CC BY
124
2013
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Сер. 3
Вып. 2
БОТАНИКА
УДК 579.26
А. Л. Панин, Е. А. Богумильчик, А. Н. Шаров, Д. Ю. Власов, М. С. Зеленская,
А. В. Толстиков, Ш. Б. Тешебаев, Г. Я. Ценева, Л. А. Краева, В. Б. Сбойчаков, В. Н. Болехан
ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫЕ МАТЫ КАК ОБЪЕКТЫ МОНИТОРИНГА АНТАРКТИЧЕСКИХ ЭКОСИСТЕМ*
Введение
Микробиологический мониторинг является объективным методом исследования, наблюдения, оценки и прогноза влияния деятельности человека на состояние окружающей среды, а также наиболее обоснованным методом комплексной оценки уровня антропогенного воздействия на природные объекты. Исследования территорий, охваченных деятельностью РАЭ, проводятся с 1997 г. (42 научные работы в сезон РАЭ). Показано, что динамика состава микробиоты обусловлена не только климатическими
Панин Александр Леонидович — преподаватель, ФГКВОУ ВПО «Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова» МО РФ; e-mail: [email protected]
Богумильчик Елена Александровна — науч. сотр., ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера; e-mail: [email protected]
Шаров Андрей Николаевич — канд. биол. наук, Санкт-Петербургский научно-исследовательский Центр экологической безопасности РАН; e-mail: [email protected]
Власов Дмитрий Юрьевич — д-р биол. наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]
Зеленская Марина Станиславовна — канд. биол. наук, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]
Толстиков Алексей Владимирович — канд. геогр. наук, Институт водных проблем Севера Карельского НЦ РАН; e-mail: [email protected]
Тешебаев Шамиль Балтабаевич — канд. мед. наук, Центр полярной медицины арктического и антарктического НИИ; e-mail: [email protected]
Ценева Галина Яковлевна — д-р мед. наук, профессор, ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера; e-mail: [email protected]
Краева Людмила Александровна — д-р мед. наук, ФБУН НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера; e-mail: [email protected]
Сбойчаков Виктор Борисович — д-р мед. наук, профессор, ФГКВОУ ВПО «Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова» МО РФ; e-mail: [email protected]
Болехан Василий Николаевич — д-р мед. наук, доцент, НИЦ ФГКВОУ ВПО «Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова» МО РФ; e-mail: [email protected]
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 10-05-00963, № 10-04-01181-а), а также ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 11.519.11.2003 от 17 августа 2011 г.).
© А. Л. Панин, Е. А. Богумильчик, А. Н. Шаров, Д. Ю. Власов, М. С. Зеленская, А. В. Толстиков, Ш. Б. Тешебаев, Г. Я. Ценева, Л. А. Краева, В. Б. Сбойчаков, В. Н. Болехан, 2013
факторами, но и антропогенной нагрузкой. При комплексном обследовании прибрежных территорий, характеризующихся наибольшим биоразнообразием в Антарктике, специальное внимание было уделено лишайникам, как индикаторам состояния полярных экосистем [1]. Однако в ходе дальнейших обследований было обнаружено, что в ряде районов Антарктиды, различающихся по климатическим условиям и степени антропогенной нагрузки, доминируют цианобактериальные маты (ЦБМ). Они заселяют грунты после освобождения пространства от многолетних ледников, образуют крупные отложения в континентальных озерах, участвуют в почвообразовании. Близость ЦБМ к полярным станциям позволяет предположить, что они реагируют на изменения условий обитания под влиянием человека и могут быть использованы в целях биоиндикации антарктических экосистем.
ЦБМ — автономное сообщество, где присутствуют и продукционная ветвь углеродного цикла, осуществляемая цианобактериями (ЦБ), и деструкционная ветвь, осуществляемая разными бактериями [2]. Вопросы формирования разнообразия ЦБМ и взаимодействия микроорганизмов различных трофических групп остаются недостаточно исследованными. Так, нами впервые проведено исследование встречаемости иер-синий, псевдомонад и микромицетов в субаэральных и бентосных ЦБМ Антарктиды.
Цель исследования — охарактеризовать ЦБМ как индикатор изменения антарктических экосистем, оценить состав микроорганизмов, имеющих эпидемиологическое и эпизоотическое значение в полярных условиях Земли.
Материал и методы исследования
Материалом для исследований послужили образцы ЦБМ и полученные из них субстраты, отобранные в районах полярных станций «Прогресс», «Новолазаревская», «Беллинсгаузен», обсерватории «Мирный», полевой базы «Дружная-4». За период полевых работ 56-й РАЭ с 12.2010 по 04.2011 г. исследовано 77 ЦБМ и мест их обитания в восточной и западной частях Антарктиды. Для привязки к местности применялся GPS-навигатор фирмы Garmin-60 CSx. Бурение льда на поверхности озер осуществлялось с помощью мотобура Hitachi (диаметр шнека 200 мм, толщина льда до 3 м). Отбор проб донных отложений производили трубчатым дночерпателем (стратометром) в соответствии с ГОСТ Р 51592-2000. Исследуемый материал забирали в стерильные контейнеры и в пробирки с транспортной средой. Пробы в течение 24 ч доставляли в лабораторию научно-экспедиционного судна (НЭС) «Академик Фёдоров» и до проведения исследований в судовой лаборатории сохраняли при температуре +4 оС. Часть материала сохраняли при -25 оС в морозильной камере до завершения экспедиции для идентификации ЦБ и других микроорганизмов в соответствии с определителем Берджи [3].
Для культивирования и идентификации микромицетов применяли среды Чапека, Сабуро и картофельно-глюкозный агар. Выделение иерсиний, псевдомонад и других микроорганизмов из проб ЦБМ осуществляли при +26 оС на дифференциально-диагностической среде СБТС и агаре Эндо. Контролем выделенных культур служили эталонные штаммы из музеев ВМедА им. С. М. Кирова, СПбГУ и НИИЭМ им. Пастера. При наличии в пробах грамотрицательных палочек ставили тест на наличие у выделенных штаммов фермента оксидазы. Культуры, не имеющие оксидазы, подвергали биохимическому типированию с помощью тест-систем MIKRO-LA-TEST. Учет результатов производили с использованием компьютерной программы Lachema по обра-
ботке данных через 24 ч после инкубации проб при 37 оС. Штаммы бактерий, которые не удалось идентифицировать с помощью биохимических тестов, были изучены с помощью технологии MALDI TOF на приборе Вгикег Daltonics.
Результаты исследования и их обсуждение
ЦБМ в Антарктике приурочены к местам таяния льда, концентрации птиц и антропогенного загрязнения на разном удалении от объектов РАЭ. В основном они состояли из ЦБ — нитчатых, колониальных и одноклеточных микроорганизмов. В 77% образцов ЦБМ обнаружены ЦБ из родов РзеиСапаЪаепа, ЬгрЫущЪуа, ОзеИШопа, Ыоз^е. Как правило, они являются основным компонентом микробных матов и способны выживать в широких диапазонах освещенности и температуры.
Для ЦБМ характерно разнообразие окраски, зависящее от доминирования определенных групп организмов (водорослей или ЦБ) в их поверхностном слое и, надо полагать, от состава субстрата, на котором развиваются данные сообщества. Чаще встречались маты сине-зеленого, черного, бурого, рыжего (рис. 1) и сероватого цветов.
Рис. 1. Дно небольшого озера покрыто цианобактери-альным матом рыжего цвета
Редко обнаруживали красную и пурпурную окраску. Толщина ЦБМ весьма изменчива: первичные маты были достаточно тонкими а многолетние — имели значительную толщину и хорошо выраженную слоистость, образованную чередованием органических и минеральных слоев (рис. 2). Для всех этих образований характерно наличие нескольких основных зон, имеющих определенный набор микроорганизмов с присущим только им метаболизмом. Первая зона оксигенного фотосинтеза с ЦБ характеризовалась рыхлой структурой. В ней сосредоточено основное видовое многообразие микроорганизмов. Анаэробная зона может достигать в озерных матах толщины нескольких десятков сантиметров. Для слоев с анаэробной деструкцией характерна сложная последовательность реакций, осуществляемых различными функциональными группами организмов [4]. Нижние слои ЦБМ плавно переходят в полностью минерализованные осадки, в образовании которых принимают активное участие микроорганизмы.
Рис. 2. Слоистая структура донных осадков оз. Поморник в районе станции «Новолазаревская», расположенной на территории оазиса Ширмахера
Годичный слой составляет примерно 0,5 мм.
Наибольшей мощности ЦБМ достигают в глубоких озерах, где амплитуды гидрофизических параметров в придонном слое в течение года изменяются незначительно. Это относится в первую очередь к температуре. Например, в осадках оз. Глубокого в районе станции «Молодежная» (оазис Холмы Тала) на глубине 30 м были обнаружены мощные ЦБМ (до 30 см). Температура придонного слоя воды здесь в течение года находится в пределах 3,8-4,2 °С. В летний период, несмотря на постоянный трехметровый покров льда, на оз. Глубоком 10-15% приходящей солнечной радиации достигает его дна (из-за постоянных ветров на ледяной поверхности полностью отсутствует снег, а вода имеет высокую прозрачность). Такие условия позволяют ЦБ фотосинтезировать на значительной глубине. Аналогичная ситуация прослеживается и в других глубоких озерах Восточной Антарктиды (рис. 3).
Слоистая структура объясняется разной интенсивностью роста ЦБ в течение года и может служить для определения возраста осадков и оценки изменений климатических и экологических условий.
Наиболее мощные субаэральные циано-бактериальные маты были зафиксированы в районах образования колоний птиц. В качестве включений в таких матах преобладали
Рис. 3. Донные осадки оз. Поморник Осадочный материал с глубины 12 м. Многослойный ЦБМ.
перья, гуано, мелкие фрагменты скелета птиц и других животных. Близость ЦБМ к ор-нитогенным и антропогенным местообитаниям позволяет предположить, что в состав субаэральных матов входят микроорганизмы, имеющие эпидемиологическое и эпизоотическое значение. Это предположение было частично подтверждено в результате выделения одиннадцати культур Yersinia enterocolitica из проб, взятых на территории колонии пингвинов Адели о-ва Хасуэлл в районе обсерватории «Мирный». Среди полученных штаммов у пяти были выявлены факторы патогенности. Эти исследования позволили подтвердить необходимость расширения поиска других бактериальных агентов — таких как псевдомонады и листерии в орнитогенных и антропогенных местообитаниях в Антарктике [5]. Вокруг объектов РАЭ достаточно широко встречаются субаэральные цианобактериальные маты ржавого цвета (различные оттенки коричневой окраски). Природа этого явления, вероятно, связана не только с высоким содержанием железа в антарктических грунтах, но и с наличием металлолома вокруг полярных станций и полевых баз. Значение железа доказано не только для метаболизма ЦБ, но и для таких психрофильных микроорганизмов, как Yersinia [6]. Одним из главных различий между слабо- и высокопатогенными иерсиниями можно считать их способность захватывать молекулярное железо, необходимое для системной диссеминации в организме хозяина. Важно отметить, что при определенных условиях жизнедеятельность Y. pseudotuberculosis зависит от взаимодействия с цианобактериями Anabaena variabilis [7]. Взаимовлияние этих организмов было показано на популяционном и ультраструктурном уровнях.
В результате бактериологических исследований в пробах ЦБМ и связанных с ними субстратов нами выявлены бактерии 28 видов из 20 родов и 9 семейств (табл. 1). Большинство полученных штаммов (12) представляет сем. Enterobacteriaceae, значительную долю — сем. Pseudomonadaceae (5 штаммов). Представляет интерес выделение Shigella dysenteriae и пяти видов рода Serratia. Если первый вид относится к патогенным микроорганизмам, то большинство бактерий рода Serratia являются условно-патогенными. Большинство видов рода Pseudomonas относится к непатогенным бактериям, широко встречающимся в окружающей среде.
Специальное внимание в наших исследованиях было уделено составу микроми-цетов, которые способны входить в гетеротрофный блок ЦБМ. Ранее было показано, что микроскопические грибы имеют значительное распространение в районах расположения полярных станций в Антарктиде [8]. Очевидно, что вместе с антропогенными и зоогенными субстратами, а также фрагментами горных пород и первичной почвы микромицеты могут оказываться в составе ЦБМ и составлять гетеротрофный блок этих сообществ. Отметим, что ранее состав микромицетов в ЦБМ практически не изучался. Для понимания возможных путей вовлечения грибов в субаэральные и бентосные ЦБМ нами проведено сравнительное микологическое исследование образцов ЦБМ, грунта из мест скопления птиц, а также первичных почв, формирующихся при участии мхов и лишайников. Образцы были отобраны в прибрежных районах восточной части Антарктиды. Всего в ходе исследований выявлено 46 видов микромицетов, а также неспорулирующие светло- и темноокрашенные формы грибов (табл. 2).
Результаты микологических исследований свидетельствуют о значительном разнообразии микромицетов в пробах ЦБМ (39 видов, неспорулирующие формы). В грунтах из мест скопления птиц (с включениями зоогенных субстратов) вблизи от
Таблица 1. Видовой состав и таксономическое положение бактерий, выявленных в образцах ЦБМ
и связанных с ними субстратов
Вид Семейство Порядок Класс
Achromobacter xylosus Alcaligenaceae Burkholderiales Betaproteobacteria
Аcinetobacter haemolyticus Moraxellaceae Pseudomonadales Gammaproteobacteria
A. lwoffii То же То же То же
Alcaligenes faecalis Alcaligenaceae Burkholderiales Betaproteobacteria
Brevundimonas vesicularis Pseudomonadaceae Pseudomonadales Gammaproteobacteria
Burkholderia cepacia Burkholderiaceae Burkholderiales Betaproteobacteria
В. pseudomallei То же То же То же
Citrobacter freundii Enterobacteriaceae Enterobacteriales Gammaproteobacteria
Comamonas terrigena Comamonadaceae Burkholderiales Betaproteobacteria
Eikinella corrodent Pasteurellaceae Pasteurellales Gammaproteobacteria
Enterobacter cloacae Enterobacteriaceae Enterobacteriales »
Kingella denitrificans Neisseriaceae Neisseriales Betaproteobacteria
Klebsiella pneumoniae Enterobacteriaceae Enterobacteriales Gammaproteobacteria
Oligella ureolytica Alcaligenaceae Burkholderiales Betaproteobacteria
Рhotorhabdus asymbiotica Enterobacteriaceae Enterobacteriales Gammaproteobacteria
Pseudomonas fluorescens Pseudomonadaceae Pseudomonadales То же
P. luteola То же То же »
P. oryzihabitans » » »
P. putida » » »
Serratia ficaria Enterobacteriaceae Enterobacteriales »
S. grimesii То же То же »
S. liquefaciens » » »
S. marcescens » » »
S. plymuthica » » »
Shigella dysenteriae » » »
Stenotrophomonas maltophilia Xanthomonadaceae Xanthomonadales »
Tatumella ptyseos Enterobacteriaceae Enterobacteriales »
Yersinia aldovae То же То же »
ЦБМ выявлено 24 вида грибов, причем значительная часть из них (16 видов и неспо-рулирующие формы) отмечались и в составе ЦБМ. Этот факт указывает на ведущую роль зоогенного фактора в формировании микобиоты ЦБМ. Существенно меньше видов было зарегистрировано в первичных почвах (10 видов и неспороносящий тем-ноокрашенный гриб), причем 70% из них были встречены и в составе ЦБМ. Следует отметить, что в пробах ЦБМ были выявлены микромицеты, характеризующиеся как космополитные виды. Доминирующими по числу видов оказались два рода — Penicillium (8 видов) и Aspergillus (6 видов). Ранее большинство из них было выявлено нами на антропогенных субстратах в районах расположения полярных станций в западной Антарктике [8]. Этот факт указывает на существенную роль антропогенного фактора в распространении микромицетов в Антарктике и вовлечении их в сложные микробные сообщества (ЦБМ). Необходимо подчеркнуть, что большую часть представленного видового списка составляют микромицеты, известные как условные патогены человека. В связи с этим особого внимания заслуживает максимально высокая
Таблица 2. Видовой состав микромицетов, изолированных из ЦБМ и связанных
с ними местообитаний
Виды микромицетов Местообитания
ЦБМ Грунт из мест скопления птиц Первичная почва
1 2 3 4
Acremonium sp. + - -
Aspergillus Candidus + - -
A. nidulans + - -
A. niger + - -
A. ochraceus + - +
A. ustus + + -
A. versicolor + - -
Cladosporium cladosporioides + - -
C. sphaerospermum + - -
Coniosporium sp. + - -
Exophiala moniliae + - +
Fusarium spotrichioides + - -
Geomyces pannorum + + +
Gliocladium catenulatum - + +
Monodictys levis + + -
Paecilomyces javanicus + + -
P. variotii + + -
P. viridis + - +
Penicillium chrysogenum - + -
P. citrinum + + -
P. decumbens + - -
P. granulatum + + -
P. herqueri + + +
P. lanosum + + +
P. purpurescens + - -
P. purpurogenum - + +
P. spinulosum + + -
P. steckii - + -
P. verrucosum var. cyclopium + + -
P. verrucosum var. verrucosum - + -
Phaeosclera dematioides + - -
Phialemonium curvatum + - -
P. obovatum + + +
Phialophora fastigiata + - -
Phoma glomerata + - -
P. herbarum + - -
Polyscytalum fecundissimum + - -
Rhizopus stolonifer + + -
Scopulariopsis brumptii + - -
Scytalidium lignicola + - -
Septonema fasciculare + - -
Окончание табл. 2
1 2 3 4
Thelebolus globosus + + -
T. microsporus - - +
T. microsporus sp. - + -
Trichoderma viride + + -
Ulocladium chartarum + + -
Неспороносящий светлоокрашенный гриб + + -
Неспороносящий темноокрашенный гриб + + +
встречаемость грибов Aspergillus niger в ЦБМ вблизи полевой базы «Дружная-4», которая была приурочена к местам антропогенного загрязнения. Наибольшее видовое разнообразие грибов в пробах ЦБМ было зафиксировано в зонах антропогенного влияния у станции «Прогресс» (22 вида) и полевой базы «Дружная-4» (20 видов).
Полученные данные свидетельствуют о значительном представительстве в изученных образцах бактерий и грибов, характеризующихся условной патогенностью. Особенно высока их доля в пробах ЦБМ и связанных с ними субстратов на территориях, подвергающихся антропогенному воздействию. Особенности утилизации отходов, их количество на открытых участках приводят к тому, что мелкие частицы отходов переносятся ветром на значительные расстояния и оседают на поверхности снега, льда и обнажений горных пород. Таяние снега и рельеф местности концентрируют в определенных местах эти антропогенные субстраты, и они включаются в метаболизм формирующихся ЦБМ. Вместе с ними в состав матов попадают и микроскопические грибы, которые, предположительно, могут играть заметную роль в гетеротрофном блоке ЦБМ. Хозяйственная деятельность на объектах РАЭ, а также полярных станциях ряда стран приводит к значительному перемещению масс грунта: образуются временные водотоки, где также активно развиваются ЦБМ.
Заключение
Таким образом, ЦБМ в районах расположения полярных станций в Антарктике могут иметь двоякие последствия. С одной стороны, они создают биологические субстраты, которые в Антарктиде представлены весьма скудно. Они представляют собой своеобразные места концентрации микроорганизмов и в ряде случаев составляют основу Антарктических экосистем. ЦБМ обладают устойчивостью к высокому уровню УФ-излучения, препятствуют смыву потоком воды органического вещества, так как клейкие вещества скрепляют частицы грунта и тем самым защищают первичную почву от эрозии. С другой стороны, в ЦБМ могут создаваться условия сохранения и размножения (резервуар) патогенных и условно патогенных микроорганизмов. Это способно привести к изменчивости микробиоты в окружающей среде прибрежных полярных станций и представлять опасность возникновения заболеваний у людей и животных. Некоторые виды ЦБМ могут быть токсичны. С учетом наличия матов в русле водотоков и на дне водоемов, примыкающих к полярным станциям и используемых в каче-
стве источников для хозяйственно-бытовых нужд и водоснабжения, необходимо изучать ЦБМ с токсикологической точки зрения. Кроме того, в этих образованиях могут накапливаться нефтепродукты и опасные для здоровья вещества.
Практическое значение изучения ЦБМ состоит в том, что они являются объективным индикатором санитарно-эпидемиологического состояния районов размещения полярных станций и полевых баз, что может быть использовано в целях мониторинга антропогенного воздействия на экосистемы Антарктики.
Литература
1. Андреев М. П. Лишайники региона залива Прюдс (Восточная Антарктика) // Новости систематики низших растений. СПб.: Наука, 2006. Т. 39. С. 188-198.
2. Заварзин Г. А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука, 2003. 248 с.
3. Определитель бактерий Берджи / под ред. Г. А. Заварзина. М.: Мир, 1997. Т. 1-2. 800 с.
4. Герасименко Л. М., Орлеанский В. К. Актуалистическая палеонтология цианобактерий // Тр. Ин-та микробиол. им. С. Н. Вернадского. М.: Наука, 2004. Вып. 12. С. 80-108.
5. Горбунов Г. А., Панин А. Л., Тешебаев Ш. Б. Изучение механизмов взаимного влияния орнитофауны и антропогенного воздействия в районах размещения объектов Российской антарктической экспедиции в условиях прибрежной Антарктиды // Матер. II Всерос. науч.-практ. конф. «Инфекции, обусловленные иерсиниями». СПб.: НИИЭМ им. Пастера, 2006. С. 63-64.
6. Иерсинии и иерсиниозы / под ред. Г. Я. Ценевой. СПб.: Бастион, 2006. 168 с.
7. Солохина Л. В. Ассоциация Yersinia pseudotuberculosis с цианобактериями (популяционный и ультраструктурный анализ): автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 2002. 20 с.
8. Грибы на природных и антропогенных субстратах в Западной Антарктиде / Власов Д. Ю., Зеленская М. С., Кирцидели И. Ю., Абакумов Е. В., Крыленков В. А., Лукин В. В. // Микология и фитопатология. 2012. Т. 46, вып. 1. С. 20-26.
Статья поступила в редакцию 11 декабря 2012 г.
