CC BY
66
Barhutova Darima Dondokovna, candidate of biology, senior researcher, Institute of General and Experimental Biology SB RAS. 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova str, 6.
Tudupov Alamzhi Vladimirovich, postgraduate student, Institute of General and Experimental Biology SB RAS. 670047, Ulan-Ude, Sakhyanova str, 6.
Namsaraev Bair Badmabazarovich, doctor of biology, professor, head of department of experimental biology, Buryat State University. 670000, Ulan-Ude, Smolin str., 24a.
УДК 547:579(571.5)
УГЛЕВОДНЫЙ СОСТАВ ЦИАНОБАКТЕРИАЛЬНЫХ МАТОВ СОДОВЫХ ОЗЕР И ТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА
О.М. Дмитриева, Д.Д. Бархутова, А.М. Калашников
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ 10-04-93169 Монг_а,
МО РФ РНП № 2.1.1/2165, интеграционных проектов СО РАН №38 и №95.
Проведены исследования химического состава цианобактериальных матов содовых озер и термальных источников Байкальского региона. Цианобактериальные маты характеризуются высоким содержанием углеводов, что обусловлено структурной, формообразующей и защитной функциями соединений. В составе углеводов определены глюкоза, рамноза, галатоза, манноза, ксилоза, арабиноза (фукоза), фруктоза и рибоза. Несмотря на сходство видового состава, исследованные маты различались по углеводному составу.
Ключевые слова: гидротерма, содовое озеро, цианобактериальные маты, углеводы.
CARBOHYDRATE COMPOSITION OF CIANO-BACTERIAL MATES OF SODA LAKES AND SPRINGS OF BAIKAL REGION O.M. Dmitrieva, D.D. Barhutova, A.M. Kalashnikov
The chemical composition of ciano-bacterial mates of soda lakes and hot springs of the Baikal region has been investigated. Ciano-bacterial mates have a high quantity of carbohydrates because of their structural, shape-generating andprotective functions. Carbohydrates include glucose, rhamnose, galactose, mannose, xylose, arabinose (fucose) and ribose. Despite the similarity of species composition, the studied mats differed in carbohydrate composition.
Keywords: hot spring, soda lake, cyanobacterial mates, carbohydrates.
Цианобактериальные сообщества относятся к наиболее древним биоценозам. Цианобактерии в сообществах с другими бактериями определили жизнь на Земле и динамику всех химических и физических процессов на планете более чем 3 млрд лет назад. При благоприятных экологических условиях бентосные сообщества микроорганизмов образуют слоистые обрастания, которые принято называть цианобактериальными матами.
В настоящее время цианобактериальные маты встречаются в основном в биотопах, где сохранились экстремальные условия - содово-соленые озера, термальные источники и др. [1, 2]. Высокие значения температуры, рН и высокие концентрации минеральных солей ограничивают развитие высшей растительности и сопутствующих ей животных. Многие микроорганизмы характеризуются высокой устойчивостью к экстремальным условиям среды [3]. Способность микроорганизмов выживать в этих условиях связана с формированием у них механизмов адаптации к неблагоприятным факторам среды обитания. Изменение содержания органического вещества микроорганизмов и его качественного состава, возможно, является одной из защитных реакций организмов.
Наше исследование направлено на изучение углеводного состава цианобактериальных матов водных экосистем Байкальского региона.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являлись цианобактериальные маты содовых озер (Белое, Соленое, Верхнее Белое, Хилганта) и щелочных гидротерм (Алла, Сея, Гарга, Кучигер, Уро) Байкальского региона.
Температуру воды измеряли сенсорным электротермометром Prima (Португалия), значения pH -потенциометрически портативным рН-метром (pHep2, Португалия). Минерализацию вод определяли портативным тестер-кондуктометром TDS-4. Концентрацию гидрокарбонатов, карбонатов, хлоридов определяли титриметрическими методами. Содержание сульфатов в воде определяли турбидиметри-
ческим методом [4-8]. Содержание органического углерода микробных матов исследовали по методу Тюрина в модификации Никитина [9]. Идентификацию моносахаридов и редуцирующих олигосахаридов проводили с помощью углеводного анализатора ЬС 2000 (Биотроник, Германия; хроматография на анионите «Биггиш БЛх8-11»). В качестве стандарта использовали хроматографически чистые препараты. Стандартные растворы углеводов в боратном буфере (рН 8,55) готовили по точной навеске.
Результаты исследований
Исследованные содовые озера характеризовались высокими значениями водородного показателя, но различались по степени минерализации и по ионному составу воды (табл. 1).
Таблица 1
Физико-химическая характеристика воды содовых озер (г/дм3)
Озеро О н рН М НСО3' ^ т О3 С Cl' SO42'
Хилганта 29 9,5 40,0 1,37 2,45 13,80 12,20
Верхнее Белое 27 9,7 9,0 4,20 1,30 1,06 1,53
Белое 20 9,5 2,5 0,11 0,24 0,34 0,17
Соленое 23 9,9 5,6 2,17 0,98 0,15 0,24
М - минерализация
Среди физико-химических показателей гидротерм наиболее значимым является температура воды. При выходе на поверхность и по изливу она изменялась в широких пределах (табл. 2). Наиболее высокая температура отмечена на выходе вод источника Уро. Значения рН источников изменялись в пределах от 8,8 до 10,2. Воды исследованных термальных источников являлись слабоминерализованными. В воде большинства источников гидрокарбонаты преобладали над остальными анионами.
Таблица 2
Физико-химическая характеристика воды термальных источников (г/дм3)
Источник Т,°С рН М НСО3' ^ т О С Cl' SO42-
Уро, ст. 2 52,1 8,8 0,50 76,25 12,00 17,75 67,90
ст. 5 64,0 8,9 0,52 76,15 15,00 15,09 47,30
Гарга 52,0 9,0 0,75 23,18 64,80 9,83 32,53
Сея 47,0 9,7 0,30 97,60 24,00 16,51 47,40
Алла 38,0 9,0 0,30 122,00 0 14,20 67,00
Кучигер 35,5 10,2 0,80 127,01 0 17,70 92,20
В исследованных содовых озерах и термальных источниках отобраны слоистые цианобактериальные маты. В матах содовых озер зоны развития микроорганизмов чередовались с минеральными слоями. Цианобактериальные маты гидротерм, как правило, представляли собой плотные слоистые структуры. Большинство матов имели студневидную консистенцию. Основу матов в большинстве случаев составляли цианобактерии рода Ркогт!ётт. Для матов высоко минерализованного озера Хилганта также было характерно развитие М!сгосо1еш. В матах гидротерм вместе с формидиумами в большом количестве встречались цианобактерии родов Oscillatoria, Mastigocladus, АпаЬаепа. Исследование химического состава показало, что цианобактериальные маты являются высокопродуктивными системами. Они характеризовались достаточно высоким содержанием Сорг (рис. 1). Процессы образования ОВ более интенсивно протекают в цианобактериальных сообществах гидротерм, чем в матах содовых озер. Содержание органического углерода в матах содовых озер находилось в пределах от 12,62 до 19,07%, в матах гидротерм - от 16,10 до 23,86%. Следует отметить, что методика определения Сорг предусматривает расчет углерода по глюкозе. Учитывая, что содержание углерода в глюкозе составляет порядка 40%, можно предположить, что общее содержание ОВ в исследованных матах будет находиться в пределах 25-75%.
Большая часть ОВ матов представлена углеводами. На долю последних приходится более половины ОВ микробных сообществ. Содержание углеводов в матах составляло 10-24%. При этом количество углеводов в матах содовых озер варьировало незначительно, тогда как содержание углеводов в матах гидротерм изменялось в более широких пределах.
□ Сорг
П Карбонаты
□ Зола
□ Углеводы
Рис. 1. Химический состав цианобактериальных матов содовых озер и гидротерм (в % от сухого веса)
Содержание углеводов в матах, основу которых составляли цианобактерии, совпадает с содержанием углеводов в накопительных культурах цианобактерий. Согласно литературным данным, цианобактерии могут накапливать от 17 до 43% углеводов. В отдельных случаях общее содержание углеводов в цианобактериях достигало 70% [10, 11]. Высокое содержание углеводов в матах исследованных водоемов может быть обусловлено их важной ролью в функционировании и развитии микробных сообществ. Углеводы входят в состав чехла, клеточной стенки цианобактерий. Кроме того, углеводы могут накапливаться в старых культурах и при действии неблагоприятных факторов. При неблагоприятных условиях окружающей среды (высоких значениях температуры, рН, минерализации) наблюдается ослизнение микробных матов за счет образования микроорганизмами экзополимеров. В состав экзополимеров входят соединения углеводной природы [12, 13].
Изучение углеводного состава (в мольных соотношениях относительно рамнозы) цианобактериальных матов водных экосистем Байкальского региона позволило идентифицировать сахара, которые также присутствуют в составе углеводов цианобактерий [14, 15]. В составе углеводов матов содовых озер, термальных источников и в культурах цианобактерий Ph. frigidum и O. Brevis определены глюкоза, рамноза, галатоза, манноза, ксилоза, арабиноза (фукоза), фруктоза и рибоза. Также в цианобактериальных матах выявлено неидентифицированное соединение, концентрация которого была невелика. При выбранных условиях хроматографирования соединение по времени удерживания было близко к рамнозе. Также следует отметить, что с применением хроматографического метода анализа не удалось разделить арабинозу и фукозу. Время удерживания данных моносахаридов совпадало. По литературным данным, оба сахара могут входить в состав углеводов цианобактерий.
Как в матах, так и чистых культурах цианобактерий глюкоза, галактоза, арабиноза, манноза и ксилоза были наиболее распространенными сахарами, что соответствует ранее проведенным исследованиям. Эти моносахариды обнаружены в составе клеточной стенки, чехлов и экзополисахаридов цианобактерий [15-17] (табл. 3, 4, рис. 2). Рибоза и фруктоза были выявлены не во всех образцах. Рибоза определена в матах озер Белое, Верхнее Белое, в матах гидротермы Сея. Фруктоза не выявлена в образцах озер Соленое и Белое, минеральных источников Сея (плавающий мат), Уро (ст. 5).
Анализ углеводного состава цианобактериальных матов содовых озер и минеральных источников показал, что из простых углеводов преобладали глюкоза и галактоза. Высокое содержание глюкозы, видимо, связано с тем, что данный моносахарид является важным структурным и метаболическим компонентом клетки [10, 11]. Галактозамин входит в состав пептидогликана цианобактерий [13, 16]. Целлобиоза идентифицирована в составе углеводов цианобактериального мата источника Кучигер и культуры цианобактерии O. brevis. Осциллаториевые цианобактерии являлись содоминантами фор-мидиума в матах гидротерм Кучигер, Сея (придонный мат) и оз. Верхнее Белое. Однако наличие дисахарида выявлено только в мате источника Кучигер. Возможно, целлобиоза может продуцироваться цианобактериями рода Oscillatoria. Также наличие целлобиозы только в составе мата гидротермы Кучигер может свидетельствовать о достаточно высокой активности целлюлозообразующих бактерий мата.
Таблица 3
Углеводный состав цианобактериальных матов содовых озер (в мольных соотношениях относительно рамнозы)
Белое Соленое Верхнее Белое Хилганта
рамноза 1 1 1 1
манноза 0,98 0,83 0,86 1,15
галактоза 3,99 1,92 3,01 3,19
ксилоза 1,48 0 1,05 0,37
глюкоза 8,5 10,79 4,27 9,57
арабиноза (фу-коза) 4,61 н.о. 4,49 2,54
фруктоза н.о. н.о. 0,13 0,59
рибоза 0,34 н.о. 0,35 н.о.
н.о. - не обнаружено
Таблица 4
Углеводный состав цианобактериальных матов гидротерм (в мольных соотношениях относительно рамнозы)
Алла Сея у“'',-'лприпои. мат Сея ч-'^лплав. мат Гарга Кучигер Уро, ст. 2 Уро, ст. 5
Рамноза 1 1 1 1 1 1 1
Манноза 0,72 6,48 4,45 4,23 1 11,27 5,37
Г алактоза 1,47 3,87 4,77 5,42 1,06 14,44 5,96
Ксилоза 0,73 2,22 2,56 5,6 0,14 9,75 4,94
Глюкоза 4,23 4,96 5,51 5,84 6,25 19,31 5,43
Арабиноза (фукоза) 0,84 н.о. 1,17 1,32 0,52 н. о. 0,83
Фруктоза 0,21 0,42 н.о. 0,46 0,84 0,86 н.о.
Рибоза н.о. 0,14 н.о. н.о. н.о. н.о. н.о.
Целлобиоза н.о. н.о. н.о. н.о. 0,61 н.о. н.о.
н.о. - не обнаружено
_ ^ —«
_ ^
_ /
Л С_ т Л
О Os. brev is О Ph. frigidum
/ / / / // //
Мо носахариды
Рис. 2. Углеводный состав Phormidium frigidum и Oscillatoria brevis
Несмотря на сходство видового состава, исследованные маты щелочных гидротерм и содовых озер отличались по количественному составу углеводов. В цианобактериальных матах содовых озер определено наиболее высокое содержание галактозы и арабинозы (фукозы). Кроме того, мольное соотношение маннозы в матах содовых озер было близко к единице. В сообществах гидротерм отмечены более высокие мольные соотношения ксилозы.
В содовых озерах Верхнее Белое и Хилганта, гидротермах Сея и Уро отобраны маты с двух станций. Сравнительное изучение углеводного состава матов показало, что количественные соотношения и качественный состав матов из одного водоема отличались. Углеводный состав исследованных
культур цианобактерий Ph. frigidum и O. brevis различался. Изучение углеводного состава показало, что культуры цианобактерий и маты содовых озер и гидротерм также различались по составу углеводов.
Таким образом, развитие цианобактериальных матов зависит от экологических условий среды. В термальных источниках главным физико-химическим фактором среды, оказывающим влияние на формирование матов, является температура [3]. Формирование цианобактериальных матов в содовосоленых озерах определяется минерализацией, соленостью и рН. Для цианобактериальных матов щелочных озер и гидротерм характерно высокое содержание углеводов. Это обусловлено тем, что углеводы являются структурным компонентом клетки, а также выполняют формообразующую и защитную роль в микробных матах экстремальных экосистем [1]. Содержание углеводов наиболее высоко в матах гидротерм, что, возможно, обусловлено экологическими условиями их развития. Цианобактериальные маты значительно различались по углеводному составу. Также следует отметить, что Ph. frigidum и O. brevis различались по составу и содержанию сахаров. Ранее проведенные исследования цианобактериальных матов минерализованных водоемов Арабских Эмиратов [14] и Полинезии [15] показали, что углеводный состав цианобактериальных матов не зависит от видового состава микроорганизмов. Следует отметить, что в исследованных матах щелочных экосистем преобладали глюкоза и галактоза.
Литература
1. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. - М.: Наука, 2003. - С. 67-102.
2. Герасименко Л.М., Ушатинская Г.Т. Цианобактерии, цианобактериальные сообщества, маты, биопленки // Бактериальная палеонтология. - М.: ПИН РАН, МГУ. - 2002. - С. 36-47.
3. Горленко В.М., Старынин Д.А., Бонч-Осмоловская Е.А., Качалкин В.И. Продукционные процессы в микробных сообществах горячего источника Термофильного // Микробиология. - 1987. - Т.56. Вып. 5. - С. 872-878.
4. Алекин О.А., Семенов А.Д., Скопинцев Б.А. Руководство по химическому анализу вод суши. - Л.: Гидрометеоиздат, 1973. - 269 с.
5. Методы гидрохимических исследований основных биогенных элементов. - М.: Изд-во ВНИРО, 1988. - С. 69-71.
6. Романенко В.И., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных водоемов. Лабораторное руководство. - Л.: Наука, 1974. - 194 с.
7. Кузнецов С.И. Методы изучения водных микроорганизмов. - М.: Наука, 1989. - 288 с.
8. Trüper H.G., Schlegel H.G. Sulphur metabolism in Thiorodacea // Antonie Van Levenhoek. - 1964. - P. 225-238.
9. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв // Агрохимия. - 1972. - №3. - С. 245.
10. Барашков Г.К. Сравнительная биохимия водорослей. - М.: Пищевая промыш., 1972. - 336 с.
11. Гусев М.В. Цианобактерии (физиология и метаболизм). - М.: Наука, 1979. - 228 с.
12. Заварзин Г.А. Развитие микробиальных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. - М.: Наука, 1993. - С. 212-222.
13. Sangar V.K., Dugan P.R. Polysaccharide produced by Anacystis nidulans: its ecological implication //Applied microbiology.
- 1972. - V.24, Nov. - P. 732-734.
14. Moers M.E., Larter S.R. Neutral monosaccharides from a hypersaline tropical environment: applications to the characterization of modern and ancient ecosystems // Geochimica et cosmochimica acta. - 1993. - V. 57, №13. - Р. 3063-3071.
15. Rougeaux H., Guezennec M., Lydia Mao Che and oth. Microbial communities and exopolysaccharides from Polynesian mats // Marine Biotechnology. - 2001. - V.3. - P. 181-187.
16. Schneider S., Jürgens U.J. Cell wall and sheath constituents of the cyanobacterium Gloeobacter violaceus //Archives of microbiology. - 1991. -V.156. - P. 321-318.
17. Hoiczyk E. Structural and biochemical analysis of the sheath of Phormidium uncinatum // J. of Bacteriology. - 1998. - Aug.
- P. 3923-3932.
Дмитриева Ольга Михайловна, кандидат биологических наук, старший преподаватель, кафедра органической химии, Бурятский государственный университет, 670000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, [email protected]
Бархутова Дарима Дондоковна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, лаборатория микробиологии, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, darima [email protected] Калашников Александр Михайлович, аспирант, Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6, karfagenqq1 @rambler.ru
Dmitrieva Ol'ga Mikhailovna,candidate of biology, senior lecturer, department of organic chemistry, Buryat State University. Barhutova Darima Dondokovna, candidate of biology, senior researcher, laboratory of microbiology, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.
Kalashnikov Alexandr Mikhailovich, postgraduate student, Institute of General and Experimental Biology SB RAS.
