ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1. История почвенных исследований и современные
представления о почвах Антарктиды
1.1.1. История почвенных исследований в Антарктиде
1.1.2. Современные представления о почвах в Антарктиде 9
1.2. Микроорганизмы в почвах Антарктиды 20
1.3. Механизмы выживания бактерий в
экстремальных условиях 28
1.4. Нанотрансформация бактерий в
неблагоприятных условиях 34
Глава 2. Объекты и методы исследования 41
2.1. Объекты исследования 41
2.2. Методы исследования 48
Глава 3. Результаты и обсуждение
3.1. Определение общей численности, биомассы и потенциальной
жизнеспособности прокариот 59
3.2. Определение общей численности, жизнеспособности и морфологии
фильтрующихся форм прокариот (ФФП) 71
3.3. Изменения прокариотного комплекса по ходу
сукцессии 76
3.4. Исследования разнообразия прокариот на уровне филумов при
помощи метода FISH 83
3.5 Потенциальная биологическая активность антарктических почв 89
Заключение 94
Выводы 96
Список литературы 97
Интерес к полярным областям планеты со стороны научного и экономического сообщества неуклонно растет, это связано с тем, что полярные области являются важными климатообразующими регионами планеты и источниками многих полезных ископаемых. Актуальной задачей является проведение в Антарктике комплексных научных исследований и мониторинга состояния компонентов природной среды. В настоящее время проводятся интенсивные исследования почвообразования в холодных биотопах Антарктиды. В 2010 году была принята государственная долгосрочная программа «Стратегия развития деятельности Российской Федерации в Антарктиде на период до 2020 года и на более отдаленную перспективу». Согласно плану, принятому в 2014 г. на «Совещании по определению главных научных проблем исследований Антарктики и Южного океана на период до 2035г.», изучение живых организмов на территории Антарктиды является одним из шести приоритетных направлений полярных исследований. Таким образом, развитие комплексных научных исследований Антарктиды является важной задачей для нашей страны.
Исследования почвообразовательных процессов в Антарктиде проводилось в основном в районе Сухих Долин, станции Мак-Мердо и Трансантарктических гор, а также на Антарктическом полуострове и прилегающих островах (Cameron et. al., 1970; Friedmann, 1982; V ishniac, 1993).
Данные по численности отдельных эколого -трофических групп и разнообразию микроорганизмов в антарктических почвах, полученные традиционными микробиологическими методами, обобщены в работах зарубежных авторов и относятся, в основном, к территориям Западной Антарктики (Amann et. al., 1995, Friedman et. al., 1996, Gilichinsky et. al., 2007). Приводящиеся в настоящее время интенсивные молекулярно -генетические исследования таксономического разнообразия антарктических почв также
приурочены к этим районам (Yergeau et. al., 2007, Zeng et. al., 2010).
Опубликованные данные свидетельствуют о значительной заселенности антарктических почв жизнеспособными микроорганизмами и их значительном разнообразии.
Сравнительно недавно началось систематическое изучение почв и почвоподобных тел в районе российских антарктических станций, в том числе неисследованных ранее оазисов береговой части Восточной Антарктики (Gilichinsky et al., 2010; Абакумов, 2011; Горячкин и др., 2012; Мергелов и др., 2012). Менее исследованными остаются почвы береговой части Восточной Антарктики.
В оазисах Восточной Антарктики полностью отсутствуют такие мощные почвенные преобразователи и источники гумуса как сосудистые растения с корневыми системами. Доминирование мхов, лишайников и цианобактерий создают уникальные экониши для развития микроорганизмов. В этих местообитаниях ведущая роль в процессах почвообразования принадлежит почвенным микроорганизмам, как наиболее хорошо приспособленным к жизни в экстремальных условиях.
Изучение почв Антарктиды важно не только с точки зрения понимания того, как меняется минеральный субстрат при длительном воздействием факторах с очень низким почвообразующим потенциалом, но и в качестве современных аналогов почвенных тел, существовавших на планете до появления высших сосудистых растений с корневыми системами.
Целью настоящей работы было охарактеризовать прокариотные комплексы примитивных почв Восточной Антарктиды (оазисы Холмы Ларсеманн и Холмы Тала) для получения знаний о структуре и функционировании этих сообществ.
Задачи работы:
1. Определить показатели общей численности, биомассы и потенциальной жизнеспособности прокариот в образцах почв Восточной Антарктиды;
2. Определить показатели численности и потенциальной жизнеспособности фильтрующихся форм прокариот (ФФП) и изучить морфологию ФФП при помощи просвечивающей электронной микроскопии;
3. Охарактеризовать особенности изменения почвенных прокариотных комплексов по ходу сукцессии при фиксированной влажности и двух разных температурах (+5°С и +20°С);
4. Охарактеризовать таксономическую структуру прокариотных комплексов исследуемых почв при помощи классических (метода посева) и молекулярно-биологических методов;
5. Оценить биологическую активность исследуемых почв с использованием методов газовой хроматографии (продуцирование СО2, активность азотфиксации, денитрификации и метаногенеза).
Научная новизна
Впервые исследовано распределение биомассы прокариот по почвенным микропрофилям оазисов Восточной Антарктиды и оценена потенциальная жизнеспособность клеток прокариот, выделенных из антарктических почв, с использованием красителя L7012.
Впервые установлено, что численность и содержание фильтрующихся форм прокариот (ФФП) в образцах антарктических почв были высоки, численность составила от десятков до сотен миллионов клеток в 1 г почвы, доля колебалась от 5 до 90% от общей численности, что значительно выше, чем в почвах умеренной зоны (Лысак и др., 2010).
С помощью метода FISH среди бактерий обычного размера и среди наноформ обнаруживались одни и те же филогенетические группы, что подтверждает предположение о нанотрансформации бактерий в условиях воздействия неблагоприятных факторов среды.
Впервые оценена потенциальная биологическая активность почв с использованием газохроматографических методов.
Практическая значимость работы
Полученные в ходе работы данные могут быть использованы в планировании и осуществлении будущих микробиологических исследований в Антарктике и Арктике.
Прокариотные сообщества Антарктиды могут также рассматриваться в качестве моделей для астробиологических исследований и экстраполяций (Gilichinsky et. al.,2007).
Изучение прокариотных сообществ таких крайне суровых для большинства живых организмов биотопов как Антарктида позволяет лучше понять способы сохранения жизнеспособности, разнообразия прокариот и эволюции жизни в экстремальных местообитаниях, а также определить степень участия бактерий в первичном почвообразовании в отсутствие высших сосудистых растений с развитыми корневыми системами.
Коллекция бактерий, сформированная в процессе работы, может быть использована в биотехнологии, а также в учебных целях.
Результаты проведенного исследования используются при чтении лекций по курсам «Биология почв», «Общая экология» и «Экология бактерий».
Декларация личного участия
Диссертационная работа является результатом исследований автора за период с 2012 по 2016 гг. Автор принимал участие в проведении лабораторных работ, обработке полученных данных, интерпретации полученных результатов, написании текста диссертации.
Выполнение работы было поддержано проектом РФФИ №16-04-01776а «Эндолитные и гиполитные биокосные системы как протопочвенные образования Земли: география, свойства, процессы».
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю д.б.н. Лысак Л. В., к.г.н. Мергелову Н. С., к.г.н. Долгих А. В., д.б.н. Абакумову Е. В. за предоставленные образцы антарктических почв, к.б.н. Соиной В. С. за помощь в работе методом электронной-микроскопии, д.б.н. Манучаровой Н. А. за помощь в освоении метода FISH, к.б.н. Костиной Н. В. за помощь в освоении методов газовой хроматографии, д.б.н. Петровой М. А. за освоение современных молекулярно-биологических методов, к.б.н. Лапыгиной Е. В. за содействие в люминисцентно-микроскопических исследованиях и моральную поддержку.
Проведенное комплексное исследование почв Восточной Антарктики с гиполитными и поверхностными органогенными горизонтами, а также эндолитных почвоподобных тел позволило выявить некоторые особенности прокариотных комплексов, формирующихся в этих почвах. Исследованные почвы характеризовались невысокими показателями общей численности бактерий, как правило, не выше сотен млн клеток в 1 г почвы. Выявленное высокое содержание жизнеспособных клеток (60% и выше), свидетельствует о высокой устойчивости прокариот к воздействию низких температур, а также смене режиму размораживания-оттаивания и высыхания почвы.
В почвах со сформировавшимся профилем было четко выражено уменьшение численности прокариот вниз по профилю. Выше численность прокариот была в органогенных горизонтах - каменная мостовая, обильно покрытая обрастаниями водорослей и мхов, а также в горизонте, формирующемся непосредственно под каменной мостовой, которая создает для бактерий своеобразный «тепличный эффект».
Особенностью прокариотных комплексов исследованных почв было присутствие значительных количеств фильтрующихся форм прокариот во всех исследованных образцах почв и почвоподобных тел. Численность их достигала сотен млн клеток в 1 г почвы, а содержание в разных горизонтах исследованных почв колебалось от 15 до 90% от общей численности прокариот и было выше в образцах, отобранных из каменных мостовых и горизонтов В1, то есть местообитаний наиболее сильно подверженных воздействию низких температур, а также смене режиму размораживания-оттаивания. Эти результаты согласуются с данными о высокие доли клеток бактерий мелкого размера в вечномерзлых почвах, полученных методом дифференциального центрифугирования (Соина и др., 2012).
Полученные данные о значительной численности и содержании фильтрующихся форм прокариот в исследованных почвах, высокой потенциальной жизнеспособности, морфологическом и филогенетическим разнообразии, позволяют предположить, что именно они могут быть в исследованных почвах тем пулом клеток, который позволяет бактериям сохраняться в неблагоприятных условиях внешней среды: низкие температуры, постоянное замораживание-оттаивание, недостаток органических субстратов, высыхание почвы и т.п. Этот факт свидетельствует также о высоком уровне адаптивных возможностей прокариот к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды, складывающихся в условиях Антарктиды.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
