Распространение и активность алкалофильных сульфат- и железоредуцирующих бактерий в содовых озерах Забайкалья тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат биологических наук Захарюк, Анастасия Геннадьевна

• Захарюк, Анастасия Геннадьевна
• кандидат биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Захарюк, Анастасия Геннадьевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Содово-соленые озера Забайкалья

1.1.1. Физико-географическая характеристика Забайкалья

1.1.2. Описание содово-соленых озер Забайкалья

1.1.3. Химический состав вод содовых озер Забайкалья

1.1.4. Химический состав донных осадков в озерах Забайкалья

1.1.5. Органическое вещество в содовых озерах Забайкалья

1.2. Алкалофильное микробное сообщество

1.3. Экология сульфат- и железоредуцирующих бактерий

1.3.1. Численность сульфатредуцирующих бактерий (СРБ) в водоемах разного типа

1.3.2. Интенсивность сульфатредукции в донных отложениях

1.3.3. Численность железоредуцирующих бактерий (ЖРБ) в водоемах разного типа

1.4. Характеристика сульфатредуцирующих бактерий

1.4.1. Метаболизм СРБ

1.4.2. Алкалофильные сульфатредуцирующие бактерии

1.4.3. Роль СРБ в биотехнологических процессах

1.5. Характеристика железоредуцирующих бактерий

1.5.1. Метаболизм ЖРБ

1.5.2. Ранние формы микробного дыхания

1.5.3. Алкалофильные железовосстанавливающие микроорганизмы

1.5.4. Перспективы применения железоредукторов в промышленности

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Распространение и активность алкалофильных сульфат- и железоредуцирующих бактерий в содовых озерах Забайкалья»

Актуальность темы.

На территории Забайкалья насчитывается более 500 содовых озер, отличающихся по степени минерализации, рН и ионному составу воды (Дзюба, 2002; Намсараев и др., 2007) и представляющих тип экосистем, широко распространенных в аридных условиях. В озерах, характеризующихся щелочными значениями рН и повышенной минерализацией, функционирует алкалофильное микробное сообщество, включающее продуцентов и деструкторов органического вещества (Заварзин, 2007).

Одним из ключевых метаболитов, образуемых на первых этапах деструкции органического вещества, является ацетат. В пресноводных экосистемах и кислых средах ацетат на конечных этапах деструкции используется сульфатредукторами. В содовых озерах использование ацетата вторичными анаэробами до сих пор до конца не изучено, хотя известно, что сульфатредукция является доминирующим процессом анаэробной деструкции (Горленко и др., 1999; Намсараев, Намсараев, 2007).

В настоящее время выделено и описано несколько представителей алкалофильных сульфатредуцирующих бактерий (СРБ), способных окислять Н2, формиат, лактат и некоторые другие соединения с образованием Н28 (Пикута и др., 1998; Р1ки1а е1 а1., 2003; Zhilina еЬ а1., 2005). Способностью окислять ацетат среди сульфатредукторов, выделенных из содовых озер, обладает только Ое8ы1/опа^опит соорегаНуит в бинарной культуре с СопШЪетаИБ а1са1асеисыт (Жилина и др., 2005). Выделение и описание СРБ, окисляющих ацетат до Н2Э и С02 в содовых водоемах представляет значительный интерес для понимания механизма стока водорода в алкалофильном микробном сообществе.

Изучению процессов восстановления железа (III) в пресноводных водоемах, термальных источниках и морских экосистемах уделено достаточно много внимания. Из этих экосистем выделено и описано более 30 культур (Слободкин и др., 1995; Slobodkin et.al., 1999; Coates et al., 1996; Finneran et al., 2002 и др.). В содовых водоемах в связи с низкой растворимостью окислов железа в щелочных условиях возможность процесса микробной железоредукции до последнего времени ставилась под сомнение. Лишь недавно были выделены и описаны единичные представители алкалофильных железоредуцирующих бактерий (Ye Q. et al., 2004; Заварзина и др., 2006; Жилина и др., 2009). К началу данных исследований железоредукторов из содовых озер выделено не было.

Исследование распространения и функционирования бактерий, восстанавливающих сульфаты и железо в щелочных условиях, имеет большое значение для понимания их роли в природе.

Цель работы - изучение распространения и активности гало-алкалофильных сульфат- и железоредуцирующих бактерий в содово-соленых озерах Забайкалья, выделение и характеристика культур.

Задачи исследования:

1. Охарактеризовать содово-соленые озера Забайкалья - места обитания алкалофильных микроорганизмов.

2. Определить численность алкалофильных сульфат- и железоредуцирующих бактерий в донных осадках содовых озер.

3. Определить скорость сульфатредукции в донных осадках озер.

4. Выделить активные накопительные и чистые культуры сульфат- и железоредукторов.

5. Изучить экофизиологические и метаболитические характеристики выделенных чистых культур, определить филогенетическое положение бактерий.

Научная новизна и теоретическая значимость.

Впервые проведена оценка численности железоредуцирующих бактерий в содовых озерах Забайкалья.

Из содового озера Хилганта выделена и описана культура диссимиляторных железоредуцирующих бактерий — облигатно алкалофильная (рН0ПХ 10,3) спорообразующая палочка, восстанавливающая цитрат железа (III) (штамм Х-07-2). Филогенетически штамм близкородственен недавно описанному железоредуктору Alkaliphilus peptidofermentans (98% сходства) (Жилина и др., 2009), однако имеются существенные отличия от типового штамма.

Из содового озера Алгинское выделен новый вид алкалофильных сульфатредуцирующих бактерий (штамм А1915-01), способный к окислению ацетата. По совокупности физиологических и филогенетических свойств штамм предлагается выделить в новый вид «Desulfonatronum acetoxidans».

Практическая ценность.

Полученные результаты расширяют представление о разнообразии СРБ в природе, могут быть использованы для чтения курсов лекций по микробиологии в высших учебных заведениях. Выделенные штаммы сульфат- и железоредуцирующих бактерий представляют интерес для биотехнологии как продуценты солеустойчивых и устойчивых к высоким pH ферментов.

Апробация работы.

Основные результаты работы доложены на Всероссийской конференции молодых ученых «Экология в современном мире: взгляд научной молодежи» (Улан-Удэ, 2007), 2-м Байкальском Микробиологическом Симпозиуме с международным участием «Микроорганизмы в экосистемах озер, рек, водохранилищ» (Иркутск, 2007), III Международной Молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2007), Международной научной конференции «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2008), IV Международной Молодежной школе-конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2008), научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВСГТУ (Улан-Удэ, 2009).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 13 научных работ, включая 4 статьи и 9 тезисов.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 130 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит Г5 таблиц, 37 рисунков. Список литературы состоит из 69 отечественных и 83 зарубежных источников.

Заключение диссертации по теме «Экология», Захарюк, Анастасия Геннадьевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Забайкалье широко распространенны содовые и содово-соленые озера. В воде и донных осадках содовых озер происходят интенсивные процессы продукции и деструкции органического вещества.

В исследованных озерах Забайкалья с минерализацией воды от 5,6 до 45 г/л, рН воды 8,7-9,98 и содержанием органического вещества до 19, 25% создаются благоприятные условия для развития и функционирования микробного сообщества алкалофильных и гало-алкалофильных микроорганизмов.

Нами установлено широкое распространение анаэробных алкалофильных и гало-алкалофильных сульфат- и железоредуцирующих бактерий в исследуемых озерах. Количественные исследования деятельности этих групп бактерий показывают их важную роль в деструкции органического вещества на терминальных этапах. Сульфат- и железоредукторы играют определенную роль в установлении равновесия между биогеохимическими процессами в донных осадках и водной толще озер.

Определение численности и активности бактерий-деструкторов в содово-соленом озере Хилганта в матрице рН-соленость показало, что в данном озере наиболее интенсивно процессы деструкции протекают при нейтральных или слабощелочных значениях рН и невысоких концентрациях соли. Одновременное действие двух факторов — высокой рН и солености среды приводит к снижению численности клеток и понижению деструкционной активности сообщества. Полученные данные подтверждают высказанное ранее предположение о том, что в условиях высокой концентрации соли деструкционные процессы подавлены, вследствие чего происходит накопление органического вещества в озерах (Намсараев, Намсараев, 2007).

Содовые озера характеризуются высокой интенсивностью процесса круговорота серы. Сульфатредукция в них является доминирующим анаэробным терминальным процессом в разрушении органического вещества. Определение скорости сульфатредукции в донных осадках и микробных матах содового озера Соленое показало, что наиболее интенсивно процесс восстановления сульфатов протекал в пробах цианобактериального мата. Сравнительный анализ полученных результатов с литературными данными по интенсивности метаногенеза в донных отложениях данного озера (Солоноватые и соленые озера Забайкалья, 2009) указывает на преобладание сульфатредукции на терминальных этапах деструкции ОВ.

До недавнего времени считалось, что микробная железоредукция в содовых водоемах невозможна в связи с низкой растворимостью окисного железа в щелочной среде. За последнее время появляется все больше новых сообщений, в которых описываются организмы, способные восстанавливать Fe(III) в щелочных озерах. Выделенный и изученный нами облигатно алкалофильный железоредуктор восстанавливает цитрат Fe(III) при рН среды 9,5-10,0.

Обнаружение нами СРБ, близкородственных виду Desulfonatronum lacustre, выделенного из прибрежного ила озера Хадын (Тува) (Пикута и др., 1998), в озерах с различными физико-химическими характеристиками свидетельствует о широком распространение данного вида.

Выделенный и описанный нами новый представитель СРБ рода Desulfonatronum, расширяет список немногочисленных пока алкалофильных сульфатредуцирующих бактерий. Использование ацетата выделенным организмом указывает на одну из важнейших экологических функций. Ацетат является несбраживаемым продуктом разложения органического вещества в анаэробных условиях. В большинстве экосистем его удаление осуществляется ацетатокисляющими метаногенами. Однако в содовых водоемах доминирующим процессом на терминальных этапах деструкции органического вещества является сульфатредукция. Таким образом, можно полагать, что выделенные организмы являются важным звеном, ответственным за утилизацию ацетата в алкалофильном микробном сообществе.