Биогеохимическая роль анаэробного окисления метана в морских донных отложениях и перспективы исследований бактериального фильтра в Южном океане
С.С. Дубовчук, А.Л. Пономарева, М.С. Бакунина, А.И. Еськова, Р.Б. Шакиров, А.И. Обжиров, Н.С. Полоник
Аннотация
бактериальный органический метан
Морские донные отложения представляют собой крупнейший резервуар органических веществ на Земле. Биогеохимический цикл метана в воде связывает aнаэробную деструкцию органического вещества с процессами продукции.
Этот цикл состоит из образования и окисления метана, в которых участвуют специализированные группы микроорганизмов, играющие важную роль в глобальном цикле органического вещества и газовом режиме океанов. Метанотрофные микроорганизмы окисляют метан как аэробно, так и анаэробно, значительно уменьшая выброс этого парникового газа в атмосферу.
Среди акваторий Мирового океана перечисленные процессы менее всего изучены в полярных регионах, несмотря на их важное значение в исследовании потоков парниковых газов, влияющих на глобальные климатические изменения.
Перечисленные аспекты требуют усиления исследований и в Южном океане, так как метанотрофные прокариоты играют важную роль в экологии и функционировании высокобиопродуктивных экосистем. Сегодня наше понимание филогенетического разнообразия, возможностей генома и специфических адаптаций к этому в постоянно холодной среде и в анаэробных условиях донных отложений недостаточно.
В ходе научной экспедиции РАН на НИС «Академик Мстислав Келдыш» (рейс 79) нами обнаружены аномалии метана до 1000 нл/л в придонном слое толщи вод в районе прол.
Брансфилда, а также штаммы термофильных, нефтеокисляющих и метанотрофных микроорганизмов, исследование которых в береговых лабораториях представляет большой интерес.
В статье дан обзор актуальности и перспективных направлений исследований по проблеме газотрофных микроорганизмов в Южном океане.
Ключевые слова: метан, метанотрофные микроорганизмы, Южный океан, анаэробное окисление, сульфатредукция, денитрификация, обратный метагенез.
Abstract
бактериальный органический метан
Biogeochemical role of anaerobic methane oxidation in marine bottom sediments of the Southern Ocean
S.S. Dubovchuk, A.L. Ponomareva, M.S. Bakunina, O.I. Eskova, R.B. Shakirov, A.I. Obzhirov, N.S. Polonik
Marine bottom sediments are the largest reservoir of organic matter on Earth. The biogeochemical cycle of methane in water links the anaerobic destruction of organic matter with production processes. This cycle consists of the formation and oxidation of methane, which involves specialized groups of microorganisms that play an important role in the global organic matter cycle and the gas regime of the oceans. Methanotrophic microorganisms oxidize methane both aerobically and anaerobically, significantly reducing the release of this greenhouse gas into the atmosphere.
Among the world's oceans, these processes are least studied in polar regions, despite their importance for studying greenhouse gas flows that affect global climate changes. These aspects require increased research in the Southern Ocean, as methanotrophic bacteria play an important role in the ecology and functioning of highly bio-productive ecosystems.
To date, our understanding of phylogenetic diversity, genome capabilities and specific adaptations to this in a constantly cold environment and in anaerobic conditions of bottom sediments is limited. During the scientific expedition of the Russian Academy of Sciences aboard the R/V "Academic Mstislav Keldysh”, flight 79, we found anomalies of methane up to 1000 nl/l in the bottom layer of the water column in the area of the Bransfield Strait, as well as strains of thermophilic, oil-oxidizing and methanotrophic bacteria, which analysis in coastal laboratories is of great interest.
The article provides an overview of the relevance and perspective directions of research on the problem of gastrophic microorganisms in the Southern Ocean.
Key words: methane, methanotrophic bacteria, Southern Ocean, anaerobic oxidation, sulfate reduction, denitrification, reverse metagenesis
Введение
Исследования микробного разнообразия и возможностей генома в полярных средах позволяют составить представление о структуре и функциях полярных экосистем, а также изучить факторы изменения климата на основе полярной пищевой цепи. Значи-тельная часть органического вещества вначале ассимилируется в микробной трофической цепи и только потом усваивается планктоном. Бактерии являются важнейшим компонентом пищевой сети: автотрофные бактерии могут доминировать среди продуцентов в олиготрофных и холодных морях Южного океана и вносят ключевой вклад в общий объем первичной продукции [1, 28]. Поэтому бактериальное изобилие и биомасса являются ключевыми параметрами биологической продуктивности в водных экосистемах. Кроме этого, бактерии являются индикатором многих процессов, например, газовой эмиссии, климатических изменений, антропогенного воздействия. Для оценки этих воздействий наиболее показательной является оценка структуры и пространственной организации микробиальных экосистем, в том числе газотрофных, которые влияют на развитие фито- и зоопланктона, в свою очередь являющихся основой питания биоресурсов, таких как антарктический криль [18]. Полярная морская среда уникальна. В большей части Южного океана морская вода постоянно имеет температуру -1,8 °С. Однако, в отличие от глубокого океана, полярные морские среды подвергаются экстремальным сезонным колебаниям ледяного покрова, уровня освещенности и продолжительности дня. Это сильно влияет на биологические процессы и приводит к высоким показателям первичной продукции и взрывному росту биомассы летом. Полярные среды чувствительны к глобальному потеплению, где минимальные перепады температур могут существенно влиять на протяженность и толщину морского льда [2].
Исследования цикла метана показывают, что микробиологические процессы его кру-говорота имеют большую экологическую значимость, поскольку влияют на структуру и функциональные особенности водной экосистемы в целом. Так, при бактериальном окис-лении метана снижается содержание растворенного кислорода в воде, выделяется диоксид углерода и образуется органическое вещество (ОВ) в процессе хемосинтеза. Поступление метана в виде газовых пузырьков из донных отложений в водную толщу способствует перемешиванию верхних горизонтов илов и придонной воды, ускоряет вынос главным образом углерод- и aзотсодержащих соединений со дна с газами и поровым раствором [1]. Метан является субстратом для микроорганизмов бактериального газового фильтра (метанотрофы, нитрифицирующие, тионовые, водородные микроорганизмы, a также автотрофные группы).
Метан - наиболее экологически значимый углеводород вследствие его биологического производства метаногенными археями в морских отложениях, болотах, пресноводных системах и других анаэробных средах, а также его роли в качестве парникового газа [7]. Считается, что анаэробное окисление метана (АОМ) приводит к удалению более 300 Тг метана в год в океанических системах [14, 32]. Таким образом, с точки зрения изменения климата АОМ служит значительным парниковым «стоком». АОМ может быть сопряжен с уменьшением содержания сульфатов, нитратов и нитритов [18], марганца [5] и железа [3, 5, 8, 38, 40, 49].
Долгое время считалось, что окисление метана в анаэробных условиях невозможно, поэтому предполагалось, что основной зоной бактериального окисления метана являются поверхностные воды. Наиболее широко распространенные аэробные метанотрофные микроорганизмы - представители alpha- и gamma протеобактерий, а также Verrucomicrobia. В последние 30 лет изучены некоторые механизмы, позволяющие археям окислять метан без присутствия кислорода, и выдвинута теория о ведущей роли донных отложений в его биогеохимическом цикле. В гипоксидных и даже в анаэробных условиях выявлены археи, которые образуют синтропную связь с другими функциональными типами микроорганизмов, например, сульфатредуцирующими, фототрофными, метилотрофными, и используют альтернативные акцепторы электронов для окисления метана [15].
Цель настоящей работы - описание биоразнообразия метанотрофных архейных со-обществ и возможных механизмов анаэробного окисления метана микроорганизмами в морских донных отложениях Южного океана, главным образом на основе литературных материалов.
Перспективы исследования анаэробного окисления метана микроорганизмами в донных отложениях Южного океана
Анаэробное окисление метана - глобально важный, но плохо изученный про-цесс, наше понимание которого углубил приведенный ниже ряд аргументов. Во-первых, исследования последних морских отложений показывают, что за анаэробное окисление метана отвечает консорциум метаногенов и сульфатвосстанавливающих бактерий; был предложен механизм «обратного метаногенеза», основанный на принципе межвидового переноса водорода. Во-вторых, исследования известных метаногенов в условиях низкого содержания водорода и высокого содержания метана не смогли индуцировать окисление метана, что указывает на то, что «обратный метаногенез» не является широко распространенным процессом у метаногенов. Наконец, филогенетические исследования показывают, что в окислении метана участвуют только определенные группы архей- и сульфатредуцирующих бактерий (СРБ).
Исследования микробиоты Южного океана достаточно отрывочны [14, 26]. Однако в последнее десятилетие выявлены обширные филогенетические группы, такие как морская группа I Crenarchaeota, a-Proteobacteria (связанные с Roseobacter и SAR-11 кластеры), Y-Proteobacteria (как культивируемые, так и некультивированные группы) и Bacteriodetes. Результаты первоначальных исследований геномики как культивируемых организмов, так и геномов, выделенных из образцов, полученных из Южного океана, показывают, что у этих организмов существует множество уникальных особенностей, которые способствуют их выживанию в высокоширотных, постоянно холодных условиях. Полярные морские метанотрофные микроорганизмы в Южном океане с экологической и геномной точек зрения находятся на ранней стадии изучения. Первоначальные исследования разнообразия бактерий предполагают, что оно, по-видимому, конкурирует с другими океанскими системами, хотя многие полярные филотипы несут отчетливый биогеографический характер [14]. Для мирового океана к настоящему времени уже произведена количественная оценка роли анаэробного окисления метана в глобальном цикле этого парникового газа. Данная информация необходима, если мы хотим понять особенности адаптации организмов к жизни в условиях холода, описать эволюционную историю психрофилов и, что важно, предсказать последствия изменения климата, такие как уменьшение морского льда и его влияние на круговорот углерода, в частности метана, в полярных океанах [26]. В ходе научной экспедиции РАН на НИС «Академик Мстислав Келдыш», рейс 79, нами были обнаружены аномалии метана до 1000 нл/л в придонном слое толщи вод в районе прол. Брансфилда, а также штаммы термофильных, нефтеокисляющих и метанотрофных микроорганизмов, представляющие интерес для изучения в береговых лабораториях после окончания экспедиции. Пробы воды отобраны из придонного слоя с температурой около -1 °С. Аномалия метана обнаружена во впадине, соседствующей с возвышением с перепадом отметок до 1000 м.
Ранее в данном районе были обнаружены активные гидротермальные системы типа «курильщиков», которые выбрасывают в толщу вод нагретые флюиды. В местах гидротермальных выходов наблюдается активное развитие фауны [46].
Филогенетическое разнообразие анаэробных метанотрофных микроорганизмов
Внутри архей выделено 3 кластера, причисляемых к филуму Euryarchaeota: ANME-1, ANME-2 и ANME-3, способных к анаэробному окислению метана. При этом при анализе филогении гена 16S рРНК установлено, что кластеры ANME не являются монофилетичными.
Предполагается, что кластеры ANME, которые описаны к настоящему времени, включают в себя ANME-1, ANME-2 и ANME-3. Кластер ANME-1 (подкластеры a и b) на-ходится внутри класса Methanomicrobia, а также имеет отдаленное родство с порядками Methanomicrobiales и Methanosarcinales. Кластер ANME-2 дополнительно переработан в подкластеры a/b (ранее считавшиеся двумя отдельными) и подкластеры c и d. Подкласте-ры ANME-2a и ANME-2b формируют сцепленную группу, отделенную от подкластера ANME-2c, и поэтому их часто обозначают как ANME-2a/b. Археи подкластера ANME-2d, позже переименованного в подкластер GOMarc I, или AAA (AOM (anaerobic oxidation of methane - associated archaea)), осуществляют нитратзависимое aнаэробное окисление ме-тана. Для них описан кандидатный вид Ca. Methanoperedens nitroreducens. Другие aрхеи кластеров ANME осуществляют сульфатзависимое окисление метана [42, 44].
Кластер ANME-2 тесно связан с культивируемыми членами Methanosarcinales, кластер ANME-1 относится к Methanomicrobiales и Methanosarcinales [13], кластер ANME-3 является наиболее родственным Methanococcoides spp. [17]. Из-за этой расходящейся таксономии ожидается, что между кластерами ANME существуют разные экологические и физиологические ниши. Все типы ANME встречаются в одной и той же морской среде, но демонстрируют различное формирование зоны в микробных матах. Кластеры ANME-1 и ANME-2 распространены наиболее широко, тогда как ANME-3 обнаружен в основном в грязевых вулканах [18, 21, 27]. ANME-2 доминировал в поверхностных слоях отложений гидратного хребта, а ANME-1 обнаружен в более глубоких слоях отложений с пониженным содержанием сульфатов и повышенными концентрациями сульфидов [17]. В другом исследовании показано, что ANME-2a/b является более преобладающим при низких уровнях метана и низких концентрациях сульфидов, a доминирование ANME-2c происходит в более глубоких слоях отложений, ближе к газогидратам, где концентрация метана и сульфида относительно высокая [33]. Также рядом других aвторов зафиксирован экологический переход ANME-2a/b к ANME-2c и/или ANME-1 с увеличением глубины отложений [28, 33]. Поскольку многие другие неконтролируемые факторы распространены in situ, трудно напрямую определить, какие факторы действительно влияют на присутствие, активность и рост подтипа ANME.