица 2
Гидрохимическая характеристика исследованных водоемов
| Озеро | СО32-г/л | НСО3- г/л | Cl- г/л | SO42- г/л | Na+ г/л | Тип воды | |
| Сульфатное | 0,12 | 0,98 | 0,70 | 1,40 | 4,14 | Сульфатно-натриевый | |
| Белое | 0,02 | 0,10 | 0,34 | 0,17 | 0 | Хлоридно-сульфатный | |
| Верхнее Белое | 0,88 | 3,20 | 0,90 | 1,50 | 3,7 | Гидрокарбонатно-натриевый | |
| Соленое | 1,04 | 2,40 | 0,20 | 0,35 | 15,9 | Гидрокарбонатно-натриевый | |
| Цаган Нуур | 9,9 | 3,32 | 25,1 | 6,91 | 30,0 | Хлоридно-натриевый | |
| Борзинское | 55,8 | 5,51 | 69,0 | 31,9 | 94,4 | Хлоридно-натриевый | |
| Бабье | 0,11 | 0,48 | 33,4 | 9,14 | 30,3 | Хлоридно-натриевый | |
| Зун Торей | 0,37 | 2,84 | - | - | - | Гидрокарбонатно-натриевый | |
| Ехэ Тором | 30,6 | 0,17 | - | - | - | Карбонатно-натриевый | |
| Зун Холво | 3,8 | 8,10 | 0,39 | 0 | 0 | Гидрокарбонатно-натриевый | |
| Горбунка* | 0 | 3,70 | 0,15 | 0,10 | 2,42 | Гидрокарбонатно-натриевый | |
| Хилганта | 0,33 | 1,16 | 16,7 | 13,6 | 14,3 | Хлоридно-натриевый | |
| Хилганта*Ст.1 | 0 | 0,97 | 37,5 | 15,9 | 18,2 | Хлоридно-натриевый | |
| Ст.2 | 0 | 1,04 | 60,0 | 14,5 | 35,7 | Хлоридно-натриевый | |
«-» - анализ не был проведен.
Химический состав воды озера Хилганта в разные периоды был неустойчивым. В водный период (1998 г.) карбонаты обнаруживались в концентрации 0,33 г/л. Вода принадлежала к хлоридно-натриевому типу. В засушливый период (2006 г.) карбонаты в воде отсутствовали, содержание НСО3- колебалось в пределах 0,97-1,04 г/л, Cl- - 37,5-60 г/л. Из катионов преобладал натрий. Тип воды – хлоридно-натриевый.
4.2. Видовой состав цианобактерий
В солоноватых и соленых озерах Южного Забайкалья обнаружено 28 видов цианобактерий, наибольшее их количество (11 видов) зарегистрировано в озерах с минерализацией от 5 до 7 г/л (озера Сульфатное, Верхнее Белое, Соленое), наименьшее (по 2 вида) - в рассолах (озера Бабье и Цаган Нуур) (табл. 3). Наиболее распространен род Leptolyngbya (7 видов). Другие роды были немногочисленны.
Дополнительно, к ранее обнаруженным видам цианобактерий солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья (Содовые озера…, 1991; Брянская, 2002), нами было выявлено еще 10 видов: Leptolyngbya valderiana, L. voronichiniana, Phormidium breve, Ph. retzii, Anabaena bergii, Arthrospira jenneri, Chroococcus minutus, Jaaginema woronichinii, Pseudanabaena frigida и Trichodermium lacustre.
При исследовании данной группы организмов были выявлены отклонения от типовых диагнозов. Так, у большинства видов родов Leptolyngbya, Phormidium и Oscillatoria отмечено много переходных форм, отличающихся между собой по длине и ширине нитей и трихомов, размерам клеток.
Влияние климатических условий на видовой состав цианобактерий было рассмотрено на примере озера Хилганта. Это озеро интересно тем, что в нем происходит развитие многослойного цианобактериального мата – современного аналога строматолитов, доминировавших на Земле на протяжении всего докембрия (Семихатов и др., 1999).
В водный период (1995 г.) при минерализации 46 г/л и рН 9,8 в мате было обнаружено всего 4 вида цианобактерий: Aphanothece salina, Leptolyngbya woronichinii, Microcoleus chthonoplastes, Phormidium molle (Герасименко и др., 2003 г.; Компанцева и др., 2005) (табл. 3). В засушливый период (2001-2004 гг.) при увеличении минерализации до 82 г/л наблюдаемое разнообразие цианобактерий было максимальным, появляются Nodularia sp. и Oscillatoria tenuis. Это может быть объяснено развитием в озере широкого спектра цианобактериальных сообществ при колебаниях минерализации.
Таблица 3
Таксономический спектр цианобактерий исследованных озер
| Таксоны | Озера | ||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | |||
| В* | З | С | |||||||||||
| Aphanothece salina Elenk. et Danil. | + | + | |||||||||||
| Anabaena variabilis Kutz. | + | ||||||||||||
| A. variabilis f. tenuis Pop. | + | + | + | + | + | ||||||||
| A. bergii (Kts.) Gom. | + | ||||||||||||
| Arthrospira jenneri Stizenb.ex Gom. | + | ||||||||||||
| Calothrix sp. | + | ||||||||||||
| Chroococcus minutus (Ktz.) Ng. | + | + | |||||||||||
| Jaaginema woronichinii (Anis.in Elenk.) Anagnost. et Komr. | + | + | |||||||||||
| Leptolyngbya fovelarium (Rabench.ex Gom.) Anagnost. et Komr. | + | + | |||||||||||
| L. tenuis (Gom.) Anagnost. et Komr. | + | + | + | + | |||||||||
| L. woronichinii (Anos.) Anagnost. et Komr. | + | + | + | ||||||||||
| L. komarovii (Anos.) Anagnost. et Komr. | + | + | + | ||||||||||
| L. laminose (Gom.) Anagnost. et Komr. | + | ||||||||||||
| L. valderiana (Gom.) Anagnos. et Komr. | + | ||||||||||||
| L. voronichiniana Anagnost. et Komr. | + | + | + | ||||||||||
| Nodularia sp. | + | + | + | ||||||||||
| Nostoc sp. | + | + | |||||||||||
| Microcoleus chthonoplastes (Fl. Dan.) Thur. | + | + | + | + | |||||||||
| Oscillatoria tenuis Agard. et Gom. | + | ||||||||||||
| Oscillatoria sp. | + | + | |||||||||||
| Phormidium breve (Ktz. et Gom.) | + | + | + | + | + | ||||||||
| Ph. molle Gom. | + | + | + | + | + | ||||||||
| Ph. retzii (Agard.) Gom.ex Gom. | + | + | |||||||||||
| Phormidium sp. | + | + | |||||||||||
| Pseudanabaena frigida (Fritsch) Anagnost. | + | + | + | + | + | + | |||||||
| Synechocystis sp. | + | ||||||||||||
| Spirulina major Ktzing ex Gom. | + | + | + | ||||||||||
| Trichodermium lacustre Kleb. | + | ||||||||||||
| Всего | 8 | 4 | 8 | 11 | 4 | 6 | 5 | 5 | 5 | 3 | 2 | 6 | 2 |
Примечание: 1 - Сульфатное, 2 – Белое, 3 - Верхнее Белое, 4 – Соленое, 5 – Хилганта: «В*» - водный период (1995-1996 гг.), данные Герасименко и др. (2003), Компанцева и др. (2005), «З» - засушливый период (2001-2004 гг.), «С» - сухой период (2006 г.), 6 - Зун Холво, 7 – Горбунка, 8 - Зун Торей, 9 – Бабье, 10 – Ехэ Тором; 11 – Цаган Нуур.
При дальнейшем увеличении минерализации до 152 г/л (2006 г.) наблюдалось образование сухого слоистого мата, различного по содержанию и консистенции. Отмечено значительное разнообразие морфотипов цианобактерий (Microcoleus chthonoplastes, Ph. molle, L. tenuis, L. woroniсhinii, Chroococcus minutus) и водорослей (Oocistis sp., Dunaliella salina).
4.3. Анализ видового состава цианобактерий
4.3.1. Особенности роста лабораторного сообщества озера Хилганта в градиенте рН – минерализация
Лабораторный эксперимент в градиенте рН – минерализация, проведенный на цианобактериальном мате оз. Хилганта (2006 г.), позволил охарактеризовать реакцию цианобактерий и эукариотических водорослей на изменение лимитирующих факторов среды. Было показано, что для формирования цианобактериальных обрастаний требуется продолжительный отрезок времени (более 8 недель). Сформировавшееся лабораторное сообщество состояло из 2 видов цианобактерий (Nodularia sp. и Leptolyngbya sp.) и 1 вида водоросли (D. salina).
Рис. 1. Зависимость содержания
хлорофилла а от концентрации
NaCl и рН
Смена видов в сообществе происходила следующим образом: при минерализации 1-50 г/л (рН 7,5-9,5) доминировала Nodularia sp. Leptolyngbya sp. и D. salina встречались реже. В интервале 50-100 г/л происходила качественная и количественная смена сообщества с цианобактерий на эукариотические водоросли, сопровождающаяся снижением содержания хлорофилла а (рис. 1).
Наиболее благоприятными для роста цианобактерий являлись значения рН 8,5-9,5. рН 7,5 частично ограничивал рост, а в совокупности с высокой соленостью делал его невозможным.
Диапазон развития цианобактерий находился в пределах 1-50 г/л NaCl с оптимумом при 1-10 г/л. Уменьшение содержания хлорофилла а при солености более 100 г/л NaCl происходило на фоне высокой численности, но низкой, по сравнению с цианобактериями, биомассы эукариотных водорослей.
4.3.2. Анализ видового состава цианобактерий с помощью коэффициента флористической общности Жаккара
С помощью коэффициента флористической общности Жаккара (k) был проанализирован состав цианобактерий солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья на видовом и родовом уровнях.
Анализ данных показал, что коэффициенты сходства варьируют в широких пределах (k = 0-0,75). Самые низкие коэффициенты сходства (k = 0-0,063) получены при сопоставлении видового и родового спектров цианобактерий, развивающихся в низких и высоко минерализованных озерах (солоноватые озера и рассолы, соответственно) (рис. 2 А, Б). Это свидетельствует о значительном морфологическом отличии цианобактериальных комплексов озер с пограничными значениями минерализации. Наибольшие коэффициенты сходства (0,75 для родов, 0,44 для видов) получены при сопоставлении таксономического спектра озер с близкими значениями минерализации, что объясняется присутствием значительного количества общих видов цианобактерий.
А
Б
Рис. 2. Дендрограмма сходства комплексов цианобактерий различных озер, построенная методом невзвешенного попарного арифметического среднего на основании коэффициента Жаккара, рассчитанного для видовых таксонов (А) и для родовых таксонов (Б). Расстояние Эвклидовое.
4.4. Функциональная активность продуцентов исследуемых озер
Скорости продукционных процессов в цианобактериальных матах
Скорость общего фотосинтеза в цианобактериальных матах озер Южного Забайкалья составляла 18,4-336,0 мг С/м2сут, темновой фиксации – 2,9-19,4 мг С/м2сут (табл. 4).
Таблица 4
Скорость продукционных процессов
в цианобактериальных матах озер (мг С/м2сут)
| Озеро | Дата | М, г/л | Общий фотосинтез | Аноксигенный фотосинтез | Темновая фиксация | |
| мг С/м2сут | % от продукции фотосинтеза | |||||
| Борзинское | 08.2002 | 322 | 201,7-336,0 | 0 | 0 | 0 |
| Хилганта | 07.2003 | 164 | 63,5 | 0 | 0 | 0 |
| Бабье | 08.2002 | 85,1 | 50,7-123,7 | 0 | 0 | 0 |
| Хилганта | 08.2001 | 82,0 | 756 | 538 | 71 | 41,4 |
| Хилганта | 04.2004 | 30,0 | 18,4-22,9 | 0,46-0,52 | 2,0-2,8 | 5,02-8,56 |
| Соленое | 09.2002 | 11,4 | 72,5-262,5 | 31,2-47,0 | 11,8-64,8 | н.о. |
| Верхнее Белое | 06.2002 | 9,4 | 541,9 | 49,6 | 9,15 | 2,9 |
| Соленое | 06.2004 | 8,0 | 78,4-81,5 | 2,4-3,3 | 3,06-4,04 | 11,4-19,4 |
Скорость аноксигенного фотосинтеза находилась в пределах 0,46-538,0 мг С/м2сут. Доля аноксигенного фотосинтеза в продукции органического вещества (ОВ) варьировала от 2 до 71%. Продуктивность матов исследованных озер Южного Забайкалья значительно уступает продуктивности матов озер Восточно-Африканской рифтовой зоны (11600 мг С/м2сут) (Grant et al., 1990). Это объясняется значительными колебаниями температуры в течение года и более коротким вегетационным периодом в озерах Южного Забайкалья, что не позволяет данным микробным сообществам развиваться и функционировать в постоянном режиме.
Сравнение данных по продукции цианобактериальных матов оз. Хилганта с литературными данными показало, что засушливые условия и низкая температура значительно снижают продуктивность сообщества (Намсараев, Намсараев, 2007). В летний период скорость общего фотосинтеза была максимальной при солености 32-41,5 г/л и составляла 3600-3860 мг С/м2сут (табл. 5). При повышении минерализации до 82-164 г/л она значительно снижалась (63,5-756 мг С/м2сут). Такая же тенденция наблюдалась и при понижении температуры.
Таблица 5
Продукция в цианобактериальных матах озера Хилганта (мг С/м2сут)
| Дата | Т, оС | М, г/л | Общий фотосинтез | Темновая фиксация |
| 17.07.2003 | 30,0 | 164,0 | 63,5 | н.о. |
| 20.08.2001 | 26,0 | 82,0 | 756,0 | 41,40 |
| 21.07.1996" | 34,0 | 45,0 | 3840,0 | н.о. |
| 05.07.1995" | 28,0 | 41,5 | 3600,0 | н.о. |
| 08.08.1999" | 24,0 | 32,0 | 3860,0 | 26,27 |
| 07.04.2004 | 0,5 | 30,0 | 18,4 | 8,56 |
Здесь и далее: " - данные Б.Б. Намсараева, З.Б. Намсараева (2007 г.).
Изотопный состав углерода цианобактериальных матов
Изотопный состав углерода 13С микробных матов и донных осадков был исследован в озерах Зун Торей, Белое, Соленое и Хилганта. Изотопный состав углерода ОВ в озерах варьировал от -14,80‰ до -30,63‰ (табл. 6). Значения 13С карбонатов микробных матов в исследованных озерах варьировали от -0,14 до -12,15‰.
В озере Хилганта изотопный состав углерода был исследован в разные годы. В водный период (1998 г.) в озере наблюдалось утяжеление изотопного состава углерода ОВ до -15,60‰. В засушливый период (2007-2008 гг.) отмечалось облегчение изотопного состава ОВ (-30,63‰). Соотношение 12С/13С углерода ОВ в нижних слоях цианобактериального мата в водный период было равно -14,8‰ (табл. 6). По-видимому, основная часть ОВ нижних слоев мата образуется в результате деструкции цианобактерий. Значения 13С карбонатов цианобактериальных матов в водный период был равен -0,14‰, в засушливый период – от 8,65‰ до 9,83‰.
Таблица 6
Изотопный состав углерода цианобактериальных матов озер Забайкалья (‰)
| Озеро, толщина мата | Дата | 13СОВ | 13Скарб |
| Хилганта", 0-2 см | 08.1998 | -15,60 | -0,14 |
| 2-4 см | « « | -14,8 | - |
| Хилганта, 0-2 см | 08.2007 | -30,63 | -8,65 |
| 2-4 см | « « | -27,67 | -9,83 |
| Хилганта | 08.2008 | -27,75 | -8,21 |
| Зун Торей | 08.2008 | -27,90 | -9,20 |
| Белое | 07.2008 | -19,48 | -12,05 |
| Соленое | 08.2008 | -27,27 | -12,15 |
4.5. Экофизиология и систематическое положение цианобактерий
4.5.1. Филогенетическая характеристика цианобактерий
Из донных осадков и микробных матов исследованных озер было выделено шесть монокультур цианобактерий (табл. 7). Три культуры (Cya 1, 2, 10) отнесены к роду Phormidium, две культуры (Cya5, 6) – к роду Nodularia, одна культура (Cya 4) – к Pseudanabaena.
Культуры Cya 1 и Cya 2 были выделены из цианобактериальных матов озер Сульфатное и Ехэ Тором, но по морфологическим характеристикам, лишь с некоторыми вариациями в размерах, являлись идентичными Oscillatoria brevis (Еленкин, 1949) или Phormidium breve (Komrek & Anagnostidis, 2007) (рис. 3 А).
Таблица 7
Культуры цианобактерий, выделенные из исследованных озер
| Культура | Озеро | Классификация по Еленкину (1949), Голлербах и др. (1953) | Классификация по Komrek&Anagnostidis (1999, 2007) | На основе сиквенса 16S РНК |
| Cya 1 | Сульфатное | Oscillatoria brevis (Ktz.) Gom. | Phormidium breve (Ktz. et Gom.) | Phormidium sp. |
| Cya 2 | Ехэ Тором | Oscillatoria brevis (Ktz.) Gom. | Phormidium breve (Ktz. et Gom.) | Phormidium sp. |
| Cya 4 | Сульфатное | Phormidium frigidum Fritsch. | Pseudanabaena frigida (Fritsch) Anagnost. | - |
| Cya 5 | Хилганта | Anabaena sibirica (Pop. et Degt.) Elenk. | Nodularia sp. | Nodularia sp. |
| Cya 6 | Горбунка | Anabaena sibirica (Pop. et Degt.) Elenk. | Nodularia sp. | Nodularia sp. |
| Cya 10 | Хилганта | Phormidium sp. | Phormidium sp. | Phormidium sp. |
Рис. 3. Фото культур цианобактерий, шкала 10 мкм:
А –Cya 1, Б – Cya 4, В – Cya 5, Г - Cya 10.
Культура Cya 4, выделенная из цианобактериального мата озера Сульфатное, по морфологии была идентифицирована как Phormidium frigidum (Еленкин, 1949) или как Pseudanabaena frigida (Komrek & Anagnostidis, 1998) (рис. 3 Б).
Культуры Cya 5 и Cya 6 были выделены из сухой корки озера Хилганта и ила озера Горбунка, соответственно и определены как Anabaena sibirica (Голлербах и др., 1953) или Nodularia sp. (Намсараев З.Б., неопубликованные данные) (рис. 3 В).
Культура Суа 10 была выделена из сухого мата озера Хилганта и была идентифицирована как Phormidium sp. (Komrek & Anagnostidis, 2007) (рис. 3 Г).
Рестрикционные профили генов 16S рРНК показали сходство культур Cya 1 и Cya 2 на видовом уровне (рис. 4). Для определения их точного филогенетического положения была выбрана культура Cya 1. В результате анализа было установлено, что культура Cya 1 имела 99,2% сходства по сиквенсу гена 16S рРНК с Phormidium sp. NIVA-CYA 202 (табл. 8, рис. 5). Большинство культур, близкородственных культуре Cya 1, были выделены из соленых озер Антарктиды (Rudi et all, 1997; Nadeau et all, 2001; Casamatta et al., 2005; Taton et all, 2006). На основании этих данных можно сделать предположение о возможном сходстве цианобактериальных сообществ солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья с озерами Антарктиды.
На основе филогенетических данных культуры Cya 1 и Cya 2 были отнесены к роду Phormidium, что соответствует результатам, полученным с помощью микроскопии.
Таблица 8
Ближайшие родственные организмы культур Cya1, Cya 2 и Cya10
| Культура | Ближайшие родственники | Сходство по 16S рРНК, % | Номер в GenBank |
| Cya1, Cya 2 | Phormidium sp. NIVA-CYA 202 Oscillatoria sp. Ant-G17 Oscillatoria sp. Ant-Salt Phormidium sp.Ant-Brack-3 Phormidium lumbricale UTCC 476 Phormidium pseudopristleyi ANT.ACEV5.3 | 99,2 98,9 98,9 98,9 98,6 98,9 | Z82794 AF263334 AF263337 AF263332 AF218375 AY493600 |
| Cya 10 | Oscillatoria cf.laetevirens Baja-Osc-1 Phormidium sp. UTCC 487 | 99,0 98,9 | AF268490 AF218376 |
Наиболее близкими организмами к культуре Cya 10 оказались Oscillatoria cf. laetevirens Baja-Osc-1 (99,0%) и Phormidium sp. UTCC 487 (98,9%) (рис. 5, табл. 8). Оба близкородственных к Cya 10 штамма выделены из минерализованных местообитаний и принадлежат к кластеру, близкородственному Phormidium. На основе полученных данных культура Cya 10 отнесена к роду Phormidium.
Рис. 5. Филогенетическое дерево, сконструированное на основе сиквенса гена 16S рРНК, показывает положение культур Cya 1, Cya 2 и Cya10. Масштаб соответствует 2 нуклеотидным заменам на каждые 100 нуклеотидов.
4.5.2. Особенности роста культур в градиенте рН – минерализация
Культуры Cya 1 и Cya 2 имели оптимумы роста при рН 9,5 минерализации 1-5 г/л, с диапазоном роста до 100 г/л, что соответствует природным условиям мест обнаружения (рис. 6 А). Значительные отличия физиологических характеристик исследованных культур позволяют предположить, что каждая культура является отдельным экотипом вида Phormidium breve.
Идентичные по морфологическим признакам культуры Cya 5 и Cya 6 проявили себя сходным образом как алкалофильные (диапазон развития при рН 8,5-9,5, оптимум при рН 9,5) и галотолерантные (диапазон роста 0-100 г/л NaCl, оптимум роста при 1-20 г/л) организмы (рис. 6 Б). Показано развитие Nodularia при содержании NaCl в среде до 100 г/л, что является интересным, поскольку известные в литературе культуры Nodularia способны развиваться при соленостях не выше морской (Lehtimki et. all, 2000; Moffitt et. all, 2001; Lura et. all, 2005).
А
Б
Рис. 6. Выход биомассы культур в градиенте рН – минерализация:
А - Cya 2, Б - Cya 5.
Культура Cya 10 имела способность к росту при минерализации от 0 до 50 г/л с оптимумом при 5 г/л; при увеличении минерализации рост угнетался (рис. 7). Наибольший выход биомассы зафиксирован при рН 8,5, при рН 7,5 и 9,5 рост был замедленным.
В результате проведенных экспериментов было показано, что все изученные культуры являлись умеренными алкалофилами, имеющими оптимум развития при рН 8,5-9,5 и способными развиваться при содержании NaCl до 100 г/л.
ВЫВОДЫ
- Исследованные озера Южного Забайкалья в большинстве случаев характеризовались нестабильным водным режимом, обусловленным резко-континентальным климатом Южного Забайкалья. По степени минерализации озера были отнесены к солоноватым и рассолам. Воды большинства исследованных озер относились к хлоридно–натриевому и гидрокарбонатному–натриевому типам. Значения рН воды находились в щелочной области.
- В озерах было обнаружено 28 видов цианобактерий: наибольшее их количество зарегистрировано в низкоминерализованных озерах, наименьшее - в высокоминерализованных. Списки цианобактерий Южного Забайкалья дополнены 10-ю ранее не обнаруженными видами: Leptolyngbya valderiana, Leptolyngbya voronichniana, Phormidium breve, Phormidium retrii, Anabaena bergii, Arthrospira jenneri, Chroococcus minutus, Jaaginema woronichinii, Pseudanabaena frigida и Trichodermium lacustre.
- Анализ видового состава цианобактерий исследованных озер с помощью коэффициента флористической общности показал, что в зависимости от физико-химических условий, существующих в озерах, формируются разнотипные микробные сообщества, отличия между которыми выявляются на родовом уровне.
- Микробные маты исследованных озер Забайкалья являются высокопродуктивными системами. Скорость фотосинтеза составляла 18,4-3860 мгС/м2сут, темновой фиксации - 1,45-41,4 мгС/м2сут, скорость аноксигенного фотосинтеза - 0,46-3284 мгС/м2сут.
- Значения изотопного состава углерода органического вещества (13С от -14,80‰ до -30,63‰) показывают, что продуценты цианобактериального мата используют углекислоту – продукт микробиологического разложения фитопланктона озера и растительного опада.
- Выделено шесть монокультур цианобактерий. Изученные организмы являлись умеренными алкалофилами, имеющими оптимум развития при рН 8,5-9,5 и минерализации до 50 г/л. Культуры Cya 1, Cya 2 и Cya 10 отнесены к роду Phormidium. Cya 4 отнесена к виду Pseudanabaena frigida. Cya 5 и Cya 6 являлись представителями рода Nodularia и имели способность развиваться до 100 г/л, что ранее не отмечалось для этого рода.
Список работ, опубликованных по материалам диссертации
- Балданова Д.Д. Сравнительная характеристика химического состава микробных матов гидротерм и содовых озер Байкальского региона / Д.Д. Балданова, О.М. Калашникова // VIII международная Пущинская школа-конференция молодых ученых. – Пущино, 2004. С. 141.
- Балданова Д.Д. Экофизиология цианобактерий содовых озер Сульфатное и Тором (Южное Забайкалье) / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская // Вестник БГУ. Сер. 2. Биология. - Улан-Удэ, 2005. С. 127-129.
- Балданова Д.Д. Цианобактерии Байкальского региона и их биохимический потенциал / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская, Б.Б. Намсараев // Научный и инновационный потенциал Байкальского региона: материалы V межрегион. науч. конф. молодых ученых. Улан-Удэ: Изд-во БГУ, 2005. С. 5-6.
- Балданова Д.Д. Оптимумы роста термофильных и алкалофильных культур цианобактерий / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская // Х Пущинская школа-конф. молодых ученых. - Пущино, 2006. С. 181-182.
- Балданова Д.Д. Биологическое разнообразие комплексного природного заказчика «Агинская степь» / Д.Д. Балданова, С.Ч. Цыбенов // Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии: тез. Всерос. конф. с междунар. участием. - Улан-Удэ, 2006. Т.1. С. 192-193.
- Балданова Д.Д. Микробное сообщество содово-соленых озер Онон-Керулейской группы (Забайкалье)/ Д.Д. Балданова, Е.Ю. Абидуева // Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии: тез. Всерос. конф. с междунар. участием, Улан-Удэ, 2006. Т. 2. С. 10.
- Балданова Д.Д. Анализ видового состава цианобактерий щелочных экосистем Бурятии / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская // Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии: тез. Всерос. конф. с междунар. участием. Улан-Удэ, 2006. Т. 2. С. 22-23.
- Балданова Д.Д. Анализ видового состава цианобактерий щелочных экосистем Бурятии / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская // Биоразнообразие экосистем Внутренней Азии: тез. Всерос. конф. с междунар. участием. Улан-Удэ, 2006. Т. 2. С. 22-23.
- Балданова Д.Д. Таксономическая характеристика доминирующих формы цианобактерий содово-соленых озер Забайкалья и Алтайского края / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская, В.Н. Акимов, Б.Б. Намсараев // Микроорганизмы в экосистемах озер, рек и водохранилищ: материалы II Байкальского микробиол. симпозиума с междунар. участием. – Иркутск, 2007. С. 17.
- Балданова. Д.Д. Влияние минерализации на рост и развитие природного сообщества цианобактерий в содово-соленом озере Хилганта (Южное Забайкалье) / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская, Б.Б. Намсараев // Вестник БГУ. Сер. Химия. Улан-Удэ, 2008. Вып. 3. С. 10-14.
- Балданова Д.Д. Морфологическая и таксономическая характеристика цианобактерий содово-соленых озерах Забайкалья / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская // Вестник БГУ. Сер. Биология. Улан-Удэ, 2008. Вып. 4. С. 62-67.
- Балданова Д.Д. Анализ видового состава цианобактерий содово-соленых озер Забайкалья / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская // Актуальные аспекты современной микробиологии: молодежная школа-конференция. / Ин-т микробиологии. – М., 2008. С. 4-6.
- Балданова Д.Д. Роль цианобактерий в функционировании микробных сообществ содово-соленых озер Забайкалья / Д.Д. Балданова, А.В. Брянская, Б.Б. Намсараев // Материалы III Междунар. науч.-практ. конф. и IV междунар. семинара по российско-монгольскому проекту с участием Программы ООН по окружающей среде. – Улан-Удэ: Изд-во БИП СО РАН, 2008. С. 61-63.
- Цыренова (Балданова) Д.Д. Таксономический спектр цианобактерий солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья / Д.Д. Цыренова, Б.Б. Намсараев, А.В. Брянская // Вестник БГУ. Сер. Биология. Улан-Удэ, 2009. С. 105-108.
- Цыренова (Балданова) Д.Д. Гидрохимические исследования солоноватых и соленых озер Южного Забайкалья / Д.Д. Цыренова, А.В. Брянская, В.В. Хахинов // Вестник БГУ. Сер. Химия. Улан-Удэ, 2009. С. 17-20.
- Цыренова (Балданова) Д.Д. Гидробиологические исследования содово-соленых озер Забайкалья / Д.Д. Цыренова, А.В. Брянская, Б.Б. Намсараев // Известия Иркутского государственного университета. Сер. Биология. Экология. Иркутск, 2009. Принята к печати.
- Цыренова (Балданова) Д.Д. Сезонные изменения гидрохимических и микробиологических показателей содового озера Белое (Оронгойское) (Западное Забайкалье) / Д.Д. Цыренова, Б.С. Цыренов, Е.Ю. Абидуева, В.Б. Дамбаев, Б.Б. Намсараев // География и природные ресурсы. Иркутск, 2009. Принята к печати.
Подписано в печать 09.04.09. Формат 6084 1/16.
Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100. Заказ № 391.
Издательство Бурятского госуниверситета
670000, г. Улан-Удэ, ул. Смолина, 24 а
