Деструкция органических веществ в донных осадках содово-соленых озер Забайкалья Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

Е.А. Соколовский. Муравьи (Insecta, Hymenoptera, Formicidae) дигрессивных растительных сообществ Иволгино-Удинской межгорной впадины (Западное Забайкалье)

МИКРОБИОЛОГИЯ

УДК 579.68 Д.В. Егорова, Л.П. Козырева

ДЕСТРУКЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ДОННЫХ ОСАДКАХ СОДОВО-СОЛЕНЫХ ОЗЕР ЗАБАЙКАЛЬЯ*

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 10-04-01185_Монголия, интеграционного гранта президиума СО РАН №38 и №95, Министерства образования и науки РФ РНП 2.1. 1/2165.

Деструкция органических веществ является важнейшим процессом в биосфере, обеспечивающим круговорот биогенных элементов в наземных и водных экосистемах. В прибрежных донных осадках пяти содово-соленых озер Забайкалья отмечено различное содержание Сорг в структурно отличающихся осадках данных озер, выявлена положительная корреляция между численностью основных групп бактерий-деструкторов органического вещества и скоростью деструкции белка и целлюлозы.

Ключевые слова: органические вещества, деструкция, бактерии-деструкторы.

D.V. Egorova, L.P. Kozyreva DESTRUCTION OF ORGANIC SUBSTANCES IN THE BOTTOM SEDIMENTS OF SODA-SALINE LAKES IN ZABAIKALYE

Destruction of organic substances is an essential process in biosphere, providing recycle of biogene elements in the ground and aquatic ecosystems. The organic carbon content has been found in the coastal bottom sediments of five Zabaikalsky soda-saline lakes. Different content of Corg in the structurally different sediments of these lakes and a positive correlation between the number of major groups of bacteria-destructors of organic matter and the rate of destruction ofprotein and cellulose have been revealed.

Keywords: organic substances, destruction, bacteria-destructors.

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 про-теолитические (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 фото-автотрофов, 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 - Кяхтин-ский 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.

Учет численности физиологических групп.

Численность аэробных и анаэробных бактерий-деструкторов определяли методом предельных разведений на минеральной среде состава (г/л): KH2PO4 - 0,2; MgCl2-6H2O - 0,1; NH4Cl - 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 Plate 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 Сорг 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:

(1)

- навеска

% стерильных растворов NaHCO3, Na2CO3 и NaCl. Посевы инкубировали в термостате при 300С.

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

Скорость разложения определяли по формуле:

а

сорг=т-юо%,

где Сорг - содержание углерода в осадках; а - содержание углерода, найденное по графику (г); т грунта (г).

V = х 100%/T, (2)

RH

'-нач

где V - скорость разложения (%/сут); Лнач - начальное измерение (г,см); Лкон - конечное измерение (г,см); Т -время аппликации (сут).

Статистическую обработку данных выполняли по формулам:

Хср~^° (3)

1- , (4)

где хср - среднее арифметическое; X; - варианта; п - объем выборки; а - среднее квадратичное отклонение, происходящее на одном измерении (или стандартное отклонение отдельного измерения).

5г=ч 11 (5)

— X 1оо%

а =хф , (6)

где 5Х - среднее квадратичное (стандартное) отклонение для выборки; СV - коэффициент вариации, (%).

(7)

где гху - эмпирический коэффициент корреляции, х1 и у1 - парные значения сопряженных признаков X и У; хср и уср - средние арифметические [7].

Результаты и обсуждение минерализации варьировали от 2,1 до 12,3 г/л.

На период отбора проб изучаемые озера име- Температура воды составила от 19,4 до 30,4°С

ли щелочные значения рН 9,0-10,0; значения (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 (Сорг), который служит субстратом для гетеротрофных микроорганизмов. Определение содержания Сорг в донных осадках показало наибольшее его содержание в илистых осадках оз. Соленое -7,50%, наименьшее - в песчаных осадках оз.

Содержание Сорг в

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 Сорг в отличие от осадков оз. Сульфатное, где содержание Сорг увеличилось

[8,9,10].

Таблица 2

донных осадках озер

Озеро Описание пробы Содержание Сорг,%

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-

Оценка численности

эффициента вариации, видим, что количество ЦРБ более изменчиво: СУцРБ= 35,9% и

СУпБ=25,1%. Доминирование группы протеоли-тических бактерий, скорее всего, обусловлено легкой доступностью белковых субстратов и их утилизацией.

Таблица 3

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(СУ;) варьируют больше, чем скорость разложения белка(СУ2): СУ1=86,8% и СУ2=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 (г=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.

Литература

1. Кузнецов С.И. Микрофлора озер и ее геохимическая деятельность. — Л.: Наука, 1970. — 440 с.

2. Гидрохимия экстремальных водных систем с основами гидробиологии: учеб. пособие / сост. В.В. Хахинов, Б.Б. Намсараев, Е.Ю. Абидуева, Э.В. Данилова. — Улан-Удэ: Изд-во Бурят. гос. ун-та, 2007. — 148 с.

3. Руководство по химическому анализу почв / Е.В. Аринушкина. — М.: Изд-во Моск. гос. ун-та, 1962.

4. Никитин Б.А. Методика определения содержания гумуса в почве //Агрохимия. — 1972. — №я3. — С. 123-125.

5. Носова Л.М., Гельцер Ю.Т. Определение протеоли-тической активности дерново-подзолистой и дерновой почв методом фотобумажной автографии // Микроорганизмы как компоненты биогеоценоза. — М.: Наука,1984. — С. 153-156.

6. Теппер Е.З. Практикум по микробиологии. — М.: Аг-ропромиздат, 1987 — С.23.

7. Лакин Г. Ф. Биометрия: учеб. пособие для биологич. спец. вузов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1980. — 293 с., ил.

8. Банзаракцаева Т.Г. Распространение и активность бактерий-деструкторов в содовых озерах Забайкалья в зависимости от экологических условий: автореф. дис. ... канд. биол. наук. — Улан-Удэ, 2002. — 20 с.

9. Цыренов Б.С. Сезонные изменения физико-химических условий и активности микробного сообщества в содовом озере Белое (Западное Забайкалье): автореф. дис. ... канд. биол. наук. — Улан-Удэ, 2010. — 22 с.

10. Митыпова Т.Н. Разнообразие аэробных и факультативно-анаэробных органотрофных бактерий содовосоленых озер Забайкалья и Монголии: автореф. дис. . канд. биол. наук. — Улан-Удэ, 2007.— 22 с.

Егорова Дарья Васильевна, аспирант лаборатории микробиологии ИОЭБ СО РАН, РБ, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяно-вой,6, тел. 8 (3012) 43-49-02, факс 8 (3012) 43-30-34, е-шай: ёаНа [email protected]

Козырева Людмила Павловна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории микробиологии ИОЭБ СО РАН, РБ, 670047, г. Улан-Удэ, ул. Сахьяновой,6, тел. 8 (3012) 43-45-75, факс 8 (3012) 43-30-34, е-шай: [email protected]

Egorova Darya Vasilievna, postgraduate student, laboratory of microbiology, IGEB SB RAS, 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova str., 6, tel. 8 (3012) 43-49-02, fax: 8 (3012) 43-30-34, e-mail: daria [email protected]

Kozyreva Ludmila Pavlovna, candidate of biology, senior researcher, laboratory of microbiology, Instituter of General and Experimental Biology, SB RAS, 670047, Ulan-Ude,. Sakhyanova str., 6, tel. 8 (3012) 43-45-75, fax: 8 (3012) 43-30-34, e-mail: [email protected]

УДК 579.841.41

С.В.Зайцева

ЭКОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОЛЛЕКЦИОННЫХ КУЛЬТУР

ТЕРМОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ*

*Работа поддержана грантами РФФИ-Монголия 10-04-93169, РНП 2.1.1/2165.

Для коллекционных культур аэробных термофильных микроорганизмов, выделенных из гидротерм Байкальского региона, были рассчитаны температурные параметры роста. Экспериментально температурный диапазон развития бактерий составлял 30-75°С с оптимумом от 45 до 610С.

Ключевые слова: термофильные бактерии, математические модели роста микроорганизмов, температурный оптимум.

S.V. Zaitseva ECOPHYSIOLOGICAL FEATURES OF COLLECTIVE CULTURES OF THERMOPHILE BACTIRIA

The temperature parameters of growth for the collective cultures of aerobic thermoplilic microorganisms, separated from hot springs of Baikal region, were calculated. Experimentally the temperature range of development of bacteria was 30-75° С with an optimum from 45 to 61°С. The aim of the work was to research the ability of collective thermophilic aerobic organotrophic cultures to grow at temperatures, near to maximum and minimum possible.

Keywords: thermophilic bacteriua, mathematical patterns of growth of microorganisms, temperature optimum.

Аэробные термофильные алкалотолерантные и алкалофильные бактерии, выделенные из щелочных гидротерм, описаны как представители рода Bacillus (B. pallidus, B. thermocloaceae, B. thermoaerophilus), рода Meiothermus (M. chliaro-philus, M. rosaceus, M. silvanus), Geobacillus cal-dotenax, рода Thermus (T. antranikianus, T. ig-niterrae, T. oshimai, T. thermophilus), Sphaerobac-ter thermophilus, Thermoaerobacter subterraneus, Thermomicrobium roseum, Isosphaera pallida, Rubrobacter xylanophilus [2, 3, 7, 8]. Оптимальная температура роста для термофилов составляет 50-750С, а для экстремально-термофильных и гипертермофильных бактерий и архей оптимальная температура роста находится в диапазоне 75-1050С, максимальная температура достигает значений 1000С и выше [8]. Хотя большинство микроорганизмов развивается в сравнительно небольшом температурном диапазоне, разница между минимальной и максимальной

температурами составляет 20-350С, описаны бактерии с разницей предельных температур более 350С. Значительный интерес к экстремо-филам обусловлен их способностью развиваться в пограничных условиях существования жизни и высоким биотехнологическим потенциалом ферментных систем, устойчивых к действию высоких температур и рН.

Материалы и методы исследования

В работе были использованы коллекционные культуры термофильных аэробных органотроф-ных микроорганизмов, выделенных из проб горячих источников Бурятии и Монголии.

Культивирование проводили на жидкой модифицированной среде Пфеннига при температурах 30, 35, 40, 45, 50, 60 и 70 0С. Рост культур оценивали по изменению оптической плотности при 600 нм. Удельную скорость роста бактериальных культур рассчитывали по формуле:

где X и Х0 - значения оптической плотности культуры в моменты времени 1 и 10.