РАЗНООБРАЗИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ ВО ВХОДНЫХ ЗОНАХ ПЕЩЕР НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА "БАШКИРИЯ" Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 502.2/4, 574.4, 581.55/9

1 2 3 1

Екатерина Витальевна Козлова , Светлана Евгеньевна Мазина , , , Максим Викторович Ларионов4 5 31

1 Российский университет дружбы народов

2ФГУП Научно-технический центр радиационно-химической безопасности и гигиены Федерального медико-биологического агентства,

3Российский государственный аграрный заочный университет

4Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А. Тимирязева 5Государственный университет по землеустройству

1kozlova-ev@rudn.т, https://orcid.org/0000-0003-4325-6930 , , conophytum@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-0108-5339 4,5,3,1 m.larionow2014@yandex.т, https://orcid.org/0000-0003-0834-2462

Автор, ответственный за переписку: Козлова Екатерина Витальевна

kozlova-ev@rudn. т

РАЗНООБРАЗИЕ ЦИАНОБАКТЕРИЙ ВО ВХОДНЫХ ЗОНАХ ПЕЩЕР НАЦИОНАЛЬНОГО ПАРКА «БАШКИРИЯ»

Аннотация. Уникальность и специфичность подземных местообитаний затрудняет подбор оптимальных методов, необходимых для корректного выделения микроорганизмов, реализующихся в этих экосистемах. Использование стандартных методик без учета особенностей местообитаний способно исказить полученные результаты, как в отношении видового состава, так и структуры сообществ. Целью данного исследования было выделение цианобактерий из сообществ обрастаний входных фотических зон шести пещер Кутукского урочища Национального парка «Башкирия». Образцы отбирали с каждого визуально различимого участка сообщества, культивирование проводили при разных уровнях освещенности (от 300 люкс до стандартных 2000-3000 люкс) и различных температурных условиях (4, 12, 24 °С), используя среды Громова №6, Бристоль и экстракт из субстратов (аналог почвенной вытяжки). Общее обилие в фотической зоне пещеры оценивали, исходя из суммарного обилия вида в исследованных сообществах обрастаний. В результате обнаружено 47 видов цианобактерий, в видовом составе доминировали представители отдела Nostocales. Выявлены виды, приуроченные к синузиям мохообразных, а также биопленки цианобактерий, имеющие постоянный видовой состав в различных пещерах. Проведено сравнение полученных результатов и видового состава цианобактерий, ранее выделенных из различных местообитаний, для входной зоны пещеры Кутук-Сумган.

Ключевые слова: подземные местообитания, экотоны, пещеры, цианобактерии, биопленки.

Ekaterina V.Kozlova1, Svetlana E. Mazina2,3,1, Maxim V. Larionov4 31

1 Peoples' Friendship University of Russia (RUDN University)

2

Research and technical center of radiation-chemical safety and hygiene FMBA of Russian

Federation

ß

3Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education Russian State Agrarian Correspondence University

72

©Козлова Е.В., Мазина С.Е., Ларионов М.В., 2022

4Russian State Agrarian University - Moscow Timiryazev Agricultural Academy (RSAU -MTAA named after K.A. Timiryazev)

5The State University of Land Use Planning

1kozlova-ev@rudn.ru, https://orcid.org/0000-0003-4325-6930 , , conophytum@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-0108-5339

4,3,1m.larionow2014@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0003-0834-2462

Corresponding author: Kozlova Ekaterina V., kozlova-ev@rudn.ru

DIVERSITY OF CYANOBACTERIA IN THE ENTRANCE ZONES OF THE CAVES OF THE BASHKIRIA NATIONAL PARK

Abstract. The uniqueness and specificity of underground habitats makes it difficult to select the optimal methods necessary for the correct isolation of microorganisms that are realized in these ecosystems. The use of standard methods without considering the characteristics of habitats can distort the results obtained, both in terms of species composition and community structure. The aim of this study was to isolate cyanobacteria from the phototrophic communities of the entrance photic zones of six caves of the Kutuk tract of the Bashkiria National Park. Samples were taken from each visually distinguishable area of the community, cultivation was carried out at different levels of illumination (from 300 lux to standard 2000-3000 lux) and various temperature conditions (4, 12, 24 °C), using Gromov's No. 6 and Bristols media, and extract from substrates (similar to soil extract). The total abundance in the photic zone of the cave was estimated based on the total abundance of the species in the studied communities. As a result, 47 species of cyanobacteria were found, representatives of the Nostocales dominated in the species composition. Species associated with synusia of bryophytes, as well as biofilms of cyanobacteria with a constant species composition in various caves, have been identified. The obtained results and the species composition of cyanobacteria previously isolated from different habitats were compared for the entrance zone of the Kutuk-Sumgan cave.

Key words: underground habitats, ecotones, caves, cyanobacteria, biofilms.

В последние годы увеличился интерес к изучению карстовых подземных местообитаний. Был проведен ряд исследований, в результате которых уточнены и расширены экологические особенности фотических зон карстовых пещер. Помимо того, что они являются экотонами между наземными и подземнымs экосистемами, выявлена их роль как микрорефугиумов [1; 2]. Обсуждаются адаптации видов, механизмы формирования и типы сообществ, сукцессия и конкуренция в фотических зонах пещер. По данным многих исследователей, наиболее приспособленными к условиям пещер являются цианобактерии, способные выживать при низких уровнях освещения [3, 4]. Именно цианобактерии часто являются доминантами в пещерных сообществах и преобладают во флоре фотической зоны и во вторичных сообществах экскурсионных пещер, оборудованных искусственным освещением [5, 6].

Несмотря на растущий интерес к изучению фототрофов пещер и увеличению количества исследований водорослей и цианобактерий подземных полостей, наблюдающемуся в последние годы, информации о биоразнообразии пещерной флоры крайне мало. Важно оценивать динамику видового состава с целью выявления возможных изменений, при этом индикаторными видами могут служить цианобактерии, как наиболее характерные для пещерной среды. Особенно актуален анализ биоты пещер на территориях с возрастающей антропогенной нагрузкой. Одним из таких участков является Кутукское урочище Национального парка «Башкирия», где пролегают экологические тропы.

Таким образом, целью данного исследования было определение биоразнообразия цианобактерий фотических зон некоторых пещер Кутукского урочища, расположенного в

национальном парке «Башкирия». Кутук-Сумган является самой протяженной пещерой на Урале и крупнейшей пещерой-шахтой региона, входная зона которой представляет собой обширный колодец 10 на 20 метров. Кутукская-4 - самая глубокая пещера Урала с входной зоной в виде 10-метрового вертикального колодцы. Кутукская-1 (Ледяная) имеет наклонный обледенелый спуск во входное отверстие. Кутукская-2 (Сталактитовая) начинается провальной воронкой, переходя в грот. Пещера Кутукская-2 начинается провальной воронкой, за которой следует грот. Кутукская-3 - пещера шахтного типа. Пещера Зигзаг представляет собой широкую галерею с боковыми притоками длиной и подземной рекой, в пещере есть два сифона.

В основном, исследования альгофлоры в пещерах проводятся с использованием традиционных методов, используемых для анализа наземных местообитаний. Анализируют пробы грунтов, воздуха, соскобы и мазки со сводов и пола пещеры, при наличии водных объектов - пробы воды и донных отложений. Посевы водорослей и цианобактерий культивируют при стандартных условиях освещения, не учитывая экологические особенности видов пещерных местообитаний. Таким образом могут быть получены результаты, отражающие не столько виды, которые реально обитают в пещере, сколько виды, чьи зачатки могут быть занесены в пещеру и находиться в отобранных образцах. Анализ участия видов в сообществах на основе их количественных показателей в посевах также может искажать реальную представленность вида в сообществе пещеры.

Через входные фотические зоны пещер проходит большое количество постоянных и периодичческих (в том числе сезонных) потоков: воздушные потоки, водные потоки различной мощности (реки или ручьи, струйчатые потки, капежи, паводковые и воды осадков), осыпи почв и грунтов, движение животных (включая троглофилов) и человека. Таким образом, перемещение биоты, в том числе фототрофной, может быть очень активным, что обеспечивает постоянное обновление зачатков фототрофов в фотической зоне.

С целью разделить виды, которые занесены в пещерную среду и виды, реализованные в пещерных местообитаниях, был разработан подход, основанный на выделении максимального количества видов из сообществ обрастаний пещер. В фотической зоне отбор проб проводили на каждом визуально различимом участке зарастания: мхи отбирали вместе с грунтом; водоросли и цианобактерии на кальците и известняке собирали вместе с кусками субстрата или делали соскобы; с глинистых отложений делали соскобы либо отбирали монолиты. Дополнительно отбирали соскобы и субстраты на участках без визуально выраженных обрастаний для оценки видового состава на субстрате.

В лаборатории образцы просматривали, оценивая обилие видов, используя 5-балльную шкалу в каждом сообществе. Общее обилие в фотической зоне пещеры оценивали, исходя из суммарного обилия вида в исследованных сообществах обрастаний. Для посевов отдельные клетки цианобактерий выделяли из сообщества при помощи микрокапилляра и культивировали при разных уровнях освещенности (от 300 люкс до стандартных 2000-3000 люкс) и различных температурных условиях (4, 12, 24 °С). Использовали среды Громова №6, Бристоль и экстракт из субстратов (аналог почвенной вытяжки) [7].

Предполагается, что применение метода капилляров позволяет сразу получить аксеничную культуру [8], но в случае цианобактерий это не так. Как показал наш опыт исследования пещерных цианобактерий, их успешное культивирование в аксеничной культуре редко бывает возможным, поскольку они в основном находятся в сообществе с гетеротрофными микроорганизмами. Наилучшие результаты обычно получают при культивировании смешанных культур, полученных из сообществ обрастаний, но соотношение видов в них может меняться, по сравнению с исходным образцом.

Во входных зонах пещер урочища Кутук-Сумган наблюдается высокое разнообразие различных сообществ: куртины мхов, биопленки в потоках и капежах, обрастания на кальците, породе и глинистых отложениях на кальците. Характерно наличие глинистых отложений на полу пещер и на полках в колодцах, причем эти отложения часто перемешаны с частицами почв, попадающими с поверхности либо осыпаясь с краев колодца, либо с

паводковыми или дождевыми водами. Активному перемещению массивных обрастаний способствуют и обрушения снежно-ледовых масс, увлекающих на дно колодцев пещер флору и почвы с поверхности, либо с полок колодца. Менее значимым фактором являются спелеологи, которые также могут механически уничтожить часть обрастаний.

Мощные глинистые отложения, в сочетании с постоянной высокой влажностью и достаточной для развития фототрофов освещенностью, обеспечивают активное развитие мохообразных в фотических зонах пещер. В пещерах урочища Кутук-Сумган представлены виды Bryopsida, не менее 6 в каждой из исследованных пещер, а также представители отделов Anthocerotophyta и Marchantiophyta, причем последние могут иметь высокое обилие и вносят вклад в средообразование, вместе с представителями листостебельных мхов.

Традиционно, культивирование водорослей и цианобактерий обычно при уровнях освещенности 2000-3000 лк и при комнатной температуре [9; 10], что, однако, не соответствует пещерных условиям и может искажать состав и структуру выявляемых сообществ.

Обнаружено 47 видов цианобактерий (Таблица 1). В таксономической структуре преобладали представители отдела Nostocales (13 видов) содоминантами были виды отдела Synechococcales (12 видов) и Ostillatoriales (11 видов).

Общее низкое участие цианобактерий во флоре фотических зон пещер обусловлено тем, что, в отличие от пещер более южных регионов или пещер с небольшими входами без постоянного притока влаги, с низким обилием мохообразных, в пещерах урочища Кутук-Сумган преобладают мхи. При этом локально, на уровне отдельных сообществ (обрастаний) цианобактерии доминируют.

Если рассматривать участие цианобактерий в растительном покрове фотических зон пещер Кутукского урочища, то можно выделить виды, характерные для синузий мохообразных: Aphanocapsa muscicola, Tolypothrix tenuis, Nostoc punctiforme, Nodularia spumigena, Stigonema ocellatum, Synechococcus elongatus, Leptolyngbya foveolarum, Tolypothrix tenuis, Synechocystis aquatilis, Aphanocapsa incerta. Кроме того, обнаружены биопленки, имеющие постоянный видовой состав цианобактерий: Leptolyngbya foveolarum, Leptolyngbya tenuis и Aphanocapsa muscicola; Leptolyngbya foveolarum, Leptolyngbya tenuis и Gloeocapsopsis pleurocapsoides; Gloecapsopsis magma и Gloeocapsa artrata; Gloeocapsa artrata и Gloeocapsa rupestris.

В ходе проведенного исследования был увеличен список видов, выявленных ранее во входной зоне пещеры Кутук-Сумган из различных местообитаний [9]. Сходство видового состава цианобактерий, выявленных в различных местообитаниях и цианобактерий, выделенных из сообществ, низкое, индекс сходства видового состава Жаккара Ijcr=0,18. Принимая во внимание увеличивающуюся антропогенную нагрузку на регион планируется продолжить исследования биоразнообразия флоры входных фотических зон пещер, а также оценку динамики развития сообществ.

Таблица 1

Обилие цианобактерий во входных зонах некоторых пещер Национального парка «Башкирия»

Вид Балл обилия

Сумгук-Кутан Кутукская-1 Кутукская-2 Кутукская-3 Кутукская-4 Зигзаг

Class Cyanophyceae

Order Nostocales

Family Aphanizomenonaceae

Genus Dolichospermum

Dolichospermum affine (Lemmermann) Wacklin, L.Hoffmann & Komarek 2009 1 1

Genus Nodularia

Nodularia spumigena Mertens ex Bornet & Flahault 1888 1 1

Family Calotrichaceae

Genus Calothrix

Calothrix elenkinii Kossinskaja [Kosinskaya] 1924 2

Family Nostocaceae

Genus Cylindrospermum

Cylindrospermum sp. 1

Genus Nostoc

Nostoc linckia Bornet ex Bornet & Flahault 1886 1 2 1 2

Nostocpaludosum Kützing ex Bornet & Flahault 1886 1 1 1 1 1 1

Nostoc punctiforme Hariot 1891 1 1

Genus Trichormus

Trichormus sp. 1

Family Stigonemataceae

Genus Stigonema

Stigonema ocellatum Thuret ex Bornet & Flahault 1886 1 1

Family Scytonemataceae

Genus Scytonema

Scytonema sp. 1 2 1 1 2 1

Family Tolypothrichaceae

Genus Tolypothrix

Tolypotrix sp. 1 1 1 2 2 2

Tolypothrix distorta Kützing ex Bornet & Flahault 1886 1 1 1 1

Tolypothrix tenuis Kützing ex Bornet & Flahault 1886 1 1 1 1

Order Chroococcales

Family Aphanothecaceae

Genus Aphanothece

Aphanothece saxicola Nägeli 1849 1

Order Chroococcidiopsidales

Family Cyanothecaceae

Genus Cyanothece

Cyanothece major (Schröter) Komârek 1976 1 1

Genus Gloeothece

Gloeothece rupestris (Lyngbye) Bornet 1880 1 1

Family Chroococcaceae

Genus Chroococcus

Chroococcus minimus (Keissler) Lemmermann 1904 2 1

Chroococcus minutus (Kützing) Nägeli 1849 3 1 1 1 2 1

Chroococcus pallidus Nägeli 1849 1

Chroococcus turgidus (Kützing) Nägeli 1849 1 1 1 1

Order Oscillatoriales

Family Chroococcidiopsidales familia incertae sedis

Genus Gloeocapsopsis

Gloeocapsopsis magma (Brébisson) Komârek & Anagnostidis ex Komârek 1993 2 1 1

Gloeocapsopsis pleurocapsoides (Novâcek) Komârek & 2 1 1

Anagnostidis ex Komârek 1993

Family Cyanothecaceae

Genus Cyanothece

Cyanothece aeruginosa (Nägeli) Komârek 1976 1 1

Genus Microcoleus

Microcoleus autumnalis (Gomont) Strunecky, Komârek & J.R.Johansen 2013 1 1 1 1 1 1

Family Microcystaceae

Genus Gloeocapsa

Gloeocapsa atrata Kützing, nom. illeg. 1843 1 1 1 1 1

Gloeocapsa rupestris Kützing 1847 1 1

Family Oscillatoriaceae

Genus Oscillatoria

Oscillatoria rupicola (Hansgirg) Hansgirg ex Forti 1907 1 1 1 1 1 1

Genus Phormidium

Phormidium ambiguum Gomont 1892 1 2

Phormidium interruptum Kützing ex Forti 1907 2 1 2

Phormidium lividum (Hansgirg) Forti 1907 1 1

Phormidium terebriforme (C.Agardh ex Gomont) Anagnostidis & Komârek 1988 1 1 2

Order Synechococcales

Family Leptolyngbyaceae

Genus Leptolyngbya

Leptolyngbya boryana (Gomont) Anagnostidis & Komârek 1988 1

Leptolyngbya foveolarum (Gomont) Anagnostidis & Komârek 1988 3 1 1 1 3 1

Leptolyngbya angustissima (West & G.S.West) Anagnostidis & Komârek 1988 3 2 2 3 2 2

Genus Phormidesmis

Phormidesmis mollis (Gomont) Turicchia, Ventura, Komarkova & Komarek 2009 1 2 1 1

Family Merismopediaceae

Genus Anathece

Anathece minutissima (West) Komarek, Kastovsky & Jezberova 2011 1 1

Genus Aphanocapsa

Aphanocapsa incerta (Lemmermann) G.Cronberg & Komarek 1994 1 1 1

Aphanocapsa muscicola (Meneghini) Wille 1919 2 2 2 2 2 2

Genus Synechocystis

Synechocystis aquatilis Sauvageau 1892 1 1

Synechocystis pevalekii Ercegovic 1925 1 1

Family Synechococcaceae

Genus Synechococcus

Synechococcus elongatus (Nägeli) Nägeli 1849 1 1 1 1 1 1

Family Synechococcales familia incertae sedis

Genus Jaaginema

Jaaginemapseudogeminatum (G.Schmid) Anagnostidis & Komarek 1988 1

Jaaginema subtilissimum (Kützing ex Forti) Anagnostidis & Komarek 1988 2 1 1 1

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Pereira R.F. Indicators of conservation value of Azorean caves based on its Bryophyte flora at cave entrances / R.Pierra F., P.A.V. Borges, J.P. Constancia // Proceedings of the X, XI and XII International Symposia on Vulcanospeleology. - 2008. - P. 114-118.

2. Monro A.K. Discovery of a diverse cave flora in China / A.K. Monro, N. Bystriakova, L. Fu, F. Wen, Y. Wei // Discovery of a diverse cave flora in China. - PLoS ONE. -2008. - 13:e0190801

3. Шарипова М. Ю. Водоросли карстовых пещер заповедника Шульган-Таш (Южный Урал, Россия) /М. Ю. Шарипова // Альгология. - 2001. - Т. 2. - N. 4. - С. 441-450.

4. Mulec J. Microorganisms in hypogen: examples from Slovenian karst caves / J. Mulec // Acta Carsologica. - 2008. - V. 37, N. 1. - P. 153-160.

5. Abdelahad N. On four Myxosarcina-like species (Cyanophyta) living in the Inferniglio cave (Italy) / N. Abdelahad // Archiv für Hydrobiologie, Supplement Algological Studies. - 1989. - V. 54. - P. 3-13.

6. Smith T. A taxonomic survey of Lamp Flora (Algae and Cyanobacteria) in electricaly lit passages within Mammoth Cave National Park, Kentuky / T. Smith, R. Olson // International Journal of Speleology. - 2007. - Vol. 36. - P. 105-114.

7. Практикум по микробиологии [Текст] / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук и др.; под ред. А.И. Нетрусова - М.: Издательский центр «Академия», 2005 - 608 с.

8. Методы физиолого-биохимического исследования водорослей в гидробиологической практике [Текст] / Л. А. Сиренко, А. И. Сакевич, Л. Ф. Осипов и др. ; Отв. ред. акад. А. В. Топачевский ; АН УССР, Ин-т гидробиологии. - Киев: Наук. думка, 1975. - 247 с.

9. Абдуллин Ш.Р. Закономерности формирования разнообразия и синтаксономия цианобактериально-водорослевых ценозов пещер России и некоторых сопредельных государств [Текст]: дис. ... д-ра биол. наук: 03.02.01 / Абдуллин Шамиль Раисович. - Уфа, 2015. - 440 с.

10. Kumar M. Growth and biopigment accumulation of cyanobacterium Spirulina platensis at different light intensities and temperature / M. Kumar, J. Kulshreshtha, G. P. Singh // Brazilian journal of microbiology. - 2011. - Brazilian journal of microbiology. - Vol. 42, N. 3. - P. 1128-1135.

REFERENCES

1. Pereira R.F. Indicators of conservation value of Azorean caves based on its Bryophyte flora at cave entrances / R.Pierra F., P.A.V. Borges, J.P. Constancia // Proceedings of the X, XI and XII International Symposia on Vulcanospeleology. - 2008. - P. 114-118.

2. Monro A.K. Discovery of a diverse cave flora in China / A.K. Monro, N. Bystriakova, L. Fu, F. Wen, Y. Wei // Discovery of a diverse cave flora in China. - PLoS ONE. -2008. - 13:e0190801

3. SHaripova M. YU. Vodorosli karstovyh peshcher zapovednika SHul'gan-Tash (YUzhnyj Ural, Rossiya) /M. YU. SHaripova // Al'gologiya. - 2001. - T. 2. - N. 4. - S. 441-450.

4. Mulec J. Microorganisms in hypogen: examples from Slovenian karst caves / J. Mulec // Acta Carsologica. - 2008. - V. 37, N. 1. - P. 153-160.

5. Abdelahad N. On four Myxosarcina-like species (Cyanophyta) living in the Inferniglio cave (Italy) / N. Abdelahad // Archiv für Hydrobiologie, Supplement Algological Studies. - 1989. - V. 54. - P. 3-13.

6. Smith T. A taxonomic survey of Lamp Flora (Algae and Cyanobacteria) in electricaly lit passages within Mammoth Cave National Park, Kentuky / T. Smith, R. Olson // International Journal of Speleology. - 2007. - Vol. 36. - P. 105-114.

7. Praktikum po mikrobiologii [Tekst] / A.I. Netrusov, M.A. Egorova, L.M. Zaharchuk i dr.; pod red. A.I. Netrusova - M.: Izdatel'skij centr «Akademiya», 2005 - 608 s.

8. Metody fiziologo-biohimicheskogo issledovaniya vodoroslej v gidrobiologicheskoj praktike [Tekst] / L. A. Sirenko, A. I. Sakevich, L. F. Osipov i dr. ; Otv. red. akad. A. V. Topachevskij ; AN USSR, In-t gidrobiologii. - Kiev: Nauk. dumka, 1975. - 247 s.

9. Abdullin SH.R. Zakonomernosti formirovaniya raznoobraziya i sintaksonomiya cianobakterial'no-vodoroslevyh cenozov peshcher Rossii i nekotoryh sopredel'nyh gosudarstv [Tekst]: dis. ... d-ra biol. nauk: 03.02.01 / Abdullin SHamil' Raisovich. - Ufa, 2015. - 440 s.

10. Kumar M. Growth and biopigment accumulation of cyanobacterium Spirulina platensis at different light intensities and temperature / M. Kumar, J. Kulshreshtha, G. P. Singh // Brazilian journal of microbiology. - 2011. - Brazilian journal of microbiology. - Vol. 42, N. 3. - P. 1128-1135.

Информация об авторах

Е.В. Козлова — кандидат биологических наук, младший научный сотрудник; С.Е. Мазина — кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, доцент; М.В. Ларионов - доктор биологических наук, в.н.с. профессор, 3Российский государственный аграрный заочный университет.

Information about the authors

E.V. Kozlova - Cand. Sci. (Biology), Junior researcher;

S.E. Mazina - Cand. Sci. (Biology), Senior Researcher, Associate Professor;

M.V. Larionov — Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher, Professor.