CC BY
69
УДК 579.26 Е.П. Ланкина, С.В. Хижняк, А.А. Кимм
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕЩЕРЫ МАЯЧНАЯ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ПСИХРОФИЛЬНЫХ И ПСИХРОТОЛЕРАНТНЫХ БАКТЕРИЙ
Маячная - это относительно глубокая (60 м) и протяжённая (1100 м) пещера, характеризующаяся низкой антропогенной нагрузкой и исторически длительным периодом формирования микробного сообщества. Общая численность культивируемых бактерий варьирует от 104 до 106 колониеобразующих единиц на 1 г пещерных отложений. Большинство бактерий представлены психрофильными аммонифи-каторами. Обнаружены также психрофильные и мезофильные олиготрофы, а также психрофильные и мезофильные гетеротрофные бактерии, использующие минеральные формы азота. Максимальная численность психрофильных бактерий (до 1,1х106 КОЕ/г) наблюдается на дне пещерной системы.
Ключевые слова: пещера, пещерное микробное сообщество, психрофильные бактерии.
Ye.P. Lankina, S.V. Hizhnyak, A.A. Kimm
PROSPECTS OF THE MAYACHNAYA CAVE USE AS A SOURCE OF PSYCHROPHILIC AND PSYCHROTOLERANT BACTERIA
Mayachnaya is a relatively deep (60 m) and extensive (1100 m) cave with low human impact and historically long period of microbial community formation. Total number of cultivated bacteria varies from 104 to 106 colony-forming units per gram of cave sediments. Majority of the bacteria are presented with the psychrophilic ammonifica-tors. Also psychrophilic and mesophilic oligotrophic bacteria as well as psychrophilic and mesophilic heterotrophic bacteria which use inorganic nitrogen were found. The maximal number of psychrophilic bacteria (up to 1,1х106 CFU per gram) is observed at the bottom of the cave system.
Key words: cave, cave microbial community, psychrophilic bacteria.
Карстовые пещеры умеренной климатической зоны являются природным источником психрофильных и психротолерантных микроорганизмов, представляющих интерес для сельскохозяйственной биотехнологии [2; 5]. Однако численность и биологическое разнообразие подобных микроорганизмов даже в близко расположенных пещерах, относящихся к одному карстовому участку, существенно различается и зависит как от эволюционной зрелости микробного сообщества, так и от текущего уровня поступления экзогенного органического вещества и притока аллохтонной микробиоты. Согласно результатам математического моделирования, подкреплённым результатами полевых исследований, максимальная относительная численность психрофильных микроорганизмов должна наблюдаться в пещерах, характеризующихся исторически длительным поступлением экзогенного органического вещества и низким уровнем притока аллохтонной микрофлоры [2; 4; 7].
Пещера Маячная (Верхне-Базаихская группа карстово-спелеологических участков, протяжённость ходов 1100 м, глубина и амплитуда 60 м, происхождение карстовое и обвально-гравитационное [1]) полностью соответствует указанным характеристикам. Благодаря своей морфологии, пещера представляет собой естественную ловушку, что подтверждается наличием костных останков, самые ранние из которых датируются плейстоценом [3]. В настоящее время приток органического вещества и аллохтонной микрофлоры обеспечивается наличием колонии летучих мышей, а также умеренным антропогенным загрязнением. Предварительные исследования показали, что общая численность культивируемых бактерий в пещере (104-105 колониеобразующих единиц на 1 г пещерных отложений в верхнем ярусе и 105-106 - в нижнем) соответствует численности бактерий в других пещерах региона. Бактерии представлены эвтрофами и олиготрофами, среди эвтрофов преобладают формы, нуждающиеся в органических источниках азота [6].
Настоящее исследование посвящено анализу численности психрофильных и психротолерантных бактерий различных эколого-трофических групп в пещере Маячная с точки зрения оценки перспектив использования данной пещеры в качестве природного источника потенциально полезных для биотехнологии штаммов.
Отбор проб грунта проводили в верхнем и нижнем ярусах пещеры. Пробы хранили при температуре +4°С, микробиологический анализ проводили методом поверхностного высева через 24 часа после отбора проб. В качестве питательных сред использовали мясо-пептонный агар (МПА), модифицированную среду Чапека с нитратом аммония в качестве источника азота и глюкозой в качестве источника углерода, а также олиготрофную среду (50 мл среды МПА, 50 мл среды Чапека и 900 мл дистиллированной воды на 1 л среды). Инкубирование проводили при температурах +27°С для учёта мезофильных бактерий и +20°С для учёта суммарной численности мезофильных и психрофильных бактерий [4].
Исследования показали, что максимальная численность бактерий наблюдается в нижнем ярусе пещеры в районе обитания колонии летучих мышей. Большинство бактерий представлены психрофильными
аммонификаторами, численность которых достигает 1103х103 колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г грунта (табл.). Данные бактерии могут быть отнесены к автохтонной микробиоте, прошедшей путь эволюционной адаптации к низкотемпературным условиям пещеры. Численность мезофильных аммонификаторов, представляющих собой аллохтонную микробиоту, в рассматриваемом участке пещеры в 6,5 раза меньше, чем психрофильных, и составляет 169х103 КОЕ/г. Наиболее вероятным источником аллохтонных аммонифицирующих бактерий является помёт летучих мышей.
Ещё более существенное (в 8,6 раза) преобладание психрофилов над мезофилами отмечено для бактерий, учитываемых на модифицированной среде Чапека. Можно предположить, что сообщество бактерий указанной эко-лого-трофической группы формировалось параллельно с сообществом аммонификаторов, причём источником азота для данных бактерий служили продукты минерализации высокобелковых субстратов аммонификаторами.
Среди олиготрофных бактерий, напротив, наблюдается значительное (в 2,7 раза) преобладание ме-зофильных форм над психрофильными. Согласно результатам компьютерного моделирования, в эволюци-онно зрелых подземных микробных сообществах подобное явление может наблюдаться при интенсивном притоке аллохтонной микробиоты из наземных экосистем [2; 7]. Наиболее вероятным источником аллохтон-ных олиготрофных бактерий может быть гидравлически связанное с р. Казанчеж подземное озеро, периодически затопляющее рассматриваемый участок.
Численность мезофильных и психрофильных бактерий, учитываемых на различных питательных
средах, в грунте пещеры Маячная, тыс. КОЕ/г
Место отбора проб* С реда
Чапека М ПА Олиготрофная
Мезофилы Психрофилы Мезофилы Психрофилы Мезофилы Психрофилы
ВЯ 2±0,7 Нет 53±14,7 559±46,5 119±21,7 29±11,2
ГП 143±23,7 Нет 66±16,3 532±45,4 7±2,1 207±28,4
ЛМ 67±16,5 573±47,1 169±25,7 1103±65,2 700±52 264±32,1
*ВЯ - верхний ярус пещеры; ГП - гумусоподобные плёнки в нижнем ярусе пещеры; ЛМ - район колонии летучих мышей в нижнем ярусе пещеры.
Высокая численность психрофильных бактерий в нижнем ярусе пещеры отмечается и в участках с "гумусоподобными" тёмными плёнками. По нашим данным, эти плёнки формируются в участках с исторически длительным поступлением органического вещества и по своим микробиологическим характеристикам занимают промежуточное положение между пещерными грунтами и почвой (Хижняк, Кимм, неопубликованные данные). В пещере Маячная в этих плёнках наблюдается значительное преобладание психрофильных бактерий над мезо-фильными как для аммонификаторов (в 8,1 раза), так и для олиготрофов (в 29,6 раза). Указанное соотношение психрофильных форм согласуется с представлением о длительном существовании микробного сообщества на данном участке. Наличие мезофильных форм свидетельствует о продолжающемся притоке аллохтонной микрофлоры, в первую очередь, аммонифицирующих бактерий. Наиболее вероятным источником аллохтонных аммо-нификаторов, как и в предыдущем случае, следует считать помёт летучих мышей.
Наименьшее число бактерий отмечено в боковых ходах верхнего яруса пещеры. Это может быть связано с существенно меньшим поступлением органики в данные участки пещеры. Так, в верхнем ярусе практически отсутствуют летучие мыши, а особенности морфологии не способствуют попаданию туда троглоксенов, что подтверждается отсутствием костных останков. Преобладание психрофильных форм над мезофильными отмечено только для аммонифицирующих бактерий. Олиготрофные бактерии, а также бактерии, учитываемые на среде Чапека в рассматриваемом участке, представлены главным образом мезофильными формами. Следует предположить, что в формирование микробного пула верхнего яруса пещеры значительный вклад вносит ал-лохтонная микробиота, поступающая из прилегающей к пещере почвы. Занос почвенной микробиоты может осуществляться как воздушными массами, так и посетителями пещеры, поскольку, в отличие от нижнего яруса, проникновение в верхнюю часть полости не требует применения специального снаряжения.
В целом можно констатировать, что для микробного сообщества пещеры Маячная характерны высокие абсолютные и относительные численности психрофильных бактерий. По доле психрофильных форм в общем микробном пуле данная пещера значительно превышает большинство других изученных нами пещер региона. Наблюдаемый феномен можно объяснить исторически длительным (как минимум, с плейстоцена) существованием микробного сообщества за счёт постоянного притока органического вещества с поверхности, а также низким уровнем антропогенного загрязнения пещеры. Это позволяет рассматривать пещеру Маячная в качестве перспективного источника психрофильных штаммов, представляющих интерес с точки зрения биотехнологии. Наиболее высокие численности психрофильных бактерий различных экологотрофических групп наблюдаются в нижнем ярусе пещеры в районе колонии летучих мышей.
Литература
1. Кадастр пещер Красноярского края. - Красноярск: Изд-во КНИИГИМС, 1999. - Т. 1. - 304 с.
2. Нестеренко, Е.В. Микромицеты карстовых полостей Средней Сибири: автореф. дис. ... канд. биол. наук / Е.В. Нестеренко. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2007. - 19 с.
3. Оводов, Н.Д. Позвоночные пещер правобережья Енисея в окрестностях Красноярска / Н.Д. Оводов, Н.В. Мартынович, В.Е. Михеев // Проблемы экологии и охраны пещер: мат-лы 1-й Общерос. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2001. - С. 62-82.
4. Психрофильные и психротолерантные гетеротрофные микроорганизмы карстовых полостей Средней Сибири / С.В. Хижняк [и др.] // Экология. - 2003. - № 4. - С.2б1-266.
5. Хижняк, С.В. Перспективы использования психрофильных и психротолерантных микроорганизмов в защите зерновых от обыкновенной корневой гнили / С.В. Хижняк, И.Р. Илиенц, Е.П. Ланкина // Инновации в науке и образовании: опыт, проблемы, перспективы развития: мат-лы Всерос. очно-заочной науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2009. - С. 222-225.
6. Хижняк, С.В. Микробиологическая характеристика пещеры Маячная / С.В. Хижняк, Е.П. Ланкина // Пещеры: охрана, история исследований, культура, туризм, современное состояние и перспективы научных исследований в пещерах на территории бывшего СссР: мат-лы науч.-практ. конф. - Красноярск: Поликом, 2009. - С. 221-225.
7. The microbial communities of Middle Siberian cold caves / S.V. Khizhnyak, E.V. Nesterenko, A.A. Berezikova [at el.] // 3-rd International Workshop on Ice Caves: Volume of Abstracts. Kungur Ice Cave, Perm Region Russia. - 2008. - P. 56-57.
'--------♦-----------
УДК 634.0.18:631.4 П.А. Тарасов
ВЛИЯНИЕ КУЛЬТУР СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ НА СВОЙСТВА ЮЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ ШИРИНСКОЙ СТЕПИ
Рассмотрено влияние сосновых культур, в течение 50 лет произрастающих в несвойственных древесной растительности почвенно-климатических условиях Ширинской степи, на свойства южных супесчаных черноземов. Выявлены изменения в химическом составе солей и их распределении в профиле, а также в содержании поглощенных оснований, гумуса и доступных форм фосфора и калия. Сделан вывод о неоднозначном характере влияния лесных культур на свойства исследуемых почв.
Ключевые слова: культуры сосны обыкновенной, южный чернозем, солевой профиль, агрохимические характеристики.
P.A. Tarasov IMPACT OF THE PINUS SYLVESTRIS CULTURES ON THE SOUTHERN CHERNOZEM SOILS PROPERTIES IN THE SHIRA STEPPE
The influence of the Pinus sylvestris cultures, which have been growing for 50 years in the forest-untypical conditions of the Shira steppe on the properties of southern sabulous chernozem soils is considered. Variations in the salts chemical composition and their distribution in the profile and the adsorbed bases content, humus and the accessible forms of phosphorous and potassium were revealed. The conclusion about the ambiguous character of the forest cultures influence on the observable soils properties is drawn.
Key words: pinus sylvestris cultures, southern chernozem soils, salt profile, agrochemical characteristics.
Расшифровка сложных связей и многообразных взаимоотношений в системе «лес-почва» является одной из приоритетных задач лесной биогеоценологии. Проводимые в данном аспекте исследования представляют интерес как в общебиологическом плане, так и с позиции решения практических вопросов лесного хозяйства, а также генезиса и классификации почв. Особый интерес к данному вопросу возникает при искусственном лесоразведении в степных районах. Он заключается не только в исследовании особенностей роста и развития лесных культур той или иной древесной породы в изначально несвойственных ей почвенноклиматических условиях, но и в изучении влияния искусственных насаждений на почвы нелесной зоны. Исходя из этого, основная цель работы заключалась в определении характера и степени влияния сосновых
