Введение
ГЛАВА 1. Микробные сообщества экосистем минеральных источников 9
1.1. Микроорганизмы и их роль в природе 9
1.2. Характеристика минеральных источников как местообитания микроорганизмов 9
1.3. Разнообразие микробных сообществ термальных минеральных источников 12
1.3.1. Микробные сообщества термальных минеральных источников 13
1.3.2. Использование методов молекулярной экологии для изучения разнообразия микроорганизмов в микробных сообществах минеральных источников 14
1.3.3. Изучение микробного разнообразия минеральных источников методами молекулярной экологии 21
1.3.4. Влияние экологических условий на формирование и развитие микробных сообществ минеральных источников 24
1.3.5. Функциональная активность микробного сообщества минеральных источников 29
1.3.6. Участие микробных сообществ минеральных источников в круговороте серы 32
1.4. Заключение к обзору литературы 43
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 45
2.1. Описание экосистем минеральных источников Восточного Саяна 45
2.2. Методы исследования 48
2.2.1. Методы отбора проб 48
2.2.2. Физико-химические методы исследования 48
2.2.3. Методы определения скорости микробных процессов 49
2.2.4. Методы учета численности и выделения основных групп микроорганизмов
2.2.5. Методы изучения культуральных и физиолого-биохимических свойств бактерий 54
2.2.6. Электронно-микроскопические методы 54
2.2.7. Методы изучения пигментного состава 55
2.2.8. Молекулярно-биологические методы 55
2.2.9. Методы статистической обработки результатов 57
ГЛАВА 3. Результаты исследований и их обсуждение 58
3.1. Экологические условия среды обитания микробных сообществ минеральных источников Хойто-Гол и Жойган 58
3.2. Микробные маты минеральных источников Хойто-Гол и Жойган 61
3.3. Продукция и деструкция органического вещества в минеральных источниках Хойто-Гол и Жойган 67
3.4. Состав микробных сообществ на основании анализа последовательностей нуклеотидов гена 16S рРНК 71
3.5. Сравнительный анализ биоразнообразия микробных сообществ минеральных источников Хойто-Гол и Жойган 80
3.6. Количественный учет различных физиологических групп микроорганизмов минеральных источников Хойто-Гол и Жойган 82
3.7. Выделение и характеристика бактерий минеральных источников Хойто-Гол и Жойган 84
3.7.1. Характеристика аноксигенных фототрофных бактерий 84
3.7.2. Характеристика сероокисляющих бактерий 89
3.7.3. Характеристика целлюлозоразлагающих бактерий 91
3.7.4. Характеристика сульфатредуцирующих бактерий 94
3.7.5. Характеристика железоредуцирующих бактерий 98
Заключение 101
Выводы 103
Список сокращений и условных обозначений 105
Список литературы 106 Микробное сообщество представляет совокупность взаимодействующих между собой функционально различных микроорганизмов. Основу связей в сообществе, объединяющих его в единое целое, представляют трофические связи, обусловленные образованием и использованием веществ микроорганизмами. Сообщество микроорганизмов функционирует как единое целое с кооперативными трофическими связями, определяющими план химических взаимодействий (Заварзин, 2003). Из имеющегося набора функционально сходных организмов доминируют те из них, чьи кинетические характеристики более всего соответствуют условиям, складывающимся в сообществе. Формирование различных типов микробных сообществ в минеральных источниках определяются физико-химическими параметрами окружающей среды, такими, как температура, рН, освещение, содержание сероводорода и сульфидных ионов и другие (Намсараев и др., 2011). Микробные сообщества термальных источников представляют значительный интерес с точки зрения эволюции биосферы как аналоги сообществ, доминировавших на ранних этапах развития жизни на Земле (Заварзин, 2001, 2011; Walter et. al., 1998; Nisbet, Sleep, 2001). Микробные сообщества минеральных источников могут обладать значительной биомассой и образовывать так называемые микробные маты (Franks, Stolz, 2009).
Микробные маты представляют собой автономные сообщества с тесным взаимодействием трофических групп, где присутствуют и продукционная ветвь углеродного цикла, осуществляемая фототрофными бактериями, и деструкционная ветвь, осуществляемая различными группами бактерий. Эдификатором, или формообразующим компонентом, этих сообществ обычно служат цианобактерии (Заварзин, 2003). Основными первичными продуцентами в микробных матах могут быть фотоавтотрофы (например, цианобактерии, пурпурные фототрофы, зеленые фототрофы) или хемолитоавтотрофы (например, бесцветные сероокисляющие бактерии). Анаэробные фототрофы могут преобладать в органических богатых средах, которые поддерживают высокий уровень дыхания. Эти сообщества являются динамическими системами, проявляющими пространственную и временную неоднородность (Franks, Stolz, 2009).
Микробные маты стали излюбленным объектом изучения взаимодействия разных трофических групп микроорганизмов. Минеральные источники были предложены в качестве модельных местообитаний для изучения закономерностей формирования и функционирования микробных матов (Miller et al., 2009). Формирование микробных матов определяется многими факторами, такими, как температура, рН, освещение, содержание сероводорода, химический состав воды; расстояние от выхода источника также может влиять на сукцессию микроорганизмов (Skirnisdottir et al., 2000; Everroad et al., 2012).
Использование методов молекулярной экологии для изучения разнообразия микроорганизмов в микробных сообществах минеральных источников Идентификация и характеристика микробных сообществ в различных экосистемах ранее были ограничены культивируемыми видами. Общепризнано, что до 99,9% микроорганизмов, присутствующих во многих природных средах обитания, относятся к некультивируемым, и поэтому не доступны для использования в биотехнологии или фундаментальных исследований (Amann et al., 1995). Классическими методами культивирования и получения чистых культур микроорганизмов выделяются преимущественно хорошо адаптированные к условиям культивирования или хорошо растущие организмы, а некультивируемые организмы остаются неизвестными (Rappe, Giovannoni, 2003; Gilbride et al., 2006). Получение чистых культур, их поддержание, изучение физиолого-биохимических свойств, идентификация с использованием традиционных методов и подходов занимают много времени и материальных затрат. В последнее время благодаря применению современных молекулярно-биологических методов, стало возможно провести подробные оценки биоразнообразия прокариот в природных образцах, структуры и динамики культивируемых и некультивируемых микробных сообществ, намного шире узнать их качественный и количественный состав, экологию и физиологию, анализировать сложные геномы микробных ниш, развитие новых форм биологических систем и открытие новых функций, которые могли бы эксплуатироваться в биотехнологических и биомедицинских целях (Современная микробиология, 1999; Streit, Schmitz, 2004; Alsop et al., 2014).
В настоящее время существуют различные молекулярно-биологические методы изучения микробного разнообразия и функциональности в окружающей среде. Эти методы основаны на характеристике клеточных компонентов, таких как нуклеиновые кислоты, белки, жирные кислоты и других таксонов специфических соединений (Rossello-Mora, Amann, 2001). Краткая характеристика основных методов, применяемых для исследования и описания микробного разнообразия, приведена в таблице 1. В настоящее время нет ни одного метода, который может адекватно описать все микробное разнообразие. Каждый метод имеет свои недостатки в связи с внесением смещений для исследования микробного разнообразия. Молекулярно-биологические методы исследования часто требуют знания последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Для определения нуклеотидной или аминокислотной последовательности биополимеров проводится их секвенирование. Все известные методы секвенирования делят на классические и нового поколения. К классическим методам секвенирования относят методы Сэнгера-Коулсона («плюс-минус» метод), Максама-Гилберта (метод химической деградации), Сэнгера (метод дидезоксинуклеотидов) и другие.
